CN106573390A - 粘土结构的沉积 - Google Patents

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Abstract

一种印刷方法，包括将粘土混合物与碱剂混合以形成可印刷混合物；由可印刷混合物形成粒料；从印刷头喷射该粒料至印刷表面上；以及固化该粒料。

Description

粘土结构的沉积
背景技术
三维印刷或者增材制造(additive manufacturing)由数字模型形成三维物体。通常利用聚合物，通过连续形成物体的层来形成该物体。然而，可以将其他的材料，如金属、橡胶、粘土、水泥、石膏甚至纸用于增材制造。当将粘土或水泥用于增材制造时，其通常在管线(line)中挤出以形成层。
在形成海底(subsea，水下)结构中，通常根据期望的结构使用不同的建造方法。在大规模的土地开垦操作中，疏浚团聚体，运输至新的位置，然后通过倾倒或其他方式堆积以形成新土地。该新建土地的体积、稳定性和侵蚀性能受形成新土地所施加的质量(mass)的规模和密度限制。开垦的土地的规模近似等于疏浚的团聚体所施加的质量，并且因此还与疏浚的团聚体运至该开垦部位运输的容量成比例。
对于更加精确的海底结构，可以使用各种方法。例如，可以制备并且放置大型的玄武岩和/或混凝土块以形成海底壁或海岸防护屏障。因此，尽管产生、运输和布置该大型块可能是困难的且耗费的，但是该结构的稳定性和精度较高。其他的海底结构要求临时的坝墙建造或其他方法以抑制水同时建造期望的结构。因此，这些类型的技术要求使用大规模财政投资的集中制造。
发明内容
一种印刷方法，包括将粘土混合物与碱剂混合以形成可印刷混合物；由可印刷混合物形成粒料；将该粒料从印刷头喷射到印刷表面(印刷面，printing surface)上；以及固化该粒料。
该方法允许从粘土混合物印刷精确的且有时复杂的结构，其将固化成硬且稳定的结构。
根据一个实施方式，印刷表面是海底。
根据一个实施方式，该方法包括在该印刷表面周围形成密封环境。
根据一个实施方式，形成密封环境的步骤包括注入蒸汽和/或压缩空气以在一部分印刷头和印刷表面周围形成蒸汽或压缩空气气泡。
根据一个实施方式，该方法进一步包括使用激光以施加用于印刷粒料的固化热量。
根据一个实施方式，用于形成密封环境的源提供用于固化的热量。
根据一个实施方式，该方法进一步包括存储粒料。
根据一个实施方式，形成粒料的步骤包括挤出可印刷混合物。
根据一个实施方式，形成粒料的步骤进一步包括将挤出的混合物切割成粒料。
根据一个实施方式，使用喷水器(water jet，水射流)将混合物切割成粒料。
根据一个实施方式，该方法进一步包括由一个或多个盒(cartridge，柱体，管壳，鼓盒)向印刷头供应可印刷混合物。
根据一个实施方式，该方法进一步包括分析疏浚组分；将疏浚组分(dredgedcomponent)与地质聚合物组分和/或水混合；并且向一个或多个盒供应该可印刷混合物。
根据一个实施方式，该方法进一步包括移动印刷头以在不同位置喷射粒料。
根据本发明的另一方面，印刷机包括用于将粘土与碱剂混合以形成可印刷混合物的装置；以及将可印刷混合物形成为粒料并且将粒料引向印刷表面的印刷头。
这种印刷机能够通过形成和喷射粒料的能力由粘土混合物准确和精确印刷复杂的物体或结构。然后，粒料能够变形并与印刷表面结合以形成物体或结构。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括在印刷表面引导的用于固化的热源。可选地，热源可以是蒸汽和/或激光。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括用于将可印刷混合物提供至印刷头的一个或多个盒。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括在印刷头中的形成用于喷射的粒料的切割系统。
根据一个实施方式，切割系统包括喷水器。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括用于容纳印刷机的框架。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括用于控制印刷头的运动和方向的运动控制系统。
根据一个实施方式，印刷表面是海底表面。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括在至少一部分印刷头和印刷表面周围形成密封环境的密封系统。
