CN114934674B - 一种用于混凝土3d打印头的侧壁振动抹平装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印设备技术领域，提供一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，所述侧壁振动抹平装置安装在3D打印头喷嘴处；所述侧壁振动抹平装置，包括：摩擦电片线路板、旋转基板、旋转控制单元、两个抹片以及与所述抹片连接的抹片开合控制单元；所述旋转控制单元，包括：抹平电机、主传动齿轮和从动齿轮；所述抹平电机安装在3D打印头上，所述抹平电机的输出轴与主传动齿轮连接，所述主传动齿轮与从动齿轮啮合；所述抹片开合控制单元，包括：微型电磁铁与曲柄连杆机构；两个抹片对应设置在3D打印头的喷嘴两侧；所述抹片具有中空结构，所述中空结构中安装直流振动电机。本发明能够提升抹平的平整度和抹平工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置。
背景技术
混凝土3D打印的搅拌、挤出、层叠打印过程中，搅拌后砂浆的流体性质主要呈现为两种流体模型：牛顿流体模型与宾汉姆流体模型。牛顿流体：任意一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。宾汉姆流体：当剪切应力超过某值才开始发生剪切变形，且切应力随剪切变形速率呈线性变化的流体(只有在承受高于临界阈值时才会流动；当它们流动时，它们表现出粘性行为，剪切速率与超过屈服应力的应力成正比)。
目前普遍使用的混凝土3D打印机，在打印快凝混凝土物料时，在离开挤出喷嘴后，因物料的塑性粘度较大，流动性低，会呈现出宾汉姆流体的特点，需要通过添加外加剂来优化砂浆打印性能，在工程应用中会增加材料成本。另外，目前的混凝土3D打印机，打印头直接涂抹物料在打印物表面，涂抹的平整度较差、打印外观不好；如需抹平，则需要人工抹平或另外的抹平设备进行抹平，人工抹平效率较低，另外的抹平设备不一定能适应工况，适应性较差，增加设备成本。
发明内容
本发明主要解决目前的混凝土3D打印机，需要人工抹平或另外的抹平设备进行抹平，人工抹平效率较低，另外的抹平设备适应性较差等的技术问题，提出一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，以达到提升抹平的平整度和抹平工作效率的目的。
本发明提供了一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，所述侧壁振动抹平装置安装在3D打印头喷嘴处；
所述侧壁振动抹平装置，包括：摩擦电片线路板3115、旋转基板3114、旋转控制单元、两个抹片3118以及与所述抹片3118连接的抹片开合控制单元；
所述摩擦电片线路板3115上设置摩擦电片组3210；所述摩擦电片组3210用于连接电源；
所述旋转控制单元，包括：抹平电机3001、主传动齿轮3110和从动齿轮3109；所述抹平电机3001安装在3D打印头上，所述抹平电机3001的输出轴与主传动齿轮3110连接，所述主传动齿轮3110与从动齿轮3109啮合；
所述旋转基板3114连接在中间挡片3111上；所述中间挡片3111连接在从动齿轮3109上；所述旋转基板3114配合设置在摩擦电片线路板3115上；所述旋转基板3114上留有导引槽；
所述抹片开合控制单元，包括：微型电磁铁3201与曲柄连杆机构；所述微型电磁铁3201与曲柄连杆机构连接，所述曲柄连杆机构安装在旋转基板3114上；所述曲柄连杆机构与对应的抹片3118连接；所述微型电磁铁3201通过电磁铁支架3202安装在旋转基板3114上；所述微型电磁铁3201与电磁铁支架3202的传导拨珠连接，所述传导拨珠用于与摩擦电片组3210接触；
两个抹片3118对应设置在3D打印头的喷嘴两侧；所述抹片3118通过抹片支架3112连接在中间挡片3111上；所述抹片3118具有中空结构，所述中空结构中安装直流振动电机3119；所述直流振动电机3119与摩擦电片组3210电连接。
优选的，所述曲柄连杆机构，包括：增程连杆3209、前后行程连杆3208和开合连杆3207；
所述增程连杆3209连接在微型电磁铁3201上，所述增程连杆3209与前后行程连杆3208连接；
所述前后行程连杆3208与开合连杆3207连接；
所述增程连杆3209与前后行程连杆3208的连杆销，在旋转基板3114的导引槽中移动。
优选的，所述抹平电机3001选用伺服电机。
优选的，所述3D打印头上安装层间增强复合材料添加装置；
