CN110193871B - 一种混凝土3d打印u型钉自动布钉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，包括储钉盒、撞针机构和U型钉传送机构；撞针机构包括电磁铁激发装置、复位弹簧、限位器、撞针滑块和撞针；U型钉传送机构包括传送带电机、传送带、传送弹簧、传送带转轮、撞针滑块轨道、出钉口、送钉滑块轨道、送钉滑块和壳体。本布钉系统能够实现3D打印混凝土构件的竖向层间加固，解决了3D打印层间存在薄弱交界面的问题，提高了力学性能，实现了3D打印混凝土层间剪切增强增韧，提高了3D打印构件的韧性和强度。本布钉系统实现了自适应跟随3D打印路径布置U型钉。在3D打印过程中可随时添加U型钉，并且通过对传送带和撞针机构的协同控制，保证了打印过程U型钉置入的连续性。

Description

一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体是一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统。

背景技术

随着我国建筑行业的快速发展，传统的施工建造方式因其高能耗、高污染、低效率等缺点，已经逐渐不适用于现代建筑工程，3D打印技术作为智能化建造的新型技术，成为了解决传统施工问题的重要方法，利用自动化设施，能够快捷、灵活、环保的实现工程建造。3D打印技术也逐渐在建筑行业得到应用。3D打印混凝土技术是通过机械臂等自动化设备将水泥基建筑材料通过喷嘴挤出，按照软件切片后规划好的路径进行增材制造的过程。该技术因其无模化的特点节约了工程成本，同时自动化的施工流程节约了人力成本和时间成本。

然而，3D打印逐层堆叠的过程，难以像传统模板浇筑的方法一样进行钢筋笼的绑扎。如果没有钢筋的植入，3D打印混凝土的结构将难以满足工程实际的承载要求。3D打印混凝土由于挤出材料表面含水等原因，各个打印层之间存在着一定的薄弱交界面，极大地削弱了3D打印构件的力学性能。因此，急需解决竖向层间增强增韧的问题。申请号201810616915.3的文献公开了一种纤维增强复合材料3D打印的层间增强技术，但此装置适用于3D打印混凝土水平方向的增韧，并不能解决竖向分层的增韧问题。目前尚无竖向打印层间加固设备的研究。

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，提供一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于该布钉系统包括储钉盒、撞针机构和U型钉传送机构；所述撞针机构包括电磁铁激发装置、复位弹簧、限位器、撞针滑块和撞针；所述U型钉传送机构包括传送带电机、传送带、传送弹簧、传送带转轮、撞针滑块轨道、出钉口、送钉滑块轨道、送钉滑块和壳体；

所述储钉盒的底部与壳体的顶部固定连接，储钉盒内部和壳体连通；所述储钉盒的后部开有入钉口；储钉盒内部后部具有一斜面，位于入钉口下方；储钉盒的前部外侧设有撞针轨道；

电磁铁激发装置的壳体固定于储钉盒上，内部放置有铁芯，外部周向缠绕有线圈；所述撞针放置于撞针轨道中，其一端与铁芯的一端固定连接；撞针滑块固定安装于撞针上，与撞针滑块轨道配合；所述限位器的一端置于电磁铁激发装置中，与铁芯的另一端固定连接；复位弹簧嵌套于限位器上，一端与电磁铁激发装置的壳体固定连接，另一端与限位器的另一端固定连接；

所述传送电机固定于壳体后部，其输出端固定有一个传送带转轮；另一个传送带转轮可转动式安装于壳体上；传送带安装于两个传送带转轮上；壳体侧面开有送钉滑块轨道，送钉滑块放置于壳体内部；送钉滑块的侧面具有凸出的小滑块，与送钉滑块轨道配合，沿送钉滑块轨道滑动；送钉滑块一侧的凸出的小滑块与传送带固定连接；传送弹簧的两端分别固定于送钉滑块的凸出的小滑块和壳体上；壳体的前部开有撞针滑块轨道，用于与撞针滑块配合；所述出钉口开在壳体的前端底部，与撞针的位置对应；所述壳体的底部固定于打印喷头上。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本布钉系统能够实现3D打印混凝土构件的竖向层间加固，解决了3D打印层间存在薄弱交界面的问题，提高了力学性能，实现了3D打印混凝土层间剪切增强增韧，提高了3D打印构件的韧性和强度。

