CN108708455B - 一种3d打印frp筋混凝土结构的一体化建造装置及方法 - Google Patents

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CN108708455B CN201810908507.5A CN201810908507A CN108708455B CN 108708455 B CN108708455 B CN 108708455B CN 201810908507 A CN201810908507 A CN 201810908507A CN 108708455 B CN108708455 B CN 108708455B
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马国伟
李之建
王里
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河北工业大学
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04BGENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/16Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material

Abstract

本发明为一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置及方法,该装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头、料桶、FRP筋挤出设备及控制系统;混凝土打印头上部连接料桶,料桶上套接有轴承,轴承外圈与大齿轮固定,在大齿轮的一侧设有相互啮合的小型齿轮,所述小型齿轮与第一步进电机的输出轴连接,且第一步进电机固定在小型齿轮上;大齿轮的下表面通过连杆连接FRP筋挤出设备;所述FRP筋挤出设备包括FRP筋线轴、送筋单元、固定板、前导槽、剪断单元、再送筋单元、后导槽、散热单元、加热单元。该装置能实现混凝土和FRP筋的一体化建造,具有良好的工程可行性和应用价值。

Description

一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域,具体涉及一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置及方法。

背景技术

近年来3D打印技术成为了社会的热点,其中打印材料包括塑料、金属、陶瓷、软材料、混凝土等。3D打印混凝土技术具有设计和建造自由化、自动化程度高、施工速度快、人工成本低、环境污染小等诸多优点,近几年在土木工程领域获得广泛的关注和显著的发展。最近关于3D打印混凝土结构的报道随处可见,如3D打印桥梁、3D打印房屋等,这些在很大程度上证实了将3D打印技术运用到土木工程领域的可行性。然而3D打印采用层层堆积建造工艺,在打印过程中难以像传统浇筑工艺那样自由植入钢筋,所以目前3D打印结构主要作为非承重构件。因此,研发一种在打印过程中植入加强筋的建造方法对促进3D打印混凝土技术的发展和工程实际应用具有十分重要的意义。

专利号为ZL201410345502.8的中国专利公开了一种基于3D打印的钢筋砼结构及结构施工方法,其采用3D打印制作预制混凝土外壳,安装于结构梁的钢筋结构上,预制混凝土外壳内浇筑混凝土,完成结构梁与结构柱。其首先3D打印混凝土外壳,然后绑扎钢筋网,将3D打印混凝土外壳安装在钢筋网上,最后浇筑混凝土。该方法中钢筋结构的制备采用传统的绑扎工艺,很难制备出复杂形状的钢筋结构,不能适应3D打印的灵活性特点,由于钢筋刚度大,柔性差,很难像打印混凝土一样打印加强筋。

FRP筋是通过拉挤工艺将连续纤维与树脂复合在一起制备的纤维增强复合材料,其具有良好耐久性、高弹性模量和高抗拉强度特点,被广泛用于土木工程中。然而目前为止,尚无一种FRP筋和混凝土同时打印的建造方法公开。

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3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置及方法。该装置能实现混凝土和FRP筋的一体化建造,具有良好的工程可行性和应用价值,这将大力推动3D打印技术在土木行业的实际应用。该方法首先将连续纤维和树脂通过拉挤工艺复合成FRP筋,然后采用双头打印,一个喷头挤出混凝土,另一个喷头(加热单元出口)同时挤出FRP筋,方法工艺简单、施工速度快、人工成本低、自动化程度高。采用此方法制备的3D打印FRP筋混凝土结构的自由化程度高、经济性好、抗拉强度高,有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:

一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,其特征在于该装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头、料桶、FRP筋挤出设备及控制系统;混凝土打印头上部连接料桶,料桶上套接有轴承,轴承外圈与大齿轮固定,在大齿轮的一侧设有相互啮合的小型齿轮,所述小型齿轮与第一步进电机的输出轴连接,且第一步进电机固定在小型齿轮上;大齿轮的下表面通过连杆连接FRP筋挤出设备;

