CN107097324B - 一种可调尺寸、双喷口3d混凝土打印装置 - Google Patents
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Abstract
一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，属于3D混凝土打印装置技术领域，所要解决的技术问题是提供一种打印方向、打印尺寸均可以灵活调整的3D混凝土打印装置，所采用的技术方案：一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，包括3D打印硬件部分和3D打印软件部分，所述3D打印硬件部分包括3D打印喷口、3D打印三维定位轨道、3D打印动力装置、3D打印储料装置及3D打印冲洗装置，所述3D打印软件部分包括3D打印建模与控制部分；本发明用于3D混凝土打印。
Description
技术领域
一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，属于3D混凝土打印装置技术领域。
背景技术
2013 年美国建成了世界上第一个 3D 打印建筑架构。在荷兰，UniverseArchitecture 建筑设计事务所在 2013年提出将以莫比乌斯环为原型利用 3D 打印技术建造 Landscape House。2014 年 4 月，我国首批 3D 打印建筑在上海建成 ；2015 年 1月，在苏州建成了3D 打印别墅住宅。许多 3D 打印建筑的项目正在紧锣密鼓的筹备当中。
现有的 3D 打印建筑的设备主要由一个龙门架在 X 方向上移动，悬挂于龙门架上的打印喷头在一定区域内进行 X、Y、Z 三个方向上的打印，再由打印喷头上部的悬挂杆完成较大尺度的 Z 方向运动。
目前广泛使用的 3D 打印技术是“轮廓工艺”。所需材料都是从喷嘴中挤出的，喷嘴会根据设计图的指示，在指定地点喷出混凝土材料，就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。然后，喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出，规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙，再扣上屋顶，一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具，打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分，这样大大提升了建筑效率。
目前现有混凝土材料粘结时间长，通常初凝时间即达到六到十小时，而终凝时间更是长达二十四小时左右。而对于 3D 打印混凝土建筑来说，需要求材料在短时间内便能快速凝结，现有的混凝土材料难以满足这一要求。3D 打印用混凝土需要有适宜的流动性。若流动性过大，则会导致在 3D 打印过程中材料无法堆叠，而流动性过小，则会导致 3D打印喷头的堵塞。因此怎样的流动性较为合适，使得混凝土在从喷头中喷出后即快速凝结，也是现在所存在的问题之一。3D 打印建筑用混凝土配制好后便立刻要能达到一定的强度，便于支撑继续打印 ；之后强度也要满足相应的国家标准。
目前的打印装置基本都是为大型打印建筑而设计，而且数量较少，多数都在实验阶段。传统3D打印技术打印出的混凝土一般流动性较大，气孔较多，所以强度较低，因此，3D混凝土打印中打印建筑会出现塌陷现象。除此之外，传统的3D混凝土打印技术由于混凝土的初凝问题,这使得层与层之间的粘结上存在不牢靠的问题，导致3D混凝土打印的建筑整体性较差，而且传统的3D混凝土打印技术在方向转换和打印尺寸上过于单一，使用很不灵活。这些问题使得3D混凝土打印技术在推广上受到极大的阻碍，解决这些问题成为我们迫在眉睫的任务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种打印方向、打印尺寸均可以灵活调整的3D混凝土打印装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案：一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，包括3D打印硬件部分和3D打印软件部分，所述3D打印硬件部分包括3D打印喷口、3D打印三维定位轨道、3D打印动力装置、3D打印储料装置及3D打印冲洗装置，所述3D打印软件部分包括3D打印建模与控制部分；
