CN108772938B - 一种混凝土3d打印喷头及打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混凝土3D打印喷头及打印机，属于混凝土3D打印技术领域。所述打印喷头包括主体套筒，固定衬套，套筒，速凝剂导入管以及喷嘴。主体套筒顶部设置有电机，内腔设置有螺旋搅拌轴，筒体上设置有进料筒，下端筒体外周设置有上支撑板；所述固定衬套的上端与上支撑板嵌合连接，下端嵌合有下支撑板，内腔设置有搅拌螺杆，搅拌螺杆的上端与螺旋搅拌轴的下端嵌合连接；所述套筒包括套筒内圈以及套筒外圈，套筒内圈及套筒外圈将速凝剂导入管紧紧嵌合在其间；所述喷嘴与套筒外圈的下端通过螺纹连接。本发明3D打印喷头在混凝土浆体输送末端加入速凝剂，既能满足3D打印对混凝土快速凝结的需求，又能避免混凝土材料在输送过程中凝结硬化过快造成的堵管。

Description

一种混凝土3D打印喷头及打印机

技术领域

本发明属于混凝土3D打印技术领域，具体为一种混凝土3D打印喷头及打印机。

背景技术

3D打印是一种以数字模型为基础的快速成型技术，运用可粘合的材料，通过逐层堆积的方式来构造物体的技术。3D打印的根本是数据驱动的结果，不仅能大量节省原材料，还能造出结构更加复杂的物品。

混凝土3D打印是利用特殊的混凝土作为原材料，通过三维坐标建立模型，将混凝土材料逐层堆积起来形成坚硬的建筑物轮廓的方法。混凝土3D打印系统一般由模拟控制部分、机械运动部分及原材料搅拌输送部分组成。进行打印时，模拟控制部分发出指令后，机械运动部分便根据其建立的模型逐层进行封闭式运动，而此时混凝土材料也源源不断的输送到指定的位置。混凝土材料就会像牙膏一样挤压出来，再一层一层堆砌起来，直到打印过程结束。

普通混凝土材料具有不可避免的缺陷，其凝结时间长，初凝时间通常在六小时以上，这对打印来说是非常的不利，在堆高的过程中容易发生坍塌，以至于无法堆叠形成较高的建筑轮廓，实用意义较小。为此需要向混凝土中加入能使其快速硬化的速凝剂，使混凝土在较短的时间内凝结硬化，足以支撑后续打印。但快速凝结硬化时间仍受速凝剂浓度、速凝剂作用效果、环境温度、搅拌均匀程度等影响，具有不稳定性，通常在一个范围区间内。若在混凝土搅拌时便加入速凝剂，如遇上临时终止打印等情况的出现，极有可能使混凝土在管道中便凝结硬化，进而造成堵塞管道等严重后果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土3D打印喷头，本发明喷头能够将液体速凝剂较均匀的混合到混凝土中，稳定可控的挤压出混凝土材料，出料后又能简单抹平混凝土，且喷头装置拆卸简单，内部清洗方便，可根据需要推广应用至各类型的混凝土3D打印机上。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种混凝土3D打印喷头，包括主体套筒，位于主体套筒下端并与其连通的固定衬套，位于固定衬套下端并与其连通的套筒，嵌合于套筒内的速凝剂导入管以及位于套筒下端并与其连通的喷嘴；

