CN107571371B - 一种水泥基材料阵列式3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于该打印机包括主框架、阵列式喷头、物料存储输送机构、控制系统、纵向升降机构和水平移动机构；主框架为所述3D打印机的主体支撑结构，阵列式喷头与物料存储输送机构相连并安装于纵向升降机构上，纵向升降机构与水平移动机构相连接并装配于主框架上，在控制系统的驱动下通过相互作用实现阵列式喷头的水平和垂直移动；所述阵列式喷头具有多个喷口。该打印机采用阵列式喷头，同时配合水平移动机构和纵向移动机构，能实现阵列式喷头稳定地上下水平移动，能用于水泥基材料的3D精细打印，在岩土工程、地质工程领域具有良好的应用前景。

Description

一种水泥基材料阵列式3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机械装备技术领域，具体涉及一种水泥基材料阵列式3D打印机。

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。物理模型试验是岩土工程领域主要研究手段之一，其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。运用3D打印技术来制作大尺度的复杂地质结构模型是探索工程地质灾害机理的基础。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，适合于重复性的实验研究。

公布号为CN105220879A的专利提出了一种建筑工程3D打印机，其主要功能为：可不受建筑物高度的限制进行建筑物的3D打印。该设备整体由打印头、横梁、滑轨小车、水平滑轨、打印头滑车、打印头滑轨和提升装几部分组成。该设备主要针对建筑墙体砌筑而设计的，该系统只能用于打印尺寸精度较低的墙体；只能打印单一材料来源建筑物，而且该打印方式属于轮廓打印，在制作三维实体模型上存在一定困难。然而在工程地质模型制作中，更为关注的是所打印模型的尺寸精度、模型结构形状的不规则性，而且打印模型通常为三维实体模型，现有3D打印机满足上述要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种水泥基材料阵列式3D打印机。该打印机采用阵列式喷头，同时配合水平移动机构和纵向移动机构，能实现阵列式喷头稳定地上下水平移动，能用于水泥基材料的3D精细打印，在岩土工程、地质工程领域具有良好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于该打印机包括主框架、阵列式喷头、物料存储输送机构、控制系统、纵向升降机构和水平移动机构；主框架为所述3D打印机的主体支撑结构，阵列式喷头与物料存储输送机构相连并安装于纵向升降机构上，纵向升降机构与水平移动机构相连接并装配于主框架上，在控制系统的驱动下通过相互作用实现阵列式喷头的水平和垂直移动；所述阵列式喷头具有多个喷口；

所述主框架包括侧立杆、长横梁、短横梁、载物板和柱脚，侧立杆与长横梁、短横梁相互垂直固定连接组成长方体框架；长横梁分上下两层固定在侧立杆上，与下层的长横梁等高的位置上，且垂直于下层的长横梁的两个侧立杆之间布置短横梁；侧立杆的底端通过柱脚固定在地面上；在柱脚上方的侧立杆上平行于长横梁的方向上固定有载物板，载物板上方为打印区域；

所述水平移动机构包括伺服电机及减速机、齿轮、直线滑轨副、横向移动拖板、传动齿条、传送带及集线槽、齿轮轴、同步带及带轮组、竖向移动拖板、上盖和啮合滑块；所述直线滑轨副固定于上层的长横梁的上表面，横向移动拖板通过底部的四个啮合滑块与直线滑轨副啮合连接，使横向移动拖板能在直线滑轨副上来回移动；在横向移动拖板的上表面固定竖向移动拖板，所述伺服电机及减速机与竖向移动拖板固定相连，竖向移动拖板上端固定上盖，竖向移动拖板与横向移动拖板和上盖围成空腔；所述传动齿条固定于上层的长横梁的内侧表面上，齿轮轴固定于横向移动拖板的下表面，齿轮轴两端均固定有齿轮，齿轮与传动齿条相互啮合；齿轮轴与伺服电机及减速机之间通过同步带及带轮组相连接；在上下层长横梁的外侧安装有用于放置控制线缆的传送带及集线槽；在横向移动拖板和上盖的四角对应位置分别开有横向移动拖板开孔和上盖开孔；

