CN113580318A - 一种适用于寒冷环境下的现场3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，包括保温棚和3D打印机械臂，保温棚中设置有混凝土搅拌泵送装置、蒸汽发生器和冷凝装置，混凝土搅拌泵送装置的一侧设置有外加剂添加装置，混凝土搅拌泵送装置的底端经第一喷头连接组件与双层泵送管道的一端相连通，双层泵送管道的另一端经第二喷头连接组件与3D打印机械臂的打印喷头相连通，蒸汽发生器的蒸汽出口端与第一喷头连接组件相连通，第二喷头连接组件依次经冷凝回流管和冷凝装置与蒸汽发生器相连通。本发明采用上述结构的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，能够有效保护混凝土打印材料免受低温环境的影响，并实现打印全过程的实时调控，保证混凝土的打印质量。

Description

一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别是涉及一种适用于寒冷环境下的现 场3D打印系统。

背景技术

混凝土3D打印是一种常用的增材制造技术，可在不使用模板的情况下逐 层构建构件。在现有基于挤出打印方式的大型混凝土3D打印过程中，为防止 泵送装置制约3D打印机械的运动，连接泵送装置与打印装置的管道往往较长， 导致3D打印混凝土在泵送过程中须通过较长的管道，增加了打印材料受环境 温度影响的风险，进而致使混凝土材料在长期持续打印中无法保持稳定的打 印质量，甚至在极端温度下会出现泵送混凝土冻结，严重影响其可泵性。同 时3D打印混凝土材料在泵送过程中长期直接处于较低的温度时，混凝土的水 化速度过慢，其建造性表现会较差。

对于大型建筑混凝土3D打印而言，尤其是原位打印，往往需要配合露天 施工且其机械所需作用范围较广，从而致使对整体环境温度的调节极为困难， 目前针对严寒地区低温环境下混凝土3D打印严重受限制的情况缺乏直接有效 的应对方法。

为了解决上述问题，中国专利号为CN201921312198.1的专利公开了《一 种带有热蒸汽辅凝装置的混凝土3D打印喷头》,该专利提出了一种外设热蒸 汽辅凝装置的挤出式混凝土3D打印喷头，热蒸汽辅凝装置负责对挤出的混凝 土进行加热加湿，以提高混凝土的水化质量。然而仅针对打印头部位进行的 加热或加湿处理存在以下四点缺陷：(1)作用效果有限：在混凝土3D打印 实施过程中，材料在打印头位置停留时间较短，因此仅在该处进行加热保温 处理，作用时间短，控温效果差。(2)调节手段单一：该装置只能影响混凝 土的水化过程，在实际的打印过程中，无法对材料拌和的全过程按需进行调 节，以满足实际的需要。(3)缺乏整体把握：没有对于材料的温度、泵送性 能等进行监控，高度依赖经验，缺乏量化的参考指标。(4)缺乏动态调整： 缺乏对泵送材料性能的监控与动态调节措施，往往高度依赖经验，缺乏量化 的实施指标与实时调整的手段。

因此，迫切需要一套更加完善智能的技术系统来给予3D打印混凝土一个 稳定的泵送、挤出温度环境，免受低温环境的干扰，并对其进行实时监控与 动态调节，进而保证打印质量良好稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，以避免 3D打印混凝土在泵送过程中受到外在环境温度的影响，通过实时监测与动态 调整，保证低温条件下打印材料的可泵性与可建造性。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系 统，包括保温棚和3D打印机械臂，所述保温棚中设置有混凝土搅拌泵送装置、 蒸汽发生器和冷凝装置，所述混凝土搅拌泵送装置的一侧设置有外加剂添加 装置，所述混凝土搅拌泵送装置的底端经第一喷头连接组件与双层泵送管道 的一端相连通，所述双层泵送管道的另一端经第二喷头连接组件与所述3D打 印机械臂的打印喷头相连通，所述蒸汽发生器的蒸汽出口端与所述第一喷头 连接组件相连通，所述第二喷头连接组件依次经冷凝回流管和所述冷凝装置 与所述蒸汽发生器相连通。本方案中3D打印设备以3D打印机械臂为例，而 又不限于3D打印机械臂，可应用于龙门架式等多种形式3D打印设备上。

