CN112996640B - 用于打印混凝土立体结构的打印头及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于打印混凝土制成的三维结构的打印头(1)，以及一种方法，其中这种打印头用于将混凝土材料层层迭迭地沉积在一起。根据本发明的打印头(1)配置为可在空间中移动，并将形成待制造结构的混凝土材料的各层(20a)一一地迭加，其中打印头(1)包括以下内容：一进料器(2)，配置为提供混凝土材料；一输送装置(3)，配置为从进料器(2)接收混凝土材料并将其输送；一定型部分(4)，配置为充满加压混凝土材料并至少界定待沉积层(20a)的横向尺寸；一出口部分(5)，其指向相反于打印头(1)的进料方向(A)；以及一出离防止部分(6)，其配置为防止混凝土材料沿着打印头(1)的进料方向(A)离开。

Description

用于打印混凝土立体结构的打印头及其方法

技术领域

本发明涉及一种打印混凝土立体结构的打印头及其方法。

背景技术

混凝土是世界上容易取得的原材料，通过合适的制造技术几乎可以自由成型。预制混凝土构件或半成品可以工业化生产，也可以在施工现场直接加工混凝土。搭建模板的工作非常繁重，因此成本很高，特别是在最终应用，即现场混凝土施工中。3D打印使在施工现场的无模板混凝土成型成为可能。3D打印领域的技术在技术上还不成熟，目前还存在很多问题。其目的是在建筑工地上的任何地点打印复杂的几何图形，如整栋房屋。所述技术已从文件US 2007/0138678 A1获知，其中公开胶凝材料的分层应用，这是3D打印的惯用法。在挤出胶凝材料的过程中，以未固化的状态向下离开喷嘴的出口。为使材料的外侧光滑，在喷嘴出口的下方配置板子，并起到抹光的作用，防止材料由横向于喷嘴的进料方向横向离开。当从喷嘴离开时，材料在侧板内沿进料方向和与喷嘴的进料方向相反的方向膨胀和扩散。与进料方向相反的方向扩散是通过喷嘴的前进而实现的，然后所述喷嘴的前进在与进料方向相反的方向上为从喷嘴中排出的材料产生空间。但是，在进料方向上的扩散会因材料的堆积和材料的膨胀而对沉积层的表面质量产生不利影响。特别是在一些要求精度较高的地方，比如门窗的过梁，这种情况就显得特别不利。例如，由于喷嘴的进料速度的波动，会出现材料的堆积。此外，传统应用的混凝土在一定程度上是可以流动的，并根据重力的作用向下流动，然后在各层中形成球状结构。各层之间的接缝往往只表现出相互之间较差的黏接，这就是为什么这些壁体通常比传统的一体浇筑的预制混凝土构件具有较差的特征值的原因。由于这个原因，对于根据现有技术的结构，必须进行复杂和昂贵的后处理。

此外，现有技术中只有在底层有足够的强度时才会对后续的层进行打印，这使得所述技术的速度慢，并导致打印出来的混凝土元件的表面质量较差。

除实心壁之外，从现有技术中还可获知形成空心体，例如，通过平行地打印2股挤压材料。此后，这种空心体可以用钢筋笼和混凝土填充。混凝土壁处没有加入任何剪力器之类的东西。因此，在填充过程中，壁面只能承受很小的内压。因此，在用现场混凝土填充空腔时，只能以较低的混凝土浇筑速度施工。

发明内容

因此，本发明的目的是在短时间内制造由混凝土制成的稳定结构。

根据本发明所述的打印头可满足此目的。

根据本发明的第一方面，提供一种用于打印由混凝土制成的三维结构的打印头，打印头配置为在空间中移动，并将一层混凝土材料沉积在另一层之上，由其形成待制造的结构。所述打印头包括：进料器，其配置为提供混凝土材料；输送装置，其配置为从进料器接收混凝土材料并进行输送；定型部分，其配置为填充加压混凝土材料并至少界定待沉积层的横向尺寸；出口部分，其指向与打印头的进料方向相反的方向，所述打印头还包括：出离防止部分，其配置为防止混凝土材料沿着打印头的进料方向离开。

