CN111391063A - 打印喷头及应用其的建筑3d打印机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了打印喷头及应用其的建筑3D打印机。在该打印喷头中，通过以下途径实现了对3D打印机中物料挤出的精确控制：①在电机驱动的前提下增设了减速机；②增设胶套螺杆泵用于打印材料挤出，重新设计绞龙的结构使其主要实现搅拌功能；③优化了减速机、过渡轴、绞龙轴、胶套螺杆泵的泵轴地连接；④对料斗、过渡轴等部件的可靠固定。

Description

打印喷头及应用其的建筑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，尤其涉及一种打印喷头及应用其的建筑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，申请人发现传统的打印喷头不能精确控制物料挤出的速率，进而导致打印精细度不够。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种打印喷头及应用其的建筑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

根据本公开的一个方面，提供了一种打印喷头，包括：料斗；驱动机构，包括：电机和连接于电机前端的减速机；搅拌绞龙，其绞龙轴的后端连接至减速机的输出轴，其搅拌端伸入料斗内；以及胶套螺杆泵，其泵轴连接至绞龙轴的前端，其后端连接于料斗前端，其前端连接喷嘴；其中，电机通过减速机进行减速，带动搅拌绞龙的绞龙轴和胶套螺杆泵的泵轴转动，由搅拌绞龙对料斗内的物料进行搅拌，由胶套螺杆泵实现物料的挤出。

在本公开的一些实施例中，料斗自上而下包括：圆筒状的容料部、锥筒状的搅拌部。

在本公开的一些实施例中，搅拌绞龙的螺旋叶片与料斗搅拌部最近处的距离大于2cm。

在本公开的一些实施例中，搅拌绞龙为等径等螺距绞龙，其螺旋叶片位于料斗的搅拌部。

在本公开的一些实施例中，减速机的输出轴通过过渡轴连接至搅拌绞龙的绞龙轴，绞龙轴上端的凸型结构与过渡轴的凹型结构对接，利用弹珠圆柱销固定；绞龙轴下端的凹型结构连接胶套螺杆泵的泵轴。

在本公开的一些实施例中，过渡轴安装于轴承座上，轴承座由固定件固定于三维运动平台的平台固定板上。

在本公开的一些实施例中，料斗靠近三维运动平台的平台固定板的一侧，焊接有C形固定座，在C形固定架的两外侧，平台固定板朝向料斗方向延伸，形成延伸部；可伸缩固定销穿过位于延伸部和C形固定座上的孔，而将料斗与平台固定板固定在一起；在延伸部的前端，枢接有两扇抱箍，在料斗与平台固定板固定后，两扇抱箍从两侧将料斗的容料部抱紧，抱箍前端用抱箍锁扣锁紧。

在本公开的一些实施例中，电机为伺服电机，减速机为行星减速机；伺服电机电机和行星减速机固定在一起，通过减速机固定座固定于三维运动平台的平台固定板上。

在本公开的一些实施例中，打印喷头还包括：进料连接部，该进料连接部的上部呈锥形开放式结构，且朝向操作人员的方向伸出，其下部与料斗的容料部之间采用直插形式连接；料斗的搅拌部的前端设置第一固定板，在第一固定板上固定有胶套螺杆泵固定座；在胶套螺杆泵的下端设置第二固定板，胶套螺杆泵固定于胶套螺杆泵固定座上，夹设于第一固定板和第二固定板之间，通过连接螺杆将第一固定板和第二固定板连接固定。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种建筑3D打印机，包括：三维运动平台；以及如上所述的打印喷头，固定于三维运动平台的平台固定板上，并由该三维运动平台带动实现三维位置变换，并将由管道输运的物料挤出并成型于台板上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开打印喷头及应用其的建筑3D打印机至少具有以下有益效果其中之一：

(1)重新设计了绞龙结构使其主要起到搅拌作用，增设了胶套螺杆泵，利用其可控精度更高的优势，提升了对挤出速率的精确控制。

(2)在打印电机的前端增加了减速机，使驱动机构输出的转速和扭矩更加均匀，辅以对绞龙轴、胶套螺杆泵泵轴连接关系的改进，使得绞龙轴、胶套螺杆泵的转动可控性更好，进一步提升了挤出速率的控制精确度。

