CN111203955B - 多级泵送除气系统及应用其的建筑3d打印系统 - Google Patents

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CN111203955B CN202010057045.8A CN202010057045A CN111203955B CN 111203955 B CN111203955 B CN 111203955B CN 202010057045 A CN202010057045 A CN 202010057045A CN 111203955 B CN111203955 B CN 111203955B
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Abstract

本公开提供了一种多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统。所述建筑3D打印机包括：打印喷头；供料机构和至少一级的中继泵送机构，用于将物料逐级泵送至打印喷头；所述多级泵送除气系统包括至少两除气机构，分别设置在所述供料机构、中继泵送机构和打印喷头其中的两处。本公开将除气功能至少部分地分散到中继泵送机构和供料机构，通过多级泵送的隔离，减轻了打印喷头处的除气压力，消除了振动对打印的影响。

Description

多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统
技术领域
本公开涉及机电设备及建筑3D打印技术领域，尤其涉及一种多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统。
背景技术
3D打印技术(3D Printing，简称3DP)出现于20世纪90年代中期，其工作原理是通过电脑控制将“打印材料”一层层叠加起来，从而把计算机上的蓝图转变成实物产品。
建筑3D打印技术是在熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，简称FDM)基础上发展出来的新型应用，其原理是通过三维切片软件对建筑构件的三维模型进行切片分层生成打印机运动代码，然后由打印机的三坐标移动平台驱动挤出机逐层挤出水泥砂浆，多次堆叠成型具有实用功能的建筑构件或建筑整体。
建筑3D打印混凝土在凝结成型时会混入空气产生气泡，而气泡会对成型后混凝土的性能或者观感产生影响。而传统混凝土处理技术中的振捣除气工艺在建筑3D打印中不太容易实现。
在实现本发明的过程中，申请人发现目前的建筑3D打印系统存在如下技术缺陷：振捣装置安装于打印喷头位置，如果振捣过轻，影响除气效果；振捣过重，会导致打印喷头振动，打印精度降低。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的第一个方面，提供了一种多级泵送除气系统，应用于建筑3D打印机；所述建筑3D打印机包括：打印喷头；供料机构和至少一级的中继泵送机构，用于将物料逐级泵送至打印喷头；所述多级泵送除气系统包括至少两除气机构，分别设置在所述供料机构、中继泵送机构和打印喷头其中的两处。
在本公开的一些实施例中，多级泵送除气系统包括：中继除气机构，设置于所述中继泵送机构；所述中继泵送机构包括：料仓本体，其内部形成封闭的中继空间，其上部设置排气口；泵送装置，设置于料仓本体内，用于产生泵送压力，促使物料从料仓本体的物料进口进入并从物料出口排出；所述中继除气机构包括：振动源，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置，用于维持中继空间内为负压状态。
在本公开的一些实施例中，还包括：控制系统；所述气压调节装置包括：真空泵，通过排气口处的排气电磁阀连接至所述中继空间；真空计，用于测量中继空间内的真空度；称重传感器，设置于所述中继空间内，用于测量中继空间内物料的量；所述控制系统，用于根据中继空间内物料量的数据、真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于低于大气压的预设负压范围。
在本公开的一些实施例中，所述中继空间内预设负压范围的上限值取10-2～10- 3Pa之间的数值。
在本公开的一些实施例中，所述振动源为外置式、插入式或内置式。
