CN113183278B - 3d打印机层间增强复合材料添加装置及3d打印机喷头 - Google Patents

3d打印机层间增强复合材料添加装置及3d打印机喷头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印设备技术领域，提供一种3D打印机层间增强复合材料添加装置及3D打印机喷头，所述添加装置包括：恒温水集成板、挡水板、磨板和碾子环；恒温水集成板套设在3D打印机的底端转筒和抹刀嘴外部；所述恒温水集成板上开设循环水入口和循环水出口，且所述恒温水集成板与底端转筒之间设置恒温水循环通路；所述磨板上设置碾子环，所述磨板设置在3D打印机的抹刀嘴出口处，且碾子环与抹刀嘴出口对接；所述密封垫板与磨板和抹刀嘴之间设置第一层浆体通道；恒温水集成板与磨板和抹刀嘴之间设置第二层浆体通道；所述第一层浆体通道和第二层浆体通道之间相互独立。本发明能够将增强复合材料浆体均匀涂抹在挤出3D打印混凝土的表面。

Description

3D打印机层间增强复合材料添加装置及3D打印机喷头
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种3D打印机层间增强复合材料添加装置及3D打印机喷头。
背景技术
3D打印技术在上世纪90年代被提出，现已成为一种新兴制造科技而高速发展。3D打印技术已经快速渗透到医学、航空航天、汽车工业、文化娱乐、食品加工、模型制作等领域。目前3D打印喷头已经实现在打印装置内部物料混合、搅拌并挤出成型，避免或减少使用缓凝剂，减少3D打印时物料的凝结时间，实现了持续打印。为了增强打印混凝土的强度，可以将钢丝(或长纤维丝)通过喷头中心输送到喷嘴，由于喷头具有旋转功能，钢丝(或长纤维丝)可以在喷嘴处产生螺旋的形态，并随物料同时挤出。
但是，3D混凝土打印叠层过程中相邻层间固有的薄弱界面是该先进技术应用于一般工程的主要障碍之一。3D打印混凝土分层堆叠过程不可避免地导致层间界面薄弱，导致变形不协调、力学性能不连续，削弱了构件的整体承载能力。叠加层压堆叠是3D打印技术的一个独特和固有的特征，由于沉积表面不均匀，会引入空隙和纵向缺陷，从而导致层间强度较弱。它会引起应力集中。有缺陷的界面将不可避免地削弱整体机械性能和耐久性，如图1所示。这些问题的一个有希望的解决方案是在沉积后续层之前分配/喷涂低粘度底漆，以通过减少层间空隙来改善粘合性能。
聚合物改性水泥材料通常用作新老混凝土界面的修补混凝土或粘合剂，因为聚合物可以将未水化的水泥颗粒和水泥水化产物结合起来，形成聚合物-水泥共基质。同时，聚合物还可以提高混凝土和结构的力学性能。环氧树脂和氯丁橡胶基聚合物改性砂浆作为层间界面增强材料，以克服泌水对层间接触性能的削弱作用。它显著改善了水泥基材料的机械粘结性能。这种加固方法被证明是解决三维打印技术固有的层间界面薄弱问题的一种切实可行的方法，有望推动3D打印技术在实际建筑工程中更广泛的应用。
现有的混凝土3D打印涂覆聚合物改型砂浆的方法，还主要依靠人工涂抹，难以形成与3D打印相匹配的自动化操作，效率低，不稳定；而现有的混凝土3D打印添加色彩颜料的方法，是将颜料液体与混凝土混合搅拌后再由喷头挤出。颜料与混凝土完全混合，参杂在混凝土内部的颜料会浪费；若是层间表面增强性能的浆体，参杂在混凝土内，不仅会造成材料的浪费，还会影响打印材料的综合性能。
综上所述，结合旋转形式的打印头，实现内部添加长纤维丝以增强抗拉、抗剪切性能，随物料挤出在外部表面自动涂覆多种增强复合材料，不仅节省增强复合材料、提高3D打印效率，更重要的是解决了三维打印技术固有的层间界面薄弱问题，将有效地实现3D打印技术在实际建筑工程中更广泛的应用。
发明内容
本发明主要解决在3D打印的过程中有效解决层间薄弱以及低温环境使用受限的问题，提出一种3D打印机层间增强复合材料添加装置及3D打印机喷头，伴随物料的挤出，能够将增强复合材料浆体均匀涂抹在挤出3D打印混凝土的表面，并确保喷头内部搅拌区域的温度恒定。