(2)本布钉系统能够通过可拆卸的方式装配于任何打印头上，出钉口在打印过程中一直处于打印喷头的出料口后，实现了自适应跟随3D打印路径布置U型钉，并通过本布钉系统将U型钉垂直置入打印路径当中，提高了3D打印层间的力学性能，扩大了3D打印混凝土受力构件的应用范围。

(3)储钉盒中可储存多排U型钉同时在3D打印过程中可随时添加U型钉，并且通过对传送带和撞针机构的协同控制，保证了打印过程U型钉置入的连续不间断性，避免了3D打印机空载，使混凝土和加强筋进行一体化建造。

(4)电子控制系统可以控制布钉速度，可自动调节布钉的间距，能够均匀的将U型钉置入打印路径当中，实现对3D打印构件层间力学性能的把控，自动化程度高，符合3D打印自动化、灵活性的特点。

(5)通过更换撞针和限位器，使各种类型和尺寸的U型钉适用于本布钉系统。

(6)本布钉系统实现了将成排的U型钉分离并且自动垂直置入U型钉的功能。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整体结构安装示意图；

图2是本发明一种实施例的整体结构立体示意图；

图3是本发明一种实施例的储钉盒立体示意图；

图4是本发明一种实施例的U型钉传送机构轴测示意图；

图5是本发明一种实施例的U型钉传送机构拆解示意图；

图6是本发明一种实施例的U型钉传送机构立体示意图；

图7是本发明一种实施例的打印喷头拆解示意图；

图8是本发明的工作原理剖面图。

图中：1、储钉盒；11、入钉口；12、撞针轨道；13、斜面；

2、撞针机构；21、电磁铁激发装置；22、复位弹簧；23、限位器；24、撞针滑块；25、撞针；26、线圈；27、铁芯；

3、U型钉传送机构；31、传送带电机；32、连接块；33、传送带；34、传送弹簧；35、传送带转轮；36、撞针滑块轨道；37、出钉口；38、送钉滑块轨道；39、送钉滑块；310、壳体；

4、U型钉；

5、打印喷头；51、联动齿轮；52、绞龙；53、进料口；54、储料斗；55、方形挤出头；56、喷头电机；57、密封块；58、同步带；

6、电子控制系统；61、屏幕；62、控制按键；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统(简称布钉系统)，其特征在于该布钉系统包括储钉盒1、撞针机构2、U型钉传送机构3和电子控制系统6；所述撞针机构2包括电磁铁激发装置21、复位弹簧22、限位器23、撞针滑块24和撞针25；所述U型钉传送机构3包括传送带电机31、传送带33、传送弹簧34、传送带转轮35、撞针滑块轨道36、出钉口37、送钉滑块轨道38、送钉滑块39和壳体310；

所述储钉盒1的底部通过螺钉与壳体310顶部可拆卸式固定连接，储钉盒1内部和壳体310连通；所述储钉盒1的后部上端开有入钉口11，用于将成排的U型钉4通过入钉口11横向加入到储钉盒1中；储钉盒1内部后部具有一斜面13，位于入钉口11下方，便于通过斜面13将U型钉4通过重力推向壳体310内部的凹槽中；储钉盒1的前部外侧设有撞针轨道12，保证撞针25垂直运动；

电磁铁激发装置21的壳体底部固定于储钉盒1的侧面上，内部放置有铁芯27，外部周向缠绕有线圈26；所述撞针25放置于撞针轨道12中，其一端与铁芯27的一端固定连接；撞针滑块24固定安装于撞针25上，与撞针滑块轨道36配合；所述限位器23的一端置于电磁铁激发装置21中，与铁芯27的另一端固定连接；复位弹簧22嵌套于限位器23上，一端与电磁铁激发装置21的壳体固定连接，另一端与限位器23的另一端固定连接；限位器23保证撞针25的运动距离在可控范围内；撞针滑块24在撞针25移动过程中限制了撞针25的运动轨迹，使撞针25沿撞针滑块轨道36运动；