根据一个实施方式，密封系统包括在印刷表面引导的压缩空气和/或蒸汽传送系统(a compressed air and/or steam delivery system directed at the printingsurface，针对印刷表面的压缩空气和/或蒸汽传送系统)。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括将可印刷混合物形成为粒料并且将粒料引向印刷表面的一个或多个另外的印刷头。
根据一个实施方式，印刷机进一步包括用于向印刷头提供可印刷混合物的进料线(feeder line，馈线)。
附图说明
图1示意性地示出了沉积系统。
图2示意性地示出了沉积系统的印刷头。
图3示意性地示出了在海底表面上印刷时的印刷头的侧视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了从疏浚待沉积系统10使用的材料至形成物体或结构的沉积过程。结构可以包括建筑支撑物的简单园墙或者甚至完整的建筑。
结构也可以包括海底结构，如海岸屏障、码头结构、检查通道、停泊点和甚至海底建筑支撑物和/或建筑。
由12示意性地描述的，该过程可以由疏浚粘土开始。可以利用用于疏浚的容器，例如绞吸挖泥船(cutter-suction dredger)，或者通过在本领域中已知的其他装置完成疏浚。随后，可以将粘土存储在存储容器14中，并且分析以确定当地疏浚组分的含量。虽然据说粘土是疏浚的物质，但这包括疏浚物质，它是粘土和其他物质的混合物。
接着，基于当地疏浚组分的含量，可以制备地质聚合物组分16。合适的地质聚合物组分的一种实例是碱剂，如飞灰。如飞灰的碱剂与粘土混合物的混合物可以形成可印刷混合物，其可以固化成非常硬的岩石类的结构，其可以是非常耐腐蚀和耐温度变化的。可以在混合机18中混合地质聚合物组分16和疏浚组分14，该混合机18可以是位于用于运输混合物至另一位置的运输容器20上。随后，可以将混合物投入用于沉积系统10的盒22中。
将沉积系统10示意性地描述为一个或多个盒22、加速器24、混合机26、空气和/或热源27(参见图2)和印刷头28。沉积系统10也可以包括用于将沉积系统10带到期望位置的某种运输容器20。沉积系统10可以包含在可移动框架(未显示)上，并且可以包括印刷头运动控制器、控制系统、和/或印刷头和动态印刷头悬挂系统。由不同方式，例如，由吊车悬挂或者悬挂在轮上，可移动框架可以是可移动的。尽管在此实施方式中将运输容器20示出为船，但其可以是陆上运输车辆，例如卡车或火车。
在操作中，由容器20或由其他的运输装置，可以将沉积系统10运至用于构建结构的期望位置。随后可以将可移动框架放置或悬挂接近于其中期望印刷的区域，并且控制器系统可以作用为直接地将印刷头28置于邻近于印刷开始的位置。随后，在混合机26中，利用加速器24将在盒22中的粘土混合物混合。
在其中沉积系统10是印刷海底的实施方式中，蒸汽或空气源27可以首先形成其中引导印刷头28的密封环境。随后，印刷头28在这种密封环境中将粒料喷射至海底表面上。当不进行海底印刷时，通常不需要密封环境，并且在将印刷头28适当地放置和调平后通过喷射粒料，其可以开始印刷。空气和/或热源27可以用于陆上作业以促进固化。
由于使用的粘土混合物和来自印刷头28的喷射速度，粘土粒料变形以结合至在印刷表面38上的其他粒料。粒料迅速地固化，并且由控制系统移动印刷头28和空气/热源27以喷射粒料，并且可能地在通常邻近于第一粒料的另一位置形成密封环境。印刷头28继续该过程，其中控制系统控制印刷头28的运动，逐粒(pellet by pellet)和逐层地建造期望结构粒料。
沉积系统10能够在精确的位置喷射单独的粒料，建造逐层的结构。由沉积系统10喷射的粒料建造使得能够建造用过去的方法可能非常难以建造或不可能建造的非常复杂的结构，特别是在海底表面上。小粒料允许高分辨印刷，给予沉积系统生成具有精确的表面和高质量的非常复杂的结构的能力。这类结构的实例可以是从小的园圃或池壁至海底隧道至建筑物中的任何事物。
图2示意性地示出了喷射粒料至印刷表面38上的沉积系统10的印刷头28和空气/热源27。印刷头28包括进料器30、切割机32、收集箱34和喷射管36。
进料器30接收来自盒22的粘土混合物。此时，粘土混合物已经与加速剂混合，准备好用于印刷。随后，从进料器30将粘土混合物挤出，其中通过切割机32将其切割成粒料。
