CN111941584A - 一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3d打印装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置与方法，该装置包括从上到下依次连通设置的进料料仓、预搅拌仓、出料管、挤出头，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓与出料管的轴心竖杆，在进料料仓上还设有卷绕有纤维束的纤维线轴，3D打印时，纤维线轴上待打印的纤维束穿过所述轴心竖杆，并随混凝土砂浆一起从挤出头处挤出打印。与现有技术相比，本发明解决了现有技术中纤维混凝土3D打印难以挤出、普通混凝土打印试件结构力学性能差等技术问题，实现了在打印混凝土的同时，在打印出的混凝土片层中单层或者多层布置有机高分子纤维材料。

Description

一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置与方法
技术领域
本发明属于建筑材料和3D打印技术领域，涉及一种一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置与方法。
背景技术
传统的消耗建造模式在以信息化、数字化产业为主导的当下，已经无法满足于绿色建筑的发展趋势和新型结构构造的功能需求，同时人口老龄化问题给劳动力需求量极大的传统建筑行业带来了极大的冲击。新型数字建造技术——建筑3D打印技术应运而生。现有的建筑3D打印技术仍处于起步阶段，仅能够实现单一材料的打印，如普通混凝土、地聚合物混凝土等。但对于此类单一混凝土材料存在的问题是：由于3D打印挤出堆叠的特殊施工工艺，混凝土材料只能采用层层堆叠凝固的方式来实现构件的成型，并且难以加入钢筋，这将导致打印出的构件结构力学性能极差，无法应用于实际工程。
在材料方面，国内外研究者使用聚乙烯醇(PVA)、钢纤维、聚乙烯纤维(PE)、玻璃纤维、陶瓷纤维等纤维来增强普通砂浆的拉伸性能并称之为水泥基复合材料，这为无筋建筑3D打印实现提供了可行性方案。但是由于纤维混凝土的流动性、可建造性、可挤出性等问题，直接对纤维混凝土的3D打印还存在一定的问题。
公开号CN106313272A的专利公开了胶凝材料中增加基于配筋率的定向纤维的3D打印实施方法，该发明通过将截面钢筋用量转换为对应的受拉纤维用量，并按照钢筋的布置方向和位置，定向、定量和定位布置。采用双打印头3D打印技术，其中一个打印头对正常混凝土进行片状层打印，当打印到需要布置钢筋的位置，根据需要的纤维用量，另一打印头垂直于混凝土打印面打印出钢纤维，打印出的钢纤维插入已打印的混凝土中，并保留部分长度置到层外，在打印下一层混凝土时，将上述裸露的纤维部分覆盖，且与后续打印的纤维在长度方向上存在重叠，以保证粘接锚固力的传递。但该项专利技术方案采用的钢纤维是垂直或斜向插入混凝土打印面布置，这对于受弯构件的承载能力实际上是不利，此外该项专利技术方案采用双打印头进行混凝土和纤维的分别打印，这一施工工艺尚存在一定难题。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置与方法，解决了现有技术中纤维混凝土3D打印难以挤出、普通混凝土打印试件结构力学性能差等技术问题，实现了在打印混凝土的同时，在打印出的混凝土片层中单层或者多层布置有机高分子纤维材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，包括从上到下依次连通设置的进料料仓、预搅拌仓、出料管、挤出头，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓与出料管的轴心竖杆，在进料料仓上还设有卷绕有纤维束的纤维线轴，3D打印时，纤维线轴上待打印的纤维束穿过所述轴心竖杆，并随混凝土砂浆一起从挤出头处挤出打印。
进一步的，所述的轴心竖杆为带有垂向贯通的通孔的空心竖杆，每个通孔均可供一束纤维线轴上的纤维束穿过。
更进一步的，轴心竖杆中的通孔设有多个。
进一步的，所述的纤维束的材质为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维或聚丙烯纤维等。
进一步的，所述的轴心竖杆位于预搅拌仓与出料管的中心轴线上，这样，可以保证预搅拌仓与出料管中的搅拌件等转动部件工作时，不会与轴心竖杆产生干涉。
进一步的，所述的挤出头的截面呈倒锥形。
进一步的，所述的预搅拌仓呈倒圆台状。
进一步的，所述的预搅拌仓内设有预搅拌桨叶，所述的出料管内设有螺纹挤出杆，所述的预搅拌桨叶与螺纹挤出杆均绕轴心竖杆转动。
本发明的技术方案之二提供了一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印方法，其采用如上述装置实施，包括以下步骤：
(1)将纤维束从纤维线轴拉出，经轴心竖杆依次穿过预搅拌仓、出料管和挤出头，并外露一部分以确保纤维束已拉出；
(2)往进料料仓内装入混凝土砂浆；
(3)启动装置，按设定好的3D打印参数，逐层打印混凝土砂浆包裹纤维的混凝土片层，即完成。
进一步的，所述的混凝土砂浆由以下重量份数的原料组分配成：水泥590-600份、石英砂470-480、粉煤灰710-720、减水剂3-5份、水320-330份。