打印头包括进料器，使打印头在空间内可移动以供给混凝土材料。例如，可以通过混凝土泵将材料送入进料器，同时打印头在空间中移动。包括材料在内的打印头质量较小，可以使打印头在空间内精确地移动，并便于打印头的支撑。另一方面，打印头也可以在作动过程之前填充材料。输送装置可以是例如螺旋钻或泵，除将材料输送到定型部分外，还可以增加混凝土材料的压力。由于材料在压力下填充定型部分，材料可以填充在定型部分的整个宽度上，横向于打印头的进料方向或横向于待沉积层的纵向延伸方向，并在那里开始在压力下凝固。至少待沉积层的横向尺寸可以由此定型部分界定。至少就横向尺寸而言，所述材料在横截面上是被限定的，其在不改变横向尺寸下，从与进料方向相反的方向的出口部分离开开口，因为所述材料表现出良好的尺寸稳定性，特别是在水与水泥的比例较低的情况下。附加的出离防止部分可以防止混凝土材料从打印头的进料方向离开。这意谓着所述层可以沿着界定的方向沉积，并且可以防止混凝土材料在打印头前的堆积。因此可以沉积出具有良好表面质量的稳定层。

打印头优选地包括压力补偿部分，其优选地配置于定型部分内。

进料速度或材料稠度的波动会导致打印头的压力波动。这些压力波动可以通过压力补偿部分进行补偿，这样就可以防止因压力波动而引起的漏流或回流，并使混凝土材料以良好的表面质量从出口部分流出。压力补偿部分优选地配置在定型部分，因为材料仍然可以在该处定型。

根据本发明的另一个方面，打印头还可以包括能量供应装置，其配置为向定型部分内的混凝土材料供应能量。

通过能量供应装置可以加速材料的凝固，使材料以基本尺寸稳定的方式从出口部分离开。例如，定型部分可以通过振动单元的方式向混凝土中引导入额外的能量，从而提高放出材料后的尺寸稳定性。从而进一步提高结构的稳定性和表面质量。

定型部分优选地包括可控制的造型装置，其配置为能够改变待沉积层的厚度。

可控制的造型装置导致用一个相同的打印头沉积不同厚度的层成为可能。层的厚度，即层的高度，可以在层与层之间配置不同的厚度，也可以在同一层之内在层的纵向或层的宽度方向上配置不同的厚度。

根据本发明的另一方面，造型装置可以这样的方式配置，即沿混凝土材料层的宽度方向的至少一部分形成为就层厚度而言是凹陷的。

如果至少有沿层的宽度方向的一部分形成为凹陷，那么其上所述层的材料就可以很容易地流入这个凹陷部分。这样导致了相邻层之间的正向配合，其确保打印结构的良好稳定性。

根据又一方面，造型装置可以配置用来形成至少在某些分段中至少间隔开并且彼此平行的两股。

造型装置可以在宽度方向上有一部分完全地关闭横截面。例如，通过这种方式，可以防止混凝土在宽度方向的截面中心处流出，并且可以在一次打印过程中形成一种双壁，其中两平行的股间隔形成。

造型装置优选地形成为压力补偿部分。

如果造型装置能够补偿压力的波动，那么这些压力的波动可以通过层厚度的局部变化来补偿。这些层厚度的变化可以用位于其上的层来补偿。此外，打印头的复杂程度也可以通过这个方面来降低。

根据另一个方面，造型装置可以包括至少一个弹性元件和至少一个翻板，其中翻板通过弹性元件连接到打印头。

借助于翻板，可以通过改变翻板位置来改变层厚。弹性元件使翻板在压力波动时能相应地调整其位置。

根据本发明的另一个方面，打印头还可以包括结合材料处理装置，其配置为用于在相邻的混凝土材料层之间沉积至少一层结合材料。

结合材料能使混凝土材料的各层之间产生较好的结合力。由于打印头包括一结合材料处理装置，因此在沉积一层混凝土材料之前，可以由一个相同的打印头沉积一层结合材料。结构的稳定性基本上是通过混凝土材料层来确保，其中结合材料层确保混凝土材料层的良好结合。

