CN113547607B - 一种制备3d打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，包括电机、联动齿轮组、一级钢纤维定向单元、二级钢纤维定向单元、输料料斗和辅助振动器；联动齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；所述一级钢纤维定向单元包括钢纤维料斗、推进式搅拌桨叶、旋转竖轴、螺旋桨叶和竖杆；所述输料料斗包括储料仓、挤出管和挤出口；二级钢纤维定向单元为圆筒状永磁体。本装置实现了3D打印钢纤维增强水泥基复合材料内部钢纤维沿打印方向定向分布，钢纤维分布更为均匀，充分发挥钢纤维的增强作用，改善了复合材料3D打印时材料挤出的顺滑性、打印材料的密实性、打印试件表面有纤维突出等技术问题，提高了复合材料的结构力学性能。

Description

一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置
技术领域
本发明属于3D打印建筑材料领域，具体是一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，能够逐渐应用于航空航天、汽车构件、医疗器械、文化艺术和建筑工程等领域。在建筑工程方面，3D打印技术仍处于起步阶段，在技术上还存在一定的缺陷。
国内外研究者普遍使用钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维等纤维来研究3D打印纤维增强水泥基复合材料，属于无筋建筑3D打印技术。在现有的建筑3D打印技术中，对于3D打印钢纤维增强水泥基复合材料而言，首先，一般的3D打印钢纤维增强水泥基复合材料中钢纤维是随机乱向分布的，只有与拉应力方向接近或一致的钢纤维发挥增强作用，理论上，发挥作用的纤维量只有三分之一左右，这就导致3D打印试件在受力时，钢纤维无法充分发挥其应有的作用；其次，普通的3D打印钢纤维增强水泥基复合材料是未经振捣的，故其密实性较差。因此，亟需研发一种装置使3D打印钢纤维增强水泥基复合材料中钢纤维方向与拉应力方向一致以充分发挥其增强作用并且改善其密实程度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，该装置包括电机、联动齿轮组、一级钢纤维定向单元、二级钢纤维定向单元、输料料斗和辅助振动器；
所述联动齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；所述一级钢纤维定向单元包括钢纤维料斗、推进式搅拌桨叶、旋转竖轴、螺旋桨叶和竖杆；所述输料料斗包括储料仓、挤出管和挤出口；二级钢纤维定向单元为圆筒状永磁体；
储料仓用于储存水泥基复合材料拌合物，固定于3D打印机的移动臂架上，其末端为挤出管；挤出管用于混合钢纤维，其末端为挤出口；挤出口用于挤出3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料；
电机固定于3D打印机的移动臂架上，其输出端固定有主动齿轮；旋转竖轴的上端与从动齿轮的中心固定连接；主动齿轮和从动齿轮啮合；
旋转竖轴内部沿轴向开有若干个贯通的钢纤维孔通道，用于钢纤维的竖向通过；钢纤维料斗固定于3D打印机的移动臂架上，用于储存钢纤维；钢纤维料斗末端的出料口与旋转竖轴的钢纤维孔通道的始端连通；竖杆固定于旋转竖轴的上端面上；竖杆的外表面的周向均布有推进式搅拌桨叶，促进钢纤维均匀地输送至钢纤维孔通道内；
螺旋桨叶固定于旋转竖轴中部的外表面上，位于储料仓内，用于搅拌和挤压水泥基复合材料拌合物；二级钢纤维定向单元固定于旋转竖轴的下端部上，位于挤出管内、旋转竖轴的下端面的上方且靠近旋转竖轴的下端面；辅助振动器固定于挤出管的外壁上，位于二级钢纤维定向单元的水平外侧。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本装置实现了3D打印钢纤维增强水泥基复合材料内部钢纤维沿打印方向定向分布，充分发挥钢纤维的增强作用，在钢纤维掺量相同的情况下，与普通的3D打印随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料相比，可使纤维方向有效系数提高到0.90以上，钢纤维分布更为均匀。
