CN112412043A - 一种用于建筑自动配筋的3d打印混凝土装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，包括混凝土喷头装置，所述的混凝土喷头装置包括依次连接的料筒、搅拌筒、传料通道和喷嘴，还包括与混凝土喷头装置连接的配筋装置，所述的配筋装置与喷嘴连接；料筒、搅拌筒、传料通道中均设置有搅拌传送装置。本发明通过设置配筋装置，在混凝土打印过程中加入钢筋，使得混凝土打印构件抗拉强度得以增强。本发明通过在转杆上依次设置的传送叶片、搅拌叶片和锥形旋叶；以及传料通道内壁四周设有的向外突出的锥形突起部件，其与锥形旋叶交错布置，共同作用下可使打印混凝土充分搅拌均匀并满足其流变要求，从而避免在打印过程中发生管道或喷嘴的堵塞。

Description

一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置及方法

技术领域

本发明属于建筑业3D混凝土打印技术领域，涉及一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置及方法。

背景技术

应用于建筑行业的3D混凝土打印技术是一项基于挤压的增材制造技术，即可打印的混凝土通过喷嘴挤出形成打印层，层与层之间相互堆叠，在不依赖模板的情况下逐层形成建筑实体，与传统混凝土施工技术相比较，不难发现，该打印技术不仅施工速度快，而且具有无需模板即可建造复杂几何实体结构，同时可最大限度的减少材料损耗和降低劳动力成本等优势。

然而大范围的将3D混凝土打印技术推向实际应用的一个主要挑战就是打印构件缺乏抗拉强度，究其原因：在打印结构中缺少钢筋的集成。为了使3D打印混凝土在未来能够逐步替代传统现浇混凝土，必须开发出行之有效的配筋方法。

目前已有多种加筋方法正在探索用于3D混凝土打印技术，包括在混凝土打印之前就预先安装钢筋；在带有预设孔道的混凝土打印之后手动插入钢筋继而灌浆锚固。然而上述两种加筋方案都构不成一种省时又经济、流线型的自动化加筋系统。除此之外应用最广泛的加筋技术是现浇模板法，即将已打印的混凝土长丝层建立成一个永久性的模板，然后安装水平和竖向钢筋，最后填充现浇混凝土以形成配筋结构，但这种方法其中一个最大不足就是可能会限制打印结构的几何自由度。同时，现有的3D混凝土打印技术除了难以加筋外，还存在如打印混凝土易堵塞管道或喷嘴、打印面粗糙不平、喷嘴及管道清洗困难等问题。

发明内容

针对上述现有技术不足与缺陷，本发明的目的在于，提供一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置及方法，解决现有技术中的3D混凝土打印技术难以加筋、混凝土易堵塞管道或喷嘴、打印面粗糙不平、喷嘴及管道清洗困难的技术问题。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，包括混凝土喷头装置，所述的混凝土喷头装置包括依次连接的料筒、搅拌筒、传料通道和喷嘴，还包括与混凝土喷头装置连接的配筋装置，所述的配筋装置与喷嘴连接。

