CN113389112A - 一种水泥混凝土路面3d打印装备及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥混凝土路面3D打印装备及施工方法，属于路面铺筑技术领域。设备包括车载系统、配料系统、控制系统、打印系统和整平系统，其中，车载系统上设置有配料系统，配料系统连接有打印系统，打印系统内设置有控制系统，通过打印系统和控制系统将混凝土铺设于路面，打印系统上设置有整平系统，通过整平系统对混凝土铺设的路面进行整平。本发明将3D打印技术与混凝土路面铺筑技术相结合，采用机械臂代替传统3D打印机器使用的门式钢架，实现了机器的三维运动，并将机械臂安装到车载系统上，使得机器可以四处移动，使得打印区域不受限制，实现了路面大规模、一体化快速打印施工。

Description

一种水泥混凝土路面3D打印装备及施工方法
技术领域
本发明涉及一种水泥混凝土路面3D打印装备及施工方法，属于路面铺筑技术领域。
背景技术
水泥混凝土路面多用在低等级公路路面上，在我国仍具有广阔的应用前景，其路面施工多采用三辊轴机和小型机具铺筑。然而，该类技术需要振捣棒振捣，导致路面平整度差，影响行车舒适性。同时，这类铺筑方式施工前需要架立模板，施工后需拆除模板，浪费了大量的施工时间和人力资源，降低了施工效率。
3D打印技术由于其具有快速成型，集成一体化的优势，已经开始在混凝土领域使用，其通过逐层打印来构造物体的技术能够实现混凝土路面一体化的打印，可有效解决上述问题。然而现有的3D打印设备主要应用在房屋构筑物，结构构件预制，难以实现快速、大规模、长距离的路面打印。针对上述问题，提出本发明，突破传统的混凝土路面铺筑技术，应用3D打印技术进行混凝土路面施工。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种水泥混凝土路面3D打印装备，将3D打印技术与混凝土路面铺筑技术相结合，实现路面大规模、一体化快速打印施工。
本发明还提供上述一种水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法。
本发明的技术方案如下：
一种水泥混凝土路面3D打印装备，包括车载系统、配料系统、控制系统、打印系统和整平系统，其中，
车载系统上设置有配料系统，配料系统连接有打印系统，打印系统内设置有控制系统，通过打印系统和控制系统将混凝土铺设于路面，打印系统上设置有整平系统，通过整平系统对混凝土铺设的路面进行整平。
优选的，打印系统包括伺服驱动机构、机械臂驱动机构和成型机构；
伺服驱动机构包括液压缸、液压马达、导轨驱动装置和直线滑轨，车载系统底部设置有液压缸，液压缸连接有液压马达，液压马达输出轴通过联轴器连接有导轨驱动装置，导轨驱动装置一侧设置有底座，底座上横向设置有直线滑轨，直线滑轨上设置有机械臂驱动机构；
机械臂驱动机构包括滚轮、转台、驱动臂底、伺服电机、旋转法兰和机械臂，转台通过滚轮设置于直线滑轨，转台连接于导轨驱动装置，转台上设置有驱动臂底，驱动臂底内侧对称设置有旋转法兰，驱动臂底通过旋转法兰连接有机械臂，伺服电机穿过旋转法兰连接有机械臂，机械臂连接有成型机构；
伺服电机为直流无刷设计，通过刷块进行机械换向，内置电子换向器，可周期性的改变转子与驱动电路之间的电流方向，换向器由转子多个金属接触段组成的圆柱体组成，通过霍尔效应的传感器进行机械旋转，伺服驱动式的电机的设置大大提升了机械手臂旋转的速度，进而提升了打印路面的速度；
成型机构包括L型混凝土成型筒，L型混凝土成型筒上部安装有流动控制系统，流动控制系统通过高压管和泵连接有配料系统，L型混凝土成型筒内设置有搅拌系统，L型混凝土成型筒底部设置有可拆卸式矩形口径弯管喷头，L型混凝土成型筒下端连接有整平系统。
进一步优选的，流动控制系统包括压力缸，压力缸设置于L型混凝土成型筒上部，压力缸包括2个一端开口的中空圆柱体，内径小的中空圆柱体通过横梁套装于内径大的中空圆柱体，2个中空圆柱体之间的间隙为流动通道，流动通道连接有高压管，流动通道内设置有压力传感器，当压力传感器检测到流动通道内的挤压力超过设定范围时，减小泵的输送功率，避免泵送速度过快造成堵塞L型混凝土成型筒的现象，保证打印过程连续，均匀。
