CN109732740A - 一种带自约束装置的水泥基材料3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，该喷头自上而下包括料斗(1)、与料斗(1)下部连接的喷嘴(2)、设在喷嘴(2)下方的矩形连接板(3)以及设置在矩形连接板(3)下方的自约束装置；自约束装置包括上约束板(4)、分布在约束板(4)两侧的左侧约束板(5)和右侧约束板(7)，以及位于上约束板(4)下表面的切槽(6)，其中上约束板(4)与矩形连接板(3)固定连接；在矩形连接板(3)和上约束板(4)上，与喷嘴(2)相对应的位置处开有与喷嘴(2)大小相同的孔。该喷头能够解决3D打印水泥基材料构件中存在的空腔和冷缝问题，同时可以提升打印成品表面光洁度。

Description

一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头

技术领域

本发明涉及一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印又称为增材制造，起源于上世纪80年代，是指通过连续的物理层叠加，通过三维模型将塑料、金属粉末或无机非金属粉末等可粘合材料通过逐层增加的方法来生成三维实体的技术。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

混凝土作为建筑上用量最大，使用范围最广的建筑用材料，3D打印建筑材料就是3D打印混凝土技术，是在3D打印技术的基础上发展起来的应用于水泥基材料的新技术，其主要工作原理是将配置好的水泥基材料浆体通过挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的打印程序，由喷嘴挤出进行打印。传统的建筑行业需要大量的劳动力，而且混凝土的灌浆过程耗费大量的能源和材料，效率低，且施工过程中危险较大，而采用3D打印技术可以节省35％-60％的混凝土消耗，且既有自密实混凝土无需捣振的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点，因此建筑材料的3D打印是建筑行业今后转型发展的重要方向。

水泥基材料的3D打印与金属材料或者树脂材料不同，不能在高温或者熔融状态下熔结在一起，所以每层打印之间都会有冷缝的存在，使得层间结合力变差，墙体的抗压强度较高但剪切强度较低。在打印的过程中，由于材料是层层堆积，所以先打印的部分就要不断承受后打印部分堆积的重量，因此需要材料拥有较短的初凝时间和较强的初凝强度，在下层保证足够的强度后，水泥基材料暴露在空气中的时间过长，又会导致上下两层结合强度下降。由于打印出的条带存在自身重力，会坍塌成截面为椭圆形的腰鼓状，会使打印成品表面产生波纹状凸起，会大大影响表面光洁度以及整体强度，在多次打印中也会使内部产生空腔。

综上所述，目前3D打印水泥基材料中不可避免的冷缝以及空腔的问题，会大大影响整体构件的强度，因此如何解决冷缝以及空腔的问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种带自约束装置的水泥基材料3D打印机喷头，其设计能够解决3D打印水泥基材料构件中存在的空腔和冷缝问题，同时可以提升打印成品表面光洁度。

技术方案：本发明提供了一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，该喷头自上而下包括料斗、与料斗下部连接的喷嘴、设在喷嘴下方的矩形连接板以及设置在矩形连接板下方的自约束装置；

自约束装置包括上约束板、分布在约束板两侧的左侧约束板和右侧约束板，以及位于上约束板下表面的切槽，其中，上约束板、左侧约束板和右侧约束板三者构成自约束型腔，上约束板与矩形连接板固定连接；

在矩形连接板和上约束板上，与喷嘴相对应的位置处开有与喷嘴大小相同的孔。

其中：

所述的料斗下部连接的喷嘴中，料斗的下部和喷嘴在竖直Z轴方向以焊接或铆接方式进行无缝连接。

所述料斗下部与喷嘴上方重合。

所述的设在喷嘴下方的矩形连接板中，喷嘴与矩形连接板通过焊接或铆接进行无缝连接。

所述的上约束板与矩形连接板固定连接中，上约束板与矩形连接板通过螺钉或铆钉进行连接，矩形连接板及上约束板在相同对应的位置共同开螺纹孔，且螺纹孔位于喷嘴外沿。

所述的上约束板与分布在其两侧的左侧约束板和右侧约束板通过螺钉或铆钉进行连接，在上约束板与左侧约束板和右侧约束板的对应位置开螺纹孔，左侧约束板和右侧约束板为开孔槽，保证多个螺丝可以共同进行连接。

所述的位于上约束板表面的切槽中，切槽与上约束板的下表面通过焊接或铆接方式进行无缝连接，其位置位于上约束板下表面远离喷嘴的一侧，切槽在打印过程中不断切割水泥基材料表层，使打出的水泥基材料条带上形成与切槽截面形状一致的沟槽，增加层间结合面积。

