CN111421642A - 一种建筑3d打印超声振动辅助挤出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，包括盛料桶、挤料电机、搅龙轴、打印喷头、超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和固定环，搅龙轴与挤料电机传动相连，搅龙轴的外周面上具有传输片，盛料桶的底部与打印喷头相连通，超声波发生器与超声换能器电连接，超声换能器与超声变幅杆的一端相连，超声变幅杆通过固定环与搅龙轴相连，固定环可转动地与搅龙轴相连。挤料电机能够带动搅龙轴转动，利用超声波发生器和超声换能器，实现电能向机械振动能的改变，超声换能器连接超声变幅杆，能够实现机械振动幅值的增大，超声变幅杆连接搅龙轴，将超声振动传递至搅龙轴，与搅龙轴协同振动搅拌，进而实现对盛料桶内材料的振动。

Description

一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统

技术领域

本发明涉及建筑3D打印设备及周边配套设施技术领域，特别是涉及一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统。

背景技术

建筑3D打印作为3D打印工业化的重要一环，进展迅猛，已经在在材料、设备和软件方面取得明显成果。但是建筑3D打印尚存在许多问题，其中建筑3D打印挤出成型材料内部存在较多可视气孔造成打印质量缺陷，打印结构质量是其中亟待解决的关键问题之一。建筑3D打印挤出成型材料内部多孔是由于打印材料在搅拌制备、泵送和挤出过程中不可避免会引入一定空气，空气与打印材料相互掺杂形成的气泡在打印过程无法排出，随材料经打印系统被一起打印入结构中造成的。结构内部多孔会导致结构有效受力截面的减小和受力的应力集中，造成打印结构承载能力下降，安全事故风险增大的不良后果。

公开号为CN110481003A的中国专利申请，公开了一种超声振动辅助3D打印方法，采用六自由度机械手与超声波发生器对已打印成型但尚未完全凝固的材料进行超声振动，以期达到3D打印构件的孔隙减少。此方法适用于较短时间内凝结硬化的材料，而建筑材料受制备、泵送、打印效率以及层间性能、打印完成后材料收缩等多种因素限制不能控制凝结时间过短。最重要的是建筑材料具有明显的触变性能，即材料成型后的超声振动会导致材料难以维持结构形状，触动变形影响不可忽略。同时该方法采用3D打印设备、六自由度机械手和超声机构协同配合实现，实现过程复杂，实际应用效果并不理想。

公开号为CN109795009A的中国专利申请，公开了一种提升混凝土3D打印质量的振动装置。该装置采用万向振动器、连接组件和控制器在打印头出料口处对打印混凝土进行同步微振动，实现对打印流畅度、打印断料裂缝、表面质量不佳和层间粘结力问题的改善。此方法将万向振动器安装于打印头出料口以期实现所述目标，但实际是将材料的宏观缺陷转变为细观或是微观材料缺陷，尤其是材料内部掺杂空气的无处排除会造成材料内部多裂缝、多空隙，在承载条件下容易应力集中、裂缝扩展，更容易产生破坏。同样地，实际应用效果并不理想。

现有的建筑3D打印挤出系统依据动力来源可以分为搅龙机械挤出系统、泵送压力挤出系统和搅龙与泵送协同挤出系统三种。搅龙机械挤出系统通常是打印材料经泵送至开放式料筒，材料在搅龙机械旋转压力作用下实现从打印喷嘴的稳定挤出。泵送压力挤出系统是泵送管与封闭式料筒连接直接密封连接(料筒内无搅龙装置)打印材料经泵送至料筒在泵送压力作用下实现从打印喷头稳定挤出。搅龙和泵送协同挤出系统是泵送管与封闭式料筒直接密封连接，但是料筒内含连接电机的搅龙装置，打印材料经泵送至料筒在泵送压力和搅龙机械挤出压力协同作用下实现从打印喷嘴的稳定挤出。搅龙机械挤出系统可以对由泵送产生的大气泡有效避免，但是在搅龙搅动过程易再次引入大量微小气泡。泵送压力挤出系统的全过程是封闭的，材料内部气泡无法排除，同时由泵送造成的大气泡容易导致材料挤出中断，导致打印结构缺失，缺陷更加明显。搅龙和泵送协同挤出系统与泵送压力挤出系统的缺陷相似，只是因为搅龙的机械旋转作用使得气泡分布均匀化和气泡粒径趋小化。

