CN115288445B - 一种具有可变弧度的建筑3d打印喷头装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公布了一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，它可以解决弧度路径打印过程中出料不均匀的问题。该装置包括喷头主体、固定架、轴承、快速接头和旋转轴等。本发明的特点是：喷头上顶、喷头中部、喷头下部通过螺栓固定实现定位；喷头主体与固定架通过螺栓进行固定；旋转轴与法兰盘通过温差方法装配，法兰盘通过螺栓与固定架固定，旋转轴一端通过紧定螺母固定；轴承与旋转轴过盈配合，轴承与铝板通过螺栓进行装夹；旋转轴另一端与同步轮通过紧定螺丝固定；喷头中部有四个内腔，通过分别控制四个腔体的气压值进而控制挤出量，实现变弧度路径挤出料的均匀分布，该喷头还具有易于加工、方便拆卸清理的特点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程领域中的一种可变弧度的3D打印喷头装置。
背景技术
随着原材料和劳动力成本的不断上升，建筑行业作为低技术含量的劳动力密集型行业典型代表，其发展将受到极大的限制，而3D打印技术因其具备复杂结构成型的优势在建筑领域具有广阔的前景，目前广泛使用的3D打印技术是“轮廓工艺”。轮廓工艺由美国南加州大学的Khoshnevis等提出，核心特点在于通过三维挤出装置和带有抹刀的喷嘴实现混凝土的分层打印，以此来解决3D打印表面不平整问题。
传统的建筑3D打印的喷头装置局限于单口径挤出，挤出量不可控，打印尺寸上过于单一，且在弧度打印过程中若同一挤出量会造成内圈盈余外圈亏欠的问题，最终影响建筑结构的整体成型质量；另外，混凝土材料易凝固，传统的喷头装置内部发生堵塞时不方便维修，影响打印进度，从而造成巨大的经济损失。因此，急需有效的手段来解决变弧度打印成型过程中存在的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可变弧度的建筑3D打印喷头装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，所述喷头装置包括固定板、同步轮挡块一、同步轮挡块二、同步轮一、同步轮二、步进电机、紧定螺栓一、同步带、张紧弹簧、紧定螺丝、旋转轴、上轴承弹性挡圈、下轴承弹性挡圈、上轴承、下轴承、上轴承固定板、下轴承固定板、内六角螺钉一、内六角螺钉二、法兰盘、紧定螺栓二、紧定螺栓三、紧定螺母、快速接头、喷头上顶、快速接头接口、紧定螺栓四、紧定螺栓五、喷头中部、内腔、内六角螺钉三、内六角螺钉四、喷头下部、整体出料口、紧定螺栓六、紧定螺栓七、固定架，其特征在于：固定板通过螺栓与下轴承固定板固定，从而承载整个装置；同步轮一通过紧定螺丝与旋转轴固定，同步轮挡块一限制其自由度，同步轮二通过与步进电机固定，同步轮挡块二限制其自由度；步进电机通过同步带带动旋转轴转动，进而带动喷头的转动，同步带配有张紧弹簧防止松弛；上轴承与上轴承固定板通过内六角螺钉一夹紧实现固定，下轴承与下轴承固定板通过内六角螺钉二夹紧实现固定；上轴承和下轴承与旋转轴过盈配合通过压力机装配在一起；上轴承和下轴承分别由上轴承弹性挡圈和下轴承弹性挡圈支撑防止其上下移动，以此保证上轴承、下轴承与旋转轴的同轴度；旋转轴与法兰盘过盈配合装配，法兰盘与固定架通过紧定螺栓二和紧定螺栓三进行固定，旋转轴一端向下伸出通过紧定螺母与固定架实现定位，从而达到旋转轴与固定架的同轴度要求；快速接头一端与喷头上顶内的快速接头接口螺纹连接，另一端与接管相连；喷头上顶和喷头中部两部分通过紧定螺栓四、紧定螺栓五进行固定；喷头中部通过内六角螺钉三、内六角螺钉四与固定架进行夹紧固定；喷头下部通过紧定螺栓六、紧定螺栓七与固定架进行定位固定。
所述喷头整体装置中，旋转轴与上轴承、下轴承、法兰盘和固定架采用过盈配合，旋转轴下端采用紧定螺母紧定，使其满足同轴度要求。
所述喷头整体装置中，松动喷头连接处的紧定螺栓四、紧定螺栓五、内六角螺钉三、内六角螺钉四、紧定螺栓六、紧定螺栓七即可使得喷头上顶、喷头中部、喷头下部分离，可进行替换喷头上顶、喷头中部、喷头下部改变内腔口径，控制混凝土材料的挤出口径。
所述喷头整体装置中，摒弃传统单出口挤出，喷头中部设置四个内腔，且四个内腔都分别可控制四个腔体的压力值来改变每个出口材料的挤出速度。