优选的，所述第一喷头连接组件和所述第二喷头连接组件结构相同并均 采用钢材制成的，所述第一喷头连接组件包括喷头外管和设置于所述喷头外 管内部的喷头内管，所述喷头外管的一端与所述喷头内管的侧壁固定连接并 且所述喷头外管的一端与所述喷头内管之间形成封闭，所述喷头外管内壁和 所述喷头内管外壁之间形成第一蒸汽空腔，所述第一蒸汽空腔的一侧经蒸汽 出入扣件与所述蒸汽发生器的蒸汽出口端相连通，所述喷头内管的一端与所 述混凝土搅拌泵送装置相连通。

优选的，所述双层泵送管道的两端分别经抱箍与所述第一喷头连接组件 和所述第二喷头连接组件相连接，所述双层泵送管道包括泵送管道外管和设 置于所述泵送管道外管内部的泵送管道内管，所述泵送管道外管内壁和所述 泵送管道内管外壁之间形成第二蒸汽空腔，所述泵送管道外管的一端与所述 喷头外管的另一端相连接，所述泵送管道内管的一端与所述喷头内管的另一 端相连接，所述第一蒸汽空腔与所述第二蒸汽空腔的一端相连通，所述第一 喷头连接组件与所述双层泵送管道一端的连接方式和所述第二喷头连接组件 与所述双层泵送管道另一端的连接方式相同。

优选的，所述第二喷头连接组件的所述蒸汽出入扣件与所述冷凝回流管 的一端相连通，所述冷凝回流管的另一端与所述冷凝装置相连通，所述第二 喷头连接组件的所述喷头内管与所述打印喷头相连通。

优选的，所述第一喷头连接组件上设置有压力表，所述蒸汽发生器的蒸 汽出口端设置有调节旋钮，所述第二喷头连接组件的所述蒸汽出入扣件上设 置有压力调节阀。

优选的，所述保温棚的外墙处和所述双层泵送管道的两端均设置有温度 传感器。

优选的，所述混凝土搅拌泵送装置上设置有流量阀。

优选的，所述外加剂添加装置的外加剂包括速凝剂和缓凝剂。

因此，本发明采用上述结构的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统， 具有以下有益效果：

(1)提出了一种使用蒸汽来稳定泵送温度的3D打印双层泵送管道，该 管道能够确保3D打印混凝土的可打印性及可建造性能免受寒冷环境的影响。

(2)提出了一种对泵送过程中混凝土温度、泵送压力实时监控的反馈系 统，并根据其监测数据及实际打印质量，调节外加剂掺入量并改变蒸汽通入 速度与蒸汽温度，实现对混凝土3D打印过程的动态调节，最终确保打印质量 良好。

(3)给出了泵送压力的参考范围以及基于传热系数所建立的蒸汽保温层 温度沿传送距离衰变的计算模型。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。

附图说明

图1是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的结构示 意图；

图2是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的第二喷 头连接组件的结构示意图；

图3是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的第二喷 头连接组件的结构爆炸视图；

图4是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的第二喷 头连接组件部分结构示意图；

图5是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的蒸汽发 生器的结构示意图；

图6是本发明一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统实施例的混凝土 搅拌泵送装置的结构示意图。