优选的，搅拌系统包括搅拌电机和搅拌杆，压力缸内设置有搅拌电机，搅拌电机连接有搅拌杆，搅拌杆置于L型混凝土成型筒内部，搅拌杆上设置有螺旋叶片。
优选的，L型混凝土成型筒上端直径大于下端直径，使得混凝土进入时可以预先产生一个初始压力，对混凝土进行初步压实。
优选的，整平系统包括连接板、电动伸缩杆和整平板，连接板通过钢筋环绕设置于L型混凝土成型筒，连接板下侧通过电动伸缩杆连接有整平板。通过电动伸缩杆调整整平板高度后对混凝土铺设的路面进行整平。
进一步优选的，连接板上设置有环形套装件，环形套装件上设置有拖布，使用时将拖布打湿，在路面打印出来后，湿拖布紧跟着形成路面的表面粗糙度。
优选的，配料系统包括配料机和搅拌筒，配料机和搅拌筒均为现有路面铺筑时车辆使用设备。
上述水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，操作步骤如下：
1)3D打印的三维移动过程：液压缸启动，通过液压缸的压力能带动液压马达转动，液压马达通过联轴器带动导轨驱动装置运动，通过导轨驱动装置驱动机械臂驱动机构沿直线导轨横向移动，实现了3D打印过程中横向上的移动，同时伺服电机启动，带动机械臂旋转摆动，机械臂上安装的L型混凝土成型筒随着机械臂的移动而移动，通过机械臂的摆动实现了L型混凝土成型筒的纵向距离调整和高度调整；
2)混凝土挤出：搅拌筒和搅拌电机启动，将混凝土所需的材料倒入到配料机中，材料在重力作用下进入到搅拌筒里面，经搅拌筒搅拌后，混凝土拌合物通过泵和高压管泵入压力缸，经过压力缸内的流动通道后进入L型混凝土成型筒，搅拌电机带动螺旋叶片将混凝土拌合物混合，混凝土拌合物在自身重力作用和L型混凝土成型筒的约束下压实成型，在矩形口径弯管喷头下挤出，随着机械臂摆动的路径打印出完整的水泥混凝土路面；
3)路面整平：首先，矩形口径弯管喷头利用自身形状将挤压成型的混凝土塑造成施工要求尺寸的路面板，相当于对路面进行首次整平，同时，L型混凝土成型筒上的整平装置对挤压出来的路面板进行二次整平，拖布在拖动过程中消除路面气泡和形成粗糙度，增加抗滑性。
优选的，步骤(2)中，混凝土所需材料如下：每立方米混凝土包括以下重量的组分：水泥330-360kg、粉煤灰140-160kg、水175-185kg、河砂750-800kg、碎石860-900kg、引气剂0.18-0.23kg、高效减水剂0.06-0.12kg和增稠流变剂0.20-0.46kg。
进一步优选的，水泥为硅酸盐水泥P·Ⅰ42.5，粉煤灰为F类粉煤灰，平均粒径24μm，用以提高混凝土的流动性，使用量达到水泥的40％，细骨料为河砂，河砂的细度模数为2.95～3.36，比重为2.6～2.65，河砂吸水率范围为1.09～2.32，河砂的粒径范围为0～4.75mm，粗骨料为碎石，细度模数为6.48～7.90，比重为2.60～2.87，碎石吸水率范围为0.33～3.69，碎石的最大粒径为200mm，引气剂为高效复合型引气剂，用以改善混凝土的坍落度，减少泌水和离析，减水剂为聚羧酸型高效减水剂，使得混凝土在水胶比不变的情况下，提高流动性，增稠流变剂为纤维素钠盐类增稠流变剂，使得混凝土材料具备一定稠度的同时和其他外加剂一起用来控制混凝土整体流动度在170～185mm范围内，以满足3D打印的要求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明将3D打印技术与混凝土路面铺筑技术相结合，采用机械臂代替传统3D打印机器使用的门式钢架，实现了机器的三维运动，并将机械臂安装到车载系统上，使得机器可以四处移动，使得打印区域不受限制，实现了路面大规模、一体化快速打印施工。
2、本发明利用半自密实混凝土可以在打印设备内部自固结，自流平，无需模板支护的特点，使L型混凝土成型筒上端直径大于下端直径，使得混凝土进入时可以预先产生一个初始压力，使混凝土在压力作用下挤压密实。
3、本发明在压力缸内设置有压力传感器，当压力传感器检测到流动通道内的挤压力超过设定范围时，减小泵的输送功率，避免泵送速度过快造成堵塞L型混凝土成型筒的现象，保证打印过程连续，均匀。同时解决了泵送速度跟不上机械臂臂摆动速度造成的混凝土路面断开不连续的问题。
