CN111391064B - 3d打印喷头和3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D打印喷头和3D打印机，3D打印喷头包括壳体、混合单元以及喷嘴，壳体具有进料口和出料口，壳体的内腔壁向外突出形成有多个突出部；混合单元设置于壳体内，其中，混合单元包括中心轴和沿该中心轴间隔设置的多个叶片，叶片与突出部交错设置，且叶片与突出部之间的距离e，满足e≥3d，d为待混合的颗粒物的最大粒径；喷嘴设置于壳体的出料口。通过混合单元与壳体内壁的突出部的配合，使待混合的颗粒物在行进过程中形成层流和湍流，从而将待混合的颗粒物快速混合均匀。

Description

3D打印喷头和3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印喷头和3D打印机。

背景技术

随着信息技术和自动化技术的发展，现代社会越来越多的领域采取了机械代替人工的方式以提高效率和产品质量。随着我国工业技术的逐步发展，人口红利淡出，各行各业都在自动化方面寻求更大的突破。例如，在预制混凝土构件的成型过程中，铺设模板、浇筑成型、拆除模板和吊装运输过程存在大量人工成本和时间成本流失。再例如，3D打印在桥隧方面的应用，最大的优势在于不用模板，更加节约成本；并且减少工人数量，提高生产效率，减少事故率发生。因此，3D打印在建筑行业的发展尤为重要，能够为传统方式注入新鲜血液，改善施工方式和施工现场环境。

目前3D打印喷头多采用螺杆混合的方式混料，3D打印喷头的体积庞大，重量较大，再加上水泥基材料本身的密度大，运动过程中影响打印机的稳定性和精度；而且其搅拌桨与下料螺旋同轴，当速度过快或过慢时易出现搅拌不均匀的现象。预先混料再泵送的方式，对打印材料的工作时间把控不准，并且一旦出现打印问题，中途停机会造成大量材料浪费，无法保证连续的工作方式，从而使3D打印丧失了其本来的优势。

发明内容

本发明需要解决的技术问题之一在于，提供一种3D打印喷头，以使物料快速均匀混合。

针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种3D打印喷头，所述3D打印喷头包括壳体、混合单元以及喷嘴，所述壳体具有进料口和出料口，所述壳体的内腔壁向外突出形成有多个突出部；所述混合单元固定设置于所述壳体内，其中，所述混合单元包括中心轴和沿该中心轴的轴向间隔设置的多个叶片，所述叶片与所述突出部交错设置，且所述叶片的外表面与所述突出部的外表面之间的距离e，满足e≥3d，d为待混合的颗粒物的最大粒径；所述喷嘴设置于所述壳体的出料口。

优选地，相邻的所述叶片之间的距离不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍，所述叶片的外周面向内凹陷形成有贯通所述叶片的顶面和底面的多个凹槽，或者所述叶片的外周面向外突出形成有从所述叶片的顶面向下延伸至底面的多个突脊。

作为本发明的一示例性实施例，相邻的所述叶片中的位于上方的所述叶片的所述凹槽的下端与位于下方的所述叶片的所述凹槽的上端错开设置；或者，相邻的所述叶片中的位于上方的所述叶片的所述突脊的下端与位于下方的所述叶片的所述突脊的上端错开设置。

进一步地，从所述3D打印喷头的上方往下看，相邻的所述叶片中的位于上方的所述叶片的所述凹槽的下端在位于下方的所述叶片的相邻的所述凹槽的上端的角平分线上；或者相邻的所述叶片中的位于上方的所述叶片的所述突脊的下端在位于下方的所述叶片的相邻的所述突脊的上端的角平分线上。

作为本发明的另一示例性实施例，所述凹槽在所述叶片的外周形成为沿所述中心轴自上而下的直线形或螺旋形；所述叶片上的所述突脊在所述叶片的外周形成为沿所述中心轴自上而下的直线形或螺旋形。

优选地，所述凹槽沿所述中心轴的周向的宽度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍，所述凹槽的深度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍；或者相邻的所述突脊之间的距离不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍。

进一步地，所述叶片呈沙漏形、鼓形、锥台形、四角星形或者锥体形。

作为本发明的另一示例性实施例，所述突出部呈朝远离所述内腔壁的方向直径逐渐变小的圆锥体、圆锥台、角锥体或者球缺。

作为本发明的另一示例性实施例，所述进料口包括位于所述壳体的侧壁的辅料进料口，其中，所述辅料进料口到所述壳体的顶壁的距离h与所述壳体的轴向的总高度H的比值满足1/4≤h/H≤1/2。