所述3D打印喷口包括结构相同的一号打印喷口和二号打印喷口，均包括上料泵口、打印喷口基座、打印喷头底盘、打印喷头、打印开关以及球形转换器，所述上料泵口设置在打印喷口基座上方，在打印喷口基座下方通过轴承连接有打印喷头底盘，所述打印喷头螺栓连接在打印喷头底盘下方，所述球型转换器与打印喷口基座连接，所述打印开关包括控制打印喷口的总口开关和控制打印喷头的分口开关，所述总口开关位于打印喷头底盘上端，所述分口开关设于每个打印喷头的底部；
所述3D打印三维定位轨道包括两根平行的X轴轨道、两根平行的Y轴轨道和两根竖直的Z轴轨道，所述两根X轴轨道为两个龙门架顶端，所述两根Y轴轨道垂直搭在两根X轴轨道上，在所述Y轴轨道上安装有固定水平拖链拖板漕的水平拖链托板槽支架，在水平拖链拖板漕内放置有带动电缆移动的水平电缆拖链，所述两根Z轴轨道上端均固定在机动小车上、下端均与打印喷口基座的球型转换器连接，其中一根Z轴轨道下端与一号打印喷口的打印喷口基座球型转换器连接、另一根Z轴轨道下端与二号打印喷口的打印喷口基座球型转换器连接，所述机动小车安装在Y轴轨道上；
在所述X轴轨道和Y轴轨道搭接处设有X轴水平线性执行器和Y轴水平线性执行器，在所述打印喷口基座设有Z轴垂直线性执行器，所述机动小车通过安装在Y轴轨道的伺服电机实现来回移动；
所述3D打印动力装置为液压泵，所述液压泵为3D打印储料装置及3D打印冲洗装置提供动力；
所述3D打印储料装置包括一号混凝土储料箱和二号混凝土储料箱，所述一号混凝土储料箱的出料口通过混凝土输送管路与一号打印喷口连接，所述二号混凝土储料箱的出料口通过混凝土输送管路与二号打印喷口连接；
所述3D打印冲洗装置包括储水箱和废水箱，所述储水箱通过输水管与混凝土输送管路连接，所述废水箱通过出水管与3D打印喷口连接。
在所述打印喷口基座上装有精确度为微米级的红外测距仪。
所述打印喷口基座的内表面制作材料为可排出空气却保留水分的纳米高分子材料。
所述打印喷头为漏斗状，并且打印喷头的顶端为矩形口。
所述一号混凝土储料箱的进料口和二号混凝土储料箱的进料口均与混凝土搅拌器的出料口通过混凝土输送管路连接。
本发明和现有技术相比具有以下有益效果。
一、3D 打印混凝土建筑要求材料在短时间内便能快速凝结，早期就需要达到一定的强度，即早强，而要达到早期强度这就要求材料的初凝时间必须由原来几个小时缩短十几分二十几分钟甚至更短。现有传统的3D混凝土打印技术一般只有一个打印喷口，很容易在浇筑第二层混凝土时第一层已经发生初凝，甚至终凝，导致混凝土层与层之间的粘结性不强，最终影响建筑的整体强度。本装置使用两个打印喷口，两个喷口交替使用，使第一层混凝土在初凝之前与第二层混凝土粘结，提高了混凝土之间的粘结强度，保证了其整体稳定性。并且打印喷口通过3D打印三维定位轨道和红外传感器实现其位置的粗调和微调，可精确到微米级，无论是应用于实验室科研还是大型建筑建设都可以满足其精度要求。本发明一改传统3D建筑打印方式，极大的提高了3D建筑打印的速度，整体性得到加强，使得材料的强度和刚度有了较大的提高。
二、传统的3D混凝土打印技术在方向转换和打印尺寸上过于单一，使用很不灵活，本发明打印喷口基座使用球型转换器，可以在360度方向内进行旋转，使用方便。与此同时，打印喷口基座上设有轴承连接的打印喷头底盘，可使打印喷口基座上的几个打印喷头进行旋转，让要进行打印的喷头与输料管的端部连接。如此，打印喷口凭借球型转换器可灵活地调节打印混凝土的尺寸和喷口方向，然后连续快速地进行3D打印。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1去掉动力装置、储料装置后的俯视图。
图中， 1为X轴水平线性执行器，2为水平拖链托板槽支架，3为水平电缆拖链，4为Y轴水平线性执行器，5为水平拖链托板槽，6为混凝土输送管路，7为X轴轨道，8为出水管，9为Z轴垂直线性执行器，10为打印喷头，11为液压泵，12为一号混凝土储料箱，13为二号混凝土储料箱，14为混凝土搅拌器，15为储水箱，16为废水箱，17为一号打印喷口，18为二号打印喷口，19为球型转换器，20为Y轴轨道，21为Z轴轨道，22为打印喷口基座，23为打印喷头底盘。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，包括3D打印硬件部分和3D打印软件部分，所述3D打印硬件部分包括3D打印喷口、3D打印三维定位轨道、3D打印动力装置、3D打印储料装置及3D打印冲洗装置，所述3D打印软件部分包括3D打印建模与控制部分；