4、本发明设置有拖布，使用时将拖布打湿，拖布在拖动过程中消除路面气泡和形成粗糙度，增加抗滑性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2本发明的机械手臂俯视图；
图3本发明的液压驱动系统原理图；
图4为本发明的直线滑轨示意图；
图5为图1中A处局部放大图；
图中：1、配料机；2、车载系统；3、履带式电驱动车轮；4、液压缸；5、液压马达；6、固定架；7、联轴器；8、导轨驱动装置；9、搅拌筒；10、高压管；11、压力缸；12、流动控制系统；13、流动通道；14、搅拌电机；15、流入口；16、L型混凝土成型筒；17、螺旋叶片；18、钢筋；19、环形套装件；20、电动伸缩杆；21、整平板；22、螺钉；23、矩形口径弯管喷头；24、混凝土；25、转台；26、驱动臂底；27、旋转法兰；28、伺服电机；29、机械臂；30、高压管外接口；31、六角螺栓；32、内六角螺钉预留孔；33、底座；34、直线滑轨；35、滚轮。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例提供一种水泥混凝土路面3D打印装备，包括车载系统2、配料系统、控制系统、打印系统和整平系统，其中，
车载系统上设置有配料系统，配料系统连接有打印系统，打印系统内设置有控制系统，通过打印系统和控制系统将混凝土铺设于路面，打印系统上设置有整平系统，通过整平系统对混凝土铺设的路面进行整平。车载系统为现有车辆设备，采用履带式电驱动车轮3驱动。
打印系统包括伺服驱动机构、机械臂驱动机构和成型机构；
伺服驱动机构包括液压缸4、液压马达5、导轨驱动装置8和直线滑轨34，车载系统底部通过固定架6安装有液压缸4，液压缸4连接有液压马达5，液压马达5输出轴通过联轴器7连接有导轨驱动装置，导轨驱动装置8一侧设置有底座33，底座上横向设置有直线滑轨34，直线滑轨34上设置有机械臂驱动机构；导轨驱动装置8为现有市购设备，如深圳型号KS 6导轨模组步进电机控制驱动器，通过导轨驱动装置可以将液压缸产生的压力转换为机械能，驱动机械臂驱动机构沿直线导轨横向移动。
机械臂驱动机构包括滚轮35、转台25、驱动臂底26、伺服电机28、旋转法兰27和机械臂29，转台25通过滚轮设置于直线滑轨34，转台25连接于导轨驱动装置，转台25上设置有驱动臂底26，驱动臂底26内侧对称设置有旋转法兰27，驱动臂底通过旋转法兰连接有机械臂29，伺服电机穿过旋转法兰连接有机械臂，机械臂连接有成型机构；
伺服电机为直流无刷设计，通过刷块进行机械换向，内置电子换向器，可周期性的改变转子与驱动电路之间的电流方向，换向器由转子多个金属接触段组成的圆柱体组成，通过霍尔效应的传感器进行机械旋转，伺服驱动式的电机的设置大大提升了机械手臂旋转的速度，进而提升了打印路面的速度；
成型机构包括L型混凝土成型筒16，L型混凝土成型筒16上部安装有流动控制系统12，流动控制系统12通过高压管10和泵连接有配料系统，L型混凝土成型筒16内设置有搅拌系统，L型混凝土成型筒底部设置有可拆卸式矩形口径弯管喷头23，L型混凝土成型筒下端连接有整平系统。
流动控制系统12包括压力缸11，压力缸11设置于L型混凝土成型筒16上部，压力缸11包括2个一端开口的中空圆柱体，内径小的中空圆柱体通过横梁套装于内径大的中空圆柱体，2个中空圆柱体之间的间隙为流动通道13，流动通道13连接有高压管10，流动通道内设置有压力传感器，当压力传感器检测到流动通道内的挤压力超过设定范围时，减小泵的输送功率，避免泵送速度过快造成堵塞L型混凝土成型筒的现象，保证打印过程连续，均匀。
搅拌系统包括搅拌电机14和搅拌杆，压力缸11内设置有搅拌电机14，搅拌电机14连接有搅拌杆，搅拌杆置于L型混凝土成型筒内部，搅拌杆上设置有螺旋叶片17。
L型混凝土成型筒16上端直径大于下端直径，使得混凝土进入时可以预先产生一个初始压力，对混凝土进行初步压实。
整平系统包括连接板、电动伸缩杆20和整平板21，连接板通过钢筋18环绕设置于L型混凝土成型筒16，连接板下侧通过电动伸缩杆20连接有整平板21。通过电动伸缩杆调整整平板高度后对混凝土铺设的路面进行整平。
