CN107553710B - 一种水泥基材料3d打印分级存储输送机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构，其特征在于该机构包括一级存储仓、二级存储仓、输送管路、输送绞龙、二级输送仓和泵体；一级存储仓包括干料储存仓、储水仓、混合料拌和仓组成，所述混合料拌和仓具备搅拌功能，干料储存仓用于水泥基干料的存储，储水仓用于储存水，干料储存仓和储水仓均与混合料拌和仓相连接；所述二级存储仓通过输送管路与混合料拌和仓的出口连接；在输送管路上安装有泵体，通过泵体提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓的材料入口与二级存储仓的出口连接，二级输送仓的材料出口与打印喷头的入口连接；在二级输送仓内安装有输送绞龙。

Description

一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构。

背景技术

近年来，随着我国重大基础设施和能源工程建设的快速发展，水电高边坡、公路和铁路隧道、地下洞室群、核电站基础、核废料储存、地下油气储存、矿产开发、页岩油气和地热开发等重大工程都涉及到带有断层和三维裂隙网络岩体的复杂地质结构，如何精细化模拟复杂地质结构是进行相关工程岩体灾变机理研究的关键问题。物理模型试验是岩土工程领域主要研究手段之一，物理模型试验的基础在于制备出能够精确表征复杂地质结构的物理模型。由于岩体中这些不连续面和体的存在，目前在国际上尚没有成熟的方法制作复杂地质结构物理试验的三维模型。3D打印技术是一种近年来兴起的，包括诸多方面前沿技术知识，具有高科技含量的制造技术，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域获得广泛应用。结合数字化复杂地质结构模型和近年来兴起的3D打印技术，可以对复杂地质结构模型精细化成型。3D打印技术的最大优点是可以实现模型的可控制性和可复制性，适合进行后续的灾变机理研究。复杂地质模型3D打印中，由于要打印的地质体模型往往体量巨大，因此需要耗费大量打印材料，这些打印材料若随着打印喷头移动，将会为设备带来较大负担。因此研发分级存储的打印材料储存及输送装置对推动水泥基材料3D打印技术具有重要的意义。

参考文献1(一种可用于输送建筑3D打印材料的可拆装易清理管道系统，马荣全，CN105804405A，2016)提出了一种可用于输送建筑3D打印材料的可拆装易清理管道系统，其主要功能为方便拆装、易于清洗。请参照图1，该设备整体由两第一导轨机构、两第二导轨机构、第三导轨机构、第四导轨机构几部分组成。该系统主要针对建筑打印设计了易拆装管路系统，然而该系统由于输送管道线路长，弯道多，管道直径相对较小的特点对3D打印材料的流动性、泵送性能等提出更严格的要求。对于水泥基材料3D打印，更为重要的是巨大体量打印材料的输送问题。而且整个打印过程必须是连续的，不间断的，以确保打印结构具有良好的整体性。现有技术中并没有给出针对水泥基材料3D打印中巨大体量的打印材料输送问题，特别是打印材料的连续输送问题的有效解决方案。

发明内容

鉴于针对水泥基材料3D打印分级存储输送机构的缺失，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构。该机构可以用于重大工程都涉及的带有断层和三维裂隙网络岩体的复杂地质结构力学特性和破坏机理试验研究，能够满足大体量输送水泥基材料的要求。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构，其特征在于该机构包括一级存储仓、二级存储仓、输送管路、输送绞龙、二级输送仓和泵体；一级存储仓包括干料储存仓、储水仓、混合料拌和仓组成，所述混合料拌和仓具备搅拌功能，干料储存仓用于水泥基干料的存储，储水仓用于储存水，干料储存仓和储水仓均与混合料拌和仓相连接；

所述二级存储仓通过输送管路与混合料拌和仓的出口连接；在输送管路上安装有泵体，通过泵体提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓的材料入口与二级存储仓的出口连接，二级输送仓的材料出口与打印喷头的入口连接；在二级输送仓内安装有输送绞龙，由输送绞龙提供二级材料输送的动力。