在本公开的一些实施例中，包括：送料除气机构，设置于所述供料机构；所述供料机构包括：料斗；泵送装置，用于泵送料斗内的物料至下一级的泵送机构；传送轴，竖直向上设置，其下端连接至泵送装置的泵轴，上端伸出料斗外；所述传送轴为中空轴，所述送料除气机构包括：振捣电机；设置于传动轴中空部的振捣棒；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管。
在本公开的一些实施例中，所述泵送装置包括：送料绞龙，设置于料斗内；送料泵，连接于料斗出口端的下方，其泵轴连接至送料绞龙的绞龙轴；其中，所述传送轴向下连接至送料绞龙的绞龙轴。
在本公开的一些实施例中，包括：喷头除气机构，设置于所述打印喷头；所述打印喷头包括：料斗；泵送装置，用于泵送料斗内的物料从打印喷嘴挤出；所述喷头除气机构包括：超声振动源，设置于料斗内，用于以超声频率振动料斗内的物料。
在本公开的一些实施例中，所述超声频率的范围是2×104～5×104之间。
根据本公开的第二个方面，还提供了一种建筑3D打印系统，包括：建筑3D打印机；以及如上所述的多级泵送除气系统，用于对供给至建筑3D打印机的物料进行除气。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果其中之一：
(1)将除气功能至少部分地分散到中继泵送机构和供料机构，通过多级泵送的隔离，减轻了打印喷头处的除气压力，消除了振动对打印的影响。
(2)在除打印喷头之外的泵送结构中，采用振捣结合负压的除气方式，提高了除气效果；
(3)根据各级泵送的特点，分配适当的除气力度，一级泵送采用强度较大的振捣除气；二级泵送采用强度适中的振捣除气结合气压调节；在打印喷头位置仅是采用小幅度，高频率的超声振动的方式进行除气，三级泵送各有分工，相互配合，能够在不影响打印精度的前提下保证除气效果。
附图说明
图1为本公开实施例多级泵送除气系统所在建筑3D打印机的示意图。
图2A和图2B分别为本实施例多级泵送除气系统中送料除气机构及其所在的供料机构的剖面图和立体图。
图3为本公开实施例多级泵送除气系统中中继除气机构及其所在的中继泵送机构的示意图。
图4为本公开实施例多级泵送除气系统中喷头除气机构及其所在的打印喷头的示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-供料机构；
110-框架； 120-供料电机；130-电气箱； 160-控制面板；
140-料斗； 141-料斗上端斜度较大的部分；
142-料斗上端斜度较小的部分；143-料斗下端的圆筒状结构；
150-泵送装置；151-送料绞龙；152-送料泵；153-传动轴；
200-中继泵送机构；
210-料仓本体； 211-排气口； 212-物料进口； 213-物料出口；
300-打印喷头；
311-料斗上部的圆筒状结构； 312-料斗下部的锥筒状结构；
321-绞龙；322-定子泵；323-打印电机；324-联轴器；
330-打印喷嘴；
411-振捣电机；412-振捣棒；413-传动管；
511-振动源；512-固定座；
610-超声振动源。
具体实施方式
本公开提供了一种多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统，能够大大减轻在打印喷头位置的除气压力，保证了打印精度。同时，还给出了适合供料机构和中继泵送机构的除气方法，可以大大提升除气效果。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种多级泵送除气系统，应用于建筑3D打印机。
图1为本公开实施例多级泵送除气系统所在建筑3D打印机的示意图。如图1所示，该建筑3D打印机包括：打印喷头300；供料机构100和中继泵送机构200，用于将物料逐级泵送至打印喷头。
基于上述建筑3D打印机，本实施例多级泵送除气系统包括：送料除气机构、中继除气机构、喷头除气机构和控制系统。其中，送料除气机构，用于振捣供料机构的料仓内的物料。中继除气机构，包括：振动源，设置于中继泵送机构的封闭料仓内，用于振动该封闭料仓内的物料；以及气压调节装置，用于保持料仓本体内为预设的负压状态。喷头除气机构，包括：喷头振动装置，用于以超声频率的振动喷头内的物料。
本实施例中，在中继泵送机构内设置封闭料仓，采用气压调节装置保持封闭料仓内的负压状态，以在较小的振动幅度下更容易地将物料中地气体排出，大大增强了除气效果。