所述主体套筒的顶部设置有电机，内腔设置有螺旋搅拌轴，螺旋搅拌轴上端与电机的转子通过嵌合方式连接，筒体上设置有与主体套筒连通的进料筒，下端筒体外周设置有上支撑板；

所述固定衬套的上端以嵌合的方式与上支撑板嵌合连接，下端嵌合有下支撑板，内腔设置有搅拌螺杆，搅拌螺杆的上端与螺旋搅拌轴的下端嵌合连接；

所述套筒包括套筒内圈以及套合在套筒内圈外周的套筒外圈，套筒内圈及套筒外圈将速凝剂导入管紧紧嵌合在其间，且套筒内圈安装在下支撑板上；

所述喷嘴与套筒外圈的下端通过螺纹连接。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述速凝剂导入管包括两个同圆心的管道圈Ⅰ和管道圈Ⅱ，将管道圈Ⅰ和管道圈Ⅱ连通且相互垂直连通的直管Ⅰ和直管Ⅱ以及与管道圈Ⅰ和直管Ⅰ连通的外接管道，管道圈Ⅰ、管道圈Ⅱ、直管Ⅰ及直管Ⅱ的底部设置有孔洞。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述直管Ⅰ和直管Ⅱ分布在管道圈Ⅰ的两个相互垂直的直径上。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述套筒外圈上设置有放置混凝剂喷头外接管道的缺口。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述电机为带有齿轮减速器的步进电机；所述进料筒与主体套筒的轴向夹角为锐角。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述电机与主体套筒之间设置有上固定板、下固定板以及位于上固定板和下固定板之间的支撑轴，所述电机固定在上固定板上，主体套筒的上端与下固定板固定连接。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述上支撑板与下支撑板通过长螺柱杆连接；所述套筒外圈上设置有翼板，翼板与下支撑板通过短螺柱杆连接。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述固定衬套的内腔壁设置有耐磨橡胶护套，所述搅拌螺杆为变螺距杆，所述固定衬套和搅拌螺杆的下端比上端略小，且搅拌螺杆与固定衬套的内腔壁紧密相挨。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述套筒内圈及套筒外圈与速凝剂导入管间均设置有O型橡胶圈。

作为本发明所述一种混凝土3D打印喷头的一个具体实施例，所述喷嘴出口端外缘设置有宽大扁平的圆周面。

本发明还提供一种混凝土3D打印机，打印机体和3D打印喷头，所述3D打印喷头为上述所述的3D打印喷头。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明3D打印喷头在混凝土浆体输送末端加入速凝剂，既能满足混凝土3D打印对混凝土材料快速凝结的需求，又避免了混凝土材料在输送过程中凝结硬化过快造成的堵管等严重后果。

本发明喷头装置可以调控挤压出的混凝土材料的量，以及对挤压成型的物品表面进行简单整平，同时该装置系统拆卸容易，清洗方便，可适用于各类型的混凝土3D打印装置。

附图说明

图1为本发明混凝土3D打印喷头的结构示意图；

图2为图1中沿A-B面的剖视图；

图3为本发明混凝土3D打印喷头的内部连接示意图；

图4为速凝剂导入管的结构示意图；

图5为套筒外圈的结构示意图；

图6为喷嘴的结构示意图；

图7为图6中喷嘴沿C-D面的剖视图；

附图标记：1-主体套筒，2-固定衬套，3-套筒，31-套筒内圈，32-套筒外圈，4-速凝剂导入管，41-管道圈Ⅰ，42-管道圈Ⅱ，43-直管Ⅰ，44-直管Ⅱ，45-外接管道，46-孔洞，5-喷嘴，6-螺旋搅拌轴，7-搅拌螺杆，8-电机，9-进料筒，10-上支撑板，11-下支撑板，12-上固定板，13-下固定板，14-支撑轴，15-长螺柱杆，16-短螺柱杆，17-翼板，18-缺口，19-圆周面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体结构及原理对本发明一种混凝土3D打印喷头及打印机进行详细说明。

一种混凝土3D打印喷头，如图1、图2、图3所示。包括主体套筒1，位于主体套筒1下端并与其连通的固定衬套2，位于固定衬套2下端并与其连通的套筒3，嵌合于套筒3内的速凝剂导入管4以及位于套筒3下端并与其连通的喷嘴5。

本发明3D打印喷头的具体结构中，主体套筒1用实现混凝土的逐步挤压传送；固定衬套2实现混凝土的进一步挤压和平稳，主体套筒1主要是输送料，将料挤压进固定衬套2，固定衬套2主要是让出料更加平稳持续，不断料；套筒3用来安装速凝剂导入管4；速凝剂导入管4用来实现速凝剂的喷出，将混凝剂与混凝土浆体混合，这样既能满足混凝土3D打印对混凝土材料快速凝结的需求，又避免了混凝土材料在输送过程中凝结硬化过快造成的堵管等严重后果；喷嘴5用来实现经速凝剂处理后的混凝土浆体的喷出，从而实现混凝土的3D打印效果。