图中：1、泵送管道外管；2、泵送管道内管；3、抱箍；4、蒸汽出入扣 件；5、打印喷头；6、外加剂添加装置；7、第一喷头连接组件；8、双层泵 送管道；9、温度传感器；10、3D打印机械臂；11、保温棚；12、混凝土搅 拌泵送装置；13、蒸汽发生器；14、压力表；15、冷凝装置；16、冷凝回流 管；17、压力调节阀；18、调节旋钮；19、流量阀；20、高温蒸汽釜；21、 储水泵送仓；22、短柱；23、水泵；24、第二蒸汽空腔；25、第一蒸汽空腔。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属 领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第 二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分 不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的 元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除 其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的 或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。 “上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的 绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。如图1-6所示，一 种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，包括保温棚11和3D打印机械臂 10，保温棚11中设置有混凝土搅拌泵送装置12、蒸汽发生器13和冷凝装置 15，混凝土搅拌泵送装置12的一侧设置有外加剂添加装置6，混凝土搅拌泵 送装置12的底端经第一喷头连接组件7与双层泵送管道8的一端相连通，双 层泵送管道8的另一端经第二喷头连接组件与3D打印机械臂10的打印喷头5 相连通，蒸汽发生器13的蒸汽出口端与第一喷头连接组件7相连通，第二喷 头连接组件依次经冷凝回流管16和冷凝装置15与蒸汽发生器13相连通。外 加剂添加装置6中的外加剂包括速凝剂和缓凝剂，混凝土搅拌泵送装置12上 设置有流量阀19，用以精准控制外加剂加入量，外加剂添加装置的管道直接 与混凝土搅拌泵送装置12的搅拌部分侧壁中部相连通，使外加剂通过与外加 剂添加装置6的管道相连通的侧壁孔道直接注入正在搅拌的混凝土中，以确 保外加剂分散均匀。本3D打印系统采用两种方法对3D打印混凝土的性能进 行双向调节：一方面，使用蒸汽保温的双层泵送管道8对3D打印混凝土进行 保温，保证其在寒冷区域也不被冻结。另一方面，由于泵送保温部分对混凝 土的调节范围相对较小，因此搭配外加剂添加装置6，通过外加剂添加装置6 针对性的加入速凝剂和缓凝剂，在混凝土搅拌时即调控其凝结时间，从材料 层次进行优化，以满足实际需求。与此同时，在拌合混凝土期间，应控制保 温棚11恒温恒湿且温度不低于10℃，以确保混凝土拌合的质量以及拌合过程中不被冻结。

首先，混凝土材料性能不同，所需要的适宜泵送压力不同。根据以往的 实验经验，打印质量较好的混凝土材料往往泵送压力值6±0.5Mpa。当所需泵 送压力过高时，应加入缓凝剂以提高混凝土凝结时间，反之应加入速凝剂。 其次，当实际打印质量不佳时也可以针对性加入相应的速凝剂或缓凝剂。

(1)当中断撕裂(泵机抽送物料的过程易将空气裹挟送入管道造成断料， 指的是打印材料连续性变差，打印条发生断裂，构件表面出现孔洞的现象) 出现时，混凝土材料流动性较差，应适当加入缓凝剂。