本实施例中，供料机构100、中继泵送机构200和打印喷头300 均设置了除气装置，从而将除气功能分散到部分地分散到供料机构 100和中继泵送机构200，大大减轻了打印喷头处的除气压力。需要说明的是，如果待打印的作品对物料密实度要求不高，则可以仅在中继泵送机构处进行除气，而不必再在供料机构和打印喷头处进行除气，这样将降低设备成本。
此外，本领域技术人员可以理解的是，供料机构100相当于初级泵送装置，中继泵送机构200相当于二级泵送装置。虽然本实施例中采用的两级泵送装置，即只有一级的中继泵送装置，但如果建筑3D 打印机有三级、四级或者更多级的泵送装置(即具有两级、三级或者更多级的中继泵送机构)，只要在包括送料结构、至少一级中继泵送机构、打印喷头的三者中的两处上设置除气机构，均在本公开保护的范围之内。换句话说，本公开中的“多级泵送装置”，指的是具有多于两级的泵送机构。
以下分别对本实施例多级泵送除气系统的各组成部分进行详细说明。
本实施例中，在一级泵送装置，即供料机构中，通过大强度地搅拌，一方面消除大气泡，完成初级除气；另一方面解决材料特别是大骨料挤出的问题。
图2A和图2B分别为本实施例多级泵送除气系统中送料除气机构及其所在的供料机构的剖面图和立体图。如图2A和图2B所示，该供料机构100包括：框架110，其内部形成容置空间；供料电机120 和电气箱130，分别固定于容置空间的前上部和后下部；料斗140，设置于供料电机和电气箱之间；泵送装置150，设置于料斗的下方，向上连接至料斗；控制面板160，设置于框架结构的前端上方，呈45°角朝向操作人员。如此设置，平衡了整个供料系统的前后配重，稳定性更佳，空间利用效率大大提高。
本实施例中，料斗140整体上位于容置空间内部，其上端为不对称的锥桶结构，其斜度较大的部分141靠近供料电机设置，斜度较小的部分142延伸至电气箱的上方。料斗的下端为圆筒状结构143。如此设置，一方面保证了进料的便利性，另一方面隔离了进料区域和操作区域，保证安全同时确保了操作区域的卫生。
本实施例中，泵送装置150包括：送料绞龙151，设置于料斗内；送料泵152，连接于料斗出口端的下方，其泵轴连接至送料绞龙的绞龙轴。其中，送料泵152为胶套螺杆泵。在供料电机120的驱动下，送料绞龙和胶套螺杆泵共同产生泵送力，促使物料输送。其中，送料绞龙的绞龙轴和胶套螺杆泵的泵轴共轴。
在框架结构的上台面固定有轴承座，传动轴153竖直向上固定于该轴承座上，其下端连接至绞龙轴，上端伸出料斗外(框架结构的上台面外)。供料电机的驱动轴121向上伸出框架结构的上台面外，驱动轴121通过齿轮传动的方式带动传动轴153转动，进而带动绞龙和胶套螺杆泵转动。
其中，传动轴153为中空轴。送料除气机构包括：振捣电机411；设置于传动轴内部的振捣棒412；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管413。该振捣棒在中空的传导轴内振捣，进而带动送料绞龙和胶套螺杆泵的振动，一方面除去物料中的大气泡，另一方面振散大骨料便于其挤出，使材料更加密实。可以理解的是，该传动轴还可以是与绞龙轴为一体成型的，同样属于本公开的保护范围。
至此，本实施例中的送料除气机构及其所在的供料机构介绍完毕。
本实施例中，在中继泵送机构中，将振动除气与气压调节结合起来，依靠气压调节使物料中的空气尽快溢出，消除小气泡，完成次级除气。此外，振动还可以使材料内部的水分略微的溢出，润滑打印材料，提高材料的可泵性。
图3为本公开实施例多级泵送除气系统中中继除气机构及其所在的中继泵送机构的示意图。请参照图3，该中继泵送机构200包括：料仓本体210，其内部形成封闭的中继空间，其上部设置排气口211，其物料进口212连接至供料机构，其物料出口213连接至打印喷头；泵送装置(图中未示出)，设置于料仓本体内，用于产生泵送压力，促使物料从料仓本体的物料进口进入并从物料出口排出。
本实施例中，料仓本体210包括：上部的圆筒状结构以及下部的锥筒状结构。圆筒状结构的顶部封闭，上部开设有排气口211。在该排气口处设置排气电磁阀。在锥筒状结构的侧面设置物料进口212，在锥筒状结构的底面设置物料出口213。同时，在锥筒状结构的内侧设置称重传感器，用于对进入料仓的物料的重量进行感测。
本实施例中，泵送装置包括：泵送电机；以及送料绞龙，设置于料仓本体的锥筒状结构内，由泵送电机驱动对料仓内的物料进行泵送。