所述层间增强复合材料添加装置具有恒温水集成板2102和磨板2104。
优选的，所述从动齿轮3109装配在层间增强复合材料添加装置的磨板2104前端，中间装配定位轴承3116。
优选的，所述从动齿轮3109通过从动齿轮支撑环3113安装在层间增强复合材料添加装置的磨板2104上；
所述从动齿轮支撑环3113沿圆周分布拨珠，拨珠与从动齿轮3109的凹槽接触。
优选的，所述摩擦电片线路板3115通过线路板联结支架3221与3D打印头的恒温水集成板2102连接在一起。
本发明提供的一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，旋转控制单元、抹片以及抹片开合控制单元；旋转控制单元能够带动旋转基板上的抹片实现转角动作；抹片开合控制单元能够控制抹片的开合。本发明能够将挤出喷嘴的物料侧壁抹平，提升了抹平的平整度和抹平工作效率，与3D打印头配合，适应性强；在抹平的同时抹片高频率振动，达到改变混凝土3D打印砂浆的流体特性，从而较大提高打印混凝土的综合性能并获得平整的外观打印效果。本发明以高频振动机械力的形式改变了混凝土3D打印机出口混凝土砂浆的流变性及后期建造性，代替了通过添加外加剂优化砂浆打印性能的常规方法，在工程应用中会较大幅度降低材料成本。本发明装置可实现模块化，结构紧凑，占用空间小，同时可以升级系列组件，更便于拆装、清洗、维护。
本发明可实现景观类、艺术类的混凝土3D打印，可以添加各种颜料浆体，实现多颜色、多色差、多种挤出形状，同时附以更平整的外观表面，会展现出更加丰富多彩的艺术效果。
附图说明
图1是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的结构示意图；
图2是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的螺栓联结关系图；
图3是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的底面示意图；
图4是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的底面效果图；
图5是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的立体效果图；
图6是本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置在3D打印头上的装配示意图。
附图标记：2102、恒温水集成板；2103、抹平电机支架板；2104、磨板；2105、碾子环；2106、密封环；2107、挡水板；2108、镶嵌式喷嘴；3001、抹平电机；3109、从动齿轮；3110、主传动齿轮；3111、中间挡片；3112、抹片支架；3113、从动齿轮支撑环；3114、旋转基板；3115、摩擦电片线路板；3116、定位轴承；3118、抹片；3119、直流振动电机；3201、微型电磁铁；3202、电磁铁支架；3203、连杆销；3204、滚轮挡片；3205、滚轮；3206、铰接头；3207、开合连杆；3208、前后行程连杆；3209、增程连杆；3210、摩擦电片组；3211、电路接线；3212、抹片销；3221、线路板联结支架；3222、增程连杆销轴；303、底端转筒；700、抹刀嘴；
L1、恒温水集成板2102与挡水板2107的联结螺栓；L2、抹刀嘴700与底端转筒303的连结螺栓；L3、碾子环2105与抹刀嘴700的连接螺栓；L21、主传动齿轮与抹平电机3001的防脱螺栓；L22、从动齿轮支撑环3113与磨板2104的连接螺栓；L23、抹片支架3112与中间挡片3111的连接螺栓；L24、旋转基板3114与中间挡片3111的连接螺栓；L25、从动齿轮支撑环3113上的拨珠；L26、中间挡片3111与从动齿轮3109的连接螺栓。
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。
如图1-6所示，本发明实施例提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置。所述侧壁振动抹平装置安装在3D打印头喷嘴处。
所述3D打印头上安装底端转筒303、抹刀嘴700、连续螺旋送丝装置以及层间增强复合材料添加装置；所述层间增强复合材料添加装置具有恒温水集成板2102、磨板2104、抹平电机支架板2103、碾子环2105、密封环2106、挡水板2107和镶嵌式喷嘴2108。所述侧壁振动抹平装置具体安装在层间增强复合材料添加装置前端，与层间增强复合材料添加装置紧凑配合(如图6)，因抹片3118升起后的垂直高度在一个打印层高范围内，故采用扁平化结构设计，可保证物料挤出喷嘴后及时落地。3D打印头带有物料搅拌和挤出同时进行，且连续螺旋送丝的功能。