所述的料筒、搅拌筒、传料通道中均设置有搅拌传送装置。

本发明还具有如下技术特征：

所述的配筋装置包括依次连接的步进电机、控制通道和线材挤出机，所述的线材挤出机朝向喷嘴一侧安装有钢筋孔道，钢筋孔道与喷嘴和线材挤出机分别连通；

所述的钢筋孔道为管状结构，可以为多个且相互平行设置。

所述的搅拌传送装置包括连接在料筒顶端的减速电机和与减速电机连接的搅拌器；

所述的搅拌器包括与减速电机连接的转杆和安装在转杆上的搅拌装置；

所述的转杆伸入混凝土喷头装置内部并与混凝土喷头装置同轴，转杆的长度与料筒、搅拌筒和传料通道的长度相同。

所述的转杆包括依次连接的第一转杆、第二转杆和第三转杆；

所述的第一转杆布置在料筒中并与料筒同轴，第二转杆布置在搅拌筒中并与搅拌筒同轴，第三转杆布置在传料通道中并与传料通道同轴；

所述的搅拌装置包括连接在第一转杆上传送叶片、连接在第二转杆上的搅拌叶片和连接在第三转杆上的锥形旋叶；

所述的搅拌装置还包括布置在传料通道内壁上的突起。

所述的料筒和传料通道均为空心圆柱体结构，料筒的直径大于传料通道的直径，搅拌筒为空心圆台状结构；

所述的料筒和搅拌筒通过连接板连接，所述的搅拌筒和传料通道通过法兰盘连接。

所述的配筋装置通过连接在控制通道上的连接块与混凝土喷头装置连接。

所述的喷嘴整体呈圆柱体形，喷嘴顶端与传料通道连通；

所述的喷嘴底端朝向配筋装置的一侧开设有孔道，所述的喷嘴底端背向配筋装置的一侧开设有长方体形打印口，孔道与长方体形打印口连通，所述的长方体形打印口顶部开口并与传料通道连通；

所述的孔道通过钢筋孔道与线材挤出机连通，孔道的数量与钢筋孔道的数量相同且同方向设置。

所述的喷嘴内还安装有倾斜滑道，倾斜滑道安装在喷嘴的内壁上并且倾斜方向朝向长方体形打印口一侧；

所述的喷嘴底端朝向配筋装置的一侧还开设有球形缺口，所述的孔道贯穿球形缺口和长方体形打印口，倾斜滑道安装在球形缺口顶部，待打印混凝土从传料通道经过倾斜滑道后进入长方体形打印口。

一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土打印方法，采用所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置进行。

所述的方法包括如下步骤：

步骤一：将打印混凝土内的各材料组分倒入料筒中，在经过料筒、搅拌筒及传料通道的充分搅拌均匀后，由经特殊设计的喷嘴挤出形成长条形打印层；

步骤二：在喷嘴挤出打印混凝土的同时，钢筋已事先穿过线材挤出机的钢筋孔道至打印层的起始端，在连接块的作用下，喷头装置和配筋装置整体向打印方向移动，从而实现在混凝土沉积层内自动嵌入钢筋；

步骤三：在一层打印完成后，为避免切割钢筋，可事先选取与打印层等长的钢筋。然后将喷头装置向上提升指定高度，并移至上一层的起始处，重复步骤一、二，直至整个打印构件的完成。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明通过设置配筋装置，在混凝土打印过程中加入钢筋，使得混凝土打印构件抗拉强度得以增强。

(Ⅱ)本发明在喷嘴中留有穿筋的孔道，同时线材挤出机面向喷嘴的一侧有十字形布置的向外延伸的突出孔道，不仅能够自动而又准确嵌入钢筋，而且满足在打印层中嵌入单根甚至多跟连续钢筋的需求。

(Ⅲ)本发明通过在转杆上依次设置的传送叶片、搅拌叶片和锥形旋叶；以及传料通道内壁四周设有的向外突出的锥形突起部件，其与锥形旋叶交错布置，共同作用下可使打印混凝土充分搅拌均匀并满足其流变要求，从而避免在打印过程中发生管道或喷嘴的堵塞。

(Ⅳ)本发明通过对空心矩形截面的侧壁和上表面均经过打磨操作，可对打印面进行抹平光滑处理，避免打印面粗糙不平。

(Ⅴ)本发明通过连接板分别与搅拌筒和传料通道进行焊接，法兰盘分别与传料通道和喷嘴进行焊接，两层连接板、法兰盘间均通过螺栓连接，实现传料通道和喷嘴的可拆卸连接，从而清洗方便，利于下一次直接进行打印操作。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图一。

图2是本发明的整体结构示意图二。

图3是本发明的内部结构示意图一。

图4是本发明的内部结构示意图二。

图5是本发明的使用过程示意图。

图中各个标号的含义为：1-混凝土喷头装置，2-料筒，3-搅拌筒，4-传料通道，5-喷嘴，6-配筋装置，7-搅拌传送装置，8-步进电机，9-控制通道，10-线材挤出机，11-钢筋孔道，12-减速电机，13-搅拌器，14-转杆，15-搅拌装置，16-第一转杆，17-第二转杆，18-第三转杆，19-传送叶片，20-搅拌叶片，21-锥形旋叶，22-突起，23-连接板，24-法兰盘，25-连接块，26-孔道，27-长方体形打印口，28-倾斜滑道，29-球形缺口，30-钢筋，31-已打印成型的混凝土层，32-正在打印的混凝土层。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1～图4所示，本实施例给出一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，包括混凝土喷头装置1，所述的混凝土喷头装置1包括依次连接的料筒2、搅拌筒3、传料通道4和喷嘴5，还包括与混凝土喷头装置1连接的配筋装置6，所述的配筋装置6与喷嘴5连接，所述的料筒2、搅拌筒3、传料通道4中均设置有搅拌传送装置7。