本发明提供了一种3D打印机层间增强复合材料添加装置，包括：恒温水集成板2102、挡水板2107、磨板2104和碾子环2105；
所述恒温水集成板2102套设在3D打印机的底端转筒303和抹刀嘴700外部；所述恒温水集成板2102上开设循环水入口和循环水出口，且所述恒温水集成板2102与底端转筒303之间设置恒温水循环通路；
所述磨板2104上设置碾子环2105，所述磨板2104设置在3D打印机的抹刀嘴700出口处，且碾子环2105与抹刀嘴700出口对接；所述磨板2104在圆周方向均匀设置多个挤出口；所述磨板2104与恒温水集成板2102之间设置密封垫板2103；
所述密封垫板2103上设置第一层浆体入口，所述密封垫板2103与磨板2104和抹刀嘴700之间设置第一层浆体通道；所述恒温水集成板2102的底部设置第二层浆体入口，所述恒温水集成板2102与磨板2104和抹刀嘴700之间设置第二层浆体通道；所述第一层浆体通道和第二层浆体通道之间相互独立。
优选的，所述碾子环2105与磨板2104的接触面均开设多个V型槽。
优选的，所述碾子环2105在圆周方向上均匀设置多个镰刀型结构。
优选的，所述恒温水集成板2102前端设置前支撑面板2101。
优选的，所述恒温水循环通路的实现形式：
在底端转筒303的外壁设置两层环形的水槽，两层水槽之间设置通水孔，外接的恒温水由恒温水集成板2102的循环水入口进入第一层水槽，经通水孔上升至第二层环水槽，再经恒温水集成板2102的循环水出口流出。
优选的，每层环形水槽间安装毛毡密封环2106。
本发明还提供了一种3D打印机喷头，包括：上端转筒301、显示转筒302、底端转筒303、上传动轴管400、下传动轴管500、抹刀嘴700以及本发明任意实施例提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置；
所述上端转筒301和显示转筒302连接，所述显示转筒302下部外侧设置底端转筒303，所述底端转筒303底部设置抹刀嘴700；
所述3D打印机层间增强复合材料添加装置套置在底端转筒303和抹刀嘴700外部；
所述上传动轴管400和下传动轴管500连接，穿过3D打印机喷头内部；
所述上传动轴管400上设置搅拌叶片405，所述下传动轴管500上设置挤出叶片502。
优选的，所述3D打印机喷头还包括送丝系统。
优选的，所述3D打印机喷头通过喷头支撑座811和机架连接板810安装在3D打印机上。
优选的，所述喷头支撑座811上设置支撑架800；
所述支撑架800上设置电机100；所述电机100的输出轴连接有传动齿轮组401，所述传动齿轮组401上固定连接有上传动轴管400，所述电机100通过传动齿轮组401驱动上传动轴管400转动。
本发明提供的一种3D打印机层间增强复合材料添加装置及3D打印机，增加了温度控制的恒温水循环通路，确保了喷头内部搅拌区域的温度恒定，也保证了添加的增强复合材料浆体在适合的温度范围内保持最佳活性，可以避免添加的增强复合材料浆体受温度剧烈变化而改变性能。更重要的是，本发明将混凝土3D打印的操作环境拓展到低温环境(零摄氏度以下)的可行性。干粉具备抗低温的特性，参与搅拌的水通过水路系统在搅拌区域与干粉混合，搅拌区域受本装置恒温水的温度控制，保持在适宜(零摄氏度以上)温度，就排除了外部环境温度对打印头内的物料的影响。速凝混凝土材料与水混合后产生的水化热量较大，经打印头挤出后的短时间内会保证混凝土初凝，配合混凝土养护工作，即可实现低温环境打印制品。适合在高寒地区进行速凝混凝土3D打印操作。喷嘴涂抹部位采用磨盘式结构，可以容纳1mm以下的颗粒，保证在打印的过程中，复合材料均匀稳定的涂抹在挤出物料的外表面。本发明各组件采用模块化的结构，可以升级系列组件，便于拆装、清洗、维护。
本发明提供的3D打印机喷头，挤出口在磨板2104上，磨板2104固定不旋转，因此更换不同形状挤出口的磨板2104，可以实现多种形状的物料挤出。在实现干粉(混合有短纤维、4mm直径以下的粗砂)即时搅拌、挤出并在挤出物料内部添加双螺旋的长纤维丝的同时，将打印层间增强复合材料均匀稳定连续地涂覆在挤出物料的表面，有效解决三维打印技术固有的层间界面薄弱问题。也可以采用干粉输入、加水搅拌、挤出一体化的旋转，并在喷头搅拌区域保持恒温，可适用于外部低温环境下的混凝土3D打印施工。