结合材料处理装置优选地包括一个出口部分，所述出口部分基本上向下开口。

这样就可以在重力的作用下将结合材料涂抹在位于其下的混凝土层上，从而实现简单的加工。如果在打印头前部的进料方向上还设置有结合材料处理装置，接着通过打印头在结合材料层上运作，随即结合材料层就可以被抹平并均匀分布，于是结合材料就可以大部份地覆盖打印的混凝土层之间的整个表面。

根据另一个方面，打印头还可以额外地包括用于存储加固元件或连接元件的料库；以及加固插入装置，其配置为将加固元件或连接元件水平或垂直地插入到混凝土材料的层中。

然后，可以由打印头以自动化的方式插入加固元件或连接元件。它们可以插入仍在打印头内尚未凝固的混凝土材料中，或者也可以插入已经沉积并被造型装置形成为凹型的部分，其中位于所述部分层上的材料将填充凹形部分并在混凝土中配置有加固元件。例如，加固装置可以在层的纵向延伸中插入加固元件，当中的加固元件连续地送入定型部分中尚未凝固的混凝土中。然而，可想而知，加固元件也插入到横向于打印头进料方向的层中。

加固元件不必垂直地配置在混凝土中，以连接一个位于另一个之上的层，但也可以在打印两壁时，基本上水平地集成到两壁体部分。这使得打印的混凝土元件相互结合，因此这些结合的两壁可以比没有剪力器的打印两壁结构以更高的速度进行填充。

根据另一个方面，打印头还可以包括抹光平滑装置，所述抹光平滑装置配置为擦掉已沉积层的转变区，从而使其平滑，其中，抹光平滑装置优选地配置为引导打印头。

根据这一方面，可以进一步提高待打印结构的表面质量。此外，打印头可由抹光平滑装置引导。通过抹光平滑装置紧靠已经沉积的层来防止打印头在横向于进料方向的方向上的作动。

根据本发明的另一个方面，提供一种方法，在所述方法中，上述的打印头将混凝土材料层层迭迭地沉积，其中使用干混比的混凝土作为混凝土材料。

混凝土的水/水泥比优选地在介于0.23～0.35之间。

采用这种混合比的混凝土能在短时间内获得足够的尺寸稳定性，从而在挤出机出口段下游获得具有良好表面质量和尺寸精度的混凝土层。

根据本发明的另一方面，可以在挤出机的进料作动期间检测位于其下方的层的厚度的变化，并且可以调节待沉积层的厚度。

这样一来，无需复杂的后处理，就可以得到一个基本平整的上边结构。

附图说明

进一步的细节和优选的实施例应以下列图示来说明，

其中:

图1显示根据本发明的打印头。

图2A是显示图1中打印头的斜视图。

图2B是显示图2A中打印头的斜视图。

图3是显示根据本发明的打印头的另一个实施例的剖视图。

图4是显示加工后的混凝土材料的剖视图。

图5是显示根据本发明的打印头从出口部分的方向观察的情况。

图6是显示加工后的混凝土材料的剖视图。

图7是显示根据本发明通过打印头生产的两壁的俯视图。

具体实施方式

图1示意性地显示根据本发明的使用中的打印头1，为了打印由混凝土制成的三维结构，已经使用所述打印头沉积几层混凝土材料20a和几层结合材料20b。打印头以一定的进料速度沿箭头A的方向移动，界定为各层的纵向延伸方向。层的宽度方向横向于层的纵向或横向于进料方向而进入图示的平面。层的厚度方向由各层的堆积方向决定。为求清楚起见，未示出提供打印头1前进的驱动装置。例如，在固定系统中，打印头可以通过框架来驱动，在框架内创建待打印的结构。打印头1将沿着导轨滑动或滚动，并且还可以在高度上移动，以便能够打印各层20a和20b。对于移动式的应用，如建筑工地，打印头还可以通过在空间内移动的手臂来移动。在图1所示的情况下，打印头1再沉积一混凝土材料的层20a。