优选地，所述辅料进料口通过管路与辅料源连通，且所述管路上还设置有计量泵。

根据本发明的另一方面，提供一种3D打印机，所述3D打印机包括本发明提供的3D打印喷头。

本发明提供的3D打印喷头和3D打印机至少具有如下有益效果：通过混合单元与壳体内腔壁的突出部的配合，使待混合颗粒物在行进过程中形成层流和湍流，从而将待混合颗粒物快速混合均匀。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1为本发明一示例性实施例提供的3D打印喷头的结构示意图。

图2为图1中的3D打印喷头的混合单元的结构图。

附图标记说明：

1、壳体； 2、突出部；

3、混合单元； 31、中心轴；

32、叶片； 4、喷嘴；

5、主进料口； 6、辅料进料口；

7、管路； 8、计量泵。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本发明提供一种3D打印机，该3D打印机包括机架、可移动地设置在该机架上的3D打印喷头，该3D打印喷头能够用于打印物品。

参照图1和图2，3D打印喷头可以包括壳体1和固定设置于壳体1内的混合单元3。优选地，该3D打印喷头可以作为桥隧预制混凝土构件3D打印机的静态混合器。壳体1的顶壁上设置有主进料口5，例如但不限于，水泥基材料可以通过该主进料口5进入到壳体1的内腔中，便于物料在重力作用下(或泵送的情况下)快速进入到内腔中，如此设置使待混合物的颗粒物的流量大、流速快，以在壳体1内部形成有一定压力。当然，根据需要，主进料口5也可以设置于壳体1的侧壁上，例如但不限于，可以设置于壳体1的上部的侧壁上。

壳体1还可以包括辅料进料口6，该辅料进料口6设置于壳体1的侧壁上，例如但不限于，该辅料进料口6到顶壁的距离h与壳体1的轴向的总高度H的比值满足1/4≤h/H≤1/2。优选地，辅料进料口6到壳体1的顶壁的距离h与壳体1的轴向的总高度H的比值为1/3，便于辅料与主料快速均匀混合。根据需要，辅料进料口6也可以设置于壳体1的顶壁上。例如但不限于，辅料进料口6到壳体1的顶壁的距离h为4cm～5cm。

辅料进料口6可以设置有多个，周向布置于该壳体1的侧壁上，优选地，用于通入同一种辅料的多个辅料进料口6可以位于同一圆周上，即，每个辅料进料口6到壳体1的顶壁的距离相同。用于通入不同辅料的不同辅料进料口6位于不同圆周上，例如用于通入第一辅料的第一辅料进料口到顶壁的距离h1，用于通入第二辅料的第二辅料进料口到顶壁的距离h2，满足h1≠h2。辅料可以为液体或膏体，可以采用常压输送或压力泵送。例如但不限于辅料可以为早强剂、缓凝剂、减水剂、状态调节剂，该辅料可以经过该辅料进料口6进入到内腔中。辅料进料口6通过管路7与辅料源接通，该管路7上设置有计量泵8，辅料可以通过该计量泵8定量泵入到壳体1内，从而可以提高混合后的物料的各种成分的精度。

壳体1的顶壁可以与壳体1的侧壁一体成型，也可以形成为顶壁与侧壁分别形成后组装为一体，例如但不限于，为了便于清洗，顶壁与侧壁可拆卸连接在一起。当然，根据需要，壳体1还可以形成为过壳体1的中心线的两个半壳体拼装形成，例如但不限于，通过紧固件固定或者焊接工艺连接形成为一体。具体地，可将金属圆锭或方锭一分为二，采用精密加工形式将内部结构加工完整，在将两部分对接形成为一体，此结构方便拆卸和清洗。

壳体1的内腔壁上向外突出形成有多个突出部2，突出部2呈朝远离内腔壁的方向直径逐渐变小的圆锥体、圆锥台、角锥体或者球缺。为了减轻壳体1的结构重量，该突出部2可以设置为中空结构，但不以此为限，也可以为实心结构。

