CN114147833B - 用于纤维植插的3d打印方法、3d打印装置及3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能建造技术领域，公开一种用于纤维植插的3D打印方法、3D打印装置及3D打印系统。方法包括：对产品进行结构设计；对产品进行纤维增强设计；导出产品的设计信息；使用相应的软件读取产品的设计信息，并生成打印代码，包括打印材料挤出路径信息以及纤维植插参数；将打印代码输入至3D打印系统；将准备好的打印材料以及纤维原料，分别放置于供料装置中；打印系统的控制器按照打印代码，控制材料打印喷头和纤维植插喷头，将纤维原料植插到打印出的浆体中，制备具有纤维增韧的3D打印产品。本发明所植插的纤维在材料浆体中可以贯穿多个浆料打印层，使得各浆料打印层之间结合的更加坚固，所打印的产品具有更好的韧性。

Description

用于纤维植插的3D打印方法、3D打印装置及3D打印系统

技术领域

本发明涉及智能建造技术领域，尤其涉及一种用于纤维植插的3D打印方法、3D打印装置及3D打印系统。

背景技术

混凝土是一种脆性材料，传统混凝土使用了钢筋、箍筋等韧性材料来提高混凝土构件的抗弯、抗折等力学能力，或者直接使用含有韧性材料的钢纤维，即混凝土制备过程中掺入随机分布的细、短的钢纤维。钢材等韧性材料是混凝土材料的重要组成部分，是增强混凝土力学性能的重要材料，无论是钢纤维还是钢筋，钢材已经大量应用于混凝土构件中，用于提升混凝土构件的韧性。

3D混凝土打印技术经过多年的发展，已成功应用于一般建筑整体/构件的打印工程中，国内外多地已出现使用3D打印技术所打印的桥梁、围堰、岗亭、景观乃至简易房屋等建造。但现阶段的3D混凝土打印机，所打印出的混凝土材料仅包括了水泥、细骨料，以及部分水泥添加剂，少有钢筋材料。同时，3D建筑打印的产品在现阶段暂时没有通用的技术标准。一个没有韧性材料的“3D打印”产品更是难以通过建筑行业的使用及验收，更难以投入到市场中应用，这也是3D打印建筑发展的瓶颈。

但在现阶段的3D混凝土打印中，3D混凝土打印有两个重要的缺陷：(1)工程中常用的钢材料难以直接从喷头中“打印”出来，即钢材料难以通过螺旋式的挤压喷头挤出来。虽然有研究使用短细纤维(包括塑料纤维、碳纤维、以及金属短细的纤维)掺入到材料中，但对纤维有较多的要求，需要细、短、软，否则会卡住挤出机构，造成打印失败。但细短软的纤维对3D打印混凝土的韧性增强有限。(2)混凝土3D打印是一种逐层制备的过程，这个制备过程在材料之间产生了接触的界面，这也是公认的3D打印混凝土结构力学性能的薄弱点。因而需要增强界面之间的联结强度(包括化学粘结或者物理连结)。同时，现有3D混凝土打印时采用的挤出式纤维不能贯通界面，因此对于界面联结增强并无效果。

对此，发明人检索发现如下专利文献，并分析了其存在的具体问题：

【CN112709443A】公开了一种用于3D打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，但其技术需要复杂的连接套管及多种配套元件，并组装形成一套具有空间结构的骨架。【CN109680954A】使用了水平筋与垂直筋的方式。较长的水平筋贯穿整个打印件，与短的垂直筋“搭接”。长短筋配合，组装成一个骨架，一个整体。通过将短的筋材组合成一个整体骨架，是传统的钢筋混凝土的钢筋笼概念，难以在3D打印中实施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于纤维植插的3D打印方法、3D打印装置及3D打印系统，能够有效增强3D打印混凝土构件的力学性能。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于纤维植插的3D打印方法，包括：

S1、对产品进行结构设计；

S2、根据结构力学要求，对产品进行纤维增强设计；

S3、导出产品的设计信息，具体包括产品结构设计、打印材料信息以及纤维增强设计；

S4、使用相应的软件读取产品的设计信息，并生成打印代码，所述打印代码包括打印材料挤出路径信息以及纤维植插参数；

S5、将所述打印代码输入至3D打印系统；

S6、将准备好的打印材料以及纤维原料，分别放置于3D打印系统的供料装置中；

S7、3D打印系统的控制器按照所述打印代码，控制材料打印喷头和纤维植插喷头，将纤维原料植插到打印出的浆体中，制备具有纤维增韧的3D打印产品。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S1包括：