因此，如何改变现有技术中，建筑3D打印中材料内部气泡难以排除导致材料密实度降低的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，以解决上述现有技术存在的问题，使建筑3D打印材料的致密性、均匀性、可挤出性和化学活性得到改善。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，包括盛料桶、挤料电机、搅龙轴、打印喷头、超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和固定环，所述搅龙轴的一端伸入所述盛料桶内，所述搅龙轴的另一端与所述挤料电机传动相连，所述搅龙轴的外周面上具有传输片，所述传输片为螺旋状，所述盛料桶的底部与所述打印喷头相连通，所述盛料桶与所述打印喷头之间设置密封元件，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器与所述超声变幅杆的一端相连，所述超声变幅杆的另一端与所述搅龙轴相连，所述超声变幅杆位于所述盛料桶内，所述超声变幅杆通过所述固定环与所述搅龙轴相连，所述固定环可转动地与所述搅龙轴相连。

优选地，所述挤料电机通过阻振联轴器与所述搅龙轴相连。

优选地，所述盛料桶的一侧设置支撑连接板，所述支撑连接板与所述盛料桶的外壁相连，所述挤料电机固定于所述支撑连接板上，所述搅龙轴还连接有轴承支座，所述搅龙轴与所述轴承支座之间设置轴承，所述轴承支座固定于所述支撑连接板上，所述轴承支座位于所述阻振联轴器与所述盛料桶之间。

优选地，所述超声换能器固定于所述盛料桶的侧壁上，所述超声换能器穿过所述盛料桶的侧壁与所述超声变幅杆相连，所述超声换能器与所述盛料桶之间设置密封元件。

优选地，所述超声换能器通过导线与所述超声波发生器电连接。

优选地，所述超声换能器与所述盛料桶顶部之间的间距为10cm。

优选地，所述盛料桶具有进料口，所述进料口与所述盛料桶顶部之间的间距为1cm，所述盛料桶的侧壁上设置盛料标准刻度线，所述盛料标准刻度线与所述盛料桶顶部之间的间距为5cm。

优选地，所述固定环、所述超声换能器分别与所述超声变幅杆可拆卸连接。

优选地，所述固定环套装于所述搅龙轴的外部，所述固定环与所述搅龙轴之间设置滚珠。

优选地，所述盛料桶与所述搅龙轴同轴设置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，包括盛料桶、挤料电机、搅龙轴、打印喷头、超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和固定环，搅龙轴的一端伸入盛料桶内，搅龙轴的另一端与挤料电机传动相连，搅龙轴的外周面上具有传输片，传输片为螺旋状，盛料桶的底部与打印喷头相连通，盛料桶与打印喷头之间设置密封元件，超声波发生器与超声换能器电连接，超声换能器与超声变幅杆的一端相连，超声变幅杆的另一端与搅龙轴相连，超声变幅杆位于盛料桶内，超声变幅杆通过固定环与搅龙轴相连，固定环可转动地与搅龙轴相连。本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，挤料电机能够带动搅龙轴转动，与此同时，利用超声波发生器和超声换能器，实现电能向机械振动能的改变，超声换能器连接超声变幅杆，能够实现机械振动幅值的增大，超声变幅杆连接搅龙轴，将超声振动传递至搅龙轴，与搅龙轴协同振动搅拌，进而实现对盛料桶内材料的振动，最终实现可打印建筑材料致密性、均匀性、可挤出性和化学活性的改善。本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，能够实现可打印建筑材料的3D打印，且挤出更密实、打印质量更高、打印性能更好，具较强的实用性和可操作性。本发明的系统不仅可以用于实验研究，同时可以用于3D打印建筑工程等应用中，有较强的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的结构示意图；