(2)本装置通过钢纤维孔通道初步定向钢纤维，使钢纤维纵向输送到二级钢纤维定向单元的控制区域，再在二级钢纤维定向单元的磁场作用下，钢纤维发生轻微转动促使钢纤维的长度方向平行于竖直方向以达到二级定向效果，保证了在3D打印时钢纤维平行于打印方向分布，实现在3D打印钢纤维增强水泥基复合材料内部分级定向钢纤维。
(3)本装置设置有辅助振动器，在辅助振动器的振动作用下，使得钢纤维在二级钢纤维定向单元中的定向效果更好，使钢纤维与水泥基复合材料拌合物充分接触并从挤出口处顺利并均匀地挤出打印，同时打印材料中颗粒与颗粒之间、颗粒与钢纤维之间更为紧密，改善了挤出材料的密实性。
(4)改善了钢纤维增强水泥基复合材料3D打印时材料挤出的顺滑性、打印材料的密实性、打印试件表面有纤维突出等技术问题；提高了3D打印钢纤维增强水泥基复合材料打印试件的结构力学性能，相对于普通的3D打印随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料，本装置制得的3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的单轴拉伸强度提高20～40％，弯曲韧性提高80～150％，抗剪强度提高40～60％。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的控制框图；
图3为本发明的联动齿轮组的立体示意图；
图4为本发明的一级钢纤维定向单元的安装示意图；
图5为本发明图4的A部分的局部放大示意图；
图6为本发明图4的B部分的局部放大示意图；
图7为本发明的二级钢纤维定向单元的工作原理示意图；
图8为本发明的辅助振动器的立体示意图；
图9为本发明实施例1采用本装置打印出的试件内部钢纤维取向的CT扫描结果示意图；
图10为本发明对比例1采用常规3D打印装置打印出的试件内部钢纤维取向的CT扫描结果示意图。
图中，1-电机，2-联动齿轮组，3-一级钢纤维定向单元，4-输料管，5-二级钢纤维定向单元，6-输料料斗，7-辅助振动器，8-泵送装置，9-数控单元，21-主动齿轮，22-从动齿轮，31-钢纤维料斗，32-推进式搅拌桨叶，33-旋转竖轴，331-钢纤维孔通道，34-螺旋桨叶，35-竖杆，61-储料仓，62-挤出管，63-挤出口。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置(简称装置)，其特征在于，该装置包括电机1、联动齿轮组2、一级钢纤维定向单元3、二级钢纤维定向单元5、输料料斗6和辅助振动器7；
所述联动齿轮组2包括主动齿轮21和从动齿轮22；所述一级钢纤维定向单元3包括钢纤维料斗31、推进式搅拌桨叶32、旋转竖轴33、螺旋桨叶34和竖杆35；所述输料料斗6包括储料仓61、挤出管62和挤出口63；二级钢纤维定向单元5为圆筒状永磁体；
储料仓61用于储存水泥基复合材料拌合物，固定于3D打印机的移动臂架(图中未画出)上，其末端为挤出管62；挤出管62用于混合钢纤维，其末端为挤出口63；挤出口63用于挤出3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料；
电机1固定于3D打印机的移动臂架上，其输出端固定有主动齿轮21；旋转竖轴33位于储料仓61和挤出管62中，其上端与从动齿轮22的中心过盈配合固定连接，上端面与从动齿轮22的端面平齐，下端面位于挤出管62和挤出口63的连接处；主动齿轮21和从动齿轮22啮合，将电机1的动力传递给旋转竖轴33；