(3)电机/减速器、过渡轴的轴承座、料斗本身、用于辅助固定料斗的C形固定座均通过相应的固定件固定于固定板上，实现了各部件的可靠固定，为物料挤出的精确控制提供了基础。

附图说明

图1为本公开实施例打印喷头的立体图。

图2为图1所示打印喷头的透视图。

图3为图1所示打印喷头的内部结构示意图。

图4为图1所示打印喷头中料斗部分的侧视图。

图5A和图5B为图1所示打印喷头中搅拌绞龙及与其连接的减速机输出轴、过渡轴在两个方向的剖视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-料斗；

110-容料部； 120-搅拌部；

130-进料连接部； 140-C型固定座； 150-进料管；

210-电机； 220-减速机； 230-减速机固定座；

300-搅拌绞龙；

310-过渡轴；

311-轴承座； 311a-轴承座垫块； 312-过渡轴的凹型结构；

320-绞龙轴；

321-上端的凸型结构； 322-固定销；

323-下端的凹型结构；

330-螺旋叶片；

340-清灰棒；

400-胶套螺杆泵；

401-第一固定板； 402-第二固定板；

403-连接螺杆； 404-胶套螺杆泵固定座；

500-喷嘴；

600-平台固定板；

601-延伸部； 602-可伸缩固定销； 603-抱箍； 604-抱箍锁扣。

具体实施方式

本公开通过以下途径：①在电机驱动的前提下增设了减速机；②增设胶套螺杆泵用于打印材料挤出，重新设计绞龙的结构使其主要实现搅拌功能；③优化了减速机、过渡轴、绞龙轴、胶套螺杆泵的泵轴地连接；④对料斗、过渡轴等部件的可靠固定；实现了对3D打印机中物料挤出的精确控制。

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，提供了一种打印喷头。本实施例打印喷头的整体设计要求是：重量轻，易拆装清洗，配套多规格喷嘴，挤出材料开关速度快，流量稳定，打印成型效果好。

图1为本公开实施例打印喷头的立体图。图2为本公开实施例打印喷头的透视图。图3为图1所示打印喷头的内部结构示意图。请参照图1、图2和图3，本实施例打印喷头包括：

料斗100；

驱动机构，包括：电机210和连接于电机前端的减速机220；

搅拌绞龙300，其绞龙轴的后端连接至减速机的输出轴，其搅拌端伸入料斗内；

胶套螺杆泵400，其泵轴连接至绞龙轴的前端，其后端连接于料斗前端，其前端连接喷嘴500；

其中，电机通过减速机进行减速，带动搅拌绞龙的绞龙轴320和胶套螺杆泵的泵轴转动，由搅拌绞龙对料斗内的物料进行搅拌，由胶套螺杆泵实现物料的挤出。

以下分别对本实施例打印喷头的各个组成部分进行详细描述。

料斗100用于缓存供料机构传输过来的物料，其主体采用防锈耐腐蚀的304不锈钢材料制作。图4为图1所示打印喷头中料斗部分的侧视图。请参照图1、图2、图3、图4，料斗自上而下分为两部分：圆筒状的容料部110、锥筒状的搅拌部120。容料部110为圆筒状，达到单位容积最大化的物料存储。搅拌部120呈锥筒状，有利于水泥材料向中间流动，避免四周水泥长时间不流动而凝结。

此外，请继续参照图1、图2、图3和图4，在容料部的上方，还设置有进料连接部130，进料管150通过该进料连接部连接至料斗，从而将物料输送至料斗。该进料连接部的上部呈锥形开放式结构，且朝向操作人员的方向伸出，方便操作人员观察料斗内物料的情况。进料连接部的下部与料斗的容料部110之间采用直插形式连接，方便进行拆装。

相比于现有技术中直接利用电机驱动挤出机构，本实施例中，采用了电机210和减速机220的配合为搅拌绞龙和胶套螺杆泵提供扭矩驱动。采用减速机，在减速的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比；此外，减速的同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

本实施例中，电机210选择恒扭矩、重量轻、体积小、调速范围大的伺服电机。减速机220选择结构紧凑、精度高的行星减速机。如此设置，一方面实现了恒扭矩，另一方面实现了转速的精确控制；同时还不会明显增加打印喷头的体积和复杂度。