(2)当流坠附着(在打印过程中材料沿壁面如同幕帘一样由上向下流淌， 使下边缘增厚现象)出现时，3D打印混凝土材料建造性不足，应当适当加入 速凝剂。

第一喷头连接组件7和第二喷头连接组件结构相同并均采用钢材制成的， 钢材材料用以承担混凝土泵送及蒸汽通入过程中所产生的压力，为前后两组 件的稳定连接提供强度保障，第一喷头连接组件7包括喷头外管和设置于喷 头外管内部的喷头内管，喷头外管的内壁与喷头内管的外壁之间使用六根垂 直于管道壁的短柱22来连接固定，短柱22沿管道方向分为两组且每组呈三 角分布，从而保证蒸汽的通入压力不会导致连接组件的变形或内外管道的错 位。喷头外管的一端与喷头内管的侧壁固定连接，喷头外管内壁和喷头内管 外壁之间形成第一蒸汽空腔25，第一蒸汽空腔25的一侧经蒸汽出入扣件4与 蒸汽发生器13的蒸汽出口端相连通，喷头内管的一端与混凝土搅拌泵送装置 12相连通。蒸汽出入扣件弯曲段焊接于第一喷头连接组件7喷头外管的中部 位置，同时此位置处于相邻短柱22间距最大的一侧并距两相邻短柱22的距 离相同，连接位置弯曲段的切线与喷头外管呈45°角，以保证通入的蒸汽能 够均匀分布于喷头内管与喷头外管间形成的第一蒸汽空腔25内，第一蒸汽空 腔25经蒸汽出入扣件4与蒸汽发生器13的蒸汽出口端通过不锈钢软管相连通，不锈钢软管前端为钢制螺纹连接口用以连接蒸汽出入扣件4，并在螺纹连 接处辅以生胶带以保证气密性。不锈钢软管的另一端与蒸汽发生器的蒸汽出 口端以宝塔型管接头相连接并在不锈钢软管外侧使用卡箍加固，第一喷头连 接组件7喷头内管的一端与混凝土搅拌泵送装置12使用扳把式快速接头相连 通，第一喷头连接组件7喷头内管的一端与扳把式快速接头以螺纹相连接， 混凝土搅拌泵送装置的混凝土泵送管道末端为弧形公头，扳把式快速接头一 端为底端设有垫片的母头，将公头塞入母头中并通过提拉母头两侧的把手使公头挤压固定在垫片上，形成密封。

双层泵送管道8的两端分别经抱箍3与第一喷头连接组件7和第二喷头 连接组件相连接，第一喷头连接组件7与双层泵送管道8之间和第二喷头连 接组件与双层泵送管道8之间均设有丁腈橡胶垫片以保证气密性，橡胶垫片 呈环形且垫片中部两侧皆设有一圈突起，垫片突起与垫片前后的连接面上的 凹陷相拼接。泵送管道内管2的一端与喷头内管的另一端以辅有生胶带的螺 纹相连接，双层泵送管道8包括泵送管道外管1和设置于泵送管道外管1内 部的泵送管道内管2，泵送管道外管1内壁和泵送管道内管2外壁之间形成第 二蒸汽空腔24，泵送管道外管1的一端与喷头外管的另一端相连接，泵送管 道内管2的一端与喷头内管的另一端相连接，第一蒸汽空腔25与第二蒸汽空 腔24的一端相连通，第一喷头连接组件7与双层泵送管道8一端的连接方式 和第二喷头连接组件与双层泵送管道8另一端的连接方式相同，即第二喷头 连接组件的喷头内管与泵送管道内管2的另一端相连接，第二喷头连接组件 的喷头外管与泵送管道外管1的另一端相连接，第二喷头连接组件的第一蒸 汽空腔25与第二蒸汽空腔24的另一端相连通。

第二喷头连接组件的蒸汽出入扣件4与冷凝回流管16的一端相连通，冷 凝回流管16的另一端与冷凝装置15相连通，冷凝回流管16使用不锈钢软管， 并采用蛇形回流冷凝结构以加快冷凝速度。冷凝装置15两端采用辅以生胶带 的螺纹连接方式与冷凝回流管16相连通，冷凝回流管16与蒸汽发生器13以 宝塔型管接头相连接并在冷凝回流管16外侧使用卡箍加固以确保气密性，蒸 汽发生器13的内部分别设置有高温蒸汽釜20和与高温蒸汽釜20相连通的储 水泵送仓21，高温蒸汽釜20与第一喷头连接组件7相连通，储水泵送仓21 与冷凝回流管16的另一端相连通。

第二喷头连接组件的喷头内管与打印喷头5相连通。蒸汽发生器13中产 生的热蒸汽通入第一喷头连接组件7的第一蒸汽空腔25中，不仅隔绝了寒冷 环境对混凝土性能的影响，而且避免了寒冷环境下搅拌混凝土发生冻结，其 中泵送管道内管2和喷头内管均采用柔性不锈钢软管，泵送管道外管1和喷 头外管均采用柔性高压软管，保证泵送管道能随打印设备的自由移动而任意 弯曲，并使第一喷头连接组件7、第二喷头连接组件和双层泵送管道8对外散 热少而对内传热多。