在如上中继泵送机构的基础上，中继除气机构包括：振动源511，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置(图中未示出)，通过排气电磁阀连接至中继空间上部的排气口211，用于维持中继空间内为预设的负压状态。
本实施例中，振动源511为振动马达，其通过固定座512固定于圆筒状结构的侧面，其前端抵触于圆筒状上部的侧壁。固定座512通过侧板与圆筒状上部固定连接。可以理解的是，虽然本实施例采用外置式，但同样可以采用其他的振动方式，例如插入式-通过铆接板固定在料仓本体的内壁悬空处，或者内置式，同样可以实现振荡的效果。
本实施例中，气压调节装置包括：真空泵和真空计(图中未示出)。该真空泵连接至料仓本体上部的排气电磁阀。控制系统跟据称重传感器获取的中继空间内的物料重量数据、真空计获取的中继空间内的真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于低于大气压的预设负压范围。其中，该预设负压范围的上限值取10-2～10-3Pa之间的数值。
至此，本实施例中的中继除气机构及其所在的中继机构介绍完毕。
以下对打印喷头以及喷头除气机构进行详细说明。
本实施例中，由于大气泡和小气泡在之前的送料除气机构和中继除气机构中已经去除，故在打印喷头中可以采用小幅度、高频率的超声振动实现对微小气泡的除气，提高打印密实度即可，该幅度的振动不会导致打印喷头产生过分的振动，不会影响打印精度。同时，超声振动还可以提高打印作品的密实度。
图4为本公开实施例多级泵送除气系统中喷头除气机构及其所在的打印喷头的示意图。请参照图4，该打印喷头300包括：料斗，其内部形成的物料空间通过管道与中继泵送机构的料仓本体的出料口；泵送装置，用于泵送料斗内的物料从打印喷嘴330挤出；
其中，料斗包括：上部的圆筒状结构311和下部的锥筒状结构 312。泵送装置包括：绞龙321，设置于料筒的锥筒状结构内；定子泵 322，其进口端连接至料斗的出口端，其出口端连接至喷嘴330；以及打印电机323，固定于料斗的上方，其电机轴通过联轴器324连接至绞龙轴和定子泵的泵轴，并带动绞龙和定子泵转动而泵送物料。
其中，料斗、联轴器的轴承座、定子泵等均通过连接件固定至侧面的三维运动平台上。料斗与定子泵之间的连接螺杆用于加强料斗与定子泵的连接。
在上述打印喷头上设置喷头除气机构。本实施例中，喷头除气机构包括：超声振动源610，设置于料斗内，用于以超声频率振动料斗内的物料。
其中，超声振动源610为超声振动马达，超声频率的范围是 2×104～5×104之间。由于大气泡已经在之前的供料机构和中继泵送机构中除去，故该超声频率的振动仅用于除去物料中的微小气泡，最重要的是该频率范围不会影响到打印精度。
至此，本实施例中的喷头除气机构及其所在的打印喷头介绍完毕。
至此，本实施例多级泵送除气系统介绍完毕。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种建筑3D打印系统。该建筑3D打印系统包括：建筑3D打印机以及如上实施例的多级泵送除气系统。关于建筑3D打印机和多级泵送除气系统的结构组成，已经在如上实施例中进行了充分的说明，此处不再赘述。
以下请参照图1～图4，以下对本实施例建筑3D打印系统的整体工作过程进行说明：
首先，物料进入供料机构的料斗140，在送料绞龙和胶套螺杆泵所产生的输送力作用下向前端输送，其中，振捣电机带动传动轴内的振捣棒振动，进而带动绞龙和胶套螺杆泵振动，消除大气泡，完成初级除气；
而后，物料被输送至中继泵送机构的封闭的中继空间，该中继空间是一负压空间，即其气压低于大气压，该负压空间是由外接的真空泵及相关的排气电磁阀、控制系统来实现的，振动马达511产生振动，在比重关系的作用下，气泡从物料中溢出，而由排气口排出，完成次级排气；
最后，物料被输送至打印喷头，此时物料中仅含有少量的气体了，此时，通过超声振动马达610使料筒产生超声振动，除去物料中的微小气泡，而后，物料在绞龙321和定子泵322作用下从喷嘴挤出，随着三维运动平台的移动，打印出作品。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。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，由于同本公开的创新之处无关，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)电气箱、供料电机、料斗、胶套螺杆泵等均为本领域内通用的设备，它们在框架中的固定方式可以为螺接或者焊接；