所述纵向升降机构包括支撑框架、四根直线导轨、打印头稳定板、驱动电机、钢丝绳和滑轮；支撑框架固定于横向移动拖板上，四根直线导轨与打印头稳定板滑动连接，并与横向移动拖板开孔和上盖开孔的位置垂直对应，四根垂直导轨能上下穿梭相应的横向移动拖板开孔和上盖开孔，四根直线导轨的下端连接阵列式喷头；所述打印头稳定板固定在横向移动拖板的下方；驱动电机通过钢丝绳绕过位于支撑框架顶部的滑轮与阵列式喷头固定连接，打印头稳定板、横向移动拖板以及上盖的中间均开有便于钢丝绳穿过的孔洞。

从上述技术方案可以看出，本发明水泥基材料阵列式3D打印机具有以下有益效果：

(1)本发明打印机通过水平移动机构和纵向升降机构能够实现阵列式喷头的上下水平移动，再配合阵列式喷头，该阵列式喷头具有多个喷口，能够实现多个喷口同时打印，提高打印效率和打印精度，最终实现水泥基材料3D打印的目的。

(2)本发明中的阵列式喷头由多排可独立控制的喷嘴单元组成，在打印的过程中可以根据拟打印模型的几何结构，灵活地独立地控制每一个喷嘴单元的开关，专门针对水泥基材料3D打印而设计，因此同时兼顾了大尺寸与高精度的要求，多个喷嘴单元同时工作也提高了模型(尤其是复杂模型结构)制作时的打印效率，填补了水泥基材料阵列式3D打印喷头的空白。

(3)阵列式打印机的打印喷头为左右对称结构，可分别连接相应的物料存储输送机构，从而可以实现两种不同水泥基材料的同时打印。

(4)联合多台打印机共同使用，可完成多种水泥基材料3D打印，制作更为复杂的工程地质结构模型。

附图说明

图1为本发明水泥基材料阵列式3D打印机一种实施例的主框架1和纵向升降机构的结构示意图。

图2为水平移动机构的整体结构示意图。

图3为水平移动机构将上盖和水平移动托板拆卸之后的部分结构示意图。

图4为本发明适用于水泥基材料3D打印系统的阵列式喷头的结构示意图。

图5为本发明两个喷嘴单元与涡轮减速机的安装结构示意图。

图6为本发明水泥基材料阵列式3D打印机一种实施例的物料存储输送机构的整体结构示意图。

图中各标号的含义如下，

1主框架、2阵列式喷头、3物料存储输送机构、4控制系统、5纵向升降机构、6水平移动机构；

11.侧立杆，12.长横梁，13.短横梁，14.载物板，15.柱脚；

21.喷头外壳，22.阵列喷嘴机构，211.底板，212.侧壁，213.隔板，214.V形支撑板，215.密封料仓，216.涡轮减速机外壳，217.盖板，218.喷口，219.侧壁安装孔，221.喷嘴绞龙，222.外侧齿轮，223.中心齿轮，224.上端面齿轮，225.下端面齿轮，226.增压阀，227.气缸，228.涡轮减速机，229.内侧齿轮；

31.一级存储仓，32.泵体，33.二级存储仓，34.输送管路，35.输送绞龙，36.二级输送仓，311.干料储存仓，312.储水仓，313.混合料拌和仓，3101.电子秤，3102.电磁阀，3103.滑动仓门，3104.通气孔；

51.支撑框架，52.直线导轨，53.打印头稳定板，54.驱动电机，55.钢丝绳，56.滑轮；

601.伺服电机及减速机，602.齿轮，603.直线滑轨副，604.横向移动拖板，605.传动齿条，606.传送带及集线槽，607.齿轮轴，608.同步带及带轮组，609.竖向移动拖板，610上盖，611啮合滑块，612横向移动拖板开孔，613上盖开孔。

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，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