在图2A的打印头1的三维视图和图2B的剖视图中，根据本发明的打印头1再次以简化形式示出。打印头1包括一个进料器2。进料器2的目的是提供印头1可与混凝土材料在空间内活动。例如可以通过混凝土泵将材料送入进料器2，同时打印头1在空间移动。包括材料在内的打印头1重量小，可以使打印头1在空间内精确移动，并方便对打印头1的支撑。另一方面，打印头1也可以在作动过程之前填充材料。优选地使用混凝土的干混比为水/水泥比介于0.23～0.35之间作为混凝土材料。水/水泥比（w/c）表示1立方米混凝土中水的质量与水泥的质量比。

此外，打印头1包括输送装置3，其目前配置为螺旋钻装置。如图2A所示，输送装置3优选地配置为两螺旋钻的形式。螺旋钻螺纹与材料的交替啮合，从而得到良好的混合和均匀的材料。然而，输送装置3也可以只由一螺旋钻或由一泵形成。输送装置3由进料器2供给材料，并根据强制输送原理，以与进料方向相反的方向将其输送到定型部分4中。螺旋钻优选地具有扩大部分3a，其中螺旋钻直径增大，螺旋钻3与外壳壁3b之间的间隙宽度减小。混凝土材料在那里压缩，由于间隙宽度较小使剪切率增加，从而导致材料中聚积压力。因此，混凝土材料在压力的作用下输送到定型部分4中。由于材料在压力的作用下填充定型部分4，材料可以完全填充定型部分4的横截面，特别是在定型部分4的整个宽度上。材料中的压力使混凝土的尺寸稳定并且开始凝固。因此，至少可以通过定型部分4界定待沉积层的横向尺寸。至少就横向尺寸而言，材料的横截面是确定的，所述材料从出口部分5离开到开口处，其指向与进料方向A相反的方向，而不改变横向尺寸，因为所述材料由于低w/c比而具有良好的尺寸稳定性。另外，还设置有出离防止部分6，可以防止由于积聚的压力使得能在进料方向上流动的混凝土材料离开打印头1而流向进料方向A。通过外壳壁3b的上侧、下侧的以及横向两侧，以及出离防止部分6，在进料方向的五个侧面形成封闭的空间，并且混凝土层可以沿着与进料方向A相反的限定方向沉积，并且可以防止混凝土材料在打印头前的积聚。因此可以沉积出具有良好表面质量的稳定层。此外，如图2A和2B所示，打印头1优选地包括结合材料处理装置8。如图1所示，在混凝土材料的相邻层20a之间，可以用结合材料处理装置8涂抹至少一层结合材料20b。结合材料优选地是具有较高水/水泥比的混凝土、接缝砂浆，甚至是工业黏合剂。促进快速凝固的干性混凝土材料在某些情况下会造成与下一层20a的不良结合。结合材料层20b将混凝土材料的各层20a相互结合，从而消除薄弱的连接点。如图2B所示，结合材料加工装置8优选地包括一个基本上向下开口的出口部分8a。这样就可以借由重力的作用下将结合材料沉积在位于其下的混凝土层20a上，从而实现简单的加工。出口部分8a优选地配置在混凝土材料的出口部分5上游的进料方向A上。然后，结合材料已经涂抹在位于其下的混凝土材料层20a上，并且可以通过由要沉积的混凝土材料制成的层20a的重量加压而在大面积上分布。多余的结合材料会被挤到一边。

如图1所示，打印头还可以包括能量供应装置14。在图1中，所述能量供应装置14沿定型部分4配置为加热条状。另外，还可以配置振动板，其以一定的频率，例如120赫兹，在定型部分4中或已经在出口部分5的下游边缘处振动混凝土。也可以用微波对混凝土材料进行照射。使用所有这些方法，提供混凝土材料加速凝固的能量，从而使材料以基本上尺寸稳定的方式从出口部分离开，或在此后继续快速凝固。从而进一步提高结构的稳定性和表面质量。