S11、对产品进行结构设计；

S12、对产品进行CAD图纸绘制；

S13、判断产品的CAD图纸是否满足打印需求，若是，则进入步骤S2，若否，则返回步骤S12。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S2包括：

S21、对产品进行纤维增强设计；

S22、判断所述纤维增强设计是否满足力学要求，若是，则进入步骤S3，若否，则返回步骤S21。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S4中，所述打印材料挤出路径信息包括材料打印配置和打印移动配置，所述材料打印配置包括打印层厚和挤出速度，所述打印移动配置包括材料打印喷头移动速度和路径规划。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S4中，纤维植插参数包括纤维的种类、尺寸、植插位置、植插方向、植插密度、植插深度、植插速度和/或纤维旋转速度信息。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S21包括：

S211、通过前期的实验，测得单根植入的纤维在产品中的受力情况；

S212、根据产品结构需求以及纤维与产品的受力参数，确定纤维的植插方式，其中纤维与产品的受力参数包括：承载力极限状态下应力分布和大小，以及承载力正常状态下应力强度比。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，所述纤维的植插方式包括：选择纤维的种类，设计纤维的植插密度，其中不同位置设计不同的纤维密度分布；和/或

选择纤维的种类，设计纤维的植插角度，其中不同位置设计不同的纤维角度分布；和/或

选择至少两种纤维，在不同位置设计不同的纤维种类分布。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，所述产品的打印材料为土体、石膏、水泥、陶泥、混凝土、塑料中的一种或至少两种的组合。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，所述纤维的种类为钉子、钢纤维、圆扣或圆环等可工业量产的制品。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，所述产品的打印材料为混凝土，所述纤维的种类为钢纤维；3D打印时将所述钢纤维植插入新打印或挤出的混凝土浆体中，以得到钢纤维增韧混凝土产品。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S6包括：将准备好的打印材料放置于打印材料连供设备中，纤维原料放置于纤维连供设备中，其中打印材料连供设备与材料打印喷头相连，纤维连供设备与纤维植插喷头相连。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S7中，所述控制器控制运动系统带动所述材料打印喷头和所述纤维植插喷头按设定路径运行。

作为一种用于纤维植插的3D打印方法的优选方案，步骤S7中，将纤维原料植插到打印出的浆体之前，还包括：在纤维原料的表面涂抹胶质，以增强纤维原料与浆体的粘结力。

一种用于纤维植插的3D打印装置，包括运动系统、与所述运动系统紧固的打印支架、与所述打印支架紧固用于浆料打印的材料打印喷头、以及设置于所述打印支架用于将纤维原料植插于打印后的浆体内的纤维植插喷头；所述纤维植插喷头包括植插喷头本体、设置于所述植插喷头本体的纤维供料管道、以及用于驱动所述纤维供料管道内的纤维原料向外输出的驱动装置。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述植插喷头本体从上向下同轴贯通设置有驱动管道和出料管道，所述驱动管道与所述纤维供料管道的末端交汇后与所述出料管道相贯通。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述3D打印装置包括纤维连供设备和打印材料连供设备，所述打印材料连供设备与所述材料打印喷头相连，所述纤维连供设备与所述纤维植插喷头的纤维供料管道连通。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述出料管道的内壁设有用于检测纤维原料的传感器，所述传感器与所述纤维连供设备电连接。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述纤维连供设备包括震动盘，以及与所述纤维供料管道相贯通的输料管。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述驱动装置包括设置于所述驱动管道内的纤维推料杆、用于驱动所述纤维推料杆沿所述驱动管道往返运动的同步带、以及用于驱动所述同步带转动的电机组件。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述驱动装置包括与所述打印支架紧固的驱动电机，以及设置于所述驱动电机的输出端的摩擦轮；所述出料管道的管壁设置有与其内腔相贯通的让位槽，所述摩擦轮设置于所述让位槽内，并能带动所述出料管道内的纤维原料运动。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述驱动管道内设置有用于纤维原料从所述出料管道中射出的射出装置，所述射出装置设置为射钉枪或气动推杆。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述出料管道的出料口处设置有用于向纤维原料的表面涂抹胶质的刷胶装置。