所述FRP筋挤出设备包括FRP筋线轴、送筋单元、固定板、前导槽、剪断单元、再送筋单元、后导槽、散热单元、加热单元;FRP筋线轴安装在连杆上,连杆下端连接固定板,固定板的长度方向与料桶平行;FRP筋线轴上缠绕FRP筋,所述的送筋单元、剪断单元、再送筋单元由上到下依次固定在固定板上;

所述送筋单元包括并排设置的第一主动齿轮和第一从动滑轮,第一主动齿轮和第一从动滑轮紧密接触,

所述剪断单元在送筋单元的下方,包括安装在固定板上的剪断刀片、抗冲击垫块和气缸,气缸的输出端连接剪断刀片,在与剪断刀片相对的一侧固定板上设置抗冲击垫块;

所述再送筋单元的结构组成与送筋单元相同,包括并排设置的第二主动齿轮和第二从动滑轮,第二主动齿轮和第二从动滑轮紧密接触;

在送筋单元与剪断单元间的固定板表面设有前导槽,前导槽的始端与位于第一从动滑轮和第一主动齿轮相接触位置的凹槽接触,终端至剪断单元的中心位置;

在剪断单元与再送筋单元间的固定板表面设有后导槽,后导槽的始端设在剪断单元的中心处,终端与散热单元接触;前导槽和后导槽之间的距离与剪断刀片的厚度相匹配,且前导槽的终端和后导槽的始端均不与剪断刀片接触;

在再送筋单元下端连接散热单元,在散热单元下方连接加热单元,散热单元和加热单元内均设置供FRP筋通过的输送通道;加热单元的出口与混凝土打印头的出口等高;

在固定板的背面设置有第二步进电机、第一同步轮、第二同步轮、第三同步轮、同步带,第三同步轮通过轴与第二主动齿轮连接,第二步进电机的输出轴连接第二同步轮,第一同步轮通过轴与第一主动齿轮连接,第一同步轮和第二同步轮通过齿啮合方式传动,第三同步轮和第二同步轮之间分别通过同步带连接传动;

所述的第一从动滑轮和第二从动滑轮侧面中间位置设有一周凹槽,凹槽尺寸与FRP筋相吻合;

上述的第一步进电机、第二步进电机、气缸、加热单元、混凝土打印头均与控制系统连接。

一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造方法,采用上述的3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,该方法的步骤是:

S1、分别对FRP筋和混凝土结构单独进行数字化建模及STL文件生成;

S2、对S1建模后的三维模型分层切片,并对FRP筋和混凝土结构单独进行打印路径规划;

S3、打印路径仿真模拟,路径校核,分别生成G代码;

S4、分别配置可3D打印的混凝土及FRP筋;

S5、3D打印机与计算机联机,导入G代码,调试运行参数;

S6、采用上述3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置完成FRP筋混凝土结构的建造;

S7、FRP筋混凝土结构养护。

一种3D打印FRP筋混凝土结构,其特征在于该结构由多层重复单元构成一个整体,每层重复单元均由3D打印混凝土和包裹在3D打印混凝土内部的单根FRP筋构成,单根FRP筋位于3D打印混凝土中靠近混凝土底面的位置上。

本发明的有益效果是:

现有3D打印混凝土结构内部不具有钢筋等提供抗拉强度的单元,所以现在的3D打印混凝土结构抗拉强度弱,承载能力有限。并且,3D打印混凝土采用层层叠加的建造工艺,现有的打印设备均不能在打印过程中置入钢筋等提供抗拉强度的单元。本发明装置基于3D打印技术,能同时打印FRP筋和混凝土,可以提高3D打印混凝土结构植筋的自由化程度。FRP筋的高腐蚀性特征也是钢筋等无法匹敌的,采用本发明建造方法所建造的3D打印FRP筋混凝土结构具有耐腐蚀、抗拉强度高和韧性好的特点,采用上述3D打印FRP筋混凝土结构可以制备出内含FRP筋的、高承载能力的、复杂形状的3D打印混凝土产品,其具有设计灵活化、建造自动化的优点,该FRP筋采用热塑性树脂材料制成,在高温下会软化,具有一定的变形能力,能满足3D打印过程的自由化特点,进行3D打印。该发明的建造过程简单,成本不高,可以大幅度节省人工投入,提高3D打印混凝土结构的安全性。