本发明对景观类、艺术类的混凝土3D打印制品，添加的浆体可以是各种颜料等非增强性材料，实现多颜色、多色差、多种挤出形状的效果，可用于景观件等的艺术创作品的打印。
附图说明
图1为混凝土3D打印堆叠层间间隙示意图；
图2为本发明提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置的空间示意图；
图3为本发明提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置剖面展开示意图；
图4为本发明提供的磨板与碾子环的运行示意图；
图5为本发明提供的3D打印机喷头的剖视图。
附图标记：100、电机；200、气缸；300、转筒；400、上传动轴管；500、下传动轴管；600、均料装置；700、抹刀嘴；800、支撑架；900、丝材；201、气缸联轴器；301、上端转筒；302、显示转筒；303、底端转筒；401、传动齿轮组；402、行星齿轮组；403、U型隔板；404、挡料板；405、搅拌叶片；406、上段连轴器；501、下段联轴器；502、挤出叶片；503、连杆Ⅰ；810、机架连接板；811、喷头支撑座；903、送丝器支架；2101、前支撑面板；2102、恒温水集成板；2103、密封垫板；2104、磨板；2105、碾子环；2106、密封环；2107、挡水板。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
如图2、3所示，本发明实施例提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置，包括：恒温水集成板2102、挡水板2107、磨板2104和碾子环2105。
所述恒温水集成板2102套设在3D打印机的底端转筒303和抹刀嘴700外部；所述恒温水集成板2102前端设置前支撑面板2101，增强定位稳固性，同时可以遮挡打印时飞溅出的水滴，增加安全性。所述恒温水集成板2102上开设循环水入口和循环水出口，且所述恒温水集成板2102与底端转筒303之间设置恒温水循环通路。恒温水经过恒温水集成板2102与底端转筒303间的水路进入与流出。
具体的，所述恒温水循环通路的实现形式：在底端转筒303的外壁设置两层环形的水槽，两层水槽之间设置通水孔，外接的恒温水由恒温水集成板2102的循环水入口进入第一层水槽，经通水孔上升至第二层环水槽，再经恒温水集成板2102的循环水出口流出。每层环形水槽间安装毛毡密封环2106，保持各环形水路相对独立。
如图4所示，所述磨板2104上设置碾子环2105，所述磨板2104设置在3D打印机的抹刀嘴700出口处，且碾子环2105与抹刀嘴700出口对接；所述磨板2104在圆周方向均匀设置多个挤出口；所述碾子环2105与磨板2104的接触面均开设多个V型槽，通过调整V型槽的数量与尺寸，来控制浆体进入内腔的流量；同时，V型槽可以容纳直径1mm以内的沙粒等杂质；当有较大颗粒杂质时，通过磨板2104作用会碾碎稍大颗粒，随浆体流入喷头内腔，从而增加了含颗粒浆体的适用范围。所述碾子环2105在圆周方向上均匀设置多个镰刀型结构，可以容纳流入的浆体，并将浆体挤入V型槽内，可以根据浆体类型的不同增减镰刀型空间的数量，达到层间表面的多种涂覆效果。
所述磨板2104与恒温水集成板2102之间设置密封垫板2103。在本实施例中，旋转部分的底端转筒303、抹刀嘴700、碾子环2105使用螺栓连接，在3D打印机喷头电机的驱动下，顺时针转动。
所述密封垫板2103上设置第一层浆体入口，所述密封垫板2103与磨板2104和抹刀嘴700之间设置第一层浆体通道；所述恒温水集成板2102的底部设置第二层浆体入口，恒温水集成板2102与磨板2104和抹刀嘴700之间设置第二层浆体通道；所述第一层浆体通道和第二层浆体通道之间相互独立。