本发明一种水泥基材料阵列式3D打印机(简称打印机，参见图1-3)包括主框架1、阵列式喷头2、物料存储输送机构3、控制系统4、纵向升降机构5和水平移动机构6；主框架为所述3D打印机的主体支撑结构，阵列式喷头与物料存储输送机构相连安装于纵向升降机构上，纵向升降机构与水平移动机构相连接并装配于主框架上，在控制系统的驱动下通过相互作用实现阵列式喷头的水平和垂直移动；

所述主框架1包括侧立杆11、长横梁12、短横梁13、载物板14和柱脚15，侧立杆11与长横梁12、短横梁13相互垂直固定连接组成长方体框架；长横梁分上下两层固定在侧立杆上，与下层的长横梁等高的位置上，且垂直于下层的长横梁的两个侧立杆之间布置短横梁13；侧立杆11的底端通过柱脚15固定在地面上；在柱脚15上方的侧立杆上平行于长横梁的方向上固定有载物板14，载物板上方为打印区域，用以放置、承载所打印的复杂地质模型；

所述阵列式喷头2包括喷头外壳21和阵列喷嘴机构22；所述喷头外壳21包括底板211、侧壁212、隔板213、V形支撑板214、密封料仓215、涡轮减速机外壳216、盖板217、喷口218和侧壁安装孔219，所述底板211的横断面为W型，在底板的两个最低点开有喷口218，沿底板的长度方向等间距布置多个喷口，W型底板的上部两个侧面设有侧壁安装孔219，通过螺栓穿过侧壁安装孔将底板211与侧壁212固定连接，底板与侧壁212整体呈倒锥形；W型底板的上部中间端面支撑V形支撑板214的下部，所述V形支撑板214与底板上下平行布置，在对应喷口位置的V形支撑板上开孔；在V形支撑板上，且位于底板与侧壁围成的空间内对称布置两个隔板213，两个隔板的上部固定盖板217，隔板213、V形支撑板214与相邻的侧壁212之间形成密封料仓215，密封料仓215上部连接物料存储输送机构3；在盖板217的上方固定涡轮减速机外壳216，涡轮减速机外壳216的两端与盖板217固定；密封料仓215呈为长条状，且二级输送仓36的长度方向与密封料仓平行，且呈45°夹角，使混凝土材料可以在自身的重下进行流动有利于材料的输送；

所述阵列喷嘴机构22(参见图4和图5)包括涡轮减速机228、中心齿轮223和若干数量的喷嘴单元，所述中心齿轮设置在V形支撑板214的中心，所述涡轮减速机228包含在涡轮减速机外壳216内，涡轮减速机228的输出端穿过盖板217与中心齿轮223垂直连接，通过涡轮减速机能带动中心齿轮转动；若干数量的喷嘴单元以中心齿轮为中心分两侧分布；每个喷嘴单元均包括气缸227(动力部件)、增压阀226、喷嘴绞龙221、外侧齿轮222、内侧齿轮229、上端面齿轮224和下端面齿轮225，所述气缸227一端与外部气压源连接，气缸227的下部穿过盖板217与增压阀226连接，通过增压阀实现对气缸的增压；所述增压阀226下部固定连接上端面齿轮224；所述喷嘴绞龙221上部与上端面齿轮224的下表面固定连接，喷嘴绞龙221的下部依次穿过下端面齿轮225、外侧齿轮222、V形支撑板214上相应的开孔，并深入底板211上的相应喷口218中；所述下端面齿轮225能在喷嘴绞龙221上上下滑动，使下端面齿轮225与上端面齿轮224的面齿能够相互啮合；所述外侧齿轮222的内侧安装有与其相啮合的内侧齿轮229；相邻两个喷嘴单元的内侧齿轮和外侧齿轮也相互啮合，中心齿轮223的一端与一行中的某个或某几个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合，另一端与另一行中的某个或某几个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合。