所述传送电机31通过螺钉可拆卸式固定于壳体310后部，其输出端固定有一个传送带转轮35；另一个传送带转轮35通过轴与滚动轴承配合可转动式安装于壳体310上(具体是传送带转轮35的中心通过滚动轴承与轴可转动连接，轴端固定于壳体310上；或者传送带转轮35的中心固定有轴，轴端通过滚动轴承可转动安装于壳体310上)；传送带33安装于两个传送带转轮35上；壳体310侧面(优选两侧)开有送钉滑块轨道38，送钉滑块39放置于壳体310内部的凹槽中，其上表面与壳体310的顶部平齐；送钉滑块39的侧面(优选两侧)具有凸出的小滑块，与送钉滑块轨道38配合，沿送钉滑块轨道38直线滑动；送钉滑块39一侧的凸出的小滑块通过连接块32与传送带33固定连接，传送带33带动送钉滑块39移动；传送弹簧34的两端分别固定于送钉滑块39的凸出的小滑块和壳体310上；壳体310的前部开有撞针滑块轨道36，用于与撞针滑块24配合，实现撞针25沿撞针滑块轨道36运动；所述出钉口37开在壳体310的前端底部，与撞针25的位置对应，位于打印喷头5的方形挤出头55的出料口后；所述壳体310的底部通过螺钉可拆卸式固定于打印喷头5上。

所述电子控制系统6为通用的电子控制系统，电子控制系统6安装于储钉盒1侧面(侧面的好处是可以随时改变布钉系统的工作状态并且避免人工操作对布钉系统工作的影响)，具有屏幕61和控制按键62；电子控制系统6通过连接线分别与线圈26和传送带电机31电连接，通过控制按键62控制撞针机构2的电磁铁激发速度以及传送带33的启动和停止，通过屏幕61显示实时的送钉状态(包括打印停止的工况)如传送带33的启动或停止状态和撞针机构2的电磁铁激发速度。撞针机构2的电磁铁激发速度应该随实际的工程要求而改变。

优选地，壳体310的高度不小于U型钉4的脚长，撞针25的长度不小于U型钉4的脚长，撞针25的长度大于滑块轨道36的长度，以保证U型钉4于打印路径中线垂直发射到混凝土中。

优选地，撞针25的下降高度与U型钉的脚长长度相同。

本发明同时提供了一种与所述布钉系统配合使用的混凝土3D打印喷头(简称打印喷头)；所述打印喷头5为方形打印头，包括联动齿轮51、绞龙52、进料口53、储料斗54、方形挤出头55、喷头电机56、密封块57和同步带58；喷头电机56固定于密封块57上，其输出端伸入密封块57内部，端部固定有一个联动齿轮51；所述储料斗54固定于密封块57上，其内部放置有绞龙52；绞龙52的轴伸入密封块57内部并与密封块57通过轴承可转动连接，轴端固定有一个联动齿轮51；两个联动齿轮51通过同步带58连接，通过喷头电机56提供绞龙52转动的动力；进料口53位于储料斗54的上部；方形挤出头55通过螺纹与储料斗54可拆卸式固定连接；水泥浆体通过进料口53进入储料斗54，喷头电机56带动绞龙52转动，将水泥浆体通过方形挤出头55挤出。壳体310的底部通过螺钉可拆卸式密封固定于方形挤出头55上，出钉口37位于方形挤出头55的出料口后。在打印过程中，打印喷头5安装于机械臂打印机上，随着打印路径进行旋转，而出钉口37在打印过程中一直处于方形挤出头55出料口后，实现了跟随打印路径放置U型钉4

本发明的工作原理和工作流程是：

初始状态时，送钉滑块39位于出钉口37处，传送弹簧34处于自然状态。传送电机31转动，带动送钉滑块39向壳体310后部移动，同时拉伸传送弹簧34，待送钉滑块39到达壳体310后端后，将成排的U型钉4通过入钉口11横向加入到储钉盒1中，再通过储钉盒1内部的斜面13将U型钉4通过重力推向壳体310内部的凹槽中。