附图说明

图1为本发明3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造方法的流程图;

图2为本发明中FRP筋的制备工艺示意图;

图3为本发明3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置的主视结构示意图;

图4为本发明3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置的立体结构示意图;

图中,FRP筋线轴1、第一主动齿轮2、凹槽3、第一从动齿轮4、剪断单元5、第二从动齿轮6、第二主动齿轮7、气缸8、剪断刀片9、抗冲击垫块10、固定板11、散热单元12、加热单元13、料桶14、软化FRP筋17、混凝土打印头18、第一步进电机19、小型齿轮20、大齿轮21、第二步进电机22、第一同步齿轮23、第二同步齿轮24、同步带25、第三同步齿轮27、前导槽28、后导槽29、台架31、玄武岩连续纤维丝32、导纱板33、浸胶槽34、集束孔35、加热器36、拉挤模具37、绕线轴38、切割单元39、滚轴40、收卷机26。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明,但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置(简称装置,参见图3-4),包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头18、料桶14、FRP筋挤出设备及控制系统;混凝土打印头上部连接料桶14,料桶上套接有轴承,轴承外圈与大齿轮21固定,在大齿轮的一侧设有相互啮合的小型齿轮20,所述小型齿轮与第一步进电机19的输出轴连接,且第一步进电机固定在小型齿轮上;大齿轮的下表面通过连杆连接FRP筋挤出设备,控制系统控制整个装置执行相应的动作;

所述FRP筋挤出设备包括FRP筋线轴1、送筋单元、固定板11、前导槽28、剪断单元5、再送筋单元、后导槽29、散热单元12、加热单元13;FRP筋线轴1安装在连杆上,连杆下端连接固定板11,固定板的长度方向与料桶平行;FRP筋线轴1上缠绕FRP筋,所述的送筋单元、剪断单元、再送筋单元由上到下依次固定在同一固定板11上;

所述送筋单元包括并排设置的第一主动齿轮2和第一从动滑轮4,第一主动齿轮2和第一从动滑轮4紧密接触,用以提供向下送筋的动力,所述的第一从动滑轮侧面中间位置设有一周凹槽,凹槽尺寸与FRP筋相吻合,在送筋过程中作为FRP筋的输送通道;

所述剪断单元5在送筋单元的下方,包括安装在固定板上的剪断刀片9、抗冲击垫块10和气缸8,气缸的输出端连接剪断刀片9,在与剪断刀片相对的一侧固定板上设置抗冲击垫块10,所述的气缸由控制系统自动控制,在需要剪断时气缸冲击剪断刀片切断FRP筋;

所述再送筋单元的结构组成与送筋单元相同,包括并排设置的第二主动齿轮7和第二从动滑轮6,第二主动齿轮7和第二从动滑轮6紧密接触,用以提供向下送筋的动力,所述的第二从动滑轮侧面中间位置也设有一周凹槽,凹槽尺寸与FRP筋相吻合;

在送筋单元与剪断单元间的固定板表面设有前导槽28,前导槽的始端与位于第一从动滑轮4和第一主动齿轮2相接触位置的凹槽接触,终端至剪断单元的中心位置;

在剪断单元与再送筋单元间的固定板表面设有后导槽29,后导槽的始端设在剪断单元的中心处,终端与散热单元12接触;后导槽始端设为喇叭口,便于剪断后的筋进入并输送;前导槽28和后导槽29之间的距离与剪断刀片的厚度相匹配,且前导槽28的终端和后导槽29的始端均不与剪断刀片接触;