壳体1的底部设置有出料口，喷嘴4可拆卸地连接在该出料口上。优选地，喷嘴4设置为从上向下其横截面积逐渐减小，该喷嘴4的横截面可以为圆形、矩形、椭圆形或者棱形。

参照图1和图2，混合单元3可以包括中心轴31和沿该中心轴31间隔设置的多个叶片32，沿中心轴31的延伸方向，叶片32与突出部2交错设置，且叶片32与突出部2之间的距离e，满足e≥3d，d为待混合的颗粒物的最大粒径。优选地，壳体1的第一高度位置处的圆周上均匀设置有多个突出部2，且壳体1的第二高度位置处的圆周上均匀设置有多个突出部2，在第一高度位置和第二高度位置之间设置有叶片32，如此，突出部2与叶片32交错设置，使混合更加充分。根据需要，混合单元3不限于一组或一根，其材质包括但不限于金属和高分子材料，附图将以混合单元3为一根的情况为例进行说明。

优选地，中心轴31的中心线与壳体1的中心线重合。中心轴31可以设置为固定连接在壳体1的顶壁上，例如但不限于，顶壁上设置有通孔，该中心轴31可以通过该通孔连接在顶壁上。当然，根据需要，中心轴31可以通过梁体结构支撑在壳体1内，例如但不限于，梁体的端部可以支撑在壳体1的内腔壁上，例如但不限于可以通过紧固件连接，或者采用焊接工艺将梁体固定在壳体1，附图中以梁体将中心轴31支撑在壳体1的内腔为例进行说明，其中，中心轴31的两端可以通过螺纹连接在梁体上。具体地，中线轴31的两端可以设置有外螺纹，梁体上设置有与该外螺纹配合的内螺纹，外螺纹与内螺纹配合，可以实现中心轴31与梁体的连接。根据需要，中心轴31还可以通过板件支撑在壳体1内，该板件上可以设置有多个通孔，以方便从主进料口5进入的物料能够经过该通孔落入到壳体1的下部。

为了使混合进一步均匀，叶片32呈沙漏形、鼓形、锥台形、四角星形或者锥体形。例如但不限于，叶片32大致形成为沿中心轴31从上向下直径逐渐增大的圆锥台，且叶片32的外周面向外突出形成有从叶片32的顶面到底面的突脊(图未示)。突脊可以形成为呈沿中心轴31的轴线方向逐渐上升的螺旋形突脊，或者大致与圆锥台形的叶片32的母线平行的直线突脊。

作为本发明的另一示例性实施例，叶片32的外周面也可以形成有向内凹陷且贯通叶片32的顶面和底面的多个凹槽，该凹槽可以呈沿中心轴31的轴线方向逐渐上升的螺旋形凹槽，也可以形成为与圆锥台形的叶片32的母线平行的直线凹槽。附图中，以凹槽为直线凹槽为例进行说明。

凹槽的横截面大致呈U型，且凹槽沿中心轴的周向的宽度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍，凹槽的深度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍。当最大颗粒的粒径与凹槽深度比值小于3时，由于颗粒间的搭接，会造成管路内堵塞。混凝土材料本身具有一定粘度和稠度，如主体内部发生堵塞，会进一步蔓延至周边，最终造成打印喷嘴处流量发生变化，影响打印。严重时会造成内部整体堵塞，从而损坏本装置。

相邻的叶片32中的位于上方的叶片32的凹槽的下端与位于下方的叶片32的凹槽的上端错开设置，以使混合过程中，待混合的颗粒物从上向下移动的过程中，从上方的叶片32的凹槽流出的颗粒物将部分进入到位于下方的叶片32的凹槽内，从而使整个壳体1内的待混合的颗粒物进行充分“分流—异置—合并”的混合过程。优选地，从3D打印喷头的上方往下看，相邻的叶片32中的位于上方的叶片32的凹槽的下端在位于下方的叶片32的凹槽的上端的角平分线上。

参照附图，本实施例中，叶片32呈圆锥台状，且该叶片32的外周均匀设置有6条凹槽，相邻凹槽之间的夹角为60°，并且其中，位于下方的叶片32沿中心轴31旋转30°后，可以使其与位于上方的叶片32上下对齐。根据需要，叶片32上的凹槽可以为3条、4条、5条或者7条、8条等。

