CN111251411A - 框架式混凝土3d打印机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种框架式混凝土3D打印机，包括：供料机构；主体框架，包括：框架本体；以及依托该框架本体设置的三维运动机构；打印喷头，安装于三维运动机构上；以及控制模块，其控制三维运动机构将打印喷头移动至预设位置，并控制供料机构为打印喷头供料，控制打印喷头将物料挤出。本公开采用框架式结构，体积大，承重能力强，能够实现大型建筑构件的打印。

Description

框架式混凝土3D打印机

技术领域

本公开涉及机电设备及建筑3D打印技术领域，尤其涉及一种框架式混凝土3D打印机。

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，最终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。

在实现本公开的过程中，申请人发现目前的建筑3D打印机无法打印大型建筑构件，同时由于物料消耗量较大，无法实现打印材料的自动补充。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种框架式混凝土3D打印机，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种框架式混凝土3D打印机，包括：供料机构；主体框架，包括：框架本体；以及依托该框架本体设置的三维运动机构；打印喷头，安装于三维运动机构上；以及控制模块，其控制三维运动机构将打印喷头移动至预设位置，并控制供料机构为打印喷头供料，控制打印喷头将物料挤出。

在本公开的一些实施例中，框架本体呈长方体形状，其由型钢焊接后经过热处理后再机械加工而成。

在本公开的一些实施例中，还包括：万向滚轮，设置于框架本体底面的四个边角的位置；可调整高低的支撑地脚，设置于万向滚轮的一侧，螺接于框架本体上。

在本公开的一些实施例中，三维运动机构包括：Z轴运动模组，固定于框架本体的底面上，其两根滑轨竖直向上设置；其两滑块可在其伺服电机带动沿滑轨上下运动；X轴运动模组，其两根滑轨固定于Z轴运动模组的两滑块上，沿水平方向设置，其两滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨前后运动；以及Y轴运动模组，其滑轨固定于X轴运动模组的两滑块之间，其滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨左右移动；其中，打印喷头固定于Y轴运动模组的滑块上。

在本公开的一些实施例中，Z轴运动模组、X轴运动模组、Y轴运动模组均为直线模组。

在本公开的一些实施例中，还包括：红外对射传感器，设置于运动模组的滑块及相应的极限位置处，用于检测滑块与极限位置的距离；其中，控制模块用于在滑块与极限位置的距离为0时，停止相应运动模组的运动。

在本公开的一些实施例中，打印喷头包括：打印电机，通过电机安装板固定于滑块固定板上，其输出轴穿过电机安装板竖直向下设置；料斗，通过侧壁的挂耳固定于滑块固定板上，其开口向上并盖有密封盖，其侧面远离滑块固定板的方向设置进料口；出料喷嘴，连接于料斗下方的机料口；以及挤料绞龙，设置于料筒内，其绞龙轴向上通过联轴器连接至打印电机的输出轴。

在本公开的一些实施例中，还包括：料位传感器，设置于料斗内，用于感应料筒内当前的物料料位；压力传感器，设置于在料斗的锥筒状中部，用于感应物料在挤出过程中压力；控制模块执行的控制逻辑如下：

接收料位传感器获取的第二料位L₂；

接收压力传感器获取的第二压力P₂；

当第二料位L₂低于设定的打印喷头料斗的填料料位下限L₀₄时，控制供料机构加快供料；在预设时间之后如果L₂仍然低于L₀₄，则停止打印电机；

当第二料位L₂高于设定的打印喷头料斗的填料料位上限L₀₅时，控制供料机构减慢供料；在预设时间之后如果L₂仍然高于L₀₅，则停止供料机构，发出报警信号；

当第二压力P₂的波动值超过设定的压力波动范围时，发出报警信息或停止打印电机。

在本公开的一些实施例中，还包括：超声振动源，设置于料斗的外侧，用于以超声振动的方式实现料斗内的物料的除气。

在本公开的一些实施例中，还包括：打印平台，设置于框架本体所包围空间的下方；打印平台包括：型钢焊接而成的支撑座，以及焊接于支撑座上面的钢板。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开框架式混凝土3D打印机至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用框架式结构，体积大，承重能力强，能够实现大型建筑构件的打印。