所述主体套筒1的顶部设置有电机8，内腔设置有螺旋搅拌轴6，螺旋搅拌轴6上端与电机8的转子通过嵌合方式连接，筒体上设置有与主体套筒1连通的进料筒9，下端筒体外周设置有上支撑板10。

电机8的作用是为螺旋搅拌轴6和搅拌螺杆7的转动提供动力，螺旋搅拌轴6上端与电机8的转子通过嵌合方式连接，在电机8的转动下可稳定旋转。螺旋搅拌轴6用来实现混凝土的预均匀混合和挤压传送，螺旋搅拌轴6与主体套筒1的内腔能够相互适应，挤压间隙适中。进料筒9的作用是实现混凝土的进料，上支撑板10焊接在主体套筒1下端筒体外周，其作用是实现固定衬套2的安装和固定。

进一步，所述电机8为带有齿轮减速器的步进电机，步进电机能够接受电脑的模拟信号，实时变换转速，从而控制混凝土出料多少。所述进料筒9与主体套筒1的轴向夹角为锐角，将进料筒9与主体套筒1的轴向夹角设置为锐角，方便进料，提高进料效果。更进一步，所述进料筒9的进料端成凹环型，为板把式快速接头阳段，可与同类型的阴段母接头配套快速连接。

进一步，所述电机8与主体套筒1之间设置有上固定板12、下固定板13以及位于上固定板12和下固定板13之间的支撑轴14，所述电机8固定在上固定板12上，主体套筒1的上端与下固定板13固定连接。上固定板12、支撑轴14、下固定板13之间通过焊接连接，用来固定电机8，以及防护步进电机与螺旋杆的连接，并起到固定导向作用。主体套筒1的上端与下固定板13通过焊接固定连接。

所述固定衬套2的上端以嵌合的方式与上支撑板10嵌合连接，下端嵌合有下支撑板11，内腔设置有搅拌螺杆7，搅拌螺杆7的上端与螺旋搅拌轴6的下端嵌合连接。

固定衬套2以嵌合的方式安装在上支撑板10上，且下端嵌合有下支撑板11，这种嵌合安装方式拆卸容易，方便清洗。上支撑板10和下支撑板11的作用是实现固定衬套2的安装和固定。进一步，所述上支撑板10与下支撑板11通过长螺柱杆15连接，可以对固定衬套2形成一定的夹击压力，加强固定衬套2的安装牢固性。搅拌螺杆7的作用是对从主体套筒1出来的混凝土进行进一步旋转加工处理，使混凝土颗粒更均匀细腻，挤出更加稳定均匀，搅拌螺杆7的上端与螺旋搅拌轴6的下端嵌合连接，可以在螺旋搅拌轴6转动时带动搅拌螺杆7旋转，从而实现对混凝土的再次处理。

进一步，所述固定衬套2的内腔壁设置有耐磨橡胶护套，所述搅拌螺杆7为变螺距杆，所述固定衬套2和搅拌螺杆7的下端比上端略小，且搅拌螺杆7与固定衬套2的内腔壁紧密相挨。上述结构的设置是结合喷头使用情况优选的，因为喷头使用时是树立的，下端比上端略小，有利于搅拌螺杆稳定在衬套中，不然有可能随着转动脱落，同时上述结构可使混凝土浆体由轴向均匀稳定流动。固定衬套2内腔壁设置的耐磨橡胶护套可以有效防止搅拌螺杆7的转动对内腔壁造成的摩擦损坏，提高装置的使用寿命。