作为一种用于纤维植插的3D打印装置的优选方案，所述3D打印装置包括一个多模式的纤维植插喷头，用以兼容不同种类或尺寸的纤维原料；或所述3D打印装置包括多个不同的纤维植插喷头，分别用于植插不同种类或尺寸的纤维原料。

一种3D打印系统，包括以上任一方案所述的用于纤维植插的3D打印装置。

本发明的有益效果为：

本发明根据结构力学要求，对产品进行纤维增强设计，并通过植插的方式将纤维原料插入到已打印出的新鲜浆体中，纤维在浆体中可以贯穿多个浆料打印层，使得各浆料打印层之间结合的更加坚固，所打印的产品具有更好的韧性。

相对于现有技术中直接在浆料中添加纤维的方式而言，本发明使用自动化的机构来控制纤维的添加，可以有效地控制纤维与浆料的配比，使得实际打印中纤维的分布更均匀、合理；而且避免了使用挤出喷头直接挤出浆料和纤维时所引起的纤维缠绕、堵塞挤出机构的问题；而且，本发明也使得植插的纤维可以贯穿打印界面，能够有效增强3D打印产品的力学性能。

相对于现有技术中使用长短筋组合或使用复杂的连接套管形成钢筋骨架的方式而言，本发明的各个纤维之间并不组成骨架，单个纤维分别独立工作，其结构简单，容易实现，无需复杂的配合关系，可行性高。

本发明通过自动化插秧的方式，将钢纤维插到混凝土中，解决了建筑3D打印产品缺乏韧性的缺点，实现了纤维增强3D打印混凝土，克服了纤维难以挤出的困难。同时，本发明通过自动控制机构控制钢纤维定量、定向、定速地插入已打印的浆体中，使得钢纤维在混凝土中的分布(密度，方向，种类等)完全可控，具有定向、定量的特点，这是传统纤维混凝土所不具备的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于纤维植插的3D打印方法的流程图一；

图2是本发明实施例提供的用于纤维植插的3D打印方法的流程图二；

图3是本发明实施例提供的对产品进行纤维增强设计的流程图；

图4是本发明实施例提供的用于纤维植插的3D打印方法控制原理图；

图5是本发明实施例提供的纤维在浆体中以不同密度分布的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的纤维在浆体中以不同角度分布的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的不同种类的纤维在浆体中分布的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的多个纤维在浆体中组合分布的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种用于纤维植插的3D打印装置的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的另一种用于纤维植插的3D打印装置的的结构示意图。

图11是本发明实施例提供的纤维植插喷头通过皮带驱动的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的纤维植插喷头通过摩擦轮驱动的结构示意图。

图中：

10、运动系统；20、打印支架；30、材料打印喷头；

1、纤维植插喷头；11、植插喷头本体；12、纤维供料管道；13、驱动管道；14、出料管道；

2、浆体；

31、纤维推料杆；32、同步带；33、电机组件；

41、驱动电机；42、摩擦轮；

5、刷胶装置；

6、纤维原料。

具体实施方式

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结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

如图1-图4所示，本实施例提供一种用于纤维植插的3D打印方法，包括如下步骤：

S1、对产品进行结构设计；

步骤S1具体包括：S11、对产品进行结构设计；S12、对产品进行CAD图纸绘制；S13、判断产品的CAD图纸是否满足打印需求，若是，则进入步骤S2，若否，则返回步骤S12。

S2、根据结构力学要求，对产品进行纤维增强设计；

步骤S2具体包括：S21、在CAD图纸设计完成后，对需要植插纤维的位置，按照增韧需求进行标记，完成对产品的纤维增强设计；S22、判断产品纤维增强设计是否满足力学要求，若是，则进入步骤S3，若否，则返回步骤S21。示例性地，为验证纤维增强效果，本实施例可在步骤S22中，对产品进行纤维增强仿真，并判断产品纤维增强仿真的结果是否满足力学要求，若是，则进入步骤S3，若否，则返回步骤S21。