所述喷头旋转机构中，包括旋转轴与同步轮一连接，步进电机与同步轮二连接，通过同步带带动喷头旋转运动，同步轮挡块一、同步轮挡块二限制同步轮一、同步轮二的自由度，使其达到定位要求。
所述喷头旋转机构中，上轴承、下轴承分别与上轴承固定板、下轴承固定板过盈配合，通过内六角螺钉一、内六角螺钉二夹紧固定，再由轴承弹性挡圈、下轴承弹性挡圈限制其自由度，使其达到定位要求。
本发明提供了一种可变弧度的建筑3D打印喷头装置，具备以下优点：
该装置设置四个腔体，各连接一个挤出装置，可分别控制每个出口的出料速度进而控制挤出量，从而解决在打印弧度过程中内圈盈余外圈亏欠的问题，达到在弧度路线材料依旧能分布均匀；喷头整体通过电动机配合同步带带动旋转轴转动，保证其能更灵活的转动一定弧度；该装置设有四个喷口，在打印过程中可随时由单喷口挤出和四喷口挤出之间任意转换，从而改变打印尺寸；该装置方便拆卸清理，有效的解决了当前喷头内部堵塞时不方便清理的问题；该装置结构简单合理，制作成本低，实用性强。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为整体装置示意图。
图3为喷头部分示意图。
图4为自动气压调节控制系统示意图。
图中：1、固定板；2-1、同步轮挡块一；2-2、同步轮挡块二；3-1、同步轮一；3-2、同步轮二；4、步进电机；5、紧定螺栓一；6、同步带；7、张紧弹簧；8、紧定螺丝；9、旋转轴；10-1、上轴承弹性挡圈；10-2下轴承弹性挡圈；11-1上轴承；11-2下轴承；12-1、上轴承固定板；12-2下轴承固定板；13-1、内六角螺钉一；13-2、内六角螺钉二；14、法兰盘；15-1紧定螺栓二；15-2、紧定螺栓三；16、紧定螺母；17、快速接头；18、喷头上顶；18-1、快速接头接口；19-1、紧定螺栓四；19-2、紧定螺栓五；20、喷头中部；20-1、内腔；21-1、内六角螺钉三；21-2、内六角螺钉四；22、喷头下部；22-1、整体出料口；23-1、紧定螺栓六；23-2、紧定螺栓七；24、固定架；25、气源处理器；26、减压阀；27、二联体；27-1、过滤器；27-2、空气减压阀；28-1、压力传感器一；28-2、压力传感器二；29、五通接头；30、伺服阀；31、控制器；32、电磁阀；33、墨盒；34、喷头装置。
具体实施方式：
为了进一步阐述本发明的可行性、实用性，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地阐述。
请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：固定板1通过螺栓与下轴承固定板12-2固定，从而承载整个装置；同步轮一3-1通过紧定螺丝8与旋转轴9固定，同步轮挡块一2-1限制其自由度，同步轮二3-2通过与步进电机4固定，同步轮挡块二2-2限制其自由度；步进电机4通过同步带6带动旋转轴9转动，进而带动喷头的转动，同步带6配有张紧弹簧7防止松弛；上轴承11-1与上轴承固定板12-1通过内六角螺钉一13-1夹紧实现固定，下轴承11-2与下轴承固定板12-2通过内六角螺钉二13-2夹紧实现固定；上轴承11-1和下轴承11-2与旋转轴9过盈配合通过压力机装配在一起；上轴承11-1和下轴承11-2分别由上轴承弹性挡圈10-1和下轴承弹性挡圈10-2支撑防止其上下移动，以此保证上轴承11-1、下轴承11-2与旋转轴9的同轴度；旋转轴9与法兰盘14过盈配合装配，法兰盘14与固定架24通过紧定螺栓二15-1和紧定螺栓三15-2进行固定，旋转轴9一端向下伸出通过紧定螺母16与固定架24实现定位，从而达到旋转轴9与固定架24的同轴度要求；快速接头17一端与喷头上顶18内的快速接头接口18-1螺纹连接，另一端与接管相连；喷头上顶18和喷头中部20两部分通过紧定螺栓四19-1、紧定螺栓五19-2进行固定；喷头中部20通过内六角螺钉三21-1、内六角螺钉四21-2与固定架24进行夹紧固定；喷头下部22通过紧定螺栓六23-1、紧定螺栓七23-2与固定架24进行定位固定。
喷头上部设置四个快速接头接口，每个快速接头接口连接一个快速接头，每个快速接头连接一个输料管，输料管上方连接点胶筒，采用伺服阀控制其内部气压值，进而可以控制每个内腔的气压值来控制出料的速度，喷头下部又做成一个整体出料口，可以使四个腔体的混凝土无缝挤出。在进行弧度路径打印时，可由步进电机配合同步轮同步带带动旋转轴转动任意角度，实现变弧度打印。