传送电机31断电，利用传送弹簧34的弹簧力通过传送带33带动送钉滑块39向出钉口37运动，进而将成排的U型钉4向出钉口37处推动，此时成排U型钉的第一个U型钉位于出钉口37，撞针25位于成排U型钉的第一个U型钉的上方。线圈26通电后，铁芯27激发，铁芯27带动撞针25沿撞针滑块轨道36撞向第一个U型钉同时复位弹簧22压缩。当撞针25将第一个U型钉4于打印路径中线垂直发射到混凝土中后，线圈26断电，复位弹簧22利用压缩时产生弹性力将撞针25推回原位，完成第一个U型钉的布钉。重复此过程，完成第一排U型钉的布钉。

当第一排U型钉用完后，即撞针25触发n次(n为第一排U型钉的数量)以后，电子控制系统6得到信号，触发传送带电机31带动传送带33运行，将送钉滑块39带回起点，储钉盒1中的下一排U型钉落下，继续工作，实现了布钉系统的连续工作，保证了3D打印构件的完整性和均匀性。

打印喷头5随打印路径进行旋转的时候，布钉系统跟随打印喷头5旋转，实现自适应打印路径的加钉功能。

需要说明的是，本发明中的电子控制系统6采用的均是本领域常用的电控系统，此处不再详细说明。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于该布钉系统包括储钉盒、撞针机构和U型钉传送机构；所述撞针机构包括电磁铁激发装置、复位弹簧、限位器、撞针滑块和撞针；所述U型钉传送机构包括传送带电机、传送带、传送弹簧、传送带转轮、撞针滑块轨道、出钉口、送钉滑块轨道、送钉滑块和壳体；

所述储钉盒的底部与壳体的顶部固定连接，储钉盒内部和壳体连通；所述储钉盒的后部开有入钉口；储钉盒内部后部具有一斜面，位于入钉口下方；储钉盒的前部外侧设有撞针轨道；

电磁铁激发装置的壳体固定于储钉盒上，内部放置有铁芯，外部周向缠绕有线圈；所述撞针放置于撞针轨道中，其一端与铁芯的一端固定连接；撞针滑块固定安装于撞针上，与撞针滑块轨道配合；所述限位器的一端置于电磁铁激发装置中，与铁芯的另一端固定连接；复位弹簧嵌套于限位器上，一端与电磁铁激发装置的壳体固定连接，另一端与限位器的另一端固定连接；

所述传送带电机固定于壳体后部，其输出端固定有一个传送带转轮；另一个传送带转轮可转动式安装于壳体上；传送带安装于两个传送带转轮上；壳体侧面开有送钉滑块轨道，送钉滑块放置于壳体内部；送钉滑块的侧面具有凸出的小滑块，与送钉滑块轨道配合，沿送钉滑块轨道滑动；送钉滑块一侧的凸出的小滑块与传送带固定连接；传送弹簧的两端分别固定于送钉滑块的凸出的小滑块和壳体上；壳体的前部开有撞针滑块轨道，用于与撞针滑块配合；所述出钉口开在壳体的前端底部，与撞针的位置对应；所述壳体的底部固定于打印喷头上。

2.根据权利要求1所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于本系统还包括电子控制系统；电子控制系统安装于储钉盒侧面，具有屏幕和控制按键；电子控制系统分别与线圈和传送带电机电连接，通过控制按键控制撞针机构的电磁铁激发速度以及传送带的启动和停止，通过屏幕显示实时的送钉状态。

3.根据权利要求1所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于壳体的高度不小于U型钉的脚长，撞针的长度不小于U型钉的脚长，撞针的长度大于撞针滑块轨道的长度。

4.根据权利要求1所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于撞针的下降高度与U型钉的脚长长度相同。

5.根据权利要求1所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于送钉滑块的上表面与壳体的顶部平齐。

6.根据权利要求1所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于所述打印喷头包括联动齿轮、绞龙、进料口、储料斗、方形挤出头、喷头电机、密封块和同步带；喷头电机固定于密封块上，其输出端伸入密封块内部，端部固定有一个联动齿轮；所述储料斗固定于密封块上，其内部放置有绞龙；绞龙的轴伸入密封块内部并与密封块可转动连接，轴端固定有一个联动齿轮；两个联动齿轮通过同步带连接；进料口位于储料斗上；方形挤出头与储料斗密封固定连接。

7.根据权利要求6所述的混凝土3D打印U型钉自动布钉系统，其特征在于壳体的底部固定于方形挤出头上，出钉口位于方形挤出头的出料口后。

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