S3、导出产品的设计信息，具体包括产品结构设计、打印材料信息以及纤维增强设计；

S4、使用相应的软件读取产品的设计信息，并生成打印代码，打印代码包括打印材料挤出路径信息以及纤维植插参数；

具体地，打印材料挤出路径信息包括材料打印配置和打印移动配置，材料打印配置包括打印层厚和挤出速度，打印移动配置包括材料打印喷头移动速度和路径规划。纤维植插参数包括纤维的种类、尺寸、植插位置、植插方向、植插密度、植插深度、植插速度和/或纤维旋转速度等信息。

S5、将打印代码输入至3D打印系统；

S6、将准备好的打印材料以及纤维原料6，分别放置于3D打印系统的供料装置中；

具体地，该供料装置包括纤维连供设备和打印材料连供设备，其中打印材料连供设备与材料打印喷头30相连，纤维连供设备与纤维植插喷头1相连，因此该步骤S6需要将准备好的打印材料放置于打印材料连供设备中，将纤维原料6放置于纤维连供设备中。进一步地，上述纤维供料装置可以使用管道式供料、重力式下料或吹气式供料等各种方式。

S7、3D打印系统的控制器按照打印代码，控制材料打印喷头30和纤维植插喷头1，将纤维原料6植插到打印出的浆体2中，制备具有纤维增韧的3D打印产品。

进一步地，3D打印系统具有运动系统10，步骤S7中，控制器控制运动系统10运动，从而带动材料打印喷头30和纤维植插喷头1按设定路径运行。本实施例中的运动系统10可以使用框架式、龙门式、机械臂式等结构，其均不影响纤维植插的效果。优选地，本实施例的运动系统10为三轴或多轴运动系统，通过增加运动系统10的轴数(即自由度)，从而能够扩展纤维植插喷头1对纤维的植插方向。此外，对于纤维植插中的纤维推进机构，可以使用电机螺杆式推进，也可以使用直线导轨式推进。对于纤维植插中的纤维旋转机构，可以使用电动螺丝刀式的推进旋转，也可以使用侧面摩擦式的旋转。对于纤维植插中的纤维夹持机构，可以使用管式夹持、镊式夹持等方式。对于3D打印系统的控制软件，不限于使用G-code或相关协议进行路径规划及纤维植插的操作。

优选地，步骤S7中将纤维原料6植插到打印的浆体2之前，还包括：在纤维原料6的表面涂抹胶质，以增强纤维原料6与浆体2的粘结力。

本发明根据结构力学要求，对产品进行纤维增强设计，并通过植插的方式将纤维原料6插入到已打印出的新鲜浆体2中，纤维在浆体2中可以贯穿多个浆料打印层，使得各浆料打印层之间结合的更加坚固，所打印的产品具有更好的韧性。相对于现有技术中直接在浆料中添加纤维的方式而言，本发明使用自动化的机构来控制纤维的添加，可以有效地控制纤维与浆料的配比，使得实际打印中纤维的分布更均匀、合理；而且避免了使用挤出喷头直接挤出浆料和纤维时所引起的纤维缠绕、堵塞挤出机构的问题；而且，本发明也使得植插的纤维可以贯穿打印界面，能够有效增强3D打印产品的力学性能。相对于现有技术中使用长短筋组合或使用复杂的连接套管形成钢筋骨架的方式而言，本发明的各个纤维之间并不组成骨架，单个纤维分别独立工作，其结构简单，容易实现，无需复杂的配合关系，可行性高。

需要说明的是，本发明中产品的打印材料可以为土体、石膏、水泥、陶泥、混凝土、树脂、尼龙、塑料等中的一种或至少两种的组合；并且本发明对打印产品的整体结构、形状、尺寸等不作限制。本发明中纤维的种类可以为钉子(包括且不限于钢钉、螺纹钉、自攻钉或书钉)、钢纤维、圆扣或圆环等可工业量产的制品；纤维的形状可以为条状、棒状、环状、螺纹状、弯折状等；纤维材质选择工业化或可工业化的金属或非金属等韧性制品。本实施例中的纤维原料6，可以完全插入到已打印的浆体2中；也可以部分插入浆体2中，部分露在浆体2外面，如此可等待后续打印的浆体2覆盖露出的纤维原料6。本发明中的浆体2是指新打印的没有完全凝固的浆料打印体。此外，对于粉末式打印或者粉床式打印技术，亦可以使用本发明的纤维植插技术，其能够达到与本发明类同的效果。