所述侧壁振动抹平装置，包括：摩擦电片线路板3115、旋转基板3114、旋转控制单元、两个抹片3118以及与所述抹片3118连接的抹片开合控制单元；所述摩擦电片线路板3115上设置摩擦电片组3210；所述摩擦电片组3210用于连接电源。具体的，所述摩擦电片线路板3115通过线路板联结支架3221与3D打印头的恒温水集成板2102连接在一起。摩擦电片线路板3115不旋转；摩擦电片组3210的接线头通过穿孔穿过摩擦电片线路板3115，在摩擦电片线路板3115的上端面与电源接通。
所述旋转控制单元，包括：抹平电机3001、主传动齿轮3110和从动齿轮3109；所述抹平电机3001通过抹平电机支架板2103安装在3D打印头上，其中，抹平电机支架板2103也属于层间增强复合材料添加装置的密封垫板。所述抹平电机3001的输出轴与主传动齿轮3110连接，所述主传动齿轮3110与从动齿轮3109啮合；所述抹平电机3001选用伺服电机。抹平电机3001通过主传动齿轮3110、从动齿轮3109传递扭矩；齿轮组传动可以精确控制旋转角度，与四轴数控操作系统匹配，实现打印头行进过程中抹片3118的精确旋转功能。
所述从动齿轮3109装配在层间增强复合材料添加装置的磨板2104前端，中间装配定位轴承3116，减少摩擦损耗。所述从动齿轮3109通过从动齿轮支撑环3113安装在层间增强复合材料添加装置的磨板2104上；所述从动齿轮支撑环3113沿圆周分布拨珠，拨珠与从动齿轮3109的凹槽接触，起到支撑从动齿轮3109与降低摩擦损耗的作用(如图1、图2)。
所述旋转基板3114连接在中间挡片3111上；所述中间挡片3111连接在从动齿轮3109上；所述旋转基板3114配合设置在摩擦电片线路板3115上；所述旋转基板3114上留有导引槽。具体的，旋转基板3114、抹片3118与抹片支架3112通过螺栓L23连接在中间挡片3111上；中间挡片3111通过螺栓L26连接在从动齿轮3109上；从动齿轮3109的旋转，带动上述功能部件同步旋转；通过拆装中间挡片3111与从动齿轮3109的L26螺栓连接，即可快速更换曲柄连杆机构与抹片3118(见图2)。
所述抹片开合控制单元，包括：微型电磁铁3201与曲柄连杆机构；所述微型电磁铁3201与曲柄连杆机构连接，所述曲柄连杆机构安装在旋转基板3114上；所述曲柄连杆机构与对应的抹片3118连接；所述微型电磁铁3201通过电磁铁支架3202安装在旋转基板3114上；所述微型电磁铁3201与电磁铁支架3202的传导拨珠连接，所述传导拨珠用于与摩擦电片组3210接触，保持与电源相通(见图3)。
具体的，所述曲柄连杆机构，包括：增程连杆3209、前后行程连杆3208和开合连杆3207；所述增程连杆3209连接在微型电磁铁3201上，所述增程连杆3209与前后行程连杆3208连接；所述前后行程连杆3208与开合连杆3207连接；所述增程连杆3209与前后行程连杆3208的连杆销，在旋转基板3114的导引槽中移动。
两个抹片3118对应设置在3D打印头的喷嘴两侧；所述抹片3118通过抹片支架3112连接在中间挡片3111上；所述抹片3118具有中空结构，所述中空结构中安装直流振动电机3119；所述直流振动电机3119采用微型高频率直流振动电机。所述直流振动电机3119与摩擦电片组3210电连接。直流振动电机3119产生超声波振动，通过抹片3118将振动传递到挤出物料上。具体的，直流振动电机3119的电路接线3211通过电磁铁支架3202连接到摩擦电片线路板3115上的摩擦电片组3210，实现外接(如图3、图4)。
两侧抹片3118与对应的曲柄连杆机构连接，抹片3118通过曲柄连杆机构伸缩实现开合动作。两侧抹片3118由两个独立的微型电磁铁3201控制。通过微型电磁铁3201直线驱动，实现曲柄连杆机构的伸缩；微型电磁铁3201的电路接线3211通过电磁铁支架3202连接到摩擦电片线路板3115上的摩擦电片组3210，实现外接。
两侧抹片3118可以独立或同时开合，开合角度达到75度。在打印首层时，两侧抹片3118收起，避免抹片3118与地面基础碰撞；第二层起打印直线轨迹时，两侧抹片3118放下，抹片3118挤出物料的两侧；拐角时，内侧抹片3118收起，避开内侧的小圆角，外侧抹片3118完成外部大圆角的侧壁抹平；回归直线轨迹时，内侧抹片3118放下，两侧抹片3118同时抹平侧壁；抹片3118的高度可以抹平两层打印物料的侧壁。