所述水平移动机构6(参见图2和图3)包括伺服电机及减速机601、齿轮602、直线滑轨副603、横向移动拖板604、传动齿条605、传送带及集线槽606、齿轮轴607、同步带及带轮组608、竖向移动拖板609、上盖610和啮合滑块611；所述直线滑轨副603固定于上层的长横梁12的上表面，横向移动拖板604通过底部的四个啮合滑块611与直线滑轨副603啮合连接，使横向移动拖板604能在直线滑轨副603上来回移动；在横向移动拖板604的上表面固定竖向移动拖板609，所述伺服电机及减速机601与竖向移动拖板609固定相连，竖向移动拖板609上端固定上盖610，竖向移动拖板609与横向移动拖板604和上盖610围成空腔；所述传动齿条605固定于上层的长横梁12的内侧表面上，齿轮轴607固定于横向移动拖板604的下表面，齿轮轴607两端均固定有齿轮602，齿轮602与传动齿条605相互啮合；齿轮轴607与伺服电机及减速机601之间通过同步带及带轮组608相连接，伺服电机及减速机601工作，带动齿轮轴两端的齿轮与固定在长横梁内侧表面上的传动齿条啮合，实现横向移动拖板的水平移动；在上下层长横梁的外侧安装有传送带及集线槽606，传送带及集线槽606用于放置控制线缆等相关导线；在横向移动拖板和上盖的四角对应位置分别开有横向移动拖板开孔612和上盖开孔613。

所述纵向升降机构5包括支撑框架51、四根直线导轨52、打印头稳定板53、驱动电机54、钢丝绳55和滑轮56；支撑框架51固定于横向移动拖板604上，四根直线导轨52与打印头稳定板53滑动连接，并与横向移动拖板开孔612和上盖开孔613的位置垂直对应，四根垂直导轨能上下穿梭相应的横向移动拖板开孔612和上盖开孔613，四根直线导轨的下端连接阵列式喷头的喷头外壳，保证阵列式喷头上下移动的轨迹；所述打印头稳定板固定在横向移动拖板的下方；驱动电机54通过钢丝绳55绕过位于支撑框架51顶部的滑轮56与阵列式喷头的喷头外壳固定连接，打印头稳定板53、横向移动拖板604以及上盖610的中间均开有孔洞以便于钢丝绳55的穿过；阵列式喷头可以在驱动电机的带动下借助钢丝绳实现上下移动；打印头稳定板用于保证阵列式喷头在升降过程中的稳定性。

所述物料存储输送机构3(参见图6)为分级存储输送，包括一级存储仓31、二级存储仓33、输送管路34、输送绞龙35、二级输送仓36和泵体32；一级存储仓31包括干料储存仓311、储水仓312和混合料拌和仓313，所述混合料拌和仓313具备搅拌功能，干料储存仓311用于水泥基干料的存储，储水仓312用于储存水，干料储存仓311和储水仓312均与混合料拌和仓313相连接；

所述二级存储仓33通过输送管路34与混合料拌和仓313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34上安装有泵体32，通过泵体32提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓36上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓36的材料入口与二级存储仓33的出口连接，二级输送仓36的材料出口与阵列式喷头2的入口(密封料仓上部)连接；在二级输送仓36内安装有输送绞龙35，由输送绞龙提供二级材料输送的动力。

阵列式喷头一方面通过四根直线导轨和钢丝绳与纵向升降机构相连，进而与打印机的主框架相连，实现阵列式喷头的水平和上下移动；另一方面通过二级输送仓与密封料仓相连，进而将阵列式喷头与物料存储输送机构相连，实现水泥基混凝土材料的持续供应。

进一步的，侧立杆、长横梁、短横梁的长度比为3：5：1，共同形成装置的主体支撑结构。

进一步的，控制系统4包括一系列的数据采集模块和用于驱动各部件动作的运行驱动模块，用于对水泥基材料阵列式3D打印参数进行控制及采集。控制系统与各设备连接通过传送带及集线槽中集中布设的线缆实现；所述数据采集模块包括两只压力传感器和若干只流速传感器，压力传感器被安装于二级存储仓内，用于采集水泥基材料浆体泵送过程中的压力；流速传感器被分别安装于密封料仓与喷嘴绞龙之间，且位于密封料仓的侧壁上，用于测量打印过程中水泥基材料浆体的流速。