所述套筒3包括套筒内圈31以及套合在套筒内圈31外周的套筒外圈32，套筒内圈31及套筒外圈32将速凝剂导入管4紧紧嵌合在其间，且套筒内圈31安装在下支撑板11上。套筒外圈32以嵌合的方式套装在套筒内圈31的外周，在实现将速凝剂导入管固定在其间的同时可以防止套筒外圈32的脱落，起到对套筒外圈32及整个套筒3的固定作用。

套筒3的作用是实现速凝剂导入管4的固定安装，通过套筒内圈31和套筒外圈32将速凝剂导入管4嵌合在其间，可以保证速凝剂导入管4的安装牢固性。套筒内圈31与下支撑板11通过焊接连接。

速凝剂导入管的具体结构如图4所示。所述速凝剂导入管4包括两个同圆心的管道圈Ⅰ41和管道圈Ⅱ42，将管道圈Ⅰ41和管道圈Ⅱ42连通且相互垂直连通的直管Ⅰ43和直管Ⅱ44以及与管道圈Ⅰ41和直管Ⅰ43连通的外接管道45，管道圈Ⅰ41、管道圈Ⅱ42、直管Ⅰ43及直管Ⅱ44的底部设置有孔洞46。本发明将速凝剂导入管4设置有适应套筒3内腔结构的圆形网状结构，其目的之一是可以保证速凝剂在套筒3内腔内的均匀分散，通过管道内部压力使速凝剂喷出，增大速凝剂与混凝土浆料的接触面积，使速凝剂的效果更佳均匀、有效；目的之二是圆形网状结构可以对从固定衬套2送入的混凝土浆料起到一定的支撑作用，防止由于混凝土输送速度过快由于套筒3或喷嘴5尺寸过小造成的冲击，有效防止混凝土在喷嘴5处堵塞，硬化，加大混凝土在喷涂内部的流通性。孔洞46的目的是实现速凝剂的喷出，实现速凝剂与混凝土浆体的接触混合，从而实现混凝土浆体快速凝结硬化，孔洞46设置在底部，可以避免浆体流入孔中堵塞管道，孔洞46可以根据需求开设若干个；外接管道45向外支出与速凝剂连通，速凝剂由外接管道45进入管道Ⅰ和直管Ⅰ43内。进一步，管道圈Ⅰ41、管道圈Ⅱ42、直管Ⅰ43及直管Ⅱ44的管道外圈设置有边带圆角，可以减小混凝土浆体流过的阻力。

更进一步，所述直管Ⅰ43和直管Ⅱ44分布在管道圈Ⅰ41的两个相互垂直的直径上。这样的设置可以使速凝剂导入管4向外喷洒的速凝剂更加均匀，加大速凝剂与混凝土的混合；同时对混凝土浆料的支撑作用更佳。

进一步，所述套筒外圈32上设置有放置混凝剂喷头外接管道45的缺口18，如图5所示。缺口18的设置是为了放置外接管道45。

进一步，所述套筒外圈32上设置有翼板17，翼板17与下支撑板11通过短螺柱杆16连接。翼板17的作用是加强套筒3的固定，套筒外圈32与翼板17通过焊接连接。翼板17与下支撑板11之间通过短螺柱杆16连接，进一步加强对套筒外圈32以及整个套筒3的固定。

进一步，所述套筒内圈31及套筒外圈32与速凝剂导入管4间均装有O型橡胶圈(未示出)。O型橡胶密封圈的目的是实现套筒3与速凝剂导入管4的密封连接性，可以根据具体的使用需求进行设定。更进一步，所述套筒内圈31与速凝剂导入管4上表面之间设有O型橡胶圈。O型橡胶圈设置的目的是为了防止浆体渗漏，可以根据具体使用情况设定在套筒内圈31及套筒外圈32与混凝剂导入管4之间，只要能实现防止浆体渗漏的目的即可。

所述喷嘴5与套筒外圈32的下端通过螺纹连接。喷嘴的具体结构如图6、图7所示。

喷嘴5通过螺纹与套筒外圈32下端连接，方便替换不同内径出口的喷嘴5，以适用不同的使用需求。进一步，所述喷嘴5出口端外缘设置有宽大扁平的圆周面19，可对喷出的混凝土进行表面整平。