进一步地，上述步骤S21具体包括：S211、通过前期的实验，测得单根植入的纤维在产品中的受力情况；S212、根据产品结构需求以及纤维与产品的受力参数，确定纤维的植插方式，其中纤维与产品的受力参数包括：承载力极限状态下应力分布和大小，以及承载力正常状态下应力强度比。本实施例中，纤维的植插方式有多种，可以根据需要灵活选择纤维种类、植插密度、植插角度、植插深度、植插速度、旋转速度、纤维大小、纤维长度等。在此，示例性地列举以下四种方式进行说明：

植插方式一(定区分布)：如图5所示，首先选择纤维的种类为条形纤维；然后设计纤维的植插密度(即单位体积内的纤维数量)，其中浆体2的不同位置具有不同的纤维密度分布，具体而言，在对韧性要求较高的区域实现较高的纤维植插密度，在对韧性要求较低的区域实现稍低的纤维植插密度，在不需要韧性的结构处减少纤维材料的使用，以节约成本；

植插方式二(定向分布)：如图6所示，首先选择纤维的种类为条形纤维；然后设计纤维的植插角度，其中浆体2的不同位置设计不同的纤维角度分布，使得纤维可垂直贯穿界面，或者倾斜贯穿界面，以适应不同位置对强度和韧性的要求；

植插方式三(种类分布)：如图7所示，首先选择若干不同种类的纤维，如细条形纤维、粗条形纤维、螺纹式纤维等，然后根据需要将上述不同种类的纤维分别植插在浆体2的不同位置。

植插方式四(混合分布)：如图8所示，首先选择若干不同种类的纤维，例如细、粗、短、长、螺纹式、T形、L形、U形等纤维，然后设计上述纤维的植插密度和植插角度，将上述各个纤维分别植插在浆体2的不同位置，实现混合植插，以达到不同级度的韧性增强效果。

本实施例通过定区、定向、混合植插等方式，可以在实现即定韧性目标的前提下，有效的控制纤维植入数量，降低纤维的使用成本。

优选地，本实施例的打印材料可以为混凝土，纤维的种类为钢纤维。本实施例在3D打印时，通过使用机械设备将钢纤维植插入新打印或挤出的混凝土浆体中，由于插入的钢纤维能较好地与混凝土浸合为一体，且插入的钢纤维能穿过打印所产生的界面，待混凝土浆体凝固硬化之后，钢纤维通过自身结构将打印所产生的界面锁住，从而可以增强混凝土硬化后的力学性能，以达到混凝土建筑的要求。本实施例打印的混凝土产品中由于包含有韧性纤维材料，可以有效提高打印的混凝土产品的抗弯、抗折、抗拉等力学性能。当然，此处纤维的种类也可以选择钉子(包括且不限于钢钉、螺纹钉、自攻钉或书钉等)、圆扣或圆环等可工业量产的制品，并不以本实施例为限。

本发明通过自动化插秧的方式，将钢纤维插到混凝土中，解决了建筑3D打印中产品缺乏高效韧性的缺点，实现了纤维增强3D打印混凝土，克服了纤维难以挤出的困难。同时，本发明通过自动控制机构能控制钢纤维定量、定向、定速地插入已打印的混凝土浆体中，使得钢纤维在混凝土中的分布(密度、深度、角度、种类等)完全可控，具有定向、定量的特点，这是传统混凝土打印所不具备的。

实施例二

如图9-图12所示，本实施例提供一种用于纤维植插的3D打印装置，包括运动系统10、与运动系统10紧固的打印支架20、与打印支架20紧固用于浆料打印的材料打印喷头30、以及设置于打印支架20用于将纤维原料6植插于打印后的浆体2内的纤维植插喷头1。本实施例中产品的打印材料可以为土体、石膏、水泥、陶泥、混凝土、塑料中的一种或至少两种的组合；纤维的种类可以为钉子、钢纤维、圆扣或圆环等。本实施例通过螺钉等纤维原料6的作用，将已打印的浆体2的层间、线间结构锁住，增强了打印产品的整体韧性。作为优选，本实施例中的纤维原料6采用传统打印方法无法打印的钢纤维料，打印材料选择混凝土。本实施例将钢纤维料通过纤维植插喷头1植插入通过材料打印喷头30新打印出的混凝土浆体中，不仅能够提升纤维原料6的植插效率，同时也能够使得通过材料打印喷头30打印的混凝土结构的层与层之间结合更加紧固，继而也使得打印后的混凝土整体结构强度更好。