本发明中提供的3D打印喷头，通过壳体1内腔壁的突出部2与叶片32的配合，使待混合的颗粒物在行进过程中不断地形成层流和湍流，，使待混合的颗粒物能够充分混合。除此，通过位于不同高度位置的叶片32的凹槽，强制将待混合的颗粒物分流切割及合流，使待混合的颗粒物在短时间内混合均匀。更进一步地，本发明中提供的3D打印喷头具有体积小、可改变长径比H/D(D为壳体1的内径)、混料快速均匀。优选地，由于3D打印喷头具有主进料口5和辅料进料口6，使3D打印喷头具有能够多组分同时混合的优势。

使用3D打印喷头时，可以将水泥基材料和辅料分别经过主进料口5和辅料进料口6加入到壳体1内，其中辅料可以为早强剂、缓凝剂、减水剂、状态调节剂的至少一种，待混合的颗粒物流过壳体1内腔充分混合后，将由喷嘴4挤出，参与打印。

本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

Claims (10)

1.一种3D打印喷头，其特征在于，所述3D打印喷头包括：

壳体(1)，具有进料口和出料口，所述壳体(1)的内腔壁向外突出形成有多个突出部(2)；

混合单元(3)，固定设置于所述壳体(1)内，采用静态混合器形式，其中，所述混合单元(3)包括中心轴(31)和沿该中心轴(31 )的轴向间隔设置的多个叶片(32)，所述叶片(32)与所述突出部(2)交错设置，且所述叶片(32)的外表面与所述突出部(2)的外表面之间的距离e，满足e≥3d，d为待混合的颗粒物的最大粒径；

喷嘴(4)，设置于所述出料口；

所述叶片(32)的外周面向内凹陷形成有贯通所述叶片(32)的顶面和底面的多个凹槽，或者所述叶片(32)的外周面向外突出形成有从所述叶片(32)的顶面向下延伸至底面的多个突脊；

相邻的所述叶片(32)中的位于上方的所述叶片(32)的所述凹槽的下端与位于下方的所述叶片(32)的所述凹槽的上端错开设置；或者，相邻的所述叶片(32)中的位于上方的所述叶片(32)的所述突脊的下端与位于下方的所述叶片(32)的所述突脊的上端错开设置。

2.如权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，相邻的所述叶片(32)之间的距离不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍。

3.如权利要求2所述的3D打印喷头，其特征在于，从所述3D打印喷头的上方往下看，相邻的所述叶片(32)中的位于上方的所述叶片(32)的所述凹槽的下端在位于下方的所述叶片(32)的相邻的所述凹槽的上端的角平分线上；或者相邻的所述叶片(32)中的位于上方的所述叶片(32)的所述突脊的下端在位于下方的所述叶片(32)的相邻的所述突脊的上端的角平分线上。

4.如权利要求2所述的3D打印喷头，其特征在于，所述凹槽在所述叶片(32)的外周形成为沿所述中心轴(31)自上而下的直线形或螺旋形；所述叶片(32)上的所述突脊在所述叶片(32)的外周形成为沿所述中心轴(31)自上而下的直线形或螺旋形。

5.如权利要求2-4中任一项所述的3D打印喷头，其特征在于，所述凹槽沿所述中心轴(31)的周向的宽度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍，所述凹槽的深度不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍；或者相邻的所述突脊之间的距离不小于待混合的颗粒物的最大粒径的3倍。

6.如权利要求1-4中任一项所述的3D打印喷头，其特征在于，所述叶片(32)呈沙漏形、鼓形、锥台形、四角星形或者锥体形。

7.如权利要求1-4中任一项所述的3D打印喷头，其特征在于，所述突出部(2)呈朝远离所述内腔壁的方向直径逐渐变小的圆锥体、圆锥台、角锥体或者球缺。

8.如权利要求1-4中任一项所述的3D打印喷头，其特征在于，所述进料口包括位于所述壳体(1)的侧壁的辅料进料口(6)，其中，所述辅料进料口(6)到所述壳体(1)的顶壁的距离h与所述壳体(1)的轴向的总高度H的比值满足1/4≤h/H≤1/2。

9.如权利要求8所述的3D打印喷头，其特征在于，所述辅料进料口(6)通过管路(7)与辅料源连通，且所述管路(7)上还设置有计量泵(8)。

10.一种3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括如权利要求1-9中任一项所述的3D打印喷头。

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