(2)3D打印机的打印物料可以为混凝土浆液或者水泥砂浆。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开多级泵送除气系统及应用其的建筑3D打印系统有了清楚的认识。
综上所示，本公开将除气功能分散到部分分散到中继泵送机构和供料机构，大大减轻了打印喷头处的除气压力，同时，根据各级泵送的特点，分配适当的除气力度，三级泵送各有分工，相互配合，能够在不影响打印精度的前提下保证除气效果，能够较好的保证打印作品的质量。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级泵送除气系统，应用于建筑3D打印机；
所述建筑3D打印机包括：打印喷头；供料机构和至少一级的中继泵送机构，用于将物料逐级泵送至打印喷头；
其中，所述供料机构包括：框架，其内部形成容置空间；供料电机和电气箱，分别固定于容置空间的前上部和后下部；料斗，设置于供料电机和电气箱之间；泵送装置，设置于料斗的下方，向上连接至料斗；控制面板，设置于框架结构的前端上方，朝向操作人员设置；
所述料斗整体上位于容置空间内部，其上端为不对称的锥桶结构，其斜度较大的部分靠近供料电机设置，斜度较小的部分延伸至电气箱的上方，料斗的下端为圆筒状结构；
所述泵送装置包括：送料绞龙，设置于料斗内；送料泵，连接于料斗出口端的下方，其泵轴连接至送料绞龙的绞龙轴；
所述供料机构中，在框架结构的上台面固定有轴承座，传动轴竖直向上固定于该轴承座上，其下端连接至绞龙轴，上端伸出料斗外；供料电机的驱动轴向上伸出框架结构的上台面外，驱动轴通过齿轮传动的方式带动传动轴转动，进而带动绞龙和送料泵转动；
所述多级泵送除气系统包括：
送料除气机构，设置于所述供料机构；其中传送轴为中空轴，所述送料除气机构包括：振捣电机；设置于传动轴中空部的振捣棒；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管；
中继除气机构，设置于所述中继泵送机构，所述中继泵送机构包括：料仓本体，其内部形成封闭的中继空间，所述料仓本体包括：上部的圆筒状结构以及下部的锥筒状结构；圆筒状结构的顶部封闭，上部开设有排气口；在锥筒状结构的侧面设置物料进口，在锥筒状结构的底面设置物料出口；所述中继除气机构包括：振动源，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置，用于维持中继空间内为负压状态；
喷头除气机构，设置于所述打印喷头；所述打印喷头包括：料斗；泵送装置，用于泵送料斗内的物料从打印喷嘴挤出；所述喷头除气机构包括：超声振动源，设置于料斗内，用于以超声频率振动料斗内的物料。
2.如权利要求1所述的多级泵送除气系统，其中，所述中继泵送机构还包括：泵送装置，设置于料仓本体内，用于产生泵送压力，促使物料从料仓本体的物料进口进入并从物料出口排出。
3.如权利要求2所述的多级泵送除气系统，还包括：控制系统；
所述气压调节装置包括：真空泵，通过排气口处的排气电磁阀连接至所述中继空间；真空计，用于测量中继空间内的真空度；称重传感器，设置于所述中继空间内，用于测量中继空间内物料的量；
所述控制系统，用于根据中继空间内物料量的数据、真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于低于大气压的预设负压范围。
4.如权利要求3所述的多级泵送除气系统，其中，所述中继空间内预设负压范围的上限值取10-2~10-3Pa之间的数值。
5.如权利要求3所述的多级泵送除气系统，其中，所述振动源为外置式、插入式或内置式。
6.如权利要求1所述的多级泵送除气系统，其中，所述泵送装置包括：送料绞龙，设置于料斗内；送料泵，连接于料斗出口端的下方，其泵轴连接至送料绞龙的绞龙轴；
其中，所述传送轴向下连接至送料绞龙的绞龙轴。
7.如权利要求1所述的多级泵送除气系统，其中，所述超声频率的范围是2×104~5×104之间。
8.一种建筑3D打印系统，包括：
建筑3D打印机；以及
如权利要求1至7中任一项所述的多级泵送除气系统，用于对供给至建筑3D打印机的物料进行除气。
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