图1还显示盘形抹光15，其构成根据本发明的抹光平滑装置，并连接到打印头1的两侧。抹光平滑装置15可以对已经沉积的层进行磨掉材料的平滑处理，提高其中结构的表面质量和横向尺寸的尺寸精度。特别是，可以因此移除并收集多余的结合材料，例如，在收集容器16中。此外，抹光平滑装置15可以引导打印头，因为前者适合于避免在水平方向上横向于进料方向的作动，借由已经沉积的层避免盘形抹光在所述方向上移动。

另一个实施例如图3所示。打印头1与第一实施例的打印头1类似。然而，打印头101包括一个改进的定型部分104。它由朝向位于其下层20a的渐缩部分104a和朝向与进料方向A相反方向的直线部分104b构成。由于配置渐缩部分104a，因此可以通过将材料堆迭而进一步增加定型部分104上游的压力。然后，所述压力在渐缩部分104a中得到缓解，同时混凝土材料通过渐缩部分104a的倾斜流向位于其下的层。这样就可以巧妙地消除螺旋钻3的轴线之间的高度偏移，并在出口部分5处不会出现混凝土材料的突然下降。材料受部份104b中剩余压力的影响。部份104b不再仅由外壳壁3b界定，而是由混凝土材料制成的下层20a界定。混凝土材料在倾斜的渐缩段104a和直线段之间的过渡处仍应是可流动的，以防止其被卡住。

此外，打印头101包括造型装置7，其位于定型部分104内。造型装置7是由弹性元件7a和翻板7b所形成。造型装置7创造用一相同的打印头沉积不同厚度的层的可能性。例如，通过使用电动机，可以使翻板7b旋转到各种位置。因此，它可以用不同的深度突出到定型部分104的横截面上，从而可以在不同的层之间配置不同的层厚度，即层的高度。然而，翻板7b也可以在层被沉积的同时进行调整，然后层的厚度也可以在一层之内做纵向方向上的改变。另外，翻板7b不一定要形成在定型部分的整个宽度上，也可以只配置在定型部分104的宽度方向上的一部分，这也是层厚度在层的宽度方向上变化的原因。然后，翻板7b沿混凝土材料层20a的宽度方向形成至少一个相对于层的厚度凹陷的部分。这使得来自位于所述层的材料可以简单地流进这个凹陷部分。这样导致相邻层之间的正向配合，确保打印结构的良好稳定性。这在图4中举例说明，其显示打印结构的截面。一凹陷部分30可以形成于使沉积层20a的材料在其上流动和在该处凝固。此外，造型装置7配置为打印头101的压力补偿部分。通过弹性元件7a连接翻板7b与打印头101，翻板7b可以对压力波动进行调整。通过这种方式对压力波动进行补偿，必要时局部改变层厚。这些层厚度的变化可以用沉积于其上的层来补偿。

在图4中，右侧还设有凹陷部分30。然而，层20a设置有空腔40。所述空腔40可以由例如通过悬压模引导入层中，其通过腹板固定在定型部分的外壳壁3b上。因为节省材料而使得结构特别轻。

图5最后示意性地示出一个由打印头的观察方向到打印头的出口部分5。如图5所示，打印头包括横跨定型部分的宽度方向的复数个翻板7b，其从上侧突出到定型部分中。这些翻板7b是可调节的，并且可以单独作动，然后可以在层的上侧创造出凹凸交替的不同轮廓。然后可以进一步提高各层的结合度。也可以使各个翻板7b处于完全闭合的位置。翻板7b的闭合位置是翻板7b靠在下层的位置。由此，可以在宽度方向上封闭定型部分的部分截面。如果使复数个翻板7b的外侧在宽度方向上处于闭合位置，则可以改变待沉积的层的宽度。另一方面，如果使内侧的翻板7b处于闭合的位置，则可以将待沉积的层至少分段划分为至少两平行延伸的股，它们以尺寸稳定的方式从出口部分5离开。至少两间隔开的股横向于打印头的进料方向从出口部分5离开。例如，因此可以产出双壁。

