CN112171847A - 一种超声辅助3d打印混凝土喷嘴装置及挤出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置及挤出系统，属于3D打印混凝土技术领域。该装置包括：喷嘴壳体、超声波换能单元、超声波变幅机构、进料口和出料口；超声波变幅机构嵌套于喷嘴壳体的内部；超声波换能单元安装于超声波变幅机构的上部并位于喷嘴壳体的内部；进料口位于喷嘴壳体的一侧；混凝土由进料口进入超声波变幅机构中，超声波换能单元用于接收电信号并将其转换为机械振动；超声波变幅机构用于放大机械振动的振幅，并将振幅放大后的机械振动作用于混凝土；出料口用于将混凝土挤出并堆积成型。本发明不仅可以增加混凝土材料打印过程中的尺寸稳定性和后期强度，还可以改善其流变性和触变性，降低打印材料的黏度，优化打印质量。

Description

一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置及挤出系统

技术领域

本发明属于3D打印混凝土技术领域，更具体地，涉及一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置及挤出系统。

背景技术

混凝土3D打印技术作为自动化建造技术的一种，是以建筑材料与数字模型作为基础，通过3D打印机将打印材料逐层堆积起来的建造工艺。近年来3D打印混凝土技术凭借其无模化、快速化、自动化、灵活化的优势在土木建筑等工程领域发展迅速。3D混凝土打印系统由运动系统、控制系统、供料和挤出系统组成。运动系统负责挤出系统在空间中的移动和定位。控制系统通过伺服电机的耦合作用控制着打印机的运动和混凝土的挤出。供料和挤出系统则包括混凝土搅拌机、泵送机和挤出机构，负责将混凝土浆体混合均匀后输送至挤出机构，并通过喷嘴将混凝土挤出至打印体。由于3D打印混凝土是将材料一层一层的堆积成型，每一层混凝土都比较薄，对混凝土材料的流动性和稳定性提出了较高的要求。同时，3D打印喷头与浆料的匹配性和浆料的流动性会影响打印质量，而且材料能否连续均匀地通过输料管以及顺利通过喷嘴进行沉积打印成为施工作业的关键，否则容易造成输送管道和打印喷头的堵塞，降低打印质量和工作效率，并给后续打印设备的清洗造成困难。

超声波技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的高新技术之一，已在工业、化工、医学、石油化工等领域得到了广泛应用。当超声波作用于混凝土砂浆时，由于空化效应，降低了混凝土砂浆的黏度，增加材料的流动特性，从而可以改善挤出系统中堵管现象发生的概率，其相关机理已在公开发表的学术论文中得到充分的论述(王志凯，吕文生，杨鹏，王志军，诸利一.超声波对充填料浆流变特性的影响及流变参数预测[J]中国有色金属学报.2018年07期)。

因此，如何避免3D打印混凝土设备在使用过程中可能出现的喷嘴堵塞现象从而提高混凝土材料的工作性，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置及挤出系统，其目的在于通过在混凝土从喷嘴挤出的过程中施加功率超声波，由此解决3D打印混凝土设备在使用过程中出现喷嘴堵塞的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，该装置包括：喷嘴壳体、超声波换能单元、超声波变幅机构、进料口和出料口；

所述超声波变幅机构嵌套于所述喷嘴壳体的内部；所述超声波换能单元安装于所述超声波变幅机构的上部并位于所述喷嘴壳体的内部；所述进料口位于所述喷嘴壳体的一侧；所述出料口位于所述喷嘴壳体的底部；

混凝土由所述进料口进入所述超声波变幅机构中，所述超声波换能单元用于接收电信号并将其转换为机械振动；所述超声波变幅机构用于放大所述机械振动的振幅，并将振幅放大后的机械振动作用于混凝土；出料口用于将混凝土挤出并堆积成型。

优选地，所述喷嘴壳体为金属材料制成，所述喷嘴壳体用于防止超声波的溢出。

优选地，所述超声波变幅机构为一体成型，其还用于作为混凝土的运输通道。

按照本发明的另一方面，提供了一种超声辅助3D打印混凝土挤出系统，包括如上文所述的一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，还包括机械手、输料管和控制模块；

喷嘴装置安装于所述机械手的端部；所述输料管设置于所述机械手并与所述进料口连通；

所述控制模块用于对所述机械手和所述喷嘴装置发出控制信号；所述输料管用于将混凝土输送至所述喷嘴装置；所述机械手用于接收控制信号并按照预设的轨迹带动所述喷嘴装置运动；所述喷嘴装置用于接收所述控制信号后产生超声波机械振动，并将所述超声波机械振动作用于混凝土，通过所述出料口将经超声作用的混凝土挤出并且堆叠成型。