上述的水泥基材料3D打印分级存储输送机构，其特征在于该机构还包括控制系统，所述干料存储仓、储水仓均在各自的底部装配有电子秤，干料存储仓和储水仓的顶部开有通气孔，且在干料存储仓和储水仓上均设置有电磁阀和滑动舱门，电磁阀用于控制滑动仓门的开闭；在二级存储仓上安装压力传感器，在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，控制系统与电磁阀、压力传感器、流速传感器和电子秤电连接，同时控制系统能控制混合混合料拌和仓的搅拌、输送绞龙和泵体的工作。

与现有技术相比，本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构具有以下有益效果：

本发明机构具有分级输送和存储的特点：1)一级材料输送时可以将泵送管路口径设计值增大，以便于骨料含量较高，或者浆液粘稠的水泥砂浆的顺利泵送；2)二级材料输送借助的是叶轮的机械旋转，提高了装置的输送能力，避免堵塞的发生；3)与传统的泵送混凝土装置和文献1中提及的装置不同，本发明的二级输送仓的口径并非打印喷头的口径，打印喷头的口径可以根据拟打印模型进行灵活的设计和改装，而不会受限于输送管路的参数设置；4)在整个打印过程中，可以实现打印材料的实时搅拌，实时输送，实时打印，极大地提高了对水泥基材料凝结时间的可控性，确保了打印过程的稳定性以及打印模型的整体性。

本发明专门针对复杂地质结构模型打印材料储存及输送制作设计，能够稳定地、可靠地实现3D打印过程中水泥基材料的分级存储及输送，填补了水泥基材料3D打印分级存储输送装置的空白，能实现大体量水泥基材料的快速输送。

附图说明

图1为现有用于输送建筑3D打印材料的可拆装易清理管道系统的结构示意图；

图2为本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构的整体结构示意图；

图3为本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构与打印喷头的安装示意图。

图4为本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构安装在整个3D打印机上的安装示意图。

图中，1-一级存储仓；11-干料储存仓；12-储水仓；13-混合料拌和仓；101-电子秤；102-电磁阀；103-滑动仓门；104-通气孔；3-二级存储仓；4-输送管路；7-泵体；5-输送绞龙；6-二级输送仓；8-控制系统；2-打印喷头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的权利要求保护范围并不限于以下实施例。

本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构(简称机构或输送机构，参见图2)，包括一级存储仓1、二级存储仓3、输送管路4、输送绞龙5、二级输送仓6和泵体7；一级存储仓1包括干料储存仓11、储水仓12、混合料拌和仓13组成，所述混合料拌和仓13具备搅拌功能，干料储存仓11用于水泥基干料的存储，储水仓12用于储存水，干料储存仓11和储水仓12均与混合料拌和仓13相连接；

所述二级存储仓3通过输送管路4与混合料拌和仓13的出口连接，用于储存少量水泥基材料，能满足单层模型打印所需；在输送管路4上安装有泵体7，通过泵体7提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓6上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓6的材料入口与二级存储仓3的出口连接，二级输送仓6的材料出口与打印喷头2的入口连接；在二级输送仓6内安装有输送绞龙5，由输送绞龙提供二级材料输送的动力。

本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构还包括控制系统8，在二级存储仓6上安装压力传感器，在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，该控制系统用来控制混合混合料拌和仓13的搅拌、干料储存仓11和储水仓12为混合料拌和仓13供料、输送绞龙和泵体7的工作，并实时监测打印过程中水泥基材料浆体的压力和流速，能够实现供料部分的自动供应。

上述的水泥基材料3D打印分级存储输送机构中，所述干料存储仓11、储水仓12均在各自的底部装配有电子秤101，用于实时输出其上部干料存储仓和储水仓的重量；在干料存储仓11和储水仓12上均设置有电磁阀102和滑动舱门103，电磁阀用于控制滑动仓门的开闭，控制系统8与电磁阀、压力传感器、流速传感器和电子秤电连接；控制系统可以根据打印过程中材料的挤出速度，按照设定的配合比控制电磁阀102，进而相应控制干料存储仓11和储水仓12的滑动仓门103的打开和闭合；当打印过程中混合料拌合仓13内材料消耗完之后，电磁阀102可以使滑动仓门103打开，干料和水在重力作用下流入到混合料拌合仓13内，当通过电子秤101反馈的重量信息满足配合比的比例时，电磁阀102驱动滑动仓门103关闭，通过对混合料的搅拌实现打印材料的持续供应；与此同时，干料存储仓11和储水仓12的顶部开有通气孔104，以确保干料和水的顺利输出。