(2)采用红外对射式传感器进行定位检测，抗干扰能力强、检测精度高、体积小，可以保障机械运动相对位置的准确，避免碰撞保障安全。

(3)在打印喷头的料仓内安装料位及压力传感器，控制模块根据传感器所获得的信号，调整供料机构和打印喷头中电机的转速，进而实现打印喷头的稳定、连续输出，避免喷料和供料不足情况的发生。

附图说明

图1为本公开实施例框架式混凝土3D打印机的立体图。

图2为图1所示框架式混凝土3D打印机中打印喷头的透视图。

图3为图1所示框架式混凝土3D打印机中控制模块执行的控制逻辑的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

110-框架本体； 111-万向滚轮； 112-支撑地脚；

121-Z轴运动模组； 122-X轴运动模组； 123-Y轴运动模组；

200-打印平台；

300-打印喷头；

310-打印电机； 311-电机安装板； 312-输出轴；

320-料斗； 321-挂耳； 323-密封盖； 324-进料口；

330-出料喷嘴；

340-挤料绞龙； 341-绞龙轴； 342-联轴器；

350-滑块固定板。

具体实施方式

本公开提供了一种新型的框架式混凝土3D打印机，具有体积大、承重能力强的优点，可以实现大型建筑构件的打印。

在下文中，本公开某些实施例将参照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，提供了一种框架式混凝土3D打印机。图1为本公开实施例框架式混凝土3D打印机的立体图。如图1所示，本实施例框架式混凝土3D打印机包括：

供料机构(图中未示出)；

主体框架，包括：框架本体110；以及依托该框架本体设置的三维运动机构；

打印平台200，设置于框架本体所包围空间的下方；

打印喷头300，安装于三维运动机构上；

控制模块(图中未示出)，其控制三维运动机构将打印喷头移动至预设位置，并控制供料机构供料，控制打印喷头将物料挤出，从而在打印平台上逐层打印出作品。

本实施例中，由于采用框架式架构，使得混凝土3D打印机的体积可以做的很大，从而可以做到承重能力较强，进而可以打印大型的建筑构件。

以下对本实施例框架式混凝土3D打印机的各组成部分进行详细说明。

请参照图1，框架本体110呈长方体形状，有一座房子大小，其是由型钢焊接后经热处理消除内部应力，然后再进行机械加工而成。采用框架形式，具有结构简单、质量轻，方便人员操作及观察等优点。此外，经过热加工，可以保证加工后的零件不变形。

在框架本体底面的四个边角的位置，设置有万向滚轮111，以便于框架本体的移动。此外，在每一个万向滚轮的一侧，还设置有螺接于框架本体上的可调整高低的支撑地脚112。在框架本体移动到所需要的位置之后，将该支撑地脚向下拧，至由四个支撑地脚支撑起整个框架本体，从而使框架本体稳固的支撑于地面上。

依托该框架本体设置有三维运动机构。请继续参照图1，该三维运动机构包括：

Z轴运动模组121，固定于框架本体的底面上，其两根滑轨竖直向上设置；其两滑块可在其伺服电机带动沿滑轨上下运动；

X轴运动模组122，其两根滑轨固定于Z轴运动模组的两滑块上，沿水平方向设置，其两滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨前后运动；

Y轴运动模组123，其滑轨固定于X轴运动模组的两滑块之间，其滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨左右移动。

其中，打印喷头300固定于Y轴运动模组的滑块上。

本实施例中，Z轴运动模组、X轴运动模组、Y轴运动模组均为高质量的直线模组。直线模组具有质量轻、结构简单、刚性好、密封性好(防尘)等优点。该直线模组匹配高性能的伺服电机作为动力源实现机械的运行平稳，精准的精度控制。

还需要说明的是，在每一运动模组的滑块及相应的极限位置处，设置有红外对射传感器，用于检测滑块与极限位置的距离。控制模块用于在滑块与极限位置的距离为0时，停止相应运动模组的运动。如此设置，保障了机械运动相对位置的准确，避免产生碰撞保障安全。此外，采用红外对射传感器，同时还有抗干扰能力强、检测精度高、体积小等优点。

打印平台200设置于框架本体所包围空间的下方，包括：型钢焊接而成的支撑座，以及焊接于支撑座上面的钢板。打印平台的用途是打印时作为打印工作平台，打印完成后整体平台搬运保障水泥基材料在未完全凝固前结构的稳定，同时更换一个新的平台可以继续打印工作减少机械的停放时间提高工作效率。此外，钢板表面进行喷塑处理，以有利于打印产品在成型后与打印平台的脱离。