与现有技术相比，本发明通过待引入混凝土中的纤维以纤维束的形式从轴心竖杆处穿出，并与混凝土砂浆一起逐层打印，这样，在混凝土片层打印成型的过程中，其内部即同时引入了单层或多层有机高分子纤维材料，整个打印过程简单易操作，设备简化成本低。
附图说明
图1为单层连续纤维布置时的打印示意图；
图2为双层连续纤维打印时的示意图；
图3为轴心竖杆的横截面剖面图；
图中标记说明：
1-轴心竖杆，2-纤维线轴，3-纤维束，4-进料料仓，5-预搅拌仓，6-挤出头，7-混凝土片层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其结构参见图1或图2所示，包括从上到下依次连通设置的进料料仓4、预搅拌仓5、出料管、挤出头6，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓5与出料管的轴心竖杆1，在进料料仓4上还设有卷绕有纤维束3的纤维线轴2，3D打印时，纤维线轴2上待打印的纤维束3穿过所述轴心竖杆1，并随混凝土砂浆一起从挤出头6处挤出打印。
在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图3所示，所述的轴心竖杆1为带有垂向贯通的通孔的空心竖杆，每个通孔均可供一束纤维线轴2上的纤维束3穿过。
更具体的实施方式中，轴心竖杆1中的通孔设有多个。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述的纤维束3的材质为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维或聚丙烯纤维等。
在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的轴心竖杆1位于预搅拌仓5与出料管的中心轴线上，这样，可以保证预搅拌仓5与出料管中的搅拌件等转动部件工作时，不会与轴心竖杆1产生干涉。
在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的挤出头6的截面呈倒锥形。
在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的预搅拌仓5呈倒圆台状。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述的预搅拌仓5内设有预搅拌桨叶，所述的出料管内设有螺纹挤出杆，所述的预搅拌桨叶与螺纹挤出杆均绕轴心竖杆1转动。
本发明还另外提供了一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印方法，其采用如上述装置实施，包括以下步骤：
(1)将纤维束3从纤维线轴2拉出，经轴心竖杆1依次穿过预搅拌仓5、出料管和挤出头6，并外露一部分以确保纤维束3已拉出；
(2)往进料料仓4内装入混凝土砂浆；
(3)启动装置，按设定好的3D打印参数，逐层打印混凝土砂浆包裹纤维的混凝土片层7，即完成。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述的混凝土砂浆由以下重量份数的原料组分配成：水泥590-600份、石英砂470-480、粉煤灰710-720、减水剂3-5份、水320-330份。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
本实施例的3D打印装置如图1所示，其包括从上到下依次连通设置的进料料仓4、预搅拌仓5、出料管、挤出头6，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓5与出料管的轴心竖杆1，在进料料仓4上还设有一个卷绕有纤维束3的纤维线轴2，3D打印时，纤维线轴2上待打印的纤维束3穿过所述轴心竖杆1，并随混凝土砂浆一起从挤出头6处挤出打印。
请再参见图3所示，所述的轴心竖杆1为带有若干垂向贯通的通孔的空心竖杆，每个通孔均可供一束纤维线轴2上的纤维束3穿过。
本实施例中，请再参见图1等所示，所述的轴心竖杆1位于预搅拌仓5与出料管的中心轴线上，这样，可以保证预搅拌仓5与出料管中的搅拌件等转动部件工作时，不会与轴心竖杆1产生干涉。所述的挤出头6的截面呈倒锥形。所述的预搅拌仓5呈倒圆台状。
所述的预搅拌仓5内设有预搅拌桨叶，所述的出料管内设有螺纹挤出杆，所述的预搅拌桨叶与螺纹挤出杆均绕轴心竖杆1转动。优选的，预搅拌桨叶与螺纹挤出杆共用一个旋转轴，且此旋转轴的中心轴线部位上下中空，并设置有所述轴心竖杆1。
请再参见图1所示，本实施例的具体打印过程如下：
步骤一、按以下重量份的组份备料，水泥593份，石英砂474份，粉煤灰712份，减水剂1份，水329份。按重量份将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min，得到混凝土浆体。
步骤二、将单个纤维线轴2放置于3D打印设备的进料料仓4顶部。
步骤三、将纤维束3从纤维线轴2拉出，经轴心竖杆1穿过3D打印设备的进料料仓4、预搅拌仓5、出料管与挤出头6，并外露出一部分以确保纤维已经拉出。
步骤四、将制备的混凝土浆体，装进进料料仓4，并在预搅拌仓5内继续进行预搅拌。