第一喷头连接组件7的喷头内管上设置有压力表14，压力表14设置于混 凝土搅拌泵送装置和第一喷头组件相连接的部位，压力表14垂直与水平面安 装并在连接处设置有丁腈密封垫片，压力表14与混凝土搅拌泵送装置12的 泵送管道取压口之间设置切断阀，以便后期检修，蒸汽发生器13的蒸汽出口 端设置有调节旋钮18，便于调节蒸汽的流转速度，第二喷头连接组件的蒸汽 出入扣件4上设置有压力调节阀17，从而通过改变蒸汽空腔内压力的方式实 现调整腔体内蒸汽温度的目的，压力调节阀17与管道通过法兰盘相互连接，并在两个法兰盘之间辅以聚四氟乙烯法兰垫以确保气密性。

保温棚11的外墙处和双层泵送管道8的两端均设置有温度传感器9，可 根据实际需要，在关键节点处增设温度传感器9，温度传感器9因设置于泵送 管道中，其外壳也需要设置为双层防护，并采用钢材作为制作材料，其内外 两层固定方式与第一喷头连接组件7相同，即外层管道的内壁与内层管道的 外壁之间使用六根垂直于管道壁的短柱来连接固定，短柱沿管道方向分为两 组且每组呈三角分布。其内层管道与泵送管道内管以螺纹相连接并辅以生胶 带。温度传感器9外层管道与泵送管道外管以法兰盘相连接，并在两个法兰盘之间辅以聚四氟乙烯法兰垫以确保气密性。温度传感器9的测温探针需针 对蒸汽空腔与泵送管道内管分别设置：针对蒸汽空腔的测温探针需深入蒸汽 空腔中心位置；针对泵送管道内管的测温探针需深入于管道中心，且经过蒸 汽空腔的部分需使用铝箔隔热卷材进行缠绕隔温，以避免蒸汽空腔的温度对 泵送管温度测量的干扰。此外需在温度传感器9管道外侧使用铝箔隔热卷材 进行缠绕隔温，以降低热量散失。热蒸汽由第一喷头连接组件7通入双层泵 送管道8，在第二喷头连接组件通出，通过调节旋钮18调整整体的气压，压 力调节阀17控制产气量，温度传感器9监控内外层管道的温度，针对保温棚 11内外墙处、双层泵送管道8的两端、冷凝回流管16等多点测温的结果，混 凝土、蒸汽温度会随距离衰变，因此需要根据混凝土种类、内外温度差选取 合适的产气量和压力调节阀17大小，建议至少需保证混凝土温度不低于 10℃，参考压力表14设置值为0.85MPa。其中蒸汽温度的变化量，可按照下 式计算：

式中：k_g——管道单位长度传热系数W/m·℃，t_p——管内蒸汽的平均温 度℃，t_k——环境温度℃，t_h——泵送的3D打印混凝土温度℃，G——蒸汽质 量流量Kg/s，C——蒸汽质量比热容J/Kg·℃，L——管道长度m，f_bw——局 部散热损失修正系数W·s·℃/Kg。

在蒸汽流经第二喷头连接组件之后，会依次进入冷凝回流管16和冷凝装 置15进行冷凝循环，以确保进入蒸汽发生器13前蒸汽已经被全部冷凝为液 态，进而避免每次蒸汽循环时循环液各组分含量发生变化。随后循环液重新 被蒸汽发生器13加热，进行下一步循环。当室外环境过于寒冷时，为避免冷 凝回流时循环液冻结的问题，向循环液中加入酒精，建议酒精含量不宜超过 40％、冰点限制在-30℃左右。