混凝土由料筒2进入搅拌筒3、传料通道4和喷嘴5，在料筒2搅拌筒3、传料通道4中搅拌均匀后由喷嘴5喷出，配筋装置6用于给打印好的混凝土中插入钢筋30，搅拌传送装置7可使打印混凝土充分搅拌均匀并满足其流变要求，从而避免在打印过程中发生管道或喷嘴的堵塞。

作为本实施例的一种优选，所述的配筋装置6包括依次连接的步进电机8、控制通道9和线材挤出机10，所述的线材挤出机10朝向喷嘴5一侧安装有钢筋孔道11，钢筋孔道11与喷嘴5和线材挤出机10分别连通；步进电机8通过控制管道9驱动线材挤出机10；且线材挤出机10挤出连续钢筋30的速度与喷嘴5的行进速度保持一致。

所述的钢筋孔道11为管状结构，可以为多个且相互平行设置，当有具体需要时，可以设置多个钢筋孔道11，同时向打印好的混凝土中插入多根钢筋30。

作为本实施例的一种优选，所述的搅拌传送装置7包括连接在料筒2顶端的减速电机12和与减速电机12连接的搅拌器13；

所述的搅拌器13包括与减速电机12连接的转杆14和安装在转杆14上的搅拌装置15；

所述的转杆14伸入混凝土喷头装置1内部并与混凝土喷头装置1同轴，转杆14的长度与料筒2、搅拌筒3和传料通道4的长度相同。

减速电机12用于驱动搅拌器13转动。

作为本实施例的一种优选，所述的转杆14包括依次连接的第一转杆16、第二转杆17和第三转杆18；

所述的第一转杆16布置在料筒2中并与料筒2同轴，第二转杆17布置在搅拌筒3中并与搅拌筒3同轴，第三转杆18布置在传料通道4中并与传料通道4同轴；

所述的搅拌装置15包括连接在第一转杆16上传送叶片19、连接在第二转杆17上的搅拌叶片20和连接在第三转杆18上的锥形旋叶21；所述传送叶片19和搅拌叶片20均呈环形，且传送叶片19的外边缘与料筒2内壁的间距应足够小；所述锥形旋叶20既可以外表面光滑，也可以使其表面向外突出形成螺旋形的突脊。

所述的搅拌装置15还包括布置在传料通道4内壁上的突起22，突起22的底面直径与转杆14上的锥形旋叶21的上下间距相同；长度占整个传料通道4内壁直径的六分之一，传料通道内交错设置有突起22和锥形旋叶21，用于打印混凝土混合均匀。

作为本实施例的一种优选，所述的料筒2和传料通道4均为空心圆柱体结构，料筒2的直径大于传料通道4的直径，搅拌筒3为空心圆台状结构；

所述的料筒2和搅拌筒3通过连接板23连接，所述的搅拌筒3和传料通道4通过法兰盘24连接，容易拆卸并清洗。

作为本实施例的一种优选，所述的配筋装置6通过连接在控制通道9上的连接块25与混凝土喷头装置1连接，同时通过连接块25使控制通道9和传料通道4固定连接，从而使该喷头成为一个具有完整功能的装置；

作为本实施例的一种优选，所述的喷嘴5整体呈圆柱体形，喷嘴5顶端与传料通道4连通；

所述的喷嘴5底端朝向配筋装置6的一侧开设有孔道26，所述的喷嘴5底端背向配筋装置6的一侧开设有长方体形打印口27，孔道26与长方体形打印口27连通，所述的长方体形打印口27顶部开口并与传料通道4连通；

所述的孔道26通过钢筋孔道11与线材挤出机10连通，孔道26的数量与钢筋孔道11的数量相同且同方向设置。

待打印混凝土从传料通道4进入长方体形打印口27，钢筋30从线材挤出机10经钢筋孔道11和孔道26后进入长方体形打印口27，随着待打印混凝土一起由长方体形打印口27挤出形成带有钢筋30的长条形打印层。