步骤五、根据装入混凝土浆体的流动性，设置打印速度等参数，3D打印设备根据打印构件三维模型切片后生成的G代码进行逐层打印，得到依次堆叠并复合有单层纤维束3的混凝土片层7。
实施例2：
本实施例的3D打印装置如图2所示，其包括从上到下依次连通设置的进料料仓4、预搅拌仓5、出料管、挤出头6，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓5与出料管的轴心竖杆1，在进料料仓4上还设有两个卷绕有纤维束3的纤维线轴2，3D打印时，纤维线轴2上待打印的纤维束3穿过所述轴心竖杆1，并随混凝土砂浆一起从挤出头6处挤出打印。
请再参见图3所示，所述的轴心竖杆1为带有若干垂向贯通的通孔的空心竖杆，每个通孔均可供一束纤维线轴2上的纤维束3穿过。
本实施例中，请再参见图1等所示，所述的轴心竖杆1位于预搅拌仓5与出料管的中心轴线上，这样，可以保证预搅拌仓5与出料管中的搅拌件等转动部件工作时，不会与轴心竖杆1产生干涉。所述的挤出头6的截面呈倒锥形。所述的预搅拌仓5呈倒圆台状。
所述的预搅拌仓5内设有预搅拌桨叶，所述的出料管内设有螺纹挤出杆，所述的预搅拌桨叶与螺纹挤出杆均绕轴心竖杆1转动。优选的，预搅拌桨叶与螺纹挤出杆共用一个旋转轴，且此旋转轴的中心轴线部位上下中空，并设置有所述轴心竖杆1。
请再参见图1所示，本实施例的具体打印过程如下：
步骤一、按以下重量份的组份备料，水泥593份，石英砂474份，粉煤灰712份，增稠剂4份，减水剂1份，水329份。按重量份将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min，得到混凝土浆体。
步骤二、将两个纤维线轴2放置于3D打印设备的进料料仓4顶部。
步骤三、将纤维束3从纤维线轴2拉出，经轴心竖杆1穿过3D打印设备的进料料仓4、预搅拌仓5、出料管与挤出头6，并外露出一部分以确保纤维已经拉出。
步骤四、将制备的混凝土浆体，装进进料料仓4，并在预搅拌仓5内继续进行预搅拌。
步骤五、根据装入混凝土浆体的流动性，设置打印速度等参数，3D打印设备根据打印构件三维模型切片后生成的G代码进行逐层打印，得到依次堆叠并复合有双层纤维束3的混凝土片层7。
以上各实施例或实施方式中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能的常规部件或结构。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，包括从上到下依次连通设置的进料料仓、预搅拌仓、出料管、挤出头，以及垂向依次贯穿所述预搅拌仓与出料管的轴心竖杆，在进料料仓上还设有卷绕有纤维束的纤维线轴，3D打印时，纤维线轴上待打印的纤维束穿过所述轴心竖杆，并随混凝土砂浆一起从挤出头处挤出打印。
2.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的轴心竖杆为带有垂向贯通的通孔的空心竖杆，每个通孔均可供一束纤维线轴上的纤维束穿过。
3.根据权利要求2所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，轴心竖杆中的通孔设有多个。
4.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的纤维束的材质为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维或聚丙烯纤维。
5.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的轴心竖杆位于预搅拌仓与出料管的中心轴线上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的挤出头的截面呈倒锥形。
7.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的预搅拌仓呈倒圆台状。
8.根据权利要求1所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印装置，其特征在于，所述的预搅拌仓内设有预搅拌桨叶，所述的出料管内设有螺纹挤出杆，所述的预搅拌桨叶与螺纹挤出杆均绕轴心竖杆转动。
9.一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印方法，其采用如权利要求1-8任一所述的装置实施，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纤维束从纤维线轴拉出，经轴心竖杆依次穿过预搅拌仓、出料管和挤出头，并外露一部分以确保纤维束已拉出；
(2)往进料料仓内装入混凝土砂浆；
(3)启动装置，按设定好的3D打印参数，逐层打印混凝土砂浆包裹纤维的混凝土片层，即完成。
10.根据权利要求9所述的一种适用于纤维水泥基混凝土材料的3D打印方法，其特征在于，所述的混凝土砂浆由以下重量份数的原料组分配成：水泥590-600份、石英砂470-480、粉煤灰710-720、减水剂3-5份、水320-330份。
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