优选地，所述喷嘴装置的工作频率为130KHz，输出功率为1000W、1500W和2000W三挡可调。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过在喷嘴装置中安装超声辅助系统，在3D打印过程中，可以改善混凝土的流动性和触变性，使混凝土能够连续均匀地通过喷嘴，从而减少混凝土打印过程中的“窗口期”和挤出的延迟性，防止材料出现断条和堵塞喷嘴的现象；

2、本发明的喷嘴装置结构简单，造价低廉，方便维护和安装，同时可以适应各种类型的3D打印混凝土设备；

3、本发明的喷嘴装置在3D打印后，通过超声系统还可以对喷嘴内的残留混凝土进行振动清洗，防止混凝土粘附在喷嘴内壁，无需对喷嘴装置进行单独清洗，提高了工作效率；

4、通过本发明挤出系统打印出来的混凝土强度高，耐久性好，能够很好地适应多种混凝土外加剂的使用，并为获得早强、高强、稳定、快凝的3D打印混凝土材料开辟了新的途径，同时也能节约材料、降低生产能耗。

附图说明

图1是本发明中3D打印混凝土喷嘴装置的结构示意图；

图2是本发明中3D打印混凝土喷嘴装置的结构立体图；

图3是本发明中挤出系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：超声波换能单元1；进料口2；超声波变幅机构3；喷嘴壳体4；出料口5；机械手6；喷嘴装置7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-3所示，本发明提出了一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，该装置包括：喷嘴壳体4、超声波换能单元1、超声波变幅机构3、进料口2和出料口5；

所述超声波变幅机构3嵌套于所述喷嘴壳体4的内部；所述超声波换能单元1安装于所述超声波变幅机构3的上部并位于所述喷嘴壳体4的内部；所述进料口2位于所述喷嘴壳体4的一侧；所述出料口5位于所述喷嘴壳体4的底部；

混凝土由所述进料口2进入所述超声波变幅机构3中，所述超声波换能单元1用于接收电信号并将其转换为机械振动；所述超声波变幅机构3用于放大所述机械振动的振幅，并将振幅放大后的机械振动作用于混凝土；出料口5用于将混凝土挤出并堆积成型。

具体的，所述喷嘴壳体4为金属材料制成，所述喷嘴壳体4用于防止超声波的溢出。

具体的，所述超声波变幅机构3为一体成型，其还用于作为混凝土的运输通道。

本发明的另一个实施例提出了一种超声辅助3D打印混凝土挤出系统，包括如上文所述的一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，还包括机械手6、输料管和控制模块；

所述喷嘴装置7安装于所述机械手6的端部；所述输料管设置于所述机械手6并与所述进料口2连通；

所述控制模块用于对所述机械手6和所述喷嘴装置7发出控制信号；所述输料管用于将混凝土输送至所述喷嘴装置7；所述机械手6用于接收控制信号并按照预设的轨迹带动所述喷嘴装置7运动；所述喷嘴装置7用于接收所述控制信号后产生超声波机械振动，并将所述超声波机械振动作用于混凝土，通过所述出料口5将经超声作用的混凝土挤出并且堆叠成型。

具体的，所述喷嘴装置7的工作频率为130KHz，输出功率为1000W、1500W和2000W三挡可调。

更进一步的说明，本发明的一个实施例提出一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，如图1本发明喷嘴装置的结构示意图所示，该装置主要包括超声换能单元1、进料口2、超声波变幅机构3、喷嘴壳体4和出料口5。所述超声换能单元1安装在所述喷嘴装置的顶部，其作用是将电能转换为机械振动波，可作为声源输出系统；所述超声波变幅机构3可在较小的面积上聚集超声能量并将机械振动的振幅放大，进而将超声波均匀的作用于混凝土，同时所述超声波变幅机构3又作为混凝土材料的运输通道；所述喷嘴装置的最外层材料为金属保护外壳，主要防止对周围环境产生超声污染；所述出料口5用于将混凝土材料挤出并堆积成型。

具体的，所述喷嘴装置在工作时，当混凝土材料通过进入到喷嘴装置后，所述超声换能单元1便开始工作，并产生高密度声强。当混凝土材料流经所述超声波变幅机构3时，所述超声波变幅机构3不仅作为材料的输送通道，还可以将超声波均匀的作用于混凝土，在超声波的空化效应及热效应作用下，使分子的热运动加剧，从而增加了混凝土的流动性，同时超声波可以改善混凝土的微观结构，增加混凝土的强度。经超声作用的混凝土通过所述出料口5挤出并堆积成型。最外层的所述喷嘴壳体4为金属材料制成，主要用来防止超声波的溢出，可避免对周围环境产生超声污染。