通过第一层浆体通道和第二层浆体通道，可以添加一种或两种不同的增强复合材料改性砂浆；两种不同层间增强复合材料的浆体流经恒温水集成板2102、密封垫板2103、磨板2104与抹刀嘴700形成的两条各自独立环形的浆体通道，在碾子环2105与磨板2104间的碾挤下，进入碾子环2105与磨板2104的内腔壁，与旋转喷头内挤出的物料一同挤出的同时，附着在挤出物料的外表面。
第一层浆体入口注入第一种浆体，第一种浆体经抹刀嘴700与密封垫板2103间的第一层浆体通道进入碾子环2105与磨板2104之间的空间，经碾挤后流入碾子环2105与磨板2104的内腔壁，与3D打印机喷头内挤出的物料一同挤出，多余的浆体沿出口流道流出。
第二层浆体入口注入第二种浆体，第二种浆体经抹刀嘴700与恒温水集成板2102间的第二层浆体通道进入碾子环2105与磨板2104之间的空间，经碾挤后流入碾子环2105与磨板2104的内腔壁，与3D打印机喷头内挤出的物料一同挤出，多余的浆体沿出口流道流出。
在本实施例提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置，恒温水循环通路紧邻搅拌区，使喷头腔体内搅拌后的物料受外部低温环境的影响减少，可以实现外界低温环境下的速凝混凝土材料的打印；同时，恒温循环水的温度，又保证了进入的复合增强材料的浆体在合适的温度范围内与挤出物料附着，免受剧烈温度变化对浆体性能的影响。磨板2104与密封环2106固定在恒温水集成板2102上，旋转挤出的物料会在流经磨板2104后因摩擦力减缓旋转，因此可以设计不同形状的磨板2104挤出口，具备挤出不同形状物料的功能。本实施例的各部件均使用螺栓连接，易于装配、拆卸、更换、清洗，可大幅减少故障排除时间；在做艺术品创作时，不同颜色的涂料，也可以通过本发明的浆体通道涂覆在挤出物料的表面，达到丰富色彩的效果。
实施例二
如图5所示，本发明实施例提供的3D打印机喷头，包括：上端转筒301、显示转筒302、底端转筒303、上传动轴管400、下传动轴管500、抹刀嘴700以及本发明任意实施例提供的3D打印机层间增强复合材料添加装置。
所述上端转筒301和显示转筒302连接，所述显示转筒302下部外侧设置底端转筒303，所述底端转筒303底部设置抹刀嘴700；上端转筒301、显示转筒302、底端转筒303形成转筒300。所述3D打印机层间增强复合材料添加装置套置在底端转筒303和抹刀嘴700外部；
所述上传动轴管400和下传动轴管500连接，穿过3D打印机喷头内部；所述上传动轴管400上设置搅拌叶片405，所述下传动轴管500上设置挤出叶片502。所述上传动轴管400底端固定连接有上段连轴器406，所述下传动轴管500顶端固定连接有下段联轴器501。
所述3D打印机喷头通过喷头支撑座811和机架连接板810安装在3D打印机上。所述喷头支撑座811上设置支撑架800；所述支撑架800上设置电机100；所述电机100的输出轴连接有传动齿轮组401，所述传动齿轮组401上固定连接有上传动轴管400，所述电机100通过传动齿轮组401驱动上传动轴管400转动。
所述3D打印机喷头还包括送丝系统。所述送丝系统包括丝材900、送丝器、送丝器支架903；送丝器通过送丝器支架903安装在3D打印机喷头顶部，送丝器能够进行送丝，丝材900采用钢丝或长纤维丝。
另外，本发明的3D打印机喷头，还设置气缸200、均料装置600、传动齿轮组401、行星齿轮组402、U型隔板403、挡料板404、连杆Ⅰ503；其中，气缸200通过气缸联轴器201连接上传动轴管400并驱动其上下移动；干粉经过均料装置600被打散均摊后，经支撑架800上的进料通道进入上端转筒301内；U型隔板隔开了传动齿轮组401与行星齿轮组402为两个独立区域，并留出干粉进入上端转筒301的通道，避免干粉进入齿轮组的区域内；挡料板404阻隔进入转筒的干粉或搅拌后的湿料沿着转筒的侧壁间隙渗回行星齿轮组；连杆Ⅰ503通过螺栓挤压，固定在显示转筒302与底端转筒303之间，起到支撑下段联轴器501的作用，同时，搅拌后的湿料经连杆Ⅰ503上的通孔流入底端转筒303。