打印喷头300固定于三维运动模块上，具体地，是通过连接机构固定于Y轴运动模组地滑块上。图2为本公开实施例框架式混凝土3D打印机中打印喷头的透视图。如图2所示，该打印喷头包括：

打印电机310，通过电机安装板311固定于滑块固定板350上，其输出轴穿过电机安装板竖直向下设置；

料斗320，通过侧壁的挂耳321固定于滑块固定板350上，其开口向上并盖有密封盖323，其侧面远离滑块固定板的方向设置进料口324；

出料喷嘴330，连接于料斗下方的机料口；

挤料绞龙340，设置于料筒内，其绞龙轴341向上通过联轴器342连接至打印电机的输出轴312。

本实施例中，料斗包括：圆筒状上段、锥筒状中段和圆筒状下段，所述绞龙绞龙的绞龙叶片位于锥筒状中段和圆筒状下段，其自挤料电机的带动下，将由进料口进入的物料向下由出料喷嘴挤出。

本实施例中，打印喷头的各部件之间采用快插的形式锁紧连接方便快捷便于拆装清洗。挤料绞龙旋转挤出对材料属性要求低适应面广，可以提升本实施例的适用范围，此外，出料喷嘴为可更换喷嘴，根据模型需求选用适合的喷嘴，满足在打印质量需求的前提下提高打印质量。

在料斗的圆筒状上部，设置有料位传感器(图中未示出)，用于感应料筒内当前的物料料位。在当前的物料料位较高时，需要暂停供料。在当前的物料料位过低时，需要停止打印，加速供料。在料斗的锥筒状中部，设置有压力传感器(图中未示出)，用于感应物料在挤出过程中压力。为保证打印成品质量，打印过程中混凝土浆液稠度即挤压压力需要保持均匀。压力的波动表示前料和后料之间含水量浆料含气量、含水量量出现变化，即混凝土浆料质量出现波动，需要暂停打印。

如上所述，本实施例还包括：供料机构(图中未示出)，用于给打印喷头提供物料。供料机构采用专用输送泵，具有压力大、输送距离远、流量无极调速的优点。同时信号连接到控制模块实现同步控制，可以根据打印喷头料斗内的料位控制供料机构供料的快慢和启停。

控制模块除了控制三维运动机构中三个直线模组外，还通过感知的料位传感器和压力传感器的信息，对供料机构和打印喷嘴进行控制，以保证打印的安全、连续进行。

在具体实现中，控制模块配备了变频器、启停开关、漏电开关、中间继电器等电器元件。兼备本地手动操作与远程自动控制等功能。

图3为本公开实施例框架式式混凝土3D打印机中控制模块执行的控制逻辑的示意图。如图3所示，本实施例中控制模块执行的控制逻辑如下

步骤S302，实时接收料位传感器获取的第二料位L₂；

步骤S304，实时接收压力传感器获取的第二压力P₂；

步骤S306，当第二料位L₂低于设定的打印喷头料斗的填料料位下限L₀₄时，控制供料机构加快供料；在20s之后如果L₂仍然低于L₀₄，则停止打印电机；

步骤S308，当第二料位L₂高于设定的打印喷头料斗的填料料位上限L₀₅时，控制供料机构减慢供料；在20s之后如果L₂仍然高于L₀₅，则停止供料机构，发出报警信号；

步骤S310，当第二压力P₂的波动值超过设定稳定值的±20％范围时，发出报警信息或停止打印电机。

需要说明的是，如上关于时间段、压力设定值、压力波动值范围等均为示例，本领域技术人员可以根据需要进行适当调整，同样应当在本公开保护范围之内。

本领域技术人员应当能够理解，物料过多或过少，均匀性的好坏，均会影响打印机的性能和打印产品的质量，本实施例中，通过料位传感器实现对料位的监测，通过压力传感器实现了物料均匀性的监测，最终控制打印电机或发出报警信号，可以尽可能保证打印产品的质量，节省人工；同时不损坏打印喷头。

本实施例中，在料斗的锥筒状中段的外侧，还包括：超声振动源，设置于料斗外，用于以超声振动的方式实现料斗内的物料的除气。

其中，超声振动源为超声振动马达，超声频率的范围是2×10⁴～5×10⁴之间。超声频率的振动用于除去物料中的微小气泡，并且该频率该范围不会影响到打印精度，不会影响打印作品的质量。