传统的3D打印混凝土技术在打印尺寸上过于单一，在打印过程中不能更换喷口口径。此设计设有四个喷口，且四个喷口分别进行控制，在打印过程中可随时停止或启动任何一个喷口，从而可以由单喷口和四喷口之间任意转换，以此达到打印尺寸随意更换的目的。
在完成打印任务后，将输料管拔出，松动喷头两端螺栓使喷头三部分分离，进行清洗干净，防止混凝土材料凝固造成喷头堵塞。
本发明专利设计的喷头装置可变弧度的出料方法及具体步骤：
搭建气压反馈控制回路，气源处理器25连接减压阀26，减压阀26连接二联体27中的过滤器27-1，再经过二联体27中的空气减压阀27-2连接到压力传感器一28-1，此后气路由五通接头29分成四路，五通接头29连接伺服阀30，伺服阀30连接电磁阀32，电磁阀32连接压力传感器二28-2，压力传感器二28-2→控制器31→伺服阀30形成一个反馈回路，控制器31通过对伺服阀30开口大小的控制，进而达到墨盒33中压力调节的目的，再将气压反馈控制系统与墨盒33相连接，最后四个墨盒33分别与喷头装置34的四个内腔相通。在四个墨盒33中填充配比好的混凝土材料。
第一步，使得电磁阀32处于关闭状态，使喷头装置34的内腔20-1中无压力供给；第二步，使用气泵打气到一定压力值，启动减压阀26，使得进口气压减至需要的稳定出口压力；第三步，经过二联体27过滤压缩空气中的水分，使气压处于恒定状态；第四步，通过五通接头29分散到四路，每条路再各自调节所需压力值；第五步，通过压力传感器二28-2的反馈，由控制器31控制伺服阀30的开口度(四个伺服阀30的开口度不同，四路所需压力值也不同，因此造成的四个腔体的挤出量也不同)，使压力传感器二28-2中的压力值达到某一特定值且保持恒定；第六步，由控制器31同时开启电磁阀32，在气体压力作用下将墨盒33中的混凝土材料推至喷头装置34喷头中部20的四个内腔20-1中，然后从喷头下部22的整体出料口22-1汇聚挤出，使得在弧度路线过程中内圈的挤出量稍小，外圈的挤出量稍大，内圈到外圈的挤出量逐渐增加，由此在弧度路线中打印出的材料不会造成内圈盈余外圈亏欠的情况，也不需要采用抹刀抹平打印表面；第七步，若弧度路径变换为直线路径，由控制器31控制伺服阀30的开口度相同，使得四路的压力值保持相同且恒定，进而四个腔体的挤出量相同，不会造成打印平面凹凸不平；第八步，若在打印过程中需变换打印宽度，由控制器31控制电磁阀32保持关闭状态，即四喷口变为三喷口、两喷口或单喷口
本设计运用压力挤出方式，但不限于气压挤出方式，也可采用螺旋挤出等方式，伺服阀控制各喷口的出料速度，通过带传动实现路径转变，结合混凝土建筑材料的特点，将建筑物以更加精确的方式打印出来，使得打印出的建筑物更加美观，实现了高精度高效3D建筑打印以及研究论证可变弧度路径打印的理论。
目前市面上大型3D混凝土打印喷头装置寥寥无几且造型单一，小型实验型喷头装置也局限于但喷口螺旋式挤出，此设计造型可大可小，操作简单。此设计能够在打印复杂路径过程中起到关键作用，此外在节约材料方面实现极大提升，使得不论在研究层面或是工业建造领域方面的效率突飞猛进。
尽管已经示出和描述了本发明的应用实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，所述喷头装置包括固定板(1)、同步轮挡块一(2-1)、同步轮挡块二(2-2)、同步轮一(3-1)、同步轮二(3-2)、步进电机(4)、紧定螺栓一(5)、同步带(6)、张紧弹簧(7)、紧定螺丝(8)、旋转轴(9)、上轴承弹性挡圈(10-1)、下轴承弹性挡圈(10-2)、上轴承(11-1)、下轴承(11-2)、上轴承固定板(12-1)、下轴承固定板(12-2)、内六角螺钉一(13-1)、内六角螺钉二(13-2)、法兰盘(14)、紧定螺栓二(15-1)、紧定螺栓三(15-2)、紧定螺母(16)、快速接头(17)、喷头上顶(18)、快速接头接口(18-1)、紧定螺栓四(19-1)、紧定螺栓五(19-2)、喷头中部(20)、内腔(20-1)、内六角螺钉三(21-1)、内六角螺钉四(21-2)、喷头下部(22)、整体出料口(22-1)、紧定螺栓六(23-1)、紧定螺栓七(23-2)、固定架(24)，其特征在于：固定板(1)通过螺栓与下轴承固定板(12-2)固定，从而承载整个装置；同步轮一(3-1)通过紧定螺丝(8)与旋转轴(9)固定，同步轮挡块一(2-1)限制其自由度，同步轮二(3-2)通过与步进电机(4)固定，同步轮挡块二(2-2)限制其自由度；步进电机(4)通过