如图9所示，本实施例的运动系统10可以设置两套，每套运动系统10上各固定有一个打印支架20，其中一个打印支架20上固定有材料打印喷头30，用于实现浆料的打印，另一个打印支架20上固定有纤维植插喷头1，用于植插纤维原料6。本实施例的两套运动系统10可分别由两套控制系统进行控制，从而能够灵活地控制材料打印喷头30和纤维植插喷头1同时工作，以提高产品的制备效率。

如图10所示，本实施例的运动系统10和打印支架20也可以只设置一套，材料打印喷头30和纤维植插喷头1同设于一个打印支架20上，并通过打印支架20与运动系统10相连接。如此设置能够简化该3D打印装置的结构，减小设备所占的空间，节省设备投入。

如图11所示，本实施例的纤维植插喷头1包括植插喷头本体11、设置于植插喷头本体11的纤维供料管道12、以及用于驱动纤维供料管道12内的纤维原料6向外输出的驱动装置。该3D打印装置还包括纤维连供设备和打印材料连供设备，打印材料连供设备与材料打印喷头30相连，纤维连供设备与纤维植插喷头1相连。具体地，本实施例中的纤维供料管道12与纤维连供设备相连通，从而可通过纤维连供设备源源不断的将纤维原料6输送至纤维供料管道12内，并通过设置于纤维供料管道12一侧的驱动装置，将纤维原料6植插于新打印的浆体2中。

进一步地，本实施例中的植插喷头本体11从上向下同轴贯通设置有驱动管道13和出料管道14，其中驱动管道13与纤维供料管道12的末端交汇后与出料管道14相贯通。为了控制纤维原料6的送料速度，方便纤维原料6按照一定的时间间隔有序的进入出料管道14，本实施例的纤维供料设备包括震动盘，以及与纤维供料管道12相贯通的输料管。同时，出料管道14的内壁还设有用于检测纤维原料6的传感器，传感器与纤维连供设备电连接。

本实施例中，驱动装置的驱动件可通过射入、压入或利用摩擦力带入等方式将纤维原料6植插于浆体2中，具体可根据浆体2的实际材料情况进行选择性的使用，以便顺畅地将纤维原料6植插入浆体2中。当然也可以根据需要，利用纤维原料6的自重将其撒落入浆体2中，此时可以认为纤维原料6距离浆体2的表面较远，纤维原料6自由落体后，以不同的角度和速度掉至浆体2中。

如图11所示，本实施例可以采用压入式的方法植插纤维原料6。具体而言，该实施方式中的驱动装置包括设置于驱动管道13内的纤维推料杆31、用于驱动纤维推料杆31沿驱动管道13往返运动的同步带32、以及用于驱动同步带32转动的电机组件33。当纤维原料6进入出料管道14后，可通过电机组件33驱动同步带32转动，进而带动驱动管道13内的纤维推料杆31向下运动，以将纤维原料6压入下方的浆体2中。

如图12所示，本实施例还可利用摩擦力带入的方式植插纤维原料6。具体而言，该实施方式中的驱动装置包括与打印支架20紧固的驱动电机41，以及设置于驱动电机41的输出端的摩擦轮42。出料管道14的管壁设置有与其内腔相贯通的让位槽，摩擦轮42设置于让位槽内。当纤维原料6进入出料管道14后，摩擦轮42与纤维原料6接触，可通过摩擦轮42的转动，利用摩擦力将纤维原料6插入下方的浆体2中。

本实施例还可以采用射入的方式将纤维原料6植插入浆体2内，具体而言，该实施方式中的驱动管道13内设置有用于将纤维原料6从出料管道14中射出的射出装置。本实施方式中的射出装置可以为射钉枪、气动推杆等，例如通过气动推杆产生的瞬间推力，将纤维原料6快速的射进浆体2中。

进一步地，为了使植插后的纤维原料6与浆体2结合的更加牢固，本实施例在出料管道14的出料口处还设置有用于向纤维原料6的表面涂抹胶质的刷胶装置5。作为优选，该刷胶装置5包括胶水收纳盒和设置于胶水收纳盒的出胶口的毛刷，毛刷可将胶水均匀地涂抹于纤维原料6，继而使纤维原料6能与浆体2结合的更加稳定。