所述3D打印喷口包括结构相同的一号打印喷口17和二号打印喷口18，均包括上料泵口、打印喷口基座22、打印喷头底盘23、打印喷头10、打印开关以及球形转换器，所述上料泵口设置在打印喷口基座22上方，在打印喷口基座22下方通过轴承连接有打印喷头底盘23，所述打印喷头10螺栓连接在打印喷头底盘23下方，所述球型转换器19与打印喷口基座22连接，所述打印开关包括控制打印喷口的总口开关和控制打印喷头的分口开关，所述总口开关位于打印喷头底盘23上端，所述分口开关设于每个打印喷头10的底部；
所述3D打印三维定位轨道包括两根平行的X轴轨道7、两根平行的Y轴轨道20和两根竖直的Z轴轨道21，所述两根X轴轨道7为两个龙门架顶端，所述两根Y轴轨道20垂直搭在两根X轴轨道7上，在所述Y轴轨道20上安装有固定水平拖链拖板漕的水平拖链托板槽5支架2，在水平拖链拖板漕内放置有带动电缆移动的水平电缆拖链3，所述两根Z轴轨道21上端均固定在机动小车上、下端均与打印喷口基座22的球型转换器19连接，其中一根Z轴轨道21下端与一号打印喷口17的打印喷口基座22球型转换器19连接、另一根Z轴轨道21下端与二号打印喷口18的打印喷口基座22球型转换器19连接，所述机动小车安装在Y轴轨道20上；
在所述X轴轨道7和Y轴轨道20搭接处设有X轴水平线性执行器1和Y轴水平线性执行器4，在所述打印喷口基座22设有Z轴垂直线性执行器9，所述机动小车通过安装在Y轴轨道20的伺服电机实现来回移动；
所述3D打印动力装置为液压泵11，所述液压泵11为3D打印储料装置及3D打印冲洗装置提供动力；
所述3D打印储料装置包括一号混凝土储料箱12和二号混凝土储料箱13，所述一号混凝土储料箱12的出料口通过混凝土输送管路6与一号打印喷口17连接，所述二号混凝土储料箱13的出料口通过混凝土输送管路6与二号打印喷口18连接；
所述3D打印冲洗装置包括储水箱15和废水箱16，所述储水箱15通过输水管与混凝土输送管路6连接，所述废水箱16通过出水管8与3D打印喷口连接。
在所述打印喷口基座22上装有精确度为微米级的红外测距仪。
所述打印喷口基座22的内表面制作材料为可排出空气却保留水分的纳米高分子材料。
所述打印喷头10为漏斗状，并且打印喷头10的顶端为矩形口。
所述一号混凝土储料箱12的进料口和二号混凝土储料箱13的进料口均与混凝土搅拌器14的出料口通过混凝土输送管路6连接。
所述打印喷口基座22上的红外测距仪，用来确定3D混凝土的具体打印位置以及连接打印时的位置确定。红外测距仪将通过扫描得到的位置数据传回到电脑控制端，电脑控制端将该数据与给定的数据进行比较以确定打印喷头10的运动方向。
所述3D打印软件部分的3D打印建模与控制部分均为现有技术，主要由计算机和传感器组成。3D打印控制系统由传感信号级、决策控制级和执行级组成。将要打印的建筑图形输入计算机平台，计算机控制器将图形转化为计算机语言代码，可根据传感信号自动设计打印路线，随后执行级进行打印。
3D混凝土打印需要对混凝土的初凝时间有很好的控制，本发明在达到混凝土初凝时间时，能够在电脑的自动控制下，及时进行冲洗。
本发明的具体工作过程为：第一步：将要进行打印的3D建筑图形输入计算机平台，人为选定打印位置，计算机自动生成打印路线（必要时，可人为更改打印路线），点击开始按钮，进行打印；
第二步：计算机控制器通过传感器传来的信号将指令传给执行级，执行级驱动动力系统进行打印。先将混凝土在一号混凝土储料箱12和二号混凝土储料箱13中进行搅拌，然后混凝土由混凝土输料管路6进入一号打印喷口17和二号打印喷口18，在打印喷口10处通过进行挤压，将混凝土内的空气排出。打印喷口10通过X轴水平线性执行器1和Y轴水平线性执行器4在三维定位轨道顶部平面内到达指定的X轴轨道7和Y轴轨道20位置，通过Z轴垂直线性执行器9在三维定位轨道的竖直Z轴轨道21面内进行移动；
第三步：一号打印喷口17在球型转换器19作用下确定打印喷头10的方向，通过轴承传动选择打印喷头底盘23上要进行打印的打印喷头10，通过挤压的混凝土由打印喷头10挤到打印位置处，进行一号打印喷口17的3D混凝土打印；
第四步：在一号打印喷口17喷出的混凝土具备了一定的强度却未初凝（该时间通过电脑控制，由混凝土材料决定）时，调节二号打印喷口18的X轴方向坐标，使二号打印喷口18到达二号打印喷18口开始打印的初始位置，进行二号打印喷口18的打印；