作为本实施例的一种优选，所述的喷嘴5内还安装有倾斜滑道28，倾斜滑道28安装在喷嘴5的内壁上并且倾斜方向朝向长方体形打印口27一侧；

所述的喷嘴5底端朝向配筋装置6的一侧还开设有球形缺口29，所述的孔道26贯穿球形缺口29和长方体形打印口27，所述的倾斜滑道28安装在球形缺口29顶部，待打印混凝土从传料通道4经过倾斜滑道28后进入长方体形打印口27。

待打印混凝土从传料通道4下落到倾斜滑道28，由倾斜滑道28进入长方体形打印口27，倾斜滑道28起导向以及减缓待打印混凝土进入长方体形打印口27速度的作用，球形缺口29可以降低喷嘴5的重量。

喷嘴5整体呈圆柱状，其上半部分处了利于打印混凝土挤出的倾斜滑道28外均上下贯通，倾斜滑道28用于给传料通道4中待打印的混凝土提供导向作用；下半部分的左侧中间部位被切割成空心矩形，右侧为削去半圆体后留有穿筋孔道的实体，为确保打印面的光滑平整，对空心矩形截面的侧壁和上表面均进行打磨处理，线材挤出机10和喷嘴5不仅底面相平齐，而且线材挤出机10面向喷嘴5的一侧有十字形布置的向外延伸的钢筋孔道11，在这些钢筋孔道11上可根据需要插入单根甚至多跟连续钢筋30，同时钢筋孔道11可保证钢筋30准确嵌入到打印层中。

实施例2：

遵从上述技术方案，如图5所示，本实施例给出一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土打印方法，采用实施例1中所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置进行。

包括如下步骤：

步骤一：将打印混凝土内的各材料组分倒入料筒2中，在经过料筒2、搅拌筒3及传料通道4的充分搅拌均匀后，由经特殊设计的喷嘴5挤出形成长条形打印层；

步骤二：在喷嘴5挤出打印混凝土的同时，钢筋30已事先穿过线材挤出机10的钢筋孔道11至打印层的起始端，在连接块25的作用下，喷头装置1和配筋装置6整体向打印方向移动，从而实现在混凝土沉积层内自动嵌入钢筋30；

步骤三：在一层打印完成后，为避免切割钢筋30，可事先选取与打印层等长的钢筋30。然后将喷头装置1向上提升指定高度，并移至上一层的起始处，重复步骤一、二，直至整个打印构件的完成。

31为已打印成型的混凝土层，32为正在打印的混凝土层。

本实施例中自动化的配筋方法是通过步进电机8控制线材挤出机10挤出连续钢筋30并穿过喷嘴5预设孔道来实现的，当线材挤出机10将钢筋30推入进喷嘴5时，喷嘴5将根据预设的矩形截面挤出连续的正在打印的混凝土层32，同时正在打印的混凝土层32会将钢筋30包裹在内；同时为保证钢筋30不会在正在打印的混凝土层32中打滑，钢筋30的挤出速度要与喷嘴5的行进速度保持同步，选择线材挤出机10直接将钢筋30推入到喷嘴5中，是因为此时所需的扭矩更小，从而可以选择更轻的步进电机8，利于整个喷头装置的协同工作；同时喷嘴5应选择轻质材料制造，更轻的喷嘴5可以实现更精确可控的打印操作，并且可以将行进过程中由于惯性产生的抖动降到最小。

当有需要时，钢筋孔道11可以为多个且相互平行设置，可以根据打印构件的承载力要求可插入多根连续钢筋30。

Claims (10)

1.一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，包括混凝土喷头装置(1)，所述的混凝土喷头装置(1)包括同轴连通的料筒(2)、搅拌筒(3)、传料通道(4)和喷嘴(5)，其特征在于，还包括与混凝土喷头装置(1)连接的配筋装置(6)，所述的配筋装置(6)与喷嘴(5)连接；