需要说明的是，所述喷嘴装置可根据使用者的需求更改规格和尺寸，以适用不同类型的3D打印混凝土挤出系统，

更进一步的说明，本发明的另一个实施例提出了一种超声辅助3D打印混凝土挤出系统，如图3中挤出系统的结构示意图所示，将所述喷嘴装置7安装在所述机械手3的端部，所述机械手3包括与所述喷嘴装置7的进料口相连通的输料管。所述控制模块向所述喷嘴装置7和所述机械手3分别发送控制信号，所述机械手3接收到控制信号后，按照预设的打印轨迹进行运动，同时所述输料管向所述喷嘴装置7输送混凝土材料；所述喷嘴装置7接收到控制信号后，启动超声换能单元1，并通过所述超声波变幅机构3将超声换能单元1产生的机械振动的振幅放大，当混凝土材料从所述进料口2进入时，便产生了上文所述的喷嘴装置的工作原理，在此不做赘述。

下面结合具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例中全部试验所采用的水泥为普通硅酸盐水泥(P0 42.5)，拌合水采用普通自来水，骨料为符合规范《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-2020要求的标准砂，并且所有材料的质量和各项技术指标均满足相应的国家标准和规范要求，同时流变试验则采用Brookfield公司生产的R/S－SST软固体测试仪测量材料经超声处理后流变参数的改变。本试验中所采用的超声系统工作频率为130KHz，输出功率为1500W，对比试验与实施例的区别在于不开启超声系统。实施例与对比例的测试结果见表1：

表1

通过实例可以看到，相比于对比例，经超声波处理后的材料流变性均有较大改善，其塑性黏度和屈服应力均有不同程度的降低。这是由于超声波的高频振动和声流现象能够在浆体中形成有效的搅动和流动，同时空化气泡对固体表面产生的强烈射流和局部微冲流在理论上均能显著减弱浆体的塑性黏度及屈服应力。

实施例2

本实施例中全部试验所采用的水泥为普通硅酸盐水泥(P0 42.5)，拌合水采用普通自来水，骨料为符合规范《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-2020要求的标准砂，并且所有材料的质量和各项技术指标以及力学实验要求均参照本规范的规定执行。另外，试验中所采用的超声系统工作频率为130KHz，输出功率为1500W，对比试验与实施例的区别在于不开启超声系统。实施例与对比例的测试结果见表2：

表2

通过实例可以看到，相比于对比例，经超声波处理后的材料强度，抗压强度提高了30％左右，抗折强度提高了20％。这是由于超声波促进了水泥的水化，使得水泥石结构更加密实，从而有效的改善了材料的力学性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，其特征在于，该装置包括：喷嘴壳体(4)、超声波换能单元(1)、超声波变幅机构(3)、进料口(2)和出料口(5)；

所述超声波变幅机构(3)嵌套于所述喷嘴壳体(4)的内部；所述超声波换能单元(1)安装于所述超声波变幅机构(3)的上部并位于所述喷嘴壳体(4)的内部；所述进料口(2)位于所述喷嘴壳体(4)的一侧；所述出料口(5)位于所述喷嘴壳体(4)的底部；

所述进料口(2)用于使混凝土进入所述超声波变幅机构(3)中，所述超声波换能单元(1)用于接收电信号并将其转换为机械振动；所述超声波变幅机构(3)用于放大所述机械振动的振幅，并将振幅放大后的机械振动作用于混凝土；出料口(5)用于将混凝土挤出并堆积成型。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴壳体(4)为金属材料制成，所述喷嘴壳体(4)用于防止超声波的溢出。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，其特征在于，所述超声波变幅机构(3)为一体成型，其还用于作为混凝土的运输通道。

4.一种超声辅助3D打印混凝土挤出系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置，还包括机械手(6)、输料管和控制模块；

喷嘴装置(7)安装于所述机械手(6)的端部；所述输料管设置于所述机械手(6)的内部并与所述进料口(2)连通；

所述控制模块用于对所述机械手(6)和所述喷嘴装置(7)发出控制信号；所述输料管用于将混凝土输送至所述喷嘴装置(7)；所述机械手(6)用于接收控制信号并按照预设的轨迹带动所述喷嘴装置(7)运动；所述喷嘴装置(7)用于接收所述控制信号后产生超声波机械振动，并将所述超声波机械振动作用于混凝土，通过所述出料口(5)将经超声作用的混凝土挤出并且堆叠成型。

5.根据权利要求4所述的一种超声辅助3D打印混凝土挤出系统，其特征在于，所述喷嘴装置(7)的工作频率为130KHz，输出功率为1000W、1500W和2000W三挡可调。

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