在再送筋单元下端连接散热单元,在散热单元(散热单元在这里起的作用是防止后导槽上方的FRP筋被软化)下方连接加热单元13,散热单元和加热单元内均设置供FRP筋通过的输送通道;加热单元的出口与混凝土打印头18的出口等高;

所述加热单元包括加热套、温度传感器、传热合金管,传热合金管作为FRP筋的输送通道,加热套套在传热合金管上,在加热套的表面设置温度传感器;

在固定板的背面设置有第二步进电机22、第一同步轮23、第二同步轮24、第三同步轮27、同步带25,第三同步轮通过轴与第二主动齿轮7连接,第二步进电机22的输出轴连接第二同步轮24,第一同步轮23通过轴与第一主动齿轮2连接,第一同步轮和第二同步轮通过齿啮合方式传动,第三同步轮27和第二同步轮24之间分别通过同步带27连接传动;

上述的第一步进电机、第二步进电机、气缸、加热单元、混凝土打印头均与控制系统连接。

本发明装置的工作过程是:由人工操作将FRP筋经FRP筋线轴进入送筋单元、前导槽28、后导槽29、加热单元,从加热单元出来的FRP筋需要手动操作使其弯向混凝土打印头所在方向,而后进行自动化操作过程。大齿轮由小型齿轮带动,所述小型齿轮由第一步进电机带动。当混凝土打印头运行方向发生变化时,控制系统控制第一步进电机工作,进而实现FRP筋挤出设备绕着混凝土打印头自由的转动,以保证FRP筋挤出设备在混凝土打印头运行方向的正前方(FRP筋挤挤出装置和打印头运行方向一致,前方挤筋后方挤混凝土,挤出的筋要被其后方的混凝土覆盖),挤出的FRP筋被挤出的混凝土全部覆盖。剪断后的FRP筋经过再送筋单元的第二主动齿轮和第二从动滑轮的作用向下通过后导槽进入散热单元和加热单元后软化,通过加热单元的软化FRP筋被挤出。3D打印过程中料桶内的混凝土通过混凝土打印头挤出并将挤出的FRP筋覆盖最终形成3D打印FRP筋混凝土结构。

本发明中送筋单元和再送筋单元的主动齿轮由同一个步进电机通过同步带同步带动,即一个电机带动两个齿轮同时转动,便于控制。

本发明还保护一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造方法,该方法的步骤是:

S1、分别对FRP筋和混凝土结构单独进行数字化建模及STL文件生成;

S2、对S1建模后的三维模型分层切片,并对FRP筋和混凝土结构单独进行打印路径规划;

S3、打印路径仿真模拟,路径校核,分别生成G代码;

S4、分别配置可3D打印的混凝土及FRP筋;

S5、3D打印机与计算机(控制系统)联机,导入G代码,调试运行参数;

S6、采用上述3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置完成FRP筋混凝土结构的建造;

S7、FRP筋混凝土结构养护。

所述的可3D打印的混凝土包括水泥基混凝土和尾矿砂纤维混凝土中的一种或两种;

所述的FRP筋的制备工艺为:连续纤维丝/绳集束→纤维浸胶→通过加热模具拉挤成型→缠绕成螺纹状表面→冷却成型→切割→FRP筋绕制成卷;

所述的连续纤维丝/绳为玻璃纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维中的任一种或几种的复合;

所述的纤维浸胶,其中胶是热塑性树脂中的任意一种。

本申请采用FRP筋代替钢丝绳,FRP筋加热后柔性较大,这样FRP筋的直径可以比钢丝绳的直径大许多,有利于提高FRP筋对混凝土增强的有效性。本发明中拉挤模具的直径不大于5mm,采用的FRP筋的直径不大于5mm,相对普通FRP筋的直径较小,且FRP筋为热塑性材料。