本发明的进一步特征在于所述二级存储仓3的出口直径为输送管路4的直径3-4倍，以确保材料的顺利输送和传递，二级存储仓3的体积为二级输送仓6体积的2倍，以确保材料的有效存储，避免材料堵塞或者溢出的现象。

本发明中输送管路为一级输送，二级输送仓为二级输送，根据需要可以设置多个二级存储仓，为多个喷头进行供料；根据需要还可以设置三级存储仓、四级存储仓从而实现材料的多级输送，以满足生产需求。

使用过本发明水泥基材料3D打印分级存储输送机构进行打印的工作过程是：

(1)打印设备主框架安装：采用吊装等方式，将散体部件拼装，并按照上述的连接方式将整个输送机构与打印设备连接起来。

(2)一级存储仓进料：水泥基干料和水分别输送至干料储存仓11和储水仓12中，然后在混合料拌和仓13中将水泥基干料和水进行充分混合，得到打印料。

(3)打印料输送：打印料通过输送管路从混合料拌和仓13输送至二级存储仓6。

(4)打印料二次输送：打印料从二级存储仓6输送至打印喷头2。

(5)打印：打印喷头进行打印。

(7)数据采集：在二级存储仓6上安装压力传感器，用于测量打印过程中水泥基材料浆体的压力；在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，用于测量打印过程中水泥基材料浆体的流速，由压力传感器及流速传感器分别采集打印过程中打印料压力及打印料流速，反馈给控制系统，进而实时保持所供给的打印料符合打印生产的需求。其中压力传感器量程为3MPa，流速传感器量程为0.5m/s。

本明针水泥基材料3D打印分级存储输送机构可以用于重大工程都涉及的带有断层和三维裂隙网络岩体的复杂地质结构力学特性和破坏机理试验研究，其可辅助实现水泥基材料3D打印的高精度、快速制作，具有较强的实用价值。

实施例1

本实施例水泥基材料3D打印分级存储输送机构包括一级存储仓1、二级存储仓3、输送管路4、输送绞龙5、二级输送仓6和泵体7；一级存储仓1包括干料储存仓11、储水仓12、混合料拌和仓13组成，所述混合料拌和仓13具备搅拌功能，干料储存仓11用于水泥基干料的存储，储水仓12用于储存水，干料储存仓11和储水仓12均与混合料拌和仓13相连接；

所述二级存储仓3通过输送管路4与混合料拌和仓13的出口连接；在输送管路4上安装有泵体7，通过泵体7提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓6上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓6的材料入口与二级存储仓3的出口连接，二级输送仓6的材料出口与打印喷头2的入口连接；在二级输送仓6内安装有输送绞龙5，由输送绞龙提供二级材料输送的动力。

各部分动力的开启通过人工手动完成。

实施例2

本实施例水泥基材料3D打印分级存储输送机构中，一级存储仓的储料量(即混合料拌和仓13)为2000L、二级存储仓的储料量为30L。打印材料可为水泥、轻质混凝土等水泥基材料。

本实施例水泥基材料3D打印分级存储输送机构包括一级存储仓1、二级存储仓3、输送管路4、输送绞龙5、二级输送仓6、泵体7和控制系统；一级存储仓1包括干料储存仓11、储水仓12、混合料拌和仓13组成，所述混合料拌和仓13具备搅拌功能，干料储存仓11和储水仓12均与混合料拌和仓13相连接，并由相应软件控制系统8控制；

所述二级存储仓3通过输送管路4与混合料拌和仓13的出口连接，用于储存少量水泥基材料，能满足单层模型打印所需；在输送管路4上安装有泵体7，通过泵体7提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓6上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓6的材料入口与二级存储仓3的出口连接，二级输送仓6用于存储少量打印材料，二级存储仓与二级输送仓用焊接等方式密封连接，二级输送仓6的材料出口与打印喷头2的入口连接；在二级输送仓6内安装有输送绞龙5，由输送绞龙提供二级材料输送的动力；

所述二级存储仓的出口直径为输送管路4的直径4倍，在二级存储仓6上安装压力传感器，在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，控制系统8与压力传感器和流速传感器电连接，