旋转竖轴33内部沿轴向开有若干个贯通的钢纤维孔通道331(优选圆形孔通道)，用于钢纤维的竖向通过，每一个钢纤维孔通道331由于尺寸约束均起到初步定向钢纤维的作用，使钢纤维纵向输送到二级钢纤维定向单元5的控制区域；钢纤维料斗31固定于3D打印机的移动臂架上，用于储存钢纤维；钢纤维料斗31末端的出料口与旋转竖轴33的钢纤维孔通道331的始端连通；竖杆35固定于旋转竖轴33的上端面上，竖杆35的中轴线与旋转竖轴33的中轴线共线；竖杆35的外表面的周向沿竖直方向螺旋均布有推进式搅拌桨叶32，以搅拌促进钢纤维顺利并均匀地输送至钢纤维孔通道331内；竖杆35和推进式搅拌桨叶32均位于钢纤维料斗31内；
螺旋桨叶34固定于旋转竖轴33中部的外表面上，位于储料仓61内，用于搅拌和挤压水泥基复合材料拌合物；二级钢纤维定向单元5固定于旋转竖轴33的下端部上，位于挤出管62内、旋转竖轴33的下端面的上方且靠近旋转竖轴33的下端面；辅助振动器7通过螺栓固定于挤出管62的外壁上，位于二级钢纤维定向单元5的水平外侧，二级钢纤维定向单元5在辅助振动器7的控制区域内。
优选地，该装置还包括泵送装置8；储料仓61通过输料管4与泵送装置8连接。
优选地，该装置还包括数控单元9；数控单元9分别与电机1、移动臂架、辅助振动器7和泵送装置8电连接，控制电机1的启停和转速、移动臂架的移动速度和移动路径、辅助振动器7的振动频率以及泵送装置8的泵送速度。
优选地，推进式搅拌桨叶32的数量为6片，每一片推进式搅拌桨叶32与水平方向的夹角γ均满足30°≤γ≤50°(优选45°)，以确保能够将钢纤维顺利并均匀地推进到钢纤维孔通道331内。
优选地，旋转竖轴33的上端面为弧形或锥形凹面，凹面与竖直方向的夹角α满足30°≤α≤45°，以便于钢纤维顺利进入钢纤维孔通道331内；旋转竖轴33的下端呈圆锥状，圆锥角β满足50°≤β≤80°，以保证钢纤维从钢纤维孔通道331中流出与水泥基复合材料拌合物充分接触并从挤出口63处挤出打印。
优选地，钢纤维孔通道331的数量为7～14个，直径为9mm，均布于竖杆35的周围。
优选地，二级钢纤维定向单元5是圆筒状永磁体，材质为铝镍钴或钕铁硼；使用特斯拉仪测得其中心轴线处的磁感应强度，磁感应强度与筒壁厚度和圆筒高度有关，可根据钢纤维的属性调整筒壁厚度和圆筒高度。
优选地，储料仓61上设置有储料仓盖；储料仓盖上开有两个圆孔，一个内部转动安装有主动齿轮21，另一个内部转动安装有从动齿轮22和旋转竖轴33，进而将三者定位于储料仓盖中。
优选地，辅助振动器7的频率为50～60HZ，频率高、幅值低。
本发明的工作原理和工作过程是：
(1)根据所需钢纤维的物理属性和其他结构构件的尺寸条件选择合适的二级钢纤维定向单元5，并使用特斯拉仪测定其中心轴线处的磁感应强度大小，钢纤维的尺寸和质量越大，所需的磁感应强度越大，选择满足条件的二级钢纤维定向单元5后将其固定在旋转竖轴33下端；
(2)按照打印试件要求将所需干湿料按照配比称量倒入泵送装置8的搅拌锅内并关闭泵送阀门对干湿料进行充分搅拌，将所需钢纤维按照配比称量放入钢纤维料斗31内并关闭钢纤维料斗31的封盖；
(3)通过数控单元9根据工况来调整电机1的转速、移动臂架的移动速度和移动路径、辅助振动器7的振动频率以及泵送装置8的泵送速度；
(4)启动所述装置进行3D打印：泵送装置8通过输料管4持续向储料仓61中输送水泥基复合材料拌合物，本实施例中使水泥基复合材料拌合物的上表面位于储料仓61的2/3高度处；电机1通过联动齿轮组2驱动竖轴33和竖杆35带动螺旋桨叶34和推进式搅拌桨叶32旋转转动，钢纤维料斗31中的钢纤维在推进式搅拌桨叶32的旋转推动作用下均匀进入钢纤维孔通道331内并抵达二级钢纤维定向单元5的控制区域，钢纤维在二级钢纤维定向单元5产生的磁场和辅助振动器7的振动的共同作用下发生轻微转动使其长度方向平行于竖直方向，并从钢纤维孔通道331的末端流出，定向后的钢纤维与螺旋桨叶34推动的水泥基复合材料拌合物充分接触后在螺旋桨叶34和辅助振动器7的共同作用下均匀密实地从挤出口63挤出打印，制得3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料。