连接板上设置有环形套装件19，环形套装件上设置有拖布，使用时将拖布打湿，在路面打印出来后，湿拖布紧跟着形成路面的表面粗糙度。
配料系统包括配料机1和搅拌筒9，配料机和搅拌筒均为现有路面铺筑时车辆使用设备。
上述水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，操作步骤如下：
1)3D打印的三维移动过程：液压缸启动，通过液压缸的压力能带动液压马达转动，液压马达通过联轴器带动导轨驱动装置运动，通过导轨驱动装置驱动机械臂驱动机构沿直线导轨横向移动，实现了3D打印过程中横向上的移动，同时伺服电机启动，带动机械臂旋转摆动，机械臂上安装的L型混凝土成型筒随着机械臂的移动而移动，通过机械臂的摆动实现了L型混凝土成型筒的纵向距离调整和高度调整；
2)混凝土挤出：搅拌筒和搅拌电机启动，将混凝土所需的材料倒入到配料机中，材料在重力作用下进入到搅拌筒里面，经搅拌筒搅拌后，混凝土拌合物通过泵和高压管泵入压力缸，经过压力缸内的流动通道后进入L型混凝土成型筒，搅拌电机带动螺旋叶片将混凝土拌合物混合，混凝土拌合物在自身重力作用和L型混凝土成型筒的约束下压实成型，在矩形口径弯管喷头下挤出，随着机械臂摆动的路径打印出完整的水泥混凝土路面；
3)路面整平：首先，矩形口径弯管喷头利用自身形状将挤压成型的混凝土塑造成施工要求尺寸的路面板，相当于对路面进行首次整平，同时，L型混凝土成型筒上的整平装置对挤压出来的路面板进行二次整平，拖布在拖动过程中消除路面气泡和形成粗糙度，增加抗滑性。
实施例2：
一种水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(2)中，混凝土24所需材料如下：每立方米混凝土包括以下重量的组分：水泥330-360kg、粉煤灰140-160kg、水175-185kg、河砂750-800kg、碎石860-900kg、引气剂0.18-0.23kg、高效减水剂0.06-0.12kg和增稠流变剂0.20-0.46kg。
水泥为硅酸盐水泥P·Ⅰ42.5，粉煤灰为F类粉煤灰，平均粒径24μm，用以提高混凝土的流动性，使用量达到水泥的40％，细骨料为河砂，河砂的细度模数为2.95～3.36，比重为2.6～2.65，河砂吸水率范围为1.09～2.32，河砂的粒径范围为0～4.75mm，粗骨料为碎石，细度模数为6.48～7.90，比重为2.60～2.87，碎石吸水率范围0.33～3.69，碎石的最大粒径为200mm，引气剂为高效复合型引气剂，用以改善混凝土的坍落度，减少泌水和离析，减水剂为聚羧酸型高效减水剂，使得混凝土在水胶比不变的情况下，提高流动性，增稠流变剂为纤维素钠盐类增稠流变剂，使得混凝土材料具备一定稠度的同时和其他外加剂一起用来控制混凝土整体流动度在170～185mm范围内，以满足3D打印的要求。

Claims (10)

1.一种水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，包括车载系统、配料系统、控制系统、打印系统和整平系统，其中，
车载系统上设置有配料系统，配料系统连接有打印系统，打印系统内设置有控制系统，通过打印系统和控制系统将混凝土铺设于路面，打印系统上设置有整平系统，通过整平系统对混凝土铺设的路面进行整平。
2.如权利要求1所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，打印系统包括伺服驱动机构、机械臂驱动机构和成型机构；
伺服驱动机构包括液压缸、液压马达、导轨驱动装置和直线滑轨，车载系统底部设置有液压缸，液压缸连接有液压马达，液压马达输出轴通过联轴器连接有导轨驱动装置，导轨驱动装置一侧设置有底座，底座上横向设置有直线滑轨，直线滑轨上设置有机械臂驱动机构；
机械臂驱动机构包括滚轮、转台、驱动臂底、伺服电机、旋转法兰和机械臂，转台通过滚轮设置于直线滑轨，转台连接于导轨驱动装置，转台上设置有驱动臂底，驱动臂底内侧对称设置有旋转法兰，驱动臂底通过旋转法兰连接有机械臂，伺服电机穿过旋转法兰连接有机械臂，机械臂连接有成型机构；