搅拌绞龙300设置于料斗内，用于搅拌混凝土浆液，实现拌匀和除气的目的，并可有效的防止水泥材料凝固和材料沉淀离析。相比于现有技术中利用绞龙实现物料的挤出，本实施例中，绞龙主要起到搅拌的作用，其螺旋叶片与料斗搅拌部最近处的距离也大于2cm，而将挤出物料的功能赋予胶套螺杆泵，故将绞龙命名为搅拌绞龙。虽然搅拌绞龙客观上会对进入胶套螺杆泵的物料产生压力，但是，其并非实现挤出物料的主体。

图5A和图5B为图1所示打印喷头中搅拌绞龙及与其连接的减速机输出轴、过渡轴在两个方向的剖视图。请继续图2、图5，本实施例中的搅拌绞龙为等径等螺距绞龙，其是在一根光轴，即绞龙轴320，上焊接螺距27cm的螺旋叶片330。在螺旋叶片的外侧，还焊接有与绞龙轴焊接的清灰棒340。

胶套螺杆泵400固定于料斗的前端，其进料口连接料斗的出料口，其泵轴连接搅拌绞龙的绞龙轴。胶套螺杆泵可以将旋转的机械能直接转化为输送流体的压力能，从而将物料挤出。相比于采用绞龙加压物料使其从喷嘴挤出，在料斗的前端与喷嘴之间增设胶套螺杆泵，可以更有利于控制模块对物料流量的精确控制，打印精度更高。

为了实现胶套螺杆泵的固定，料斗的搅拌部的前端设置第一固定板401，在第一固定板上固定有胶套螺杆泵固定座404。在胶套螺杆泵的下端设置第二固定板402。在具体安装时，将胶套螺杆泵固定于胶套螺杆泵固定座404上，连接进料口和泵轴，而后卡上第二固定板402，用两根(或四根)连接螺杆403将第一固定板和第二固定板连接固定，从而将胶套螺杆泵稳定的安装于料斗的下方。

驱动机构输出的扭矩通过过渡轴传动至搅拌绞龙，进而又传动至胶套螺杆泵。请继续参照图5A和图5B，绞龙轴上端的凸型结构321与过渡轴310的凹型结构312对接，利用弹珠圆柱销322固定；绞龙轴下端的凹型结构323连接胶套螺杆泵的泵轴。凹凸结构连接结构简单，对操作者要求低；弹簧固定销有着便于安装，端头有弹珠无需再利用其它方式锁紧的特点，无需任何工具，从而可以实现快速拆装。

本实施例打印喷头固定于三维运动平台的平台固定板600上，以下介绍打印喷头的各个部分与固定板的具体连接方式。请参照图2至图4：

1、电机和减速机的固定

请参照图1，电机210和减速机220固定在一起，通过减速机固定座230固定于平台固定板上。

2、过渡轴的固定

请参照图1、图2、图3，过渡轴310安装于轴承座311上，轴承座通过轴承座垫块311a后由固定件固定于平台固定板600上。

3、料斗的固定

请参照图1、图3，在料斗靠近平台固定板的一侧，焊接有C形固定座140。在C形固定架的两外侧，平台固定板朝向料斗方向延伸，形成延伸部601。

3.1主固定

可伸缩固定销602穿过延伸部601和C形固定座140上的孔，而将料斗与平台固定板固定在一起。

3.2轴向固定

请参照图1、图2，在延伸部601的前端，枢接有两扇抱箍603，在料斗与平台固定板固定后，两扇抱箍从两侧将料斗的圆筒状的容料部110抱紧，抱箍前端用抱箍锁扣604锁紧，从而实现料筒的轴向固定，防止料斗出现轴向偏移，而对绞龙轴和胶套螺杆泵的泵轴产生损害。

在安装料斗时，只需要将料斗的C形固定座140与平台固定板的延伸部601对准，插上可伸缩固定销602，而后将抱箍包围住料筒后前端锁紧即可。需要卸下料斗时，只需要松开抱箍锁扣604，打开抱箍，打开可伸缩固定销602即可。可见，通过如上设置，实现了料斗的可靠固定，为物料挤出速率的精确控制提供了基础。同时，料斗的取下和安装都十分的方便快捷。