切割机32可以是，例如，喷水器或水平面，使能够容易地切割粘土混合物。可替代的切割机32可以包括将该挤出的粘土混合物切割成小粒料的叶片或其他装置。根据印刷头28的规模、需要的印刷速度、需要的体积流量或其他的系统或结构要求，这些粒料可以在规模上变化，并且可以是，例如0.04mm3至4mm3。
随后在将粒料喷射穿过管36之前，可以将粒料收集在收集箱34中。使用压缩空气和/或另一种气体，通过喷射管36将粒料推动朝向印刷表面38。由于粒料是粘土混合物，在接触时，它们变形并且与印刷表面38结合。因此，由于在每个粒料之间的结合表面，它们能够形成精确的和复杂的机械形状。
空气/热源27可以用于提供用于固化粒料的热量和/或在海底沉积的情况下提供密封环境。在提供密封环境的情况下，当需要较少热量或不需要热量时，可以使用热量如蒸汽或者可以使用压缩空气。此外，除了空气/热源27之外或者与空气/热源27可替代地，可以使用激光或其他的热源，以进一步地引发和促进粒料在印刷表面38上的固化。当粘土粒料碰击印刷表面38时，固化必定发生。在粒料已经接触印刷表面38后添加的热量可以引起固化过程。
图3示意性地示出了在海底印刷表面38上印刷时的印刷头28和空气/热源27的侧视图，并且包括密封环境40和印刷粒料42。
在该实施方式中，空气/热源27是连接到印刷头28的导管。空气/热源27递送用作为密封印刷环境并且作为用于固化的热源的蒸汽。在其中不需要用于固化的热源的其他实施方式中，导管27可以仅仅递送用于形成密封环境40的压缩空气。在印刷头或板上容器(onboard vessel)20处可以产生用于蒸汽导管27的蒸汽，例如，使用来自发动机的热量。除了蒸汽之外或者与蒸汽可替代地，其他的实施方式可以包括一种或多种其他的热源，例如，激光或等离子流。在其他实施方式中，导管27和/或另一种热源不能直接地连接到印刷头28。
蒸汽从空气/热源27离开出来，在此实施方式中该空气/热源引导该蒸汽朝向印刷表面38以在印刷头28的出口处形成密封印刷环境40并且在引导粒料处围绕印刷表面38。在密封环境40形成后，可以从印刷头28将粒料喷射至印刷表面38上。由于粘土是非常延性的物质，当其与印刷表面38接触时，粘土粒料变形以结合至印刷结构42并且与印刷结构42粘连。因此，将粘土粒料改造成稳定的硬结构。
在示出的实施方式中，用于形成密封环境40的蒸汽还提供了固化沉积的粘土颗粒所需要的热量。密封环境40保护印刷头28的出口和印刷表面38，以允许将粒料适当地结合和固化至该结构。
总之，沉积系统10通过使用用于形成和喷射粒料的粘土混合物和印刷头28，允许复杂结构的精确印刷。此外，沉积系统10通过使用用于形成围绕印刷头28的出口和用于印刷和固化粒料的印刷表面38的密封环境40的蒸汽和/或压缩空气，可以允许海底结构的印刷。
如上所述的，使用粘土或混凝土的过去的增材制造系统通常将粘土或混凝土在管线中挤出以建造物体或结构的层。沉积系统10形成和喷射小粒料以建造物体或结构，导致能够建造更加精确和复杂的物体和结构的方法。
过去的海底系统通常阻塞和排干在其中发生结构的形成的区域或依赖于沉没以形成海底结构的重混凝土块。由于使用蒸汽源或压缩空气来提供密封环境40和用于印刷和固化粒料的任何所需要的热量，沉积系统10不需要用于印刷的阻塞和排出。这可以大大节省海底结构的时间和成本。另外，与混凝土块或其它材料的堆叠相比，通过印刷粒料的海底结构的建造导致整个结构的更均匀的性质。
由粘土混合物的相当小的粒料的产生以及在印刷表面38上引导这些粒料的精确的控制系统给予沉积系统10印刷很难通过其他方法形成或者不可能通过其他方法形成的复杂的形状和物体的能力。例如，沉积系统10可以用于建造多孔结构、码头结构、检查通道、停泊点甚至完整的建筑物。
尽管在图1-3中描述了作为由盒22进料的一种印刷头28的沉积系统10，但是沉积系统10可以由多个印刷头和/或如来自运输容器的进料线的另一种进料系统组成。当形成大型结构时，多于一种印刷头28和/或进料线的使用可以是特别有用的。通过控制系统，多个印刷头28可以一致地移动或者可以单独地移动。
虽然已参照示例性的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围内，可以进行各种变化并且等同物可以代替其要素。另外，在不偏离它们的必需范围内，可以进行许多修改以使特定情形或材料适合于本发明的教导。因此，意图在于本发明不受限于公开的特定实施方式，并且本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方式。