实施例1

本实施例以3D打印FRP筋尾矿砂纤维混凝土结构打印为例。

一种3D打印FRP筋尾矿砂纤维混凝土结构的建造方法,该方法的步骤是:

S1、分别对FRP筋和混凝土结构单独进行数字化建模及STL文件生成;

采用Solidworks分别对FRP筋和尾矿砂纤维结构进行数字化建模并导出STL文件。

S2、对步骤S1建模后的三维模型分层切片,并对FRP筋和混凝土结构单独进行打印路径规划;

利用三维模型切片软件Slic3r对FRP筋及尾矿砂纤维混凝土数字化模型进行切片,混凝土打印头18直径设为12mm,首层厚度为4mm,其余层厚度为5.5mm,打印速度为45mm/s;采用软件自带同心圆路径进行路径规划。

S3、打印路径仿真模拟,路径校核,分别生成G代码;

S4、分别配置可3D打印的混凝土及FRP筋;

本实施例的3D打印混凝土材料采用申请号为201710512635.3的中国专利中公开的一种可3D打印的尾矿砂纤维混凝土,按重量份数计,混凝土材料的组成和含量分别为:

快硬性普通硅酸盐水泥7.0份;粉煤灰1.35份;硅灰0.75份;空心玻璃微珠0.75份;砂子7.1份;尾矿砂4.7份,所述尾矿砂的平均粒径为220-2701μm;水2.8份;减水剂0.045份;长度为7-10mm的聚丙烯纤维0.007份;长度为12mm的玄武岩纤维0.007份;粘度为5万的经丙基甲基纤维素0.04份。

所述快硬性普通硅酸盐水泥的比表面积为348m2/kg,初凝时间为170min,终凝时间为210min,3天抗压强度为30MPa。所述粉煤灰的细度为45μm方孔筛筛余17.5。所述硅灰的比表面积为25-29m2/g。所述空心玻璃微珠的堆积密度为0.298/cm3,漂浮率为96。所述砂子为平均粒径387.51μm、比表面积0.101m2/g的天然砂;所述尾矿砂的平均粒径为246μm,比表面积为0.141m2/g;所述减水剂为聚梭酸系减水剂,减水率大于30,含固量为36.5%;所述聚丙烯纤维的长度为9mm,直径为50μm,密度为0.9g/cm3,抗拉强度为4MPa;所述玄武岩纤维的长度为12mm,拉伸强度为3300-4500MPa,所述经丙基甲基纤维素(HPMC)为一种粘度改性剂,优选粘度规格为5万粘度。

可3D打印的尾矿砂纤维混凝土的使用方法是:将上述配方的混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内,静置时间30min,所述静置时间是指从混凝土制备好到打印开始之间的时间,设置挤出速度为0.3m3/h,打印速度为45mm/s,然后进行打印。

FRP筋的制备工艺如图2所示:连续纤维丝/绳集束→纤维浸胶→通过加热模具拉挤成型→缠绕成螺纹状表面→冷却成型→切割→FRP筋绕制成卷。具体步骤为:放于台架31上的玄武岩连续纤维丝32在滚轴40的牵引力作用下,经过导纱板33进入浸胶槽34,浸胶槽内选用ABS树脂;然后纤维丝32经过集束孔35进入拉挤模具37中进行拉挤成型,拉挤模具由加热器36加热;将得到的FRP筋经绕线轴38缠绕成螺纹状表面冰冷却固化,并经切割单元39剪断;剪断的FRP筋经收卷机26卷制成FRP筋线轴。

S5、3D打印机与计算机联机,调试运行参数;

通过软件Repetier-Host控制结构的打印,首先通过软件Repetier-Host连接混凝土3D打印机,然后载入G代码进行试打印,根据打印路径调整机器运行参数。

S6、采用3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置完成FRP筋混凝土结构的建造;