所述的上约束板、左侧约束板和右侧约束板三者构成自约束型腔，该约束型腔宽度自喷嘴处向远离喷嘴方向逐渐收窄，成一定的向内的倾斜角度，在打印过程中可以对打出的水泥基材料条带进行约束。

所述的该约束型腔宽度自喷嘴处向远离喷嘴方向逐渐收窄中，约束型腔尾部的宽度小于喷嘴的尺寸。

所述的切槽的截面为三角形、矩形以及半圆球型。

在打印过程中由所述上约束板、左侧约束板和右侧约束板共同对打印的水泥基材料条带施加压力，迫使浆料填满型腔，增强水泥基材料层间融合，所述切槽在打印过程中切割打印出的水泥基材料条带表层，增加层与层之间的结合面积。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明提供的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头中，上约束板、左侧约束板和右侧约束板共同对打印的水泥基材料条带施加压力，迫使浆料填满型腔，在约束力作用下，增强了水泥基材料的浆料在层间的融合，增强了层间结合强度；

2、本发明提供的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头中，打出的水泥基材料经过约束后形成约束板最尾端截面大小的矩形条带，会使打出的成品表面较为光洁，且相邻的水泥基材料条带之间不会产生空腔，解决了常见的空腔问题；

3、本发明提供的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头中，连接在上约束板下表面远离喷嘴的一侧的切槽同时可以切割打出的水泥基材料条带表层，会在条带上产生与切槽截面相同的沟槽，在下层打印时在约束力的作用下，水泥基材料浆料不断被填充到沟槽中，增大了界面结合面积，能够解决冷缝的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头的结构示意图；

图2为图1中的局部放大图；

图3为图2的侧视图；

图4为图2的俯视图；

图中有：1料斗、2喷嘴、3矩形连接板、4上约束板、5左侧约束板、7右侧约束板和6切槽。

具体实施方式

本发明提供了一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，该喷头自上而下包括料斗1、与料斗1下部连接的喷嘴2、设在喷嘴2下方的矩形连接板3以及设置在矩形连接板3下方的自约束装置；

自约束装置包括上约束板4、分布在约束板4两侧的左侧约束板5和右侧约束板7，以及位于上约束板4下表面的切槽6，其中，上约束板4、左侧约束板5和右侧约束板7三者构成自约束型腔，上约束板4与矩形连接板3固定连接，在矩形连接板3和上约束板4上，与喷嘴2相对应的位置处开有与喷嘴2大小相同的孔。

在打印过程中由上约束板4、左侧约束板5和右侧约束板7共同对打印的水泥基材料条带施加向内的压力，所述切槽6在打印过程中切割打印出的条带在表层形成沟槽，增加层间结合面积。

打印过程中，水泥基材料的浆料在料斗1中，从喷嘴2挤出，打出的水泥基材料条带经过上约束板4以及左侧约束板5和右侧约束板7的约束，填满型腔，在约束力作用下，增强了水泥基材料的浆料在层间的融合，增强了层间结合强度；打出的水泥基材料经过约束后形成约束板最尾端截面大小的矩形条带，会使打出的成品表面较为光洁，且相邻的水泥基材料条带之间不会产生空腔，解决了常见的空腔问题；连接在连接在上约束板下表面远离喷嘴的一侧的切槽同时可以切割打出的水泥基材料条带表层，会在条带上产生与切槽截面相同的沟槽，在下层打印时在约束力的作用下，水泥基材料浆料不断被填充到沟槽中，增大了界面结合面积，能够解决冷缝的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头(如图1所示)，该喷头自上而下包括料斗1、与料斗1下部连接的喷嘴2、设在喷嘴2下方的矩形连接板3以及设置在矩形连接板3下方的自约束装置；自约束装置包括上约束板4、分布在约束板4两侧的左侧约束板5和右侧约束板7，以及位于上约束板4下表面的切槽6，其中，上约束板4、左侧约束板5和右侧约束板7三者构成自约束型腔，上约束板4与矩形连接板3固定连接，在矩形连接板3和上约束板4上，与喷嘴2相对应的位置处开有与喷嘴2大小相同的孔。

所述的料斗1下部连接的喷嘴2中，料斗1下部与喷嘴2上方重合，料斗1的下部和喷嘴2在竖直Z轴方向以焊接方式进行无缝连接。

所述的设在喷嘴2下方的矩形连接板3中，喷嘴2与矩形连接板3通过焊接进行无缝连接。

所述的上约束板4与矩形连接板3固定连接中，上约束板4与矩形连接板3通过螺钉进行连接，矩形连接板及上约束板在相同对应的位置共同开螺纹孔，且螺纹孔位于喷嘴2外沿。

所述的上约束板4与分布在其两侧的左侧约束板5和右侧约束板7通过螺丝进行连接，在上约束板4与左侧约束板5和右侧约束板7的对应位置开螺纹孔，左侧约束板5和右侧约束板7为开孔槽，保证多个螺丝可以共同进行连接。