第五步：若在打印期间达到了混凝土初凝的时间，则自动停止打印，进行冲洗。冲洗完毕后，继续打印；
第六步：调节整体Z轴位置，进行下一层打印，重复第四步，直至打印结束；
第七步：关闭打印喷头10总口开关并切换至冲洗状态，对打印装置进行冲洗。
本发明通过压力原理和活塞理论，结合混凝土建筑材料特点，经过严格的加工工艺，将建筑物以更加精确的方式打印出来，使得打印出的建筑物更加美观，棱角分明，实现了快速高效3D建筑打印以及研究论证3D打印混凝土的理论及实践研究。
目前市面上大型3D混凝土建筑打印装置寥寥无几，小型实验型打印装置更是难觅踪迹，本发明造型可大可小，操作简单方便。使用本发明能够在节约材料方面实现质的飞跃，研究效率方面突飞猛进，对科研人员和建筑材料研发、生产、制造企业都是一个促进和改良。
上述实施例是对本发明结构的解释而非限制，在不脱离本发明原理前提下所作的变形也在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，其特征在于：包括3D打印硬件部分和3D打印软件部分，所述3D打印硬件部分包括3D打印喷口、3D打印三维定位轨道、3D打印动力装置、3D打印储料装置及3D打印冲洗装置，所述3D打印软件部分包括3D打印建模与控制部分；
所述3D打印喷口包括结构相同的一号打印喷口和二号打印喷口，均包括上料泵口、打印喷口基座、打印喷头底盘、打印喷头、打印开关以及球形转换器，所述上料泵口设置在打印喷口基座上方，在打印喷口基座下方通过轴承连接有打印喷头底盘，所述打印喷头螺栓连接在打印喷头底盘下方，所述球形 转换器与打印喷口基座连接，所述打印开关包括控制打印喷口的总口开关和控制打印喷头的分口开关，所述总口开关位于打印喷头底盘上端，所述分口开关设于每个打印喷头的底部；
所述3D打印三维定位轨道包括两根平行的X轴轨道、两根平行的Y轴轨道和两根竖直的Z轴轨道，所述两根X轴轨道为两个龙门架顶端，所述两根Y轴轨道垂直搭在两根X轴轨道上，在所述Y轴轨道上安装有固定水平拖链拖板漕的水平拖链托板槽支架，在水平拖链拖板漕内放置有带动电缆移动的水平电缆拖链，所述两根Z轴轨道上端均固定在机动小车上、下端均与打印喷口基座的球型转换器连接，其中一根Z轴轨道下端与一号打印喷口的打印喷口基座球型转换器连接、另一根Z轴轨道下端与二号打印喷口的打印喷口基座球型转换器连接，所述机动小车安装在Y轴轨道上；
在所述X轴轨道和Y轴轨道搭接处设有X轴水平线性执行器和Y轴水平线性执行器，在所述打印喷口基座设有Z轴垂直线性执行器，所述机动小车通过安装在Y轴轨道的伺服电机实现来回移动；
所述3D打印动力装置为液压泵，所述液压泵为3D打印储料装置及3D打印冲洗装置提供动力；
所述3D打印储料装置包括一号混凝土储料箱和二号混凝土储料箱，所述一号混凝土储料箱的出料口通过混凝土输送管路与一号打印喷口连接，所述二号混凝土储料箱的出料口通过混凝土输送管路与二号打印喷口连接；
所述3D打印冲洗装置包括储水箱和废水箱，所述储水箱通过输水管与混凝土输送管路连接，所述废水箱通过出水管与3D打印喷口连接；
所述一号打印喷口喷出的混凝土具备了一定的强度却未初凝时，调节二号打印喷口的X轴方向坐标，使二号打印喷口到达二号打印喷口开始打印的初始位置，进行二号打印喷口的打印，使用两个打印喷口，两个喷口交替使用，使第一层混凝土在初凝之前与第二层混凝土粘结，提高了混凝土之间的南街强度，保证了其整体稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，其特征在于：在所述打印喷口基座上装有精确度为微米级的红外测距仪。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，其特征在于：所述打印喷口基座的内表面制作材料为可排出空气却保留水分的纳米高分子材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，其特征在于：所述打印喷头为漏斗状，并且打印喷头的顶端为矩形口。
5.根据权利要求1或2所述的一种可调尺寸、双喷口3D混凝土打印装置，其特征在于：所述一号混凝土储料箱的进料口和二号混凝土储料箱的进料口均与混凝土搅拌器的出料口通过混凝土输送管路连接。
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