图2为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的剖切结构示意图；

图3为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的俯视方向剖切示意图；

其中，1为挤料电机，2为搅龙轴，3为盛料桶，4为打印喷头，5为超声波发生器，6为导线，7为超声换能器，8为支撑连接板，9为轴承支座，10为阻振联轴器，11为固定环，12为超声变幅杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，以解决上述现有技术存在的问题，使建筑3D打印材料的致密性、均匀性、可挤出性和化学活性得到改善。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-3，其中，图1为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的结构示意图，图2为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的剖切结构示意图，图3为本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统的俯视方向剖切示意图。

本发明提供一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，包括盛料桶3、挤料电机1、搅龙轴2、打印喷头4、超声波发生器5、超声换能器7、超声变幅杆12和固定环11，搅龙轴2的一端伸入盛料桶3内，搅龙轴2的另一端与挤料电机1传动相连，搅龙轴2的外周面上具有传输片，传输片为螺旋状，盛料桶3的底部与打印喷头4相连通，盛料桶3与打印喷头4之间设置密封元件，超声波发生器5与超声换能器7电连接，超声换能器7与超声变幅杆12的一端相连，超声变幅杆12的另一端与搅龙轴2相连，超声变幅杆12位于盛料桶3内，超声变幅杆12通过固定环11与搅龙轴2相连，固定环11可转动地与搅龙轴2相连。

本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，挤料电机1能够带动搅龙轴2转动，与此同时，利用超声波发生器5和超声换能器7，实现电能向机械振动能的改变，超声换能器7连接超声变幅杆12，能够实现机械振动幅值的增大，超声变幅杆12连接搅龙轴2，将超声振动传递至搅龙轴2，与搅龙轴2协同振动搅拌，进而实现对盛料桶3内材料的振动，最终实现可打印建筑材料致密性、均匀性、可挤出性和化学活性的改善。另外，超声波发生器5能够调节振动频率，以适应不同粒径的建筑材料，达到最佳振捣效果。本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，能够实现可打印建筑材料的3D打印，且挤出更密实、打印质量更高、打印性能更好，具较强的实用性和可操作性。本发明的系统不仅可以用于实验研究，同时可以用于3D打印建筑工程等应用中，有较强的实用价值。

其中，挤料电机1通过阻振联轴器10与搅龙轴2相连，确保挤料电机1能够带动搅龙轴2转动，并阻隔搅龙轴2带来的振动，提高挤料电机1稳定性。

在本具体实施方式中，盛料桶3的一侧设置支撑连接板8，支撑连接板8与盛料桶3的外壁相连，挤料电机1固定于支撑连接板8上，搅龙轴2还连接有轴承支座9，搅龙轴2与轴承支座9之间设置轴承，轴承支座9固定于支撑连接板8上，轴承支座9位于阻振联轴器10与盛料桶3之间。设置支撑连接板8便于固定、支撑挤料电机1和轴承支座9，同时便于系统与打印单元相连。

具体地，超声换能器7固定于盛料桶3的侧壁上，便于超声换能器7与超声波发生器5、超声变幅杆12相连，超声换能器7穿过盛料桶3的侧壁与超声变幅杆12相连，超声换能器7与盛料桶3之间设置密封元件，避免材料泄露。

另外，超声换能器7通过导线6与超声波发生器5电连接，导线6由导电材质制成，确保系统能够正常工作。

在本具体实施方式中，超声换能器7与盛料桶3顶部之间的间距为10cm。

更具体地，盛料桶3具有进料口，进料口与盛料桶3顶部之间的间距为1cm，利用进料口便于向盛料桶3中输入材料，盛料桶3的侧壁上设置盛料标准刻度线，盛料标准刻度线与盛料桶3顶部之间的间距为5cm，盛料标准刻度线能够为系统推荐盛料桶3的材料储料量。