本发明的具体实施过程为：

(1)安装组件和管道的过程

在温度传感器9与双层泵送管道8连接时，先将温度传感器9内层管道 与泵送管道内管2使用以生胶带辅助的螺纹连接，再将温度传感器9外层管 道与泵送管道外管1以法兰盘连接，并在两个法兰盘之间辅以聚四氟乙烯法 兰垫以确保气密性。随后将双层泵送管道8两端分别与第一喷头连接组件7、 第二喷头连接组件进行连接，双层泵送管道8的泵送管道内管2与第一喷头 连接组件7、第二喷头连接组件的喷头内管以辅有生胶带的螺纹相连接。随后 将双层泵送管道8的泵送管道外管1与第一喷头连接组件7、第二喷头连接组 件的喷头外管以抱箍相连接，且抱箍3连接时第一喷头连接组件7和第二喷 头连接组件与双层泵送管道之间设有丁腈橡胶垫片以保证气密性。其后，将 打印喷头5以螺纹连接的方式与第二喷头连接组件的一端连接，将混凝土搅 拌泵送装置12以扳把式快速接头的方式与第一喷头连接组件7的喷头内管一 端连接，其中，所述混凝土搅拌泵送装置12的混凝土泵送管道末端为弧形公 头，扳把式快速接头一端为底端有垫片的母头，将公头塞入母头中并通过提 拉母头两侧的把手使公头挤压固定在垫片上，形成密封。最终，采用法兰盘 与抱箍协同作用的连接方式将第二喷头连接组件与3D打印机械臂10相连接。 法兰盘设置于3D打印机械臂10末端，第二喷头连接组件与法兰盘、抱箍平 行放置，半圆抱箍两侧安装耳上的嵌槽与法兰盘上的孔道以螺栓联接紧固， 从而使第二喷头连接组件在跟随机械臂运动时不发生滑移、抖动，系统管道 安装完毕。

(2)混凝土打印过程

系统安装完毕后，将水泥、砂、粉煤灰、硅灰等干粉类原材料预先拌和 均匀，在加入至混凝土搅拌泵送装置12中搅拌三分钟。其后，将已均匀混合 好的外加剂和拌和用水在10s内分别加入至混凝土搅拌泵送装置12搅拌十分 钟，最后将纤维在10s之内掺入混凝土搅拌泵送装置的搅拌器中搅拌至混合 均匀。整个制备过程耗时13-15分钟，完成后便可开始准备泵送。3D打印混 凝土材料依次经第一喷头连接组件7、双层泵送管道8和第二喷头连接组件泵 送到3D打印机械臂10的打印喷头5处。

混凝土开始泵送前需进行蒸汽设备的调试，首先将酒精含量不宜超过40％、 冰点限制在-30℃左右的蒸汽循环液注入储水泵送仓21，将各处管道连接完好 并检查气密性。随后启动蒸汽发生器13并调整压力调节阀17、调节旋钮18 至泵送管道内管温度在10-20℃之间，未观察到异常现象后即可开始泵送及打 印程序。蒸汽发生器13产生的热蒸汽进入第一喷头连接组件7的第一蒸汽空 腔，然后进入第二蒸汽空腔对混凝土进行保温。最后蒸汽经第二喷头连接组 件从蒸汽出入扣件通出，经冷凝回流管16回到冷凝装置15，经冷凝装置15 冷凝后转变为液态循环液，循环液进入蒸汽发生器13中的储水泵送仓21储 存并等待再次循环。当高温蒸汽釜20内水位低于总容量的70％时，蒸汽发生 器13内部的水泵23自动将储水泵送仓21中的循环液抽送至高温蒸汽釜20 中，在高温蒸汽釜20内进行加热并产生热蒸汽进入下一个循环。此过程中， 可依照保温棚11内外墙处、双层泵送管道8的两端、冷凝回流管16等多点 测温的结果，同时根据蒸汽温度随距离的衰变情况、混凝土种类、内外温度 差以及压力表示数对调节旋钮18、压力调节阀17进行实时调控。