图6显示由混凝土材料制成的层20a的细节，在所述层的纵向上设置有凹陷部分31。例如，可以通过将图5中打印头的翻板集体降低到部分关闭的位置来获得所述部分。加固元件9可以插入这样的凹陷部分31中，并与随后的层一起混凝土化。加固元件9也可以从层20a横向突出，并突出到同一层20a相对配置的凹陷部分31中。因此可以提高各个层段之间的稳定性。

这在生产双壁时是特别有利的，其中可以配置凹陷部分31在打印头的进料方向上的平行股中的同一位置或者也可以在交替位置。图7中以俯视图的方式举例说明两壁。每个沉积层借由两股21和22平行并且间隔地延伸而形成双壁。此外，平行延伸股的稳定可以通过加固元件或连接元件9在横向于进料方向的水平方向上达成。这些加固元件可以由一个加固插入装置从打印头所含有的料库中移除，并插入到混凝土材料的各层中。图7显示一格栅状的连接元件9，它将两股21和22在水平方向上相互连接。在这种情况下，例如，可以在打印头的进料方向上相对于股21和22的交替位置上配置凹陷部分，并且便于连接元件的插入。当由股21和22形成的壁组件之间的空间随后以现地混凝土填充时，可以采用更高的浇筑速度。

Claims (13)

1.一种用于打印由混凝土制成的三维结构的打印头(1)，所述打印头(1)配置为在空间中移动，并将形成要生产的结构的混凝土材料的各个层(20a)一个接一个地沉积，所述打印头(1)包括：一进料器(2)，其配置为提供所述混凝土材料；一输送装置(3)，配置为从所述进料器(2)接收所述混凝土材料并将其输送；

一定型部分(4)，配置为由加压的所述混凝土材料填充，并至少界定要沉积的所述层(20a)的横向尺寸；

一出口部分(5)，指向与所述打印头(1)的进料方向(A)相反的方向，其中，

所述打印头(1)还包括：

一出离防止部分(6)，配置为防止所述混凝土材料沿着所述打印头(1)的所述进料方向(A)离开，

其特征在于

所述输送装置(3)为螺旋钻装置，以及

其中所述定型部分(4)包括一可控的造型装置(7)，配置为能够改变要沉积的所述层的厚度，所述造型装置（7）配置为沿着由所述混凝土材料制成的所述层（20a）的宽度方向形成至少一个相对于所述层的厚度凹陷的部分。

2.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头(1)包括压力补偿部分，所述压力补偿部分在所述定型部分(4)内。

3.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头(1)还包括一能量供应装置(14)，其配置为向所述定型部分(4)内的所述混凝土材料提供能量。

4.根据权利要求1所述的打印头（1），其特征在于，所述造型装置（7）配置为至少分段形成至少两彼此间隔开并彼此平行延伸的股（21、22）。

5.根据权利要求1所述的打印头（1），其特征在于，所述造型装置（7）形成压力补偿部分。

6.根据权利要求5所述的打印头(1)，其特征在于，所述造型装置(7)包括至少一弹性元件(7a)和至少一翻板(7b)，所述翻板(7b)通过所述弹性元件(7a)连接到所述打印头(1)。

7.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头(1)还包括结合材料处理装置(8)，其配置为在所述混凝土材料的相邻层(20a)之间沉积至少一层结合材料(20b)。

8.根据权利要求7所述的打印头(1)，其特征在于，所述结合材料处理装置(8)包括向下打开的一出口部分(8a)。

9.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头还包括用于存储加固元件或连接元件(9)的料库；以及一加固插入装置，配置为将所述加固元件或所述连接元件(9)水平或垂直地插入到所述混凝土材料层中。

10.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头还包括抹光平滑装置(15)，其配置为擦掉已经沉积的层(20a)的转变区，从而使其平滑，其中所述抹光平滑装置被配置为引导所述打印头(1)。

11.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头沿着一导轨移动。

12.根据权利要求1所述的打印头(1)，其特征在于，所述打印头通过在所述空间内移动的一手臂移动。

13.一种使用根据权利要求1所述的打印头的方法，其特征在于，所述打印头用于在另一材料的顶部上沉积一层混凝土材料，其中，混凝土具有干混比，所述混凝土材料的水/水泥比为介于 0.23和0.35。

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