Claims (27)

1.一种印刷方法，所述方法包括：
将粘土混合物与碱剂混合以形成可印刷混合物；
由所述可印刷混合物形成粒料；
从印刷头将所述粒料喷射到印刷表面上；以及
固化所述粒料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述印刷表面是海底。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
在所述印刷表面周围形成密封环境。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，形成密封环境的步骤包括：
注入蒸汽和/或压缩空气以在至少一部分所述印刷头和所述印刷表面周围形成蒸汽和/或压缩空气气泡。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括使用激光以施加用于印刷的所述粒料的固化热量。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，用于形成所述密封环境的源提供用于固化的热量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
存储粒料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形成所述粒料的步骤包括挤出所述可印刷混合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述粒料的步骤进一步包括：
将挤出的所述混合物切割成粒料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用喷水器将所述混合物切割成粒料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
由一个或多个盒向所述印刷头供应可印刷混合物。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
分析疏浚组分；
将疏浚组分与地质聚合物组分和/或水混合；以及
将所述可印刷混合物供应至所述一个或多个盒。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
移动所述印刷头以在不同位置喷射粒料。
14.一种印刷机，包括：
用于将粘土与碱剂混合以形成可印刷混合物的装置；以及
将所述可印刷混合物形成为粒料并且将所述粒料引向印刷表面的印刷头。
15.根据权利要求14所述的印刷机，进一步包括：
在所述印刷表面处引导的用于固化的热源。
16.根据权利要求15所述的印刷机，其中，所述热源是蒸汽。
17.根据权利要求15所述的印刷机，其中，所述热源是激光。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的印刷机，进一步包括：
用于向所述印刷头提供所述可印刷混合物的一个或多个盒。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的印刷机，进一步包括在所述印刷头中用于形成用于喷射的所述粒料的切割系统。
20.根据权利要求19所述的印刷机，其中，所述切割系统包括喷水器。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的印刷机，进一步包括：
用于容纳所述印刷机的框架。
22.根据权利要求14-21中任一项所述的印刷机，进一步包括用于控制所述印刷头的运动和方向的运动控制系统。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的印刷机，其中，所述印刷表面是海底表面。
24.根据权利要求23所述的印刷机，进一步包括：
在至少一部分所述印刷头和所述印刷表面周围形成密封环境的密封系统。
25.根据权利要求24所述的印刷机，其中，所述密封系统包括在所述印刷表面引导的压缩空气和/或蒸汽传送系统。
26.根据权利要求14-25中任一项所述的印刷机，进一步包括：
将所述可印刷混合物形成为粒料并且将所述粒料引向印刷表面的一个或多个另外的印刷头。
27.根据权利要求14-26中任一项所述的印刷机，进一步包括：
用于向所述印刷头提供所述可印刷混合物的进料线。
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