所述的配筋装置(6)用于在打印过程中向喷嘴(5)中输送钢筋；

所述的料筒(2)、搅拌筒(3)、传料通道(4)中均设置有搅拌传送装置(7)。

2.如权利要求1所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的配筋装置(6)包括依次连接的步进电机(8)、控制通道(9)和线材挤出机(10)，所述的线材挤出机(10)朝向喷嘴(5)一侧安装有钢筋孔道(11)，钢筋孔道(11)与喷嘴(5)和线材挤出机(10)分别连通；

所述的钢筋孔道(11)为管状结构，可以为多个且相互平行设置。

3.如权利要求1所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的搅拌传送装置(7)包括连接在料筒(2)顶端的减速电机(12)和与减速电机(12)连接的搅拌器(13)；

所述的搅拌器(13)包括与减速电机(12)连接的转杆(14)和安装在转杆(14)上的搅拌装置(15)；

所述的转杆(14)伸入混凝土喷头装置(1)内部并与混凝土喷头装置(1)同轴，转杆(14)的长度与料筒(2)、搅拌筒(3)和传料通道(4)的长度相同。

4.如权利要求3所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的转杆(14)包括依次连接的第一转杆(16)、第二转杆(17)和第三转杆(18)；

所述的第一转杆(16)布置在料筒(2)中并与料筒(2)同轴，第二转杆(17)布置在搅拌筒(3)中并与搅拌筒(3)同轴，第三转杆(18)布置在传料通道(4)中并与传料通道(4)同轴；

所述的搅拌装置(15)包括连接在第一转杆(16)上传送叶片(19)、连接在第二转杆(17)上的搅拌叶片(20)和连接在第三转杆(18)上的锥形旋叶(21)；

所述的搅拌装置(15)还包括布置在传料通道(4)内壁上的突起(22)。

5.如权利要求1所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的料筒(2)和传料通道(4)均为空心圆柱体结构，料筒(2)的直径大于传料通道(4)的直径，搅拌筒(3)为空心圆台状结构；

所述的料筒(2)和搅拌筒(3)通过连接板(23)连接，所述的搅拌筒(3)和传料通道(4)通过法兰盘(24)连接。

6.如权利要求2所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的配筋装置(6)通过连接在控制通道(8)上的连接块(25)与混凝土喷头装置(1)连接。

7.如权利要求2所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的喷嘴(5)整体呈圆柱体形，喷嘴(5)顶端与传料通道(4)连通；

所述的喷嘴(5)底端朝向配筋装置(6)的一侧开设有孔道(26)，所述的喷嘴(5)底端背向配筋装置(6)的一侧开设有长方体形打印口(27)，孔道(26)与长方体形打印口(27)连通，长方体形打印口(27)顶部开口并与传料通道(4)连通；

所述的孔道(26)通过钢筋孔道(11)与线材挤出机(10)连通，孔道(26)的数量与钢筋孔道(11)的数量相同且同方向设置。

8.如权利要求7所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置，其特征在于，所述的喷嘴(5)内还安装有倾斜滑道(28)，倾斜滑道(28)安装在喷嘴(5)的内壁上并且倾斜方向朝向长方体形打印口(27)一侧；

所述的喷嘴(5)底端朝向配筋装置(6)的一侧还开设有球形缺口(29)，所述的孔道(26)贯穿球形缺口(29)和长方体形打印口(27)，倾斜滑道(28)安装在球形缺口(29)顶部，待打印混凝土从传料通道(4)经过倾斜滑道(28)后进入长方体形打印口(27)。

9.一种用于建筑自动配筋的3D打印混凝土打印方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一权利要求所述的用于建筑自动配筋的3D打印混凝土装置进行。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将打印混凝土内的各材料组分倒入料筒(2)中，在经过料筒(2)、搅拌筒(3)及传料通道(4)的充分搅拌均匀后，由喷嘴(5)挤出形成长条形打印层；

步骤二：在喷嘴(5)挤出打印混凝土的同时，钢筋已事先穿过线材挤出机(10)的钢筋孔道(11)至打印层的起始端，在连接块(25)的作用下，喷头装置(1)和配筋装置(6)整体向打印方向移动，从而实现在混凝土沉积层内自动嵌入钢筋；

步骤三：在一层打印完成后，将喷头装置(1)向上提升指定高度，并移至上一层的起始处，重复步骤一、二，直至整个打印构件的完成。

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