进一步地，本实施例的3D打印装置可以包括一个多模式的纤维植插喷头1，能够兼容不同种类或者不同尺寸的纤维原料6，如此大大简化了打印装置的结构，提高了装置的适配性，节约了设备成本。本实施例中的3D打印装置也可以包括多个不同的纤维植插喷头1，其中每个纤维植插喷头1分别用于植插相应种类或尺寸的纤维原料6，如此使得植插的操作更为精确、顺畅，有效提升了植插效果。此外，本发明在植插多个纤维原料6时，可以采用一个纤维植插喷头1逐根进行植插，也可以通过多个纤维植插喷头1，同时实现多根纤维原料6的同步植插，以提高工作效率。

实施例三

本实施例提供一种3D打印系统，包括实施例二中的3D打印装置，并用于实现实施例一中的3D打印方法。本实施例所植插的纤维原料6，在浆体2中可以贯穿多个浆料打印层，使得各浆料打印层之间结合的更加坚固，所打印的产品具有更好的韧性。

需要说明的是，本发明所提及的机械和电气组件(如传感器、电机等)，均不限定其具体型号，随着技术的发展，新型的机械及电气技术亦可以应用于本发明中，亦应是本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种用于纤维植插的3D打印方法，其特征在于，包括：

S1、对产品进行结构设计；

S2、根据结构力学要求，对产品进行纤维增强设计；

S3、导出产品的设计信息，具体包括产品结构设计、打印材料信息以及纤维增强设计；

S4、使用相应的软件读取产品的设计信息，并生成打印代码，所述打印代码包括打印材料挤出路径信息以及纤维植插参数；

S5、将所述打印代码输入至3D打印系统；

S6、将准备好的打印材料以及纤维原料，分别放置于3D打印系统的供料装置中；

S7、在纤维原料的表面涂抹胶质，以增强纤维原料与浆体的粘结力；

S8、3D打印系统的控制器按照所述打印代码，控制材料打印喷头和纤维植插喷头，将纤维原料植插到打印出的浆体中，制备具有纤维增韧的3D打印产品；其中：所述3D打印系统包括用于纤维植插的3D打印装置，所述用于纤维植插的3D打印装置包括运动系统、与所述运动系统紧固的打印支架、与所述打印支架紧固用于浆料打印的材料打印喷头、以及设置于所述打印支架用于将纤维原料植插于打印后的浆体内的纤维植插喷头；所述纤维植插喷头包括植插喷头本体、设置于所述植插喷头本体的纤维供料管道、以及用于驱动所述纤维供料管道内的纤维原料向外输出的驱动装置；其中：所述植插喷头本体从上向下同轴贯通设置有驱动管道和出料管道，所述驱动管道与所述纤维供料管道的末端交汇后与所述出料管道相贯通；所述驱动装置包括设置于所述驱动管道内的纤维推料杆、用于驱动所述纤维推料杆沿所述驱动管道往返运动的同步带、以及用于驱动所述同步带转动的电机组件，所述出料管道的出料口处设置有用于向纤维原料的表面涂抹胶质的刷胶装置。

2.根据权利要求1所述的用于纤维植插的3D打印方法，其特征在于，步骤S4中，纤维植插参数包括纤维的种类、尺寸、植插位置、植插方向、植插密度、植插深度、植插速度和/或纤维旋转速度信息。

3.根据权利要求2所述的用于纤维植插的3D打印方法，其特征在于，所述产品的打印材料为土体、石膏、水泥、陶泥、混凝土、塑料中的一种或至少两种的组合；所述纤维的种类为钉子、钢纤维、圆扣或圆环。

4.根据权利要求3所述的用于纤维植插的3D打印方法，其特征在于，所述产品的打印材料为混凝土，所述纤维的种类为钢纤维；3D打印时将所述钢纤维植插入新打印或挤出的混凝土浆体中，以得到钢纤维增韧混凝土产品。

5.根据权利要求1所述的用于纤维植插的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印装置包括一个多模式的纤维植插喷头，用以兼容不同种类或尺寸的纤维原料；或所述3D打印装置包括多个不同的纤维植插喷头，分别用于植插不同种类或尺寸的纤维原料。

6.一种3D打印系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的用于纤维植插的3D打印装置。

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