CN115419272B - 利用圆直钢纤维的水泥基材料3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法，其中，利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，包括出料管和控制器，出料管包括出料管体和锥状出料口，出料管体的一侧固设钢纤维插接机构，钢纤维插接结构包括空压管、送丝管以及剪切单元，空压管的底部以及送丝管的底部具有一个斜切面，剪切单元包括固定板、动力源以及剪切管，剪切管的顶部具有与斜切面滑动剪切配合的剪切面，动力源的输出轴线与剪切面平行，送丝管的上方固设绕线盘，控制器与动力源控制连接。还包括水泥基材料3D打印方法。本发明的水泥基材料3D打印装置，可以在打印过程中将钢丝裁切成钢纤维，且可以根据打印需求精确裁切钢丝的长度，结构巧妙，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及建筑领域，尤其涉及利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法。
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，已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打印技术虽然发展很快,但在应用上还存在一定的缺陷，主要是由于利用3D打印水泥基材料所打印的大多数结构没有筋材，致使其抗拉及抗震性能较弱，较高及较大跨距结构的成型不易实现。
目前，已有少部分国内外研究者使用钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维等纤维材料来提高3D打印增强水泥基复合材料的抗拉及抗震性能。在现有的建筑3D打印技术中，往往将纤维混合在水泥基材料中,随水泥基材料一起逐层打印。但这种打印方式,一方面由于纤维降低了水泥基材料的流动性，增加了堵塞喷头的可能性；另一方面，水泥基材料层与层之间的粘接方式与一体式的浇筑相比,强度和稳定性大大降低。针对这个问题,有研究提出在现有水泥基材料逐层打印的基础上，在层间额外插接钢纤维,这种方式大大增强了打印结构层与层之间的粘接强度和稳定性，且额外插接钢纤维的方式不存在堵塞喷头的可能。
当下的钢纤维基本都是事先切成相同长短的段，放在振动盘自动上料装置中，这种上料方式有两个问题：第一、振动盘上料装置结构比较复杂，成本高，附件多；第二、在3D打印的过程中，不同钢纤维插接点处可能使用的钢纤维长度不完全相同，若出现不同长度钢纤维要求时，处理起来就比较麻烦，甚至需要人工专门插接。
当下现有的钢纤维安装方式是采用两套机械臂，钢纤维插接机械臂跟在水泥基材料打印机械臂的后面，分别进行水泥基材料打印和钢纤维插接，配合起来非常麻烦，尤其是两套机械臂在路径小范围转弯或复位时，容易形成干涉；采用两套万向机械臂，成本也非常高；另外，对于在3D打印机轨道上的水泥基材料打印系统，则根本无法将水泥基材料打印、钢纤维插接两套装置在同一3D打印机轨道上操作，本发明所述的3D打印机轨道即3D打印通常使用的X、Y、Z三个方向上的轨道。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法。
本发明所采用的技术方案是：
利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，包括供水泥基材料挤出的出料管以及控制器，出料管包括筒状的出料管体以及设于出料管体底部的锥状出料口，所述出料管体的一侧固设钢纤维插接机构，所述钢纤维插接结构包括固设在出料管体上的空压管、固设在空压管上的送丝管以及设于送丝管上的剪切单元，所述空压管的底部以及送丝管的底部具有一个斜切面，斜切面临近出料管体的一侧低于远离出料管体的一侧，所述剪切单元包括固定在送丝管上的固定板、固设在固定板上的输出直线往复运动的动力源以及固设在动力源输出端的剪切管，剪切管的顶部具有与所述斜切面滑动剪切配合的剪切面，所述动力源的输出轴线与剪切面平行，送丝管的上方固设用于绕设钢丝的绕线盘，控制器与动力源控制连接。
优选的，所述斜切面上具有C形轨道，所述剪切面上具有与C形轨道滑动配合的C形滑槽。
优选的，所述送丝管内设有压辊及驱动压辊的第一减速电机。
优选的，所述动力源为液压推杆或电动推杆。
优选的，所述固定板为折线形固定板，所述送丝管上还固设连接固定板的加强筋板，所述加强筋板上固设用于固定液压推杆或电动推杆缸体的定位板。
优选的，所述出料管体的顶部固设环状内板，环状内板中插接连接料管，连接料管的底部具有环状外板，在环状内板和环状外板之间设置推力轴承，推力轴承的上板与环状内板固定，推力轴承的下板与环状外板固定，连接料管与上板、下板以及环状内板之间具有转动间隙，所述环状内板的上表面具有环状齿条，连接料管的外侧壁上水平设置固定板，固定板的底部设置第二减速电机，所述第二减速电机的输出轴上具有与环状齿条啮合配合的齿轮，控制器与第二减速电机控制连接。