在打印过程中，如果发现压力表示数超出6±0.5Mpa的范围或者打印质量 不佳的情况，可通过外加剂添加装置6向混凝土搅拌泵送装置12中加入速凝 剂或缓凝剂来调节混凝土的性能。当中断撕裂现象出现时，混凝土材料流动 性较差，应适当加入缓凝剂；当流坠附着现象出现时，3D打印混凝土材料建 造性不足，应当适当加入速凝剂。

因此，本发明采用上述结构的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统， 提出了一种稳定泵送温度的3D打印蒸汽保温双层管道，该管道能够保护材料 免受寒冷环境的影响，保证混凝土的打印性能；提出了一种基于对泵送过程 中混凝土温度、泵送压力实时监控的观察体系，并针对其监控数据、实际打 印质量，采用添加速凝剂或缓凝剂、改变蒸汽通入量以及蒸汽空腔温度的调 节手段，对3D打印混凝土进行动态调节，从而确保最终的打印质量；给出了 泵送压力的参考范围，以及基于传热系数的蒸汽保温层温度计算方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进 行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的 精神和范围。

Claims (8)

1.一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：包括保温棚和3D打印机械臂，所述保温棚中设置有混凝土搅拌泵送装置、蒸汽发生器和冷凝装置，所述混凝土搅拌泵送装置的一侧设置有外加剂添加装置，所述混凝土搅拌泵送装置的底端经第一喷头连接组件与双层泵送管道的一端相连通，所述双层泵送管道的另一端经第二喷头连接组件与所述3D打印机械臂的打印喷头相连通，所述蒸汽发生器的蒸汽出口端与所述第一喷头连接组件相连通，所述第二喷头连接组件依次经冷凝回流管和所述冷凝装置与所述蒸汽发生器相连通。

2.根据权利要求1所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述第一喷头连接组件和所述第二喷头连接组件结构相同并均采用钢材制成的，所述第一喷头连接组件包括喷头外管和设置于所述喷头外管内部的喷头内管，所述喷头外管的一端与所述喷头内管的侧壁固定连接，所述喷头外管内壁和所述喷头内管外壁之间形成第一蒸汽空腔，所述第一蒸汽空腔的一侧经蒸汽出入扣件与所述蒸汽发生器的蒸汽出口端相连通，所述喷头内管的一端与所述混凝土搅拌泵送装置相连通。

3.根据权利要求2所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述双层泵送管道的两端分别经抱箍与所述第一喷头连接组件和所述第二喷头连接组件相连接，所述双层泵送管道包括泵送管道外管和设置于所述泵送管道外管内部的泵送管道内管，所述泵送管道外管内壁和所述泵送管道内管外壁之间形成第二蒸汽空腔，所述泵送管道外管的一端与所述喷头外管的另一端相连接，所述泵送管道内管的一端与所述喷头内管的另一端相连接，所述第一蒸汽空腔与所述第二蒸汽空腔的一端相连通，所述第一喷头连接组件与所述双层泵送管道一端的连接方式和所述第二喷头连接组件与所述双层泵送管道另一端的连接方式相同。

4.根据权利要求3所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述第二喷头连接组件的所述蒸汽出入扣件与所述冷凝回流管的一端相连通，所述冷凝回流管的另一端与所述冷凝装置相连通，所述第二喷头连接组件的所述喷头内管与所述打印喷头相连通。

5.根据权利要求4所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述第一喷头连接组件上设置有压力表，所述蒸汽发生器的蒸汽出口端设置有调节旋钮，所述第二喷头连接组件的所述蒸汽出入扣件上设置有压力调节阀。

6.根据权利要求1所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述保温棚的外墙处和所述双层泵送管道的两端均设置有温度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述混凝土搅拌泵送装置上设置有流量阀。

8.根据权利要求1所述的一种适用于寒冷环境下的现场3D打印系统，其特征在于：所述外加剂添加装置中的外加剂包括速凝剂和缓凝剂。

Images