本发明水泥基材料阵列式3D打印机的工作原理及过程是：

打印机组装：首先，长横梁、短横梁、侧立杆、载物板相互固定连接组成主框架。其次，纵向升降机构装配于水平移动机构后再与主框架连接。然后，阵列式喷头通过四根直线导轨和钢丝绳与纵向升降机构连接，阵列式喷头的长度方向与短横梁相平行，最后，物料存储输送机构与阵列式喷头连接。

进料：通过物料存储输送机构，经过混合料拌和仓搅拌及泵体加压后，浆液经二级输送仓输送至阵列式喷头。

水平打印：伺服电机及减速机的转动带动同步带及带轮组的转动，进而带动齿轮轴的转动，从而带动水平移动机构的水平方向的移动，阵列式喷头在水平移动机构的带动下实现水平层的打印。

纵向打印：驱动电机控制钢丝绳的伸缩，从而操控阵列式喷头的纵向升降，以进行(纵向)下一层打印。阵列式喷头纵向上升地过程中，四根直线导轨可自由的穿插于横向移动托板和上盖开设的孔洞，以确保纵向升降过程中阵列式打印头的稳定。

数据采集：由压力传感器及流速传感器分别采集打印过程中浆液压力及打印浆液流速。

经过试验证明，本发明水泥基材料阵列式3D打印机可以顺利实现水泥基材料3D打印，且精度高、速度快，具有较强的实用性。

实施例1：

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种单种水泥基材料阵列式3D打印机。本实施例中，打印地质体模型对象尺寸为：长3m、宽1.5m、高1.5m、最小单元尺寸12mm。

本实施例水泥基材料阵列式3D打印机包括主框架1、阵列式喷头2、物料存储输送机构3、控制系统4、纵向升降机构5和水平移动机构6。主框架为所述3D打印机的主体支撑结构，阵列式喷头与物料存储输送机构相连安装于纵向升降机构，纵向升降机构与水平移动机构相连接并装配于主框架上，在控制系统的驱动下通过相互作用实现阵列式喷头的水平和垂直移动。

所述主框架1包括侧立杆11、长横梁12、短横梁13、载物板14和柱脚15，侧立杆11与长横梁12、短横梁13相互垂直固定连接组成长方体框架；长横梁分上下两层固定在侧立杆上，与下层的长横梁等高的位置上，且垂直于下层的长横梁的两个侧立杆之间布置短横梁13；侧立杆11的底端通过柱脚15固定在地面上；在柱脚15上方的侧立杆上平行于长横梁的方向上固定有载物板14，载物板上方为打印区域，用以放置、承载所打印的复杂地质模型；

所述阵列式喷头2包括喷头外壳21和阵列喷嘴机构22；所述喷头外壳21包括底板211、侧壁212、隔板213、V形支撑板214、密封料仓215、涡轮减速机外壳216、盖板217、喷口218和侧壁安装孔219，所述底板211的横断面为W型，在底板的两个最低点开有喷口218，沿底板的长度方向等间距布置多个喷口，W型底板的上部两个侧面设有侧壁安装孔219，通过螺栓穿过侧壁安装孔将底板211与侧壁212固定连接，底板与侧壁212整体呈倒锥形；W型底板的上部中间端面支撑V形支撑板214的下部，所述V形支撑板214与底板上下平行布置，在对应喷口位置的V形支撑板上开孔；在V形支撑板上，且位于底板与侧壁围成的空间内对称布置两个隔板213，两个隔板的上部固定盖板217，隔板213、V形支撑板214与相邻的侧壁212之间形成密封料仓215，密封料仓215上部连接物料存储输送机构3；在盖板217的上方固定涡轮减速机外壳216，涡轮减速机外壳216的两端与盖板217固定；密封料仓215呈为长条状，且二级输送仓36的长度方向与密封料仓平行，且呈45°夹角，使混凝土材料可以在自身的重下进行流动有利于材料的输送；