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，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)框架本体和三维运动平台可以根据需要进行结构方面的调整；

(2)控制模块的控制逻辑可以根据需要进行调整。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开框架式混凝土3D打印机有了清楚的认识。

综上所述，本公开框架式混凝土3D打印机采用框架式结构，体积大，承重能力强，能够实现大型建筑构件的打印，同时，在打印喷头的料仓内安装料位及压力传感器，控制模块根据传感器所获得的信号，调整供料机构和打印喷头中电机的转速，进而实现打印喷头的稳定、连续输出，避免喷料和供料不足情况的发生，从而提升了混凝土3D打印的适用范围。

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。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

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 (10)

1.一种框架式混凝土3D打印机，包括：

供料机构；

主体框架，包括：

框架本体；以及

依托该框架本体设置的三维运动机构；

打印喷头，安装于所述三维运动机构上；以及

控制模块，其控制所述三维运动机构将打印喷头移动至预设位置，并控制所述供料机构为打印喷头供料，控制所述打印喷头将物料挤出。

2.如权利要求1所述的框架式混凝土3D打印机，其中，所述框架本体呈长方体形状，其由型钢焊接后经过热处理后再机械加工而成。

3.如权利要求1所述的框架式混凝土3D打印机，还包括：

万向滚轮，设置于所述框架本体底面的四个边角的位置；

可调整高低的支撑地脚，设置于所述万向滚轮的一侧，螺接于框架本体上。

4.如权利要求1所述的框架式混凝土3D打印机，其中，所述三维运动机构包括：

Z轴运动模组，固定于所述框架本体的底面上，其两根滑轨竖直向上设置；其两滑块可在其伺服电机带动沿滑轨上下运动；

X轴运动模组，其两根滑轨固定于所述Z轴运动模组的两滑块上，沿水平方向设置，其两滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨前后运动；以及

Y轴运动模组，其滑轨固定于所述X轴运动模组的两滑块之间，其滑块可在其伺服电机的带动下沿滑轨左右移动；

其中，所述打印喷头固定于所述Y轴运动模组的滑块上。

5.如权利要求4所述的框架式混凝土3D打印机，其中，所述Z轴运动模组、X轴运动模组、Y轴运动模组均为直线模组。

6.如权利要求4所述的框架式混凝土3D打印机，还包括：

红外对射传感器，设置于运动模组的滑块及相应的极限位置处，用于检测滑块与极限位置的距离；

其中，所述控制模块用于在滑块与极限位置的距离为0时，停止相应运动模组的运动。

7.如权利要求1所述的框架式混凝土3D打印机，其中，所述打印喷头包括：

打印电机，通过电机安装板固定于滑块固定板上，其输出轴穿过电机安装板竖直向下设置；

料斗，通过侧壁的挂耳固定于所述滑块固定板上，其开口向上并盖有密封盖，其侧面远离滑块固定板的方向设置进料口；

出料喷嘴，连接于所述料斗下方的机料口；以及

挤料绞龙，设置于料筒内，其绞龙轴向上通过联轴器连接至打印电机的输出轴。

8.如权利要求7所述的框架式混凝土3D打印机，还包括：

料位传感器，设置于料斗内，用于感应料筒内当前的物料料位；

压力传感器，设置于在料斗的锥筒状中部，用于感应物料在挤出过程中压力；

所述控制模块执行的控制逻辑如下：

接收料位传感器获取的第二料位L₂；

接收压力传感器获取的第二压力P₂；

当第二料位L₂低于设定的打印喷头料斗的填料料位下限L₀₄时，控制供料机构加快供料；在预设时间之后如果L₂仍然低于L₀₄，则停止打印电机；

当第二料位L₂高于设定的打印喷头料斗的填料料位上限L₀₅时，控制供料机构减慢供料；在预设时间之后如果L₂仍然高于L₀₅，则停止供料机构，发出报警信号；

当第二压力P₂的波动值超过设定的压力波动范围时，发出报警信息或停止打印电机。

9.如权利要求7所述的框架式混凝土3D打印机，还包括：

超声振动源，设置于料斗的外侧，用于以超声振动的方式实现料斗内的物料的除气。

10.如权利要求1至9中任一项所述的框架式混凝土3D打印机，还包括：打印平台，设置于框架本体所包围空间的下方；

所述打印平台包括：型钢焊接而成的支撑座，以及焊接于支撑座上面的钢板。

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