在本实施例中，旋转基板3114上的微型电磁铁3201、曲柄连杆结构、抹片3118共同旋转。另外，曲柄连杆机构中，增程连杆3209的两端关节具有连杆销3203、滚轮挡片3204、滚轮3205，滚轮3205可在旋转基板3114的导引槽中移动，降低滑动阻力；抹片开合机构中，铰接头3206与抹片销3212组成曲柄，使抹片3118的开合角度达到75度；确定增程连杆销轴3222在增程连杆3209上的位置，可以将微型电磁铁3201的行程按比例放大。
本发明的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，各电控组件通过四轴数控操作系统进行控制，采用的四轴数控操作系统是数控加工系统中成熟的技术，编程数据可以直接接入机床接口使用；后置处理数据也可以二次开发再投入使用；抹片3118的开合，在操作系统中开设对应指令接口，在程序中可以通过指令控制，降低了编程难度。采用装配式结构，方便拆装维护更换部件。
本发明提供的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置的工作过程：
首层打印的动作方式：首层打印，两侧抹片3118收起，不参与抹平侧壁动作。此时，微型电磁铁3201前伸，增程连杆3209将微型电磁铁3201较短的行程放大，沿着旋转基板3114上的导引槽带动前后行程连杆3208向外侧移动，从而带动开合连杆3207将抹片3118升起(打开)，避免首层打印时抹片撞击地面。
直线行进方式：第二层开始，微型电磁铁3201回缩，增程连杆3209沿着旋转基板3114上的导引槽带动前后行程连杆3208向内侧移动，从而带动开合连杆3207将抹片3118降下(合上)，同时直流振动电机3119通电，开始侧壁振动抹平。
小圆角行进方式：打印轨迹在圆角拐弯处，抹平电机3001接收旋转指令，主传动齿轮3110和从动齿轮3109旋转，与从动齿轮3109连接的中间挡片3111及旋转基板3114做旋转，带动旋转基板3114上的抹片3118完成同步转角动作；当抹片3118的长度小于拐角圆弧半径时，内侧抹片3118收起，只留外侧抹片3118继续抹平外侧物料侧壁；当越过圆弧阶段，进入直线打印时，内侧抹片3118降下，两侧抹片3118同时工作。
同理，当路径是小圆角S型轨迹，在旋转基板3114执行旋转指令的同时，内侧与外侧的抹片3118交替起落，完成对物料外侧侧壁的抹平。
大圆弧行进方式：当抹片3118的长度大于拐角圆弧半径时，打印轨迹是平缓的大圆弧或圆环，旋转基板3114带动抹片3118做旋转运动的同时，两侧抹片3118保持降下的状态，完成对物料两侧壁的抹平。
拆装维护：拆掉中间挡片3111与从动齿轮3109的连接螺栓L26，可取下旋转基板3114及旋转基板3114上的微型电磁铁3201、连杆机构、抹片3118、抹片支架3112及中间挡片3111；进一步的，拆掉从动齿轮支撑环3113与磨板2104的连接螺栓L22，可取下从动齿轮、定位轴承3116及从动齿轮支撑环3113；进一步的，拆掉线路板联结支架3221(如图5)，可取下摩擦电片线路板3115；进一步的，拆掉主传动齿轮3110与抹平电机3001的防脱螺栓L21，可取下主传动齿轮3110。安装过程反向即可完成，方便快捷，便于应急维护清理。
混凝土3D打印机在打印头喷嘴处将刚挤出的物料呈现出宾汉姆流体的特点，本实施例的侧壁振动抹平装置在抹平的同时添加振动，类似普通混凝土的“振动搅拌”过程，可增加打印材料的均质性，使挤出的打印材料结合更加均匀；在振动力的作用下，水泥颗粒会一直处在震颤状态，破坏水泥的团聚现象，有利于水泥的水化反应，使骨料被水泥浆包裹着，更均匀分布在混合料中。振动中的物料状态塑性粘度降低，流动性提高，呈现出牛顿流体的特性。当快凝物料离开抹片的振动区域，振动消失，快凝打印物料的塑性粘度提高，流动性降低，流体状态从牛顿流体模型又转换为粘性高流动度低的宾汉姆流体模型，恢复和提高了打印物料的可建造性，更适合快凝混凝土的层叠打印，同时获得较好的外观效果。
本发明通过振动与抹平，打印物料初始阶段具有更好的流动性，尤其适合以速凝水泥基材料为主要胶凝材料的的混凝土3D打印，更有效提高打印物料的综合性能，并获得更平整的打印外观，同时简化或省略了后期表面处理的工序，进一步降低建造成本。也适应特殊环境下(如高寒地区、水下等环境)的速凝混凝土3D打印操作。