所述阵列喷嘴机构22(参见图4和图5)包括涡轮减速机228、中心齿轮223和若干数量的喷嘴单元，所述中心齿轮设置在V形支撑板214的中心，所述涡轮减速机228包含在涡轮减速机外壳216内，涡轮减速机228的输出端穿过盖板217与中心齿轮223垂直连接，通过涡轮减速机能带动中心齿轮转动；50个喷嘴单元以中心齿轮为中心分两侧分布；每个喷嘴单元均包括气缸227(动力部件)、增压阀226、喷嘴绞龙221、外侧齿轮222、内侧齿轮229、上端面齿轮224和下端面齿轮225，所述气缸227一端与外部气压源连接，气缸227的下部穿过盖板217与增压阀226连接，通过增压阀实现对气缸的增压；所述增压阀226下部固定连接上端面齿轮224；所述喷嘴绞龙221上部与上端面齿轮224的下表面固定连接，喷嘴绞龙221的下部依次穿过下端面齿轮225、外侧齿轮222、V形支撑板214上相应的开孔，并深入底板211上的相应喷口218中；所述下端面齿轮225能在喷嘴绞龙221上上下滑动，使下端面齿轮225与上端面齿轮224的面齿能够相互啮合；所述外侧齿轮222的内侧安装有与其相啮合的内侧齿轮229；相邻两个喷嘴单元的内侧齿轮和外侧齿轮也相互啮合，中心齿轮223的一端与一行中的两个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合，另一端与另一行中一个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合。

所述物料存储输送机构3包括一级存储仓31、二级存储仓33、输送管路34、输送绞龙35、二级输送仓36和泵体32；一级存储仓31包括干料储存仓311、储水仓312和混合料拌和仓313，所述混合料拌和仓313具备搅拌功能，干料储存仓311用于水泥基干料的存储，储水仓312用于储存水，干料储存仓311和储水仓312均与混合料拌和仓313相连接；

所述二级存储仓33通过输送管路34与混合料拌和仓313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34上安装有泵体32，通过泵体32提供两级存储仓之间材料输送的动力；所述二级输送仓36上开有材料入口，下部设有材料出口，二级输送仓36的材料入口与二级存储仓33的出口连接，二级输送仓36的材料出口与阵列式喷头2的入口(密封料仓的上部)连接；在二级输送仓36内安装有输送绞龙35，由输送绞龙提供二级材料输送的动力。

所述水平移动机构6包括伺服电机及减速机601、齿轮602、直线滑轨副603、横向移动拖板604、传动齿条605、传送带及集线槽606、齿轮轴607、同步带及带轮组608、竖向移动拖板609、上盖610、啮合滑块611、横向移动拖板开孔612和上盖开孔613；伺服电机及减速机601与竖向移动拖板609固定相连，竖向移动拖板609与横向移动拖板604和上盖610固定相连，横向移动拖板604通过底部的四个啮合滑块611与直线滑轨副603啮合连接，直线滑轨副603固定于长横梁12的上表面；齿轮轴607固定于横向移动拖板604的下端，通过齿轮602与传动齿条605匹配啮合；同步带及带轮组608将齿轮轴607与伺服电机及减速机601相连接，能够使得齿轮轴两端的齿轮与固定在长横梁侧面的传动齿条啮合，实现横向移动拖板的水平移动；传动齿条605固定于长横梁12的内侧表面上，传送带及集线槽606用于放置控制线缆等相关导线。

所述纵向升降机构5包括支撑框架51、四根直线导轨52、打印头稳定板53、驱动电机54、钢丝绳55和滑轮56；支撑框架51固定于横向移动拖板604上，四根直线导轨52与打印头稳定板53滑动连接，并与横向移动拖板开孔612和上盖开孔613的位置垂直对应，四根垂直导轨能上下穿梭相应的横向移动拖板开孔612和上盖开孔613，四根直线导轨的下端连接阵列式喷头的喷头外壳，保证阵列式喷头上下移动的轨迹；所述打印头稳定板固定在横向移动拖板的下方；驱动电机54通过钢丝绳55绕过位于支撑框架51顶部的滑轮56与阵列式喷头的喷头外壳固定连接，打印头稳定板53、横向移动拖板604以及上盖610的中间均开有孔洞以便于钢丝绳55的穿过；阵列式喷头可以在驱动电机的带动下借助钢丝绳实现上下移动；打印头稳定板用于保证阵列式喷头在升降过程中的稳定性。