实施例1
本实施例中，所使用的3D打印装置为本发明的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置：竖杆35的中轴线与旋转竖轴33的中轴线共线。二级钢纤维定向单元5为圆筒状铝镍钴或钕铁硼永磁体；圆筒状永磁体的筒壁厚度为10mm，高度为180mm。6个推进式搅拌桨叶32，γ＝45°。旋转竖轴33的上端面为锥形凹面，α＝40°。β＝60°。旋转竖轴33上开有12个直径为9mm的钢纤维孔通道331。挤出口63的直径为30mm。钢纤维长度为25mm，直径为0.4mm，密度为7.8g/mm3，水泥基复合材料拌合物的水胶比为0.41。
制备过程是：
(1)选择中心轴线处的磁感应强度为0.15T的二级钢纤维定向单元5后将其固定在旋转竖轴33下端；
(2)将干湿料按照配比称量倒入泵送装置8的搅拌锅内并关闭泵送阀门对干湿料进行充分搅拌90s，将所需钢纤维按照配比称量放入钢纤维料斗31内并关闭钢纤维料斗31的封盖；
(3)通过数控单元9将电机1的转速设为150r/min，打印速度设为8mm/s，打印路径设为L形，辅助振动器7的振动频率为55HZ，泵送装置8的泵送速度设为0.5L/min；
(4)启动所述装置进行3D打印；总共打印12个3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料试件，每3个试件分成1组，总共4组。
打印完成后需将打印试件静置24～36h后再进行搬运，静置过程中需要用塑料薄膜覆盖，防止水分蒸发过快或气温过低引起表面产生裂纹，然后在标准养护室中养护28天。养护完成后对4组试件分别进行单向拉伸试验、三点弯曲试验、剪切试验和CT扫描，并记录实验结果。
对比例1
本对比例中，所使用的3D打印装置为常规3D打印装置。钢纤维长度为25mm，直径为0.4mm，密度为7.8g/mm3，水泥基复合材料拌合物的水胶比为0.41，挤出口的直径为30mm。
(1)将干湿料按照配比称量倒入搅拌锅内充分搅拌60s，再将所需钢纤维按照配比称量放入搅拌锅中与水泥基复合材料拌合物充分搅拌30s；
(2)将搅拌完成后的钢纤维增强水泥基复合材料倒入常规泵送装置内，并通过输料管连接本对比例中使用的常规3D打印装置；
(3)将常规3D打印装置的电机转速设为150r/min，打印速度设为8mm/s，打印路径设为L形，本对比例中使用的常规泵送装置的泵送速度设为0.5L/min；
(4)启动常规3D打印装置进行3D打印，总共打印12个3D打印随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料试件，每3个试件分成1组，总共4组。
打印完成后需将打印试件静置24～36h后再进行搬运，静置过程中需要用塑料薄膜覆盖，防止水分蒸发过快或气温过低引起表面产生裂纹，然后在标准养护室中养护28天。养护完成后对4组试件分别进行单向拉伸试验、三点弯曲试验、剪切试验和CT扫描，并记录实验结果。
将实施例1中的实验结果与对比例1中的实验结果进行比较，结果表征为，相对于常规3D打印装置打印出的3D打印随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料，用本发明装置打印出的3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的单轴拉伸强度平均提高33％，弯曲韧性平均提高120％，抗剪强度平均提高45％。根据CT扫描结果可知，用本发明装置打印出的试件中钢纤维的取向(图9)明显优于用常规3D打印装置打印出的试件(图10)。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，该装置包括电机、联动齿轮组、一级钢纤维定向单元、二级钢纤维定向单元、输料料斗和辅助振动器；