成型机构包括L型混凝土成型筒，L型混凝土成型筒上部安装有流动控制系统，流动控制系统通过高压管和泵连接有配料系统，L型混凝土成型筒内设置有搅拌系统，L型混凝土成型筒底部设置有可拆卸式矩形口径弯管喷头，L型混凝土成型筒下端连接有整平系统；
优选的，流动控制系统包括压力缸，压力缸设置于L型混凝土成型筒上部，压力缸包括2个一端开口的中空圆柱体，内径小的中空圆柱体通过横梁套装于内径大的中空圆柱体，2个中空圆柱体之间的间隙为流动通道，流动通道连接有高压管，流动通道内设置有压力传感器。
3.如权利要求2所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，搅拌系统包括搅拌电机和搅拌杆，压力缸内设置有搅拌电机，搅拌电机连接有搅拌杆，搅拌杆置于L型混凝土成型筒内部，搅拌杆上设置有螺旋叶片。
4.如权利要求3所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，L型混凝土成型筒上端直径大于下端直径。
5.如权利要求4所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，整平系统包括连接板、电动伸缩杆和整平板，连接板通过钢筋环绕设置于L型混凝土成型筒，连接板下侧通过电动伸缩杆连接有整平板。
6.如权利要求5所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，连接板上设置有环形套装件，环形套装件上设置有拖布。
7.如权利要求6所述的水泥混凝土路面3D打印装备，其特征在于，配料系统包括配料机和搅拌筒。
8.一种如权利要求7所述的水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，其特征在于，操作步骤如下：
1)3D打印的三维移动过程：液压缸启动，通过液压缸的压力能带动液压马达转动，液压马达通过联轴器带动导轨驱动装置运动，通过导轨驱动装置驱动机械臂驱动机构沿直线导轨横向移动，实现了3D打印过程中横向上的移动，同时伺服电机启动，带动机械臂旋转摆动，机械臂上安装的L型混凝土成型筒随着机械臂的移动而移动，通过机械臂的摆动实现了L型混凝土成型筒的纵向距离调整和高度调整；
2)混凝土挤出：搅拌筒和搅拌电机启动，将混凝土所需的材料倒入到配料机中，材料在重力作用下进入到搅拌筒里面，经搅拌筒搅拌后，混凝土拌合物通过泵和高压管泵入压力缸，经过压力缸内的流动通道后进入L型混凝土成型筒，搅拌电机带动螺旋叶片将混凝土拌合物混合，混凝土拌合物在自身重力作用和L型混凝土成型筒的约束下压实成型，在矩形口径弯管喷头下挤出，随着机械臂摆动的路径打印出完整的水泥混凝土路面；
3)路面整平：首先，矩形口径弯管喷头利用自身形状将挤压成型的混凝土塑造成施工要求尺寸的路面板，相当于对路面进行首次整平，同时，L型混凝土成型筒上的整平装置对挤压出来的路面板进行二次整平，拖布在拖动过程中消除路面气泡和形成粗糙度，增加抗滑性。
9.如权利要求8所述的水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，其特征在于，步骤(2)中，混凝土所需材料如下：每立方米混凝土包括以下重量的组分：水泥330-360kg、粉煤灰140-160kg、水175-185kg、河砂750-800kg、碎石860-900kg、引气剂0.18-0.23kg、高效减水剂0.06-0.12kg和增稠流变剂0.20-0.46kg。
10.如权利要求9所述的水泥混凝土路面3D打印装备的施工方法，其特征在于，水泥为硅酸盐水泥P·Ⅰ42.5，粉煤灰为F类粉煤灰，平均粒径24μm，使用量达到水泥的40％，河砂的细度模数为2.95～3.36，比重为2.6～2.65，河砂吸水率范围为1.09～2.32，河砂的粒径范围为0～4.75mm，碎石细度模数为6.48～7.90，比重为2.60～2.87，碎石吸水率范围0.33～3.69，碎石的最大粒径为200mm，引气剂为高效复合型引气剂。
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