进一步地，固定环11、超声换能器7分别与超声变幅杆12可拆卸连接，便于更换不同振动幅值的超声变幅杆12，以实现对不同粒径材料的最佳振动效率，固定环11、超声换能器7分别与超声变幅杆12可拆卸连接，便于拆装，提高工作效率。

需要说明的是，固定环11套装于搅龙轴2的外部，为了减小固定环11与搅龙轴2之间的摩擦系数，固定环11与搅龙轴2之间设置滚珠，使固定环11与搅龙轴2之间的相对转动顺畅。

更进一步地，盛料桶3与搅龙轴2同轴设置，提高材料搅拌均匀度。

本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，挤料电机1能够带动搅龙轴2转动，与此同时，利用超声波发生器5和超声换能器7，实现电能向机械振动能的改变，超声换能器7连接超声变幅杆12，能够实现机械振动幅值的增大，超声变幅杆12连接搅龙轴2，将超声振动传递至搅龙轴2，与搅龙轴2协同振动搅拌，进而实现对盛料桶3内材料的振动，最终实现可打印建筑材料致密性、均匀性、可挤出性和化学活性的改善。超声波发生器5能够调节振动频率，更换不同的超声变幅杆12能够控制振动幅值，以适应不同粒径的建筑材料，达到最佳振捣效果。另外，固定环11连接超声变幅杆12与搅龙轴2，内置滚珠，实现超声振动的传递和搅龙轴2旋转的协同配合，实现搅拌与振动的高效化。本发明的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，适用于可打印混凝土材料或其他膏体材料，不仅可以用于实验研究，同时可以用于3D打印建筑工程等应用中，有较强的实用价值。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：包括盛料桶、挤料电机、搅龙轴、打印喷头、超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和固定环，所述搅龙轴的一端伸入所述盛料桶内，所述搅龙轴的另一端与所述挤料电机传动相连，所述搅龙轴的外周面上具有传输片，所述传输片为螺旋状，所述盛料桶的底部与所述打印喷头相连通，所述盛料桶与所述打印喷头之间设置密封元件，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器与所述超声变幅杆的一端相连，所述超声变幅杆的另一端与所述搅龙轴相连，所述超声变幅杆位于所述盛料桶内，所述超声变幅杆通过所述固定环与所述搅龙轴相连，所述固定环可转动地与所述搅龙轴相连。

2.根据权利要求1所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述挤料电机通过阻振联轴器与所述搅龙轴相连。

3.根据权利要求2所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述盛料桶的一侧设置支撑连接板，所述支撑连接板与所述盛料桶的外壁相连，所述挤料电机固定于所述支撑连接板上，所述搅龙轴还连接有轴承支座，所述搅龙轴与所述轴承支座之间设置轴承，所述轴承支座固定于所述支撑连接板上，所述轴承支座位于所述阻振联轴器与所述盛料桶之间。

4.根据权利要求1所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述超声换能器固定于所述盛料桶的侧壁上，所述超声换能器穿过所述盛料桶的侧壁与所述超声变幅杆相连，所述超声换能器与所述盛料桶之间设置密封元件。

5.根据权利要求4所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述超声换能器通过导线与所述超声波发生器电连接。

6.根据权利要求4所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述超声换能器与所述盛料桶顶部之间的间距为10cm。

7.根据权利要求6所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述盛料桶具有进料口，所述进料口与所述盛料桶顶部之间的间距为1cm，所述盛料桶的侧壁上设置盛料标准刻度线，所述盛料标准刻度线与所述盛料桶顶部之间的间距为5cm。

8.根据权利要求1所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述固定环、所述超声换能器分别与所述超声变幅杆可拆卸连接。

9.根据权利要求8所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述固定环套装于所述搅龙轴的外部，所述固定环与所述搅龙轴之间设置滚珠。

10.根据权利要求1-9任一项所述的建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，其特征在于：所述盛料桶与所述搅龙轴同轴设置。

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