本发明可以与混凝土3D打印头结合，混凝土3D打印头中包含短纤维及细骨料的干粉搅拌挤出、内部添加连续长纤维丝、打印出口处添加层间增强复合材料功能。应用本发明的混凝土3D打印机不仅可以将粗骨料、纤维丝与砂浆更好融合，还将层间增强复合材料均匀紧密地涂抹在打印物表面，从而更有效地提高打印混凝土的综合性能，并获得更平整的打印外观。
本发明与混凝土3D打印头的结合，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。由于打印头有温度控制的恒温水路，确保了打印头内部搅拌区域的温度恒定，也保证了添加的复合材料浆体在适合的温度范围内保持最佳活性。
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 (7)
1.一种用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述侧壁振动抹平装置安装在3D打印头喷嘴处；
所述侧壁振动抹平装置，包括：摩擦电片线路板(3115)、旋转基板(3114)、旋转控制单元、两个抹片(3118)以及与所述抹片(3118)连接的抹片开合控制单元；
所述摩擦电片线路板(3115)上设置摩擦电片组(3210)；所述摩擦电片组(3210)用于连接电源；
所述旋转控制单元，包括：抹平电机(3001)、主传动齿轮(3110)和从动齿轮(3109)；所述抹平电机(3001)安装在3D打印头上，所述抹平电机(3001)的输出轴与主传动齿轮(3110)连接，所述主传动齿轮(3110)与从动齿轮(3109)啮合；
所述旋转基板(3114)连接在中间挡片(3111)上；所述中间挡片(3111)连接在从动齿轮(3109)上；所述旋转基板(3114)配合设置在摩擦电片线路板(3115)上；所述旋转基板(3114)上留有导引槽；
所述抹片开合控制单元，包括：微型电磁铁(3201)与曲柄连杆机构；所述微型电磁铁(3201)与曲柄连杆机构连接，所述曲柄连杆机构安装在旋转基板(3114)上；所述曲柄连杆机构与对应的抹片(3118)连接；所述微型电磁铁(3201)通过电磁铁支架(3202)安装在旋转基板(3114)上；所述微型电磁铁(3201)与电磁铁支架(3202)的传导拨珠连接，所述传导拨珠用于与摩擦电片组(3210)接触；
两个抹片(3118)对应设置在3D打印头的喷嘴两侧；所述抹片(3118)通过抹片支架(3112)连接在中间挡片(3111)上；所述抹片(3118)具有中空结构，所述中空结构中安装直流振动电机(3119)；所述直流振动电机(3119)与摩擦电片组(3210)电连接。
2.根据权利要求1所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述曲柄连杆机构，包括：增程连杆(3209)、前后行程连杆(3208)和开合连杆(3207)；
所述增程连杆(3209)连接在微型电磁铁(3201)上，所述增程连杆(3209)与前后行程连杆(3208)连接；
所述前后行程连杆(3208)与开合连杆(3207)连接；
所述增程连杆(3209)与前后行程连杆(3208)的连杆销，在旋转基板(3114)的导引槽中移动。
3.根据权利要求1所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述抹平电机(3001)选用伺服电机。
4.根据权利要求1所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述3D打印头上安装层间增强复合材料添加装置；
所述层间增强复合材料添加装置具有恒温水集成板(2102)和磨板(2104)。
5.根据权利要求4所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述从动齿轮(3109)装配在层间增强复合材料添加装置的磨板(2104)前端，中间装配定位轴承(3116)。
6.根据权利要求4所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述从动齿轮(3109)通过从动齿轮支撑环(3113)安装在层间增强复合材料添加装置的磨板(2104)上；
所述从动齿轮支撑环(3113)沿圆周分布拨珠，拨珠与从动齿轮(3109)的凹槽接触。
7.根据权利要求4所述的用于混凝土3D打印头的侧壁振动抹平装置，其特征在于，所述摩擦电片线路板(3115)通过线路板联结支架(3221)与3D打印头的恒温水集成板(2102)连接在一起。
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