控制系统用来控制混合混合料拌和仓13的搅拌、干料储存仓11和储水仓12为混合料拌和仓13供料、输送绞龙和泵体7的工作。

本实施例中，干料储存仓11，单独放置，用于储存打印所需水泥等干料，其储存量可满足单个打印模型所需；储水仓12，单独放置，用于储存打印所需水体，其储存量可满足单个打印模型所需；混合料拌和仓13，分别与干料储存仓11及储水仓12连接，用以实现两种组料的混合及搅拌。干料储存仓11中的干料和储水仓12中的水通过泵送的方式注入混合料拌和仓13，控制系统通过控制泵上的电磁阀进而控制干料储存仓11和储水仓12为混合料拌和仓供料，混合料拌和仓13具备搅拌功能，可使混合料充分搅拌，并泵送至下一级存储。

将本实施例的输送机构安装在整个打印设备中(参见图4)，二级存储仓与打印喷头2连接，为打印喷头持续供料，打印喷头2能在打印设备上垂直或水平移动，进而完成打印工作。图3所示仅为本发明的一个实施例，针对其他类型的打印喷头可以根据打印喷头的形状和安装位置调整二级输送仓的倾斜角度，当然特别情况下可在二级输送仓的前端安装变径接头以确保牢固连接。

实施例3

本实施例各部件的连接关系同实施例1，不同之处在于该机构还包括控制系统，所述干料存储仓11、储水仓12均在各自的底部装配有电子秤101，干料存储仓11和储水仓12的顶部开有通气孔104，且在干料存储仓11和储水仓12上均设置有电磁阀102和滑动舱门103，电磁阀用于控制滑动仓门的开闭；在二级存储仓6上安装压力传感器，在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，控制系统8与电磁阀、压力传感器、流速传感器和电子秤电连接，同时控制系统能控制混合混合料拌和仓13的搅拌、输送绞龙和泵体7的工作。该实施例能够实现从材料混合到材料供应整个过程的自动化控制。

经过试验证明，上述实施例的水泥基材料3D打印分级存储输送机构均可以顺利实现复杂地质结构打印原料储存及输送，且稳定性好、速度快，具有较强的实用性。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)上述打印材料存储可以采用三级存储方式；

(2)上述水泥基材料还可以采用石膏等其他材料；

需要说明的是，本实施例中控制系统采用的均是本领域常用的电控系统，此处不再详细说明。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水泥基材料3D打印分级存储输送机构，其特征在于该机构由一级存储仓、二级存储仓、输送管路、输送绞龙、二级输送仓泵体和控制系统组成；一级存储仓由干料储存仓、储水仓、混合料拌和仓组成，所述混合料拌和仓具备搅拌功能，干料储存仓用于水泥基干料的存储，储水仓用于储存水，干料储存仓和储水仓均与混合料拌和仓相连接；

所述二级存储仓通过输送管路与混合料拌和仓的出口连接；在输送管路上安装有泵体，通过泵体提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓的材料入口与二级存储仓的出口连接，二级输送仓的材料出口与打印喷头的入口连接；在二级输送仓内安装有输送绞龙，由输送绞龙提供二级材料输送的动力；

二级存储仓和二级输送仓二者轴线不垂直，二级存储仓的出口直径为输送管路的直径3-4倍，二级存储仓的体积为二级输送仓体积的2倍；

所述干料储存仓、储水仓均在各自的底部装配有电子秤，干料储存仓和储水仓的顶部开有通气孔，且在干料储存仓和储水仓上均设置有电磁阀和滑动舱门，电磁阀用于控制滑动仓门的开闭；在二级存储仓上安装压力传感器，在打印喷头的不同位置处安装流速传感器，控制系统与电磁阀、压力传感器、流速传感器和电子秤电连接，同时控制系统能控制混合混合料拌和仓的搅拌、输送绞龙和泵体的工作；

根据需要可以设置多个二级存储仓，为多个喷头进行供料；二级输送仓的口径并非打印喷头的口径，打印喷头的口径可以根据拟打印模型进行灵活的设计和改装，而不会受限于输送管路的参数设置；在整个打印过程中，可以实现打印材料的实时搅拌，实时输送，实时打印，极大地提高了对水泥基材料凝结时间的可控性，确保了打印过程的稳定性以及打印模型的整体性，能够满足大体量输送水泥基材料的要求。