所述联动齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；所述一级钢纤维定向单元包括钢纤维料斗、推进式搅拌桨叶、旋转竖轴、螺旋桨叶和竖杆；所述输料料斗包括储料仓、挤出管和挤出口；二级钢纤维定向单元为圆筒状永磁体；
储料仓用于储存水泥基复合材料拌合物，固定于3D打印机的移动臂架上，其末端为挤出管；挤出管用于混合钢纤维，其末端为挤出口；挤出口用于挤出3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料；
电机固定于3D打印机的移动臂架上，其输出端固定有主动齿轮；旋转竖轴的上端与从动齿轮的中心固定连接；主动齿轮和从动齿轮啮合；
旋转竖轴内部沿轴向开有若干个贯通的钢纤维孔通道，用于钢纤维的竖向通过，每一个钢纤维孔通道由于尺寸约束均起到初步定向钢纤维的作用，使钢纤维纵向输送到二级钢纤维定向单元的控制区域；钢纤维料斗固定于3D打印机的移动臂架上，用于储存钢纤维；钢纤维料斗末端的出料口与旋转竖轴的钢纤维孔通道的始端连通；竖杆固定于旋转竖轴的上端面上；竖杆的外表面的周向均布有推进式搅拌桨叶，促进钢纤维均匀地输送至钢纤维孔通道内；
螺旋桨叶固定于旋转竖轴中部的外表面上，位于储料仓内，用于搅拌和挤压水泥基复合材料拌合物；二级钢纤维定向单元固定于旋转竖轴的下端部上，位于挤出管内、旋转竖轴的下端面的上方且靠近旋转竖轴的下端面；辅助振动器固定于挤出管的外壁上，位于二级钢纤维定向单元的水平外侧。
2.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，该装置还包括泵送装置；储料仓通过输料管与泵送装置连接。
3.根据权利要求2所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，该装置还包括数控单元；数控单元分别与电机、移动臂架、辅助振动器和泵送装置电连接，控制电机的启停和转速、移动臂架的移动速度和移动路径、辅助振动器的振动频率以及泵送装置的泵送速度。
4.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，旋转竖轴位于储料仓和挤出管中，其上端面与从动齿轮的端面平齐，下端面位于挤出管和挤出口的连接处。
5.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，竖杆的中轴线与旋转竖轴的中轴线共线，竖杆位于钢纤维料斗内。
6.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，竖杆的外表面的周向沿竖直方向螺旋均布有推进式搅拌桨叶；每一片推进式搅拌桨叶与水平方向的夹角γ均满足30°≤γ≤50°。
7.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，旋转竖轴的上端面为弧形或锥形凹面，凹面与竖直方向的夹角α满足30°≤α≤45°；旋转竖轴的下端面呈圆锥状，圆锥角β满足50°≤β≤80°。
8.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，钢纤维孔通道均布于竖杆的周围。
9.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，二级钢纤维定向单元的材质为铝镍钴或钕铁硼。
10.根据权利要求1所述的制备3D打印定向钢纤维增强水泥基复合材料的装置，其特征在于，储料仓上设置有储料仓盖；储料仓盖上开有两个圆孔，一个内部转动安装有主动齿轮，另一个内部转动安装有从动齿轮和旋转竖轴，进而将三者定位于储料仓盖中。
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