控制系统用于对水泥基材料阵列式3D打印机参数进行控制及采集，包括数据采集模块和运行驱动模块，所述数据采集模块包括两只压力传感器和六只流速传感器，其中压力传感器量程为3MPa，流速传感器量程为0.5m/s。压力传感器被安装于二级存储仓内，用于采集水泥基材料浆体泵送过程中的压力；流速传感器被分别安装于密封料仓与喷嘴绞龙之间，且位于密封料仓的侧壁上，用于测量打印过程中水泥基材料浆体的流速。

需要说明的是，关于本实施例中水平移动机构、纵向升降机构、打印喷头均有相应的电控系统对其进行控制。而该电控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。而数据采集模块中的传感器也是本领域内通用的传感器，本领域技术人员应当对其相当熟悉，此处不再详细说明。

在对本实施例单种水泥基材料阵列式3D打印机的结构进行详细说明之后，以下对其工作原理进行说明：

主框架安装：采用吊装等方式，将散体部件拼装。

进料：通过物料存储输送机构，经过混合料拌和仓搅拌及泵体加压后，浆液输送至阵列式喷头。

水平打印：控制阵列式喷头，进行水平单元打印。

纵向打印：完成水平单层打印后，操控纵向升降机构，进行(纵向)下一层打印。

数据采集：由压力传感器及流速传感器分别采集打印过程中浆液压力及打印浆液流速。

经过试验证明，本实施例单种水泥基材料阵列式3D打印机可以顺利实现水泥基材料3D打印，且精度高、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，上述对各元件和方法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)上述纵向升降机构还可以采用液压控制方式来代替电机驱动方式；

(2)上述水泥基材料还可以采用石膏等其他材料；

(3)关于数据采集模块的结构和连接，本领域技术人员可以根据需要合理设置，并且可以采用市场上成型的相关产品；

(4)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

综上所述，本发明提供一种专门针对水泥基材料高精度3D打印而设计的水泥基材料阵列式3D打印机，能够实现水泥基材料的高精度、快速打印，具有较强的实用价值。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于该打印机包括主框架、阵列式喷头、物料存储输送机构、控制系统、纵向升降机构和水平移动机构；主框架为所述3D打印机的主体支撑结构，阵列式喷头与物料存储输送机构相连并安装于纵向升降机构上，纵向升降机构与水平移动机构相连接并装配于主框架上，在控制系统的驱动下通过相互作用实现阵列式喷头的水平和垂直移动；所述阵列式喷头具有多个喷口；

所述主框架包括侧立杆、长横梁、短横梁、载物板和柱脚，侧立杆与长横梁、短横梁相互垂直固定连接组成长方体框架；长横梁分上下两层固定在侧立杆上，与下层的长横梁等高的位置上，且垂直于下层的长横梁的两个侧立杆之间布置短横梁；侧立杆的底端通过柱脚固定在地面上；在柱脚上方的侧立杆上平行于长横梁的方向上固定有载物板，载物板上方为打印区域；

所述水平移动机构包括伺服电机及减速机、齿轮、直线滑轨副、横向移动拖板、传动齿条、传送带及集线槽、齿轮轴、同步带及带轮组、竖向移动拖板、上盖和啮合滑块；所述直线滑轨副固定于上层的长横梁的上表面，横向移动拖板通过底部的四个啮合滑块与直线滑轨副啮合连接，使横向移动拖板能在直线滑轨副上来回移动；在横向移动拖板的上表面固定竖向移动拖板，所述伺服电机及减速机与竖向移动拖板固定相连，竖向移动拖板上端固定上盖，竖向移动拖板与横向移动拖板和上盖围成空腔；所述传动齿条固定于上层的长横梁的内侧表面上，齿轮轴固定于横向移动拖板的下表面，齿轮轴两端均固定有齿轮，齿轮与传动齿条相互啮合；齿轮轴与伺服电机及减速机之间通过同步带及带轮组相连接；在上下层长横梁的外侧安装有用于放置控制线缆的传送带及集线槽；在横向移动拖板和上盖的四角对应位置分别开有横向移动拖板开孔和上盖开孔；