所述的位于上约束板4下表面的切槽6中，切槽6与上约束板4的下表面通过焊接或铆接方式进行无缝连接，其位置位于上约束板4下表面远离喷嘴2的一侧。切槽6在打印过程中不断切割水泥基材料表层，使打出的水泥基材料条带上形成与切槽截面形状一致的沟槽，下层打印的水泥基材料浆料会填充到沟槽之中，增加层间结合面积。

所述的切槽6的截面为三角形、矩形以及半圆球型。

所述的上约束板4、左侧约束板5和右侧约束板7三者构成自约束型腔，该约束型腔宽度自喷嘴2处向远离喷嘴2方向逐渐收窄，成一定的向内的倾斜角度，使得约束型腔尾部的宽度小于喷嘴2的尺寸，可以在打印过程中对打出的水泥基材料从上方和两侧向内施加压力(如图2、图4所示)，对打出的水泥基材料条带进行约束，使打出的水泥基材料条带截面为约束板的形状。

在打印过程中，水泥基材料先灌入料斗1中，然后由打印机自带的螺旋装置施加压力，通过喷嘴2进行挤出，挤出的水泥基材料经过上约束板4、左侧约束板5和右侧约束板7的约束，会使截面变成约束板最后空间的形状，不会产生自然坍落，打印的过程中，切槽6也会同时切割打印出的水泥基材料条带表层，使水泥基材料条带的上表面切割出一定大小的沟槽，在后续的打印中会有水泥基材料的浆料在约束力作用下不断填充到沟槽之中。

以上结合附图对本发明提供的一种带自约束装置的水泥基材料的3D打印喷头的具体实施方式进行了详细介绍。本文通过对实际过程中的实施方式的阐述详细的介绍了本发明，以上介绍和说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员可依据实际需要进行调整，这些改进和调整也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：该喷头自上而下包括料斗(1)、与料斗(1)下部连接的喷嘴(2)、设在喷嘴(2)下方的矩形连接板(3)以及设置在矩形连接板(3)下方的自约束装置；

自约束装置包括上约束板(4)、分布在约束板(4)两侧的左侧约束板(5)和右侧约束板(7)，以及位于上约束板(4)下表面的切槽(6)，其中，上约束板(4)、左侧约束板(5)和右侧约束板(7)三者构成自约束型腔，上约束板(4)与矩形连接板(3)固定连接；

在矩形连接板(3)和上约束板(4)上，与喷嘴(2)相对应的位置处开有与喷嘴(2)大小相同的孔。

2.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的料斗(1)下部连接的喷嘴(2)中，料斗(1)的下部和喷嘴(2)在竖直Z轴方向以焊接或者铆接方式进行无缝连接。

3.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的设在喷嘴(2)下方的矩形连接板(3)中，喷嘴(2)与矩形连接板(3)通过焊接或铆接方式进行无缝连接。

4.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的上约束板(4)与矩形连接板(3)固定连接中，上约束板(4)与矩形连接板(3)通过螺钉或铆钉进行连接，矩形连接板(3)及上约束板(4)在相同对应的位置共同开螺纹孔。

5.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的上约束板(4)与分布在其两侧的左侧约束板(5)和右侧约束板(7)通过螺钉或铆钉进行连接，在上约束板(4)与左侧约束板(5)和右侧约束板(7)的对应位置开螺纹孔，左侧约束板(5)和右侧约束板(7)为开孔槽。

6.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的位于上约束板(4)下表面的切槽(6)中，切槽(6)与上约束板(4)的下表面通过焊接或铆接方式进行无缝连接，其位置位于上约束板(4)下表面远离喷嘴(2)的一侧。

7.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的上约束板(4)、左侧约束板(5)和右侧约束板(7)三者构成自约束型腔，该约束型腔宽度自喷嘴(2)处向远离喷嘴(2)方向逐渐收窄，成一定的向内的倾斜角度。

8.如权利要求7所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的该约束型腔宽度自喷嘴(2)处向远离喷嘴(2)方向逐渐收窄中，约束型腔尾部的宽度小于喷嘴(2)的尺寸。

9.如权利要求1所述的一种带自约束装置的水泥基材料3D打印喷头，其特征在于：所述的切槽(6)的截面为三角形、矩形以及半圆球型。