将G代码载入软件Repetier-Host中,开始打印。

本实施例3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头18和FRP筋挤出设备。混凝土打印头18外侧与轴承连接,轴承外圈与大齿轮21固定,FRP筋挤出设备通过连杆与大齿轮21连接,所述大齿轮21由另一个小型齿轮20带动,所述小型齿轮由第一步进电机19带动。步进电机与控制系统(计算机)连接,当混凝土打印头运行方向发生变化时,控制系统控制第一步进电机19进而实现FRP筋挤出设备绕着混凝土打印头自由的转动,以保证FRP筋挤出设备在混凝土打印头运行方向的正前方,挤出的FRP筋被挤出的混凝土全部覆盖。

所述的FRP筋挤出设备包括FRP筋线轴1、送筋单元、前导槽28、剪断单元5、再送筋单元、后导槽29、散热单元12、加热单元13。

所述的FRP筋线轴1固定在连杆上,所述的送筋单元、剪断单元5、再送筋单元由上到下依次固定在同一固定板11上。所述的送筋单元和再送筋单元分别包括第一主动齿轮2和第一从动滑轮4、第二主动齿轮7和第二从动齿轮6,主动齿轮和从动滑轮紧密接触,用以提供向下送筋的动力。从动滑轮侧面中间位置设有一周的凹槽3,凹槽尺寸与FRP筋相吻合,在送筋过程中作为FRP筋的输送通道。送筋单元与剪断单元间设有前导槽28,前导槽28设置在固定板11的表面,前导槽28的始端与第一从动滑轮4的凹槽3接触,终端至剪断单元5的中心位置。剪断单元5在送筋单元的下方,剪断单元由安装在固定板11上的剪断刀片9、抗冲击垫块10和气缸8组成。所述的气缸8由控制系统自动控制,在需要剪断时气缸8给剪断刀片9提供动力切断FRP筋。剪断单元5与再送筋单元间设有后导槽29,后导槽29设置在固定板11的表面,后导槽29的始端设在剪断单元5的中心处,终端与散热单元12接触。后导槽29起端设有喇叭口,便于剪断后的筋进入并输送。所述的散热单元12设置在再送筋单元下端,所述的加热单元13固定在散热单元12下方。所述的加热单元13包括加热套、温度传感器、传热合金管,传热合金管作为FRP筋的输送通道。剪断后的FRP筋经过再送筋单元的第二主动齿轮和第二从动滑轮的作用向下通过后导槽29进入散热单元12和加热单元13后软化,通过加热单元的软化FRP筋17被挤出。3D打印过程中料桶14内的混凝土通过打印头18挤出并将挤出的FRP筋17覆盖最终形成3D打印FRP筋混凝土结构。

送筋单元和再送筋单元的主动齿轮由同一个步进电机22通过同步带25带动第一同步齿轮23、第二同步齿轮24、第三同步齿轮27同步带动,所述的步进电机22与控制系统连接,自动控制步进电机的转动。

S7、FRP筋混凝土结构养护;

将上述FRP筋尾矿砂纤维混凝土结构表面用保鲜膜封闭,然后放入标准养护室下养护28天,养护室温度控制为20±2℃。

本实施例制备得到的3D打印FRP筋混凝土结构,由多层重复单元构成一个整体,每层重复单元均由3D打印混凝土和包裹在3D打印混凝土内部的单根FRP筋构成,单根FRP筋位于3D打印混凝土中靠近混凝土底面的位置上。所述FRP筋的直径为3mm。