所述纵向升降机构包括支撑框架、四根直线导轨、打印头稳定板、驱动电机、钢丝绳和滑轮；支撑框架固定于横向移动拖板上，四根直线导轨与打印头稳定板滑动连接，并与横向移动拖板开孔和上盖开孔的位置垂直对应，四根垂直导轨能上下穿梭相应的横向移动拖板开孔和上盖开孔，四根直线导轨的下端连接阵列式喷头；所述打印头稳定板固定在横向移动拖板的下方；驱动电机通过钢丝绳绕过位于支撑框架顶部的滑轮与阵列式喷头固定连接，打印头稳定板、横向移动拖板以及上盖的中间均开有便于钢丝绳穿过的孔洞；

所述阵列式喷头包括喷头外壳和阵列喷嘴机构；所述喷头外壳包括底板、侧壁、隔板、V形支撑板、密封料仓、涡轮减速机外壳、盖板、喷口和侧壁安装孔，所述底板的横断面为W型，在底板的最低点开有喷口，沿底板的长度方向等间距布置多个喷口，W型底板的上部与侧壁固定连接，底板与侧壁整体呈倒锥形；W型底板的上部中间端面支撑V形支撑板的下部，所述V形支撑板与底板上下平行布置，在对应喷口位置的V形支撑板上开孔；在V形支撑板上，且位于底板与侧壁围成的空间内对称布置两个隔板，两个隔板的上部固定盖板，隔板、V形支撑板与相邻的侧壁之间形成密封料仓，密封料仓上部连接物料存储输送机构；在盖板的上方固定涡轮减速机外壳；密封料仓呈为长条状，与物料存储输送机构连接；

所述阵列喷嘴机构包括涡轮减速机、中心齿轮和若干数量的喷嘴单元，所述中心齿轮设置在V形支撑板的中心，所述涡轮减速机包含在涡轮减速机外壳内，涡轮减速机的输出端穿过盖板与中心齿轮垂直连接，通过涡轮减速机能带动中心齿轮转动；若干数量的喷嘴单元以中心齿轮为中心分两侧分布；每个喷嘴单元均包括动力部件、增压阀、喷嘴绞龙、外侧齿轮、内侧齿轮、上端面齿轮和下端面齿轮，所述动力部件的输出端穿过盖板与增压阀连接，通过增压阀实现对动力部件的增压；所述增压阀下部固定连接上端面齿轮；所述喷嘴绞龙上部与上端面齿轮的下表面固定连接，喷嘴绞龙的下部依次穿过下端面齿轮、外侧齿轮、V形支撑板上相应的开孔，并深入底板上的相应喷口中；所述下端面齿轮能在喷嘴绞龙上上下滑动，使下端面齿轮与上端面齿轮的面齿能够相互啮合；所述外侧齿轮的内侧安装有与其相啮合的内侧齿轮；相邻两个喷嘴单元的内侧齿轮和外侧齿轮也相互啮合，中心齿轮的一端与一行中的某个或某几个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合，另一端与另一行中的某个或某几个喷嘴单元的内侧齿轮相啮合；

所述物料存储输送机构为分级存储输送。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于所述物料存储输送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；一级存储仓包括用于水泥基干料存储的干料储存仓、用于储存水的储水仓和具备搅拌功能的混合料拌和仓，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；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阵列式喷头的入口连接；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。

3.根据权利要求2所述的水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于二级输送仓的长度方向与水平面之间的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于侧立杆、长横梁、短横梁的长度比为3：5：1。

5.根据权利要求1所述的水泥基材料阵列式3D打印机，其特征在于所述控制系统包括数据采集模块和运行驱动模块，所述数据采集模块包括用于测量打印过程中水泥基材料浆体压力的压力传感器和用于测量打印过程中水泥基材料浆体流速的若干只流速传感器。