同步带(6)带动旋转轴(9)转动，进而带动喷头的转动，同步带(6)配有张紧弹簧(7)防止松弛；上轴承(11-1)与上轴承固定板(12-1)通过内六角螺钉一(13-1)夹紧实现固定，下轴承(11-2)与下轴承固定板(12-2)通过内六角螺钉二(13-2)夹紧实现固定；上轴承(11-1)和下轴承(11-2)与旋转轴(9)过盈配合通过压力机装配在一起；上轴承(11-1)和下轴承(11-2)分别由上轴承弹性挡圈(10-1)和下轴承弹性挡圈(10-2)支撑防止其上下移动，以此保证上轴承(11-1)、下轴承(11-2)与旋转轴(9)的同轴度；旋转轴(9)与法兰盘(14)过盈配合装配，法兰盘(14)与固定架(24)通过紧定螺栓二(15-1)和紧定螺栓三(15-2)进行固定，旋转轴(9)一端向下伸出通过紧定螺母(16)与固定架(24)实现定位，从而达到旋转轴(9)与固定架(24)的同轴度要求；快速接头(17)一端与喷头上顶(18)内的快速接头接口(18-1)螺纹连接，另一端与接管相连；喷头上顶(18)和喷头中部(20)两部分通过紧定螺栓四(19-1)、紧定螺栓五(19-2)进行固定；喷头中部(20)通过内六角螺钉三(21-1)、内六角螺钉四(21-2)与固定架(24)进行夹紧固定；喷头下部(22)通过紧定螺栓六(23-1)、紧定螺栓七(23-2)与固定架(24)进行定位固定。
2.根据权利要求1所述的一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，其特征在于，所述旋转轴(9)与上轴承(11-1)、下轴承(11-2)、法兰盘(14)和固定架(24)采用过盈配合，旋转轴(9)下端采用紧定螺母(16)紧定，使其满足同轴度要求。
3.根据权利要求1所述的一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，其特征在于，松动喷头连接处的紧定螺栓四(19-1)、紧定螺栓五(19-2)、内六角螺钉三(21-1)、内六角螺钉四(21-2)、紧定螺栓六(23-1)、紧定螺栓七(23-2)即可使得喷头上顶(18)、喷头中部(20)、喷头下部(22)分离，可进行替换喷头上顶(18)、喷头中部(20)、喷头下部(22)改变内腔(20-1)口径，控制混凝土材料的挤出口径。
4.根据权利要求1所述的一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，其特征在于，摒弃传统单出口挤出，喷头中部(20)设置四个内腔(20-1)，且四个内腔(20-1)都分别可控制四个腔体的压力值来改变每个出口材料的挤出速度。
5.根据权利要求1所述的一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，其特征在于，所述旋转轴(9)与同步轮一(3-1)连接，步进电机(4)与同步轮二(3-2)连接，通过同步带(6)带动喷头旋转运动，同步轮挡块一(2-1)、同步轮挡块二(2-2)限制同步轮一(3-1)、同步轮二(3-2)的自由度，使其达到定位要求。
6.根据权利要求1所述的一种具有可变弧度的建筑3D打印喷头装置，其特征在于，所述上轴承(11-1)、下轴承(11-2)分别与上轴承固定板(12-1)、下轴承固定板(12-2)过盈配合，通过内六角螺钉一(13-1)、内六角螺钉二(13-2)夹紧固定，再由轴承弹性挡圈(10-1)、下轴承弹性挡圈(10-2)限制其自由度，使其达到定位要求。
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2022
- 2022-07-08 CN CN202210815197.9A patent/CN115288445B/zh active Active
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| Title |
|---|
| PEEK的3D打印参数优化及铣削试验研究;吕福顺;程祥;刘肖肖;郑光明;杨先海;;组合机床与自动化加工技术(第03期);43-45+49 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115288445A (zh) | 2022-11-04 |
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