至此，本实施例打印喷头介绍完毕。基于上述介绍，结合自身的专业知识，本领域技术应当对本公开打印喷头的结构、功能和特点有了清楚的了解。

基于上述实施例的打印喷头，本公开还提供了一种建筑3D打印机。该建筑3D打印机包括：

三维运动平台；以及

打印喷头，固定于三维运动平台的平台固定板上，并由该三维运动平台带动实现三维位置变换，并将由管道输运的物料挤出并成型于台板上。

其中，打印喷头为如上实施例的打印喷头。关于建筑3D打印领域的三维运动平台，属于本领域的公知技术，此处不再详细说明。

至此，本公开建筑3D打印机也介绍完毕。

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)用于将打印喷头的各部分固定于平台固定板的固定件可以是螺栓、螺钉等；

(2)搅拌绞龙、胶套螺杆泵的具体型号可以根据需要进行选择。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开打印喷头及应用其的建筑3D打印机有了清楚的认识。

综上所述，本公开通过增设胶套螺杆泵，重新设计绞龙；辅以对驱动机构、料斗等的改进，实现了对3D打印机中物料挤出的精确控制，为更高的打印精度提供了保障。

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。

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。

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。

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)

1.一种打印喷头，包括：

料斗；

驱动机构，包括：电机和连接于电机前端的减速机；

搅拌绞龙，其绞龙轴的后端连接至减速机的输出轴，其搅拌端伸入料斗内；以及

胶套螺杆泵，其泵轴连接至绞龙轴的前端，其后端连接于料斗前端，其前端连接喷嘴；

其中，电机通过减速机进行减速，带动搅拌绞龙的绞龙轴和胶套螺杆泵的泵轴转动，由搅拌绞龙对料斗内的物料进行搅拌，由胶套螺杆泵实现物料的挤出。

2.如权利要求1所述的打印喷头，其中，所述料斗自上而下包括：圆筒状的容料部、锥筒状的搅拌部。

3.如权利要求2所述的打印喷头，其中，所述搅拌绞龙的螺旋叶片与料斗搅拌部最近处的距离大于2cm。

4.如权利要求3所述的打印喷头，其中，所述搅拌绞龙为等径等螺距绞龙，其螺旋叶片位于料斗的搅拌部。

5.如权利要求2所述的打印喷头，其中：

所述减速机的输出轴通过过渡轴连接至搅拌绞龙的绞龙轴，所述绞龙轴上端的凸型结构与过渡轴的凹型结构对接，利用弹珠圆柱销固定；

所述绞龙轴下端的凹型结构连接胶套螺杆泵的泵轴。

6.根据权利要求5所述的打印喷头，其中，所述过渡轴安装于轴承座上，轴承座由固定件固定于三维运动平台的平台固定板上。

7.如权利要求2所述的打印喷头，其中：

所述料斗靠近三维运动平台的平台固定板的一侧，焊接有C形固定座，在C形固定架的两外侧，平台固定板朝向料斗方向延伸，形成延伸部；

可伸缩固定销穿过位于所述延伸部和C形固定座上的孔，而将料斗与平台固定板固定在一起；

在延伸部的前端，枢接有两扇抱箍，在料斗与平台固定板固定后，两扇抱箍从两侧将料斗的容料部抱紧，抱箍前端用抱箍锁扣锁紧。

8.如权利要求1所述的打印喷头，其中，所述电机为伺服电机，所述减速机为行星减速机；所述伺服电机电机和行星减速机固定在一起，通过减速机固定座固定于三维运动平台的平台固定板上。

9.如权利要求2所述的打印喷头，其中：

所述打印喷头还包括：进料连接部，该进料连接部的上部呈锥形开放式结构，且朝向操作人员的方向伸出，其下部与料斗的容料部之间采用直插形式连接；

所述料斗的搅拌部的前端设置第一固定板，在第一固定板上固定有胶套螺杆泵固定座；在胶套螺杆泵的下端设置第二固定板，胶套螺杆泵固定于胶套螺杆泵固定座上，夹设于第一固定板和第二固定板之间，通过连接螺杆将第一固定板和第二固定板连接固定。

10.一种建筑3D打印机，包括：

三维运动平台；以及

权利要求1至9中任一项所述的打印喷头，固定于三维运动平台的平台固定板上，并由该三维运动平台带动实现三维位置变换，并将由管道输运的物料挤出并成型于台板上。

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