一种混凝土3D打印机，打印机体和3D打印喷头，所述3D打印喷头为上述所述的3D打印喷头。

本发明混凝土3D打印喷头的具体工作过程如下：

打印时，混凝土浆体从进料筒9进入主体套筒1内部，在螺旋搅拌轴6的推动挤压下，进入固定衬套2与搅拌螺杆7的区域，形成稳定持续的挤压浆体，当浆体通过速凝剂导入管4时，速凝剂从速凝剂导入管4管道底部的孔洞46流出，与混凝土浆体混合，之后混合浆体通过喷嘴5挤出成型为打印物品，通过电机8控制螺旋杆的转速可以进一步控制挤压出混凝土浆体的量。

本发明3D打印喷头在混凝土浆体输送末端加入速凝剂，既能满足混凝土3D打印对混凝土材料快速凝结的需求，又避免了混凝土材料在输送过程中凝结硬化过快造成的堵管等严重后果。本发明喷头装置可以调控挤压出的混凝土材料的量，以及对挤压成型的物品表面进行简单整平，同时该装置系统拆卸容易，清洗方便，可适用于各类型的混凝土3D打印装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，包括主体套筒，位于主体套筒下端并与其连通的固定衬套，位于固定衬套下端并与其连通的套筒，嵌合于套筒内的速凝剂导入管以及位于套筒下端并与其连通的喷嘴；

所述主体套筒的顶部设置有电机，内腔设置有螺旋搅拌轴，螺旋搅拌轴上端与电机的转子通过嵌合方式连接，筒体上设置有与主体套筒连通的进料筒，下端筒体外周设置有上支撑板；

所述固定衬套的上端以嵌合的方式与上支撑板嵌合连接，下端嵌合有下支撑板，内腔设置有搅拌螺杆，搅拌螺杆的上端与螺旋搅拌轴的下端嵌合连接；

所述套筒包括套筒内圈以及套合在套筒内圈外周的套筒外圈，套筒内圈及套筒外圈将速凝剂导入管紧紧嵌合在其间，且套筒内圈安装在下支撑板上；

所述上支撑板与下支撑板通过长螺柱杆连接；所述套筒外圈上设置有翼板，翼板与下支撑板通过短螺柱杆连接；

所述喷嘴与套筒外圈的下端通过螺纹连接；

所述速凝剂导入管包括两个同圆心的管道圈Ⅰ和管道圈Ⅱ，将管道圈Ⅰ和管道圈Ⅱ连通且相互垂直连通的直管Ⅰ和直管Ⅱ以及与管道圈Ⅰ和直管Ⅰ连通的外接管道，管道圈Ⅰ、管道圈Ⅱ、直管Ⅰ及直管Ⅱ的底部设置有孔洞，所述直管Ⅰ和直管Ⅱ分布在管道圈Ⅰ的两个相互垂直的直径上。

2.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述套筒外圈上设置有放置速凝剂导入管的外接管道的缺口。

3.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述电机为带有齿轮减速器的步进电机；所述进料筒与主体套筒的轴向夹角为锐角。

4.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述电机与主体套筒之间设置有上固定板、下固定板以及位于上固定板和下固定板之间的支撑轴，所述电机固定在上固定板上，主体套筒的上端与下固定板固定连接。

5.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述固定衬套的内腔壁设置有耐磨橡胶护套，所述搅拌螺杆为等距螺杆，所述固定衬套和搅拌螺杆的下端比上端略小，且搅拌螺杆与固定衬套的内腔壁紧密相挨。

6.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述套筒内圈及套筒外圈与速凝剂导入管间均设置有O型橡胶圈。

7.如权利要求1所述一种混凝土3D打印喷头，其特征在于，所述喷嘴出口端外缘设置有宽大扁平的圆周面。

8.一种混凝土3D打印机，其特征在于，打印机体和3D打印喷头，其特征在于，所述3D打印喷头为权利要求1至7任一项所述的3D打印喷头。