本发明3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造方法,基于3D打印技术,分别或同时打印FRP筋和混凝土,可以提高3D打印混凝土结构植筋的自由化程度,采用此种建造方法所建造的FRP筋混凝土结构具有设计灵活、抗拉强度高和耐久性好的特点。该发明的建造过程简单,成本不高,可以大幅度的节省人工投入,缩短施工工期,具有良好的工程可行性和应用价值,这将大力推动3D打印技术在土木行业的实际应用。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,其特征在于该装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头、料桶、FRP筋挤出设备及控制系统;混凝土打印头上部连接料桶,料桶上套接有轴承,轴承外圈与大齿轮固定,在大齿轮的一侧设有相互啮合的小型齿轮,所述小型齿轮与第一步进电机的输出轴连接,且第一步进电机固定在小型齿轮上;大齿轮的下表面通过连杆连接FRP筋挤出设备;
所述FRP筋挤出设备包括FRP筋线轴、送筋单元、固定板、前导槽、剪断单元、再送筋单元、后导槽、散热单元、加热单元;FRP筋线轴安装在连杆上,连杆下端连接固定板,固定板的长度方向与料桶平行;FRP筋线轴上缠绕FRP筋,所述的送筋单元、剪断单元、再送筋单元由上到下依次固定在固定板上;
所述送筋单元包括并排设置的第一主动齿轮和第一从动滑轮,第一主动齿轮和第一从动滑轮紧密接触,
所述剪断单元在送筋单元的下方,包括安装在固定板上的剪断刀片、抗冲击垫块和气缸,气缸的输出端连接剪断刀片,在与剪断刀片相对的一侧固定板上设置抗冲击垫块;
所述再送筋单元的结构组成与送筋单元相同,包括并排设置的第二主动齿轮和第二从动滑轮,第二主动齿轮和第二从动滑轮紧密接触;
在送筋单元与剪断单元间的固定板表面设有前导槽,前导槽的始端与位于第一从动滑轮和第一主动齿轮相接触位置的凹槽接触,终端至剪断单元的中心位置;
在剪断单元与再送筋单元间的固定板表面设有后导槽,后导槽的始端设在剪断单元的中心处,终端与散热单元接触;前导槽和后导槽之间的距离与剪断刀片的厚度相匹配,且前导槽的终端和后导槽的始端均不与剪断刀片接触;
在再送筋单元下端连接散热单元,在散热单元下方连接加热单元,散热单元和加热单元内均设置供FRP筋通过的输送通道;加热单元的出口与混凝土打印头的出口等高;
在固定板的背面设置有第二步进电机、第一同步轮、第二同步轮、第三同步轮、同步带,第三同步轮通过轴与第二主动齿轮连接,第二步进电机的输出轴连接第二同步轮,第一同步轮通过轴与第一主动齿轮连接,第一同步轮和第二同步轮通过齿啮合方式传动,第三同步轮和第二同步轮之间分别通过同步带连接传动;
所述的第一从动滑轮和第二从动滑轮侧面中间位置设有一周凹槽,凹槽尺寸与FRP筋相吻合;
上述的第一步进电机、第二步进电机、气缸、加热单元、混凝土打印头均与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,其特征在于所述加热单元包括加热套、温度传感器、传热合金管,加热套套在传热合金管上,在加热套的表面设置温度传感器。
3.根据权利要求1所述的3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,其特征在于所述后导槽始端设为喇叭口。
4.根据权利要求1所述的3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,其特征在于所述FRP筋的直径不大于5mm,且FRP筋为热塑性材料。
5.一种3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造方法,采用权利要求1-4任一所述的3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置,该方法的步骤是:
S1、分别对FRP筋和混凝土结构单独进行数字化建模及STL文件生成;
S2、对S1建模后的三维模型分层切片,并对FRP筋和混凝土结构单独进行打印路径规划;
S3、打印路径仿真模拟,路径校核,分别生成G代码;
S4、分别配置可3D打印的混凝土及FRP筋;
S5、3D打印机与计算机联机,导入G代码,调试运行参数;
S6、采用上述3D打印FRP筋混凝土结构的一体化建造装置完成FRP筋混凝土结构的建造;
S7、FRP筋混凝土结构养护。
6.一种3D打印FRP筋混凝土结构,其特征在于该结构采用权利要求1的建造装置制备,由多层重复单元构成一个整体,每层重复单元均由3D打印混凝土和包裹在3D打印混凝土内部的单根FRP筋构成,单根FRP筋位于3D打印混凝土中靠近混凝土底面的位置上。
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