本发明提供的3D打印机喷头，干粉受低温环境影响小，在喷头搅拌区域的增强复合材料添加装置中增加恒温水循环通路，不仅保证了增强复合材料浆体的流动性，同时实现了低温环境(室外零摄氏度以下)的速凝混凝土3D打印。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种3D打印机层间增强复合材料添加装置，其特征在于，包括：恒温水集成板(2102)、挡水板(2107)、磨板(2104)和碾子环(2105)；
所述恒温水集成板(2102)套设在3D打印机的底端转筒(303)和抹刀嘴(700)外部；所述恒温水集成板(2102)上开设循环水入口和循环水出口，且所述恒温水集成板(2102)与底端转筒(303)之间设置恒温水循环通路；
所述磨板(2104)上设置碾子环(2105)，所述磨板(2104)设置在3D打印机的抹刀嘴(700)出口处，且碾子环(2105)与抹刀嘴(700)出口对接；所述磨板(2104)在圆周方向均匀设置多个挤出口；所述磨板(2104)与恒温水集成板(2102)之间设置密封垫板(2103)；
所述密封垫板(2103)上设置第一层浆体入口，所述密封垫板(2103)与磨板(2104)和抹刀嘴(700)之间设置第一层浆体通道；所述恒温水集成板(2102)的底部设置第二层浆体入口，所述恒温水集成板(2102)与磨板(2104)和抹刀嘴(700)之间设置第二层浆体通道；所述第一层浆体通道和第二层浆体通道之间相互独立；
所述碾子环(2105)与磨板(2104)的接触面均开设多个V型槽，所述碾子环(2105)在圆周方向上均匀设置多个镰刀型结构。
2.根据权利要求1所述的3D打印机层间增强复合材料添加装置，其特征在于，所述恒温水集成板(2102)前端设置前支撑面板(2101)。
3.根据权利要求1所述的3D打印机层间增强复合材料添加装置，其特征在于，所述恒温水循环通路的实现形式：
在底端转筒(303)的外壁设置两层环形的水槽，两层水槽之间设置通水孔，外接的恒温水由恒温水集成板(2102)的循环水入口进入第一层水槽，经通水孔上升至第二层环水槽，再经恒温水集成板(2102)的循环水出口流出。
4.根据权利要求3所述的3D打印机层间增强复合材料添加装置，其特征在于，每层环形水槽间安装毛毡密封环(2106)。
5.一种3D打印机喷头，其特征在于，包括：上端转筒(301)、显示转筒(302)、底端转筒(303)、上传动轴管(400)、下传动轴管(500)、抹刀嘴(700)以及权利要求1至4任一项所述的3D打印机层间增强复合材料添加装置；
所述上端转筒(301)和显示转筒(302)连接，所述显示转筒(302)下部外侧设置底端转筒(303)，所述底端转筒(303)底部设置抹刀嘴(700)；
所述3D打印机层间增强复合材料添加装置套置在底端转筒(303)和抹刀嘴(700)外部；
所述上传动轴管(400)和下传动轴管(500)连接，穿过3D打印机喷头内部；
所述上传动轴管(400)上设置搅拌叶片(405)，所述下传动轴管(500)上设置挤出叶片(502)。
6.根据权利要求5所述的3D打印机喷头，其特征在于，所述3D打印机喷头还包括送丝系统。
7.根据权利要求5所述的3D打印机喷头，其特征在于，所述3D打印机喷头通过喷头支撑座(811)和机架连接板(810)安装在3D打印机上。
8.根据权利要求7所述的3D打印机喷头，其特征在于，所述喷头支撑座(811)上设置支撑架(800)；
所述支撑架(800)上设置电机(100)；所述电机(100)的输出轴连接有传动齿轮组(401)，所述传动齿轮组(401)上固定连接有上传动轴管(400)，所述电机(100)通过传动齿轮组(401)驱动上传动轴管(400)转动。
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