利用所述水泥基材料3D打印装置进行水泥基材料3D的打印方法，包括以下步骤：
步骤1 、控制器根于预先设定的打印路径控制机械臂或3D打印机轨道，使得安装在其上的水泥基材料3D打印装置的按照打印路径运行；
步骤2、在水泥基材料3D打印装置按照打印路径运行的过程中，水泥基材料从出料管流出，在需要插入钢纤维的位置,第二减速电机驱动出料管转动进而带动空压管及送丝管一起沿出料管轴线转过一定角度, 使得空压管的下端正对需要插入钢纤维的位置,在此过程中，控制器根据在此位置预设的钢丝长度，控制第一减速电机驱动压辊将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中，然后动力源推动剪切管斜向下运动，将钢丝线切断得到所需钢纤维，并将剪切管推至空压管正下方；
步骤3、通过空气压力将剪切管中的钢纤维插入水泥基材料中；
步骤4、剪切管在动力源带动下复位。
本发明的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，可以在打印过程中对钢丝进行裁切，裁切后的钢丝下端为斜面，非常锋利，便于插入水泥基材料中，而且可以根据打印需求精确裁切钢丝的长度，结构巧妙，操作方便。
更进一步的，斜切面上具有C形轨道，剪切面上具有与C形轨道滑动配合的C形滑槽，这样使得剪切面沿斜切面运动更稳定，同时动力源无需承担剪切管在竖直方向上的扭矩，延长了动力源的寿命。
更进一步的，送丝管内设有压辊及驱动压辊的第一减速电机，第一减速电机驱动压辊，将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中。
更进一步的，固定板为折线形固定板，送丝管上还固设连接固定板的加强筋板，所述加强筋板上固设用于固定液压推杆或电动推杆缸体的定位板，使得液压推杆或电动推杆运行更稳定。
更进一步的，采用巧妙结构，将出料管旋转装配在连接料管底部，并通过第二减速电机控制转动，并且将空压管及送丝管固定在出料管一侧，这样在需要插入钢纤维的位置,第二减速电机驱动出料管转动进而带动空压管及送丝管一起沿出料管轴线转过一定角度,使得空压管的下端正对需要插入钢纤维的位置, 在此过程中，控制器根据在此位置预设的钢丝长度，控制第一减速电机驱动压辊将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中，然后动力源推动剪切管斜向下运动，将钢丝线切断得到所需钢纤维，并将剪切管推至空压管正下方，最后通过空气压力将剪切管中的钢纤维插入水泥基材料中。这样，水泥基材料的出料管和钢纤维插接机构设置在一个打印系统上即可，大大节省了成本，且有效防止干涉；另外，也完美解决了水泥基材料打印、钢纤维插接两套装置无法利用同一3D打印机轨道进行打印操作的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置的结构示意图。
图2是图1中A处放大结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，如图1、图2所示，包括供水泥基材料挤出的出料管以及控制器（图中未显示），出料管包括筒状的出料管体2以及设于出料管体底部的锥状出料口1，出料管体的一侧固设钢纤维插接机构，钢纤维接结构包括焊接固定在出料管体上的空压管7、焊接固定在空压管上的送丝管3以及焊接固定在送丝管上的剪切单元，空压管的底部以及送丝管的底部具有一个斜切面19，斜切面临近出料管体的一侧低于远离出料管体的一侧，剪切单元包括固定在送丝管上的固定板8、固设在固定板上的输出直线往复运动的动力源以及固设在动力源输出端的剪切管4，动力源可以采用液压推杆或电动推杆，本实施例采用液压推杆9，剪切管的顶部具有与斜切面滑动剪切配合的剪切面20，动力源的输出轴线与剪切面平行，送丝管的上方固设用于绕设钢丝的绕线盘6，控制器与动力源控制连接，斜切面上具有C形轨道（图中未显示），剪切面上具有与C形轨道滑动配合的C形滑槽（图中未显示），这样使得剪切面沿斜切面运动更稳定，同时动力源无需承担剪切管在竖直方向上的扭矩，延长了动力源的寿命。送丝管内设有压辊18及驱动压辊的第一减速电机（图中未显示），控制器与第一减速电机连接，第一减速电机驱动压辊，将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中。
本实施例中，固定板8为折线形固定板，送丝管上还固设有连接固定板的加强筋板21，加强筋板的两端均采用焊接固定，加强筋板上焊接用于固定液压推杆缸体的定位板22，使得液压推杆或电动推杆运行更稳定。
出料管体的顶部固设环状内板14，环状内板中插接连接料管5，连接料管的底部具有环状外板17，在环状内板和环状外板之间设置推力轴承，推力轴承的上板15与环状内板15固定，推力轴承的下板16与环状外板17固定，连接料管与上板、下板以及环状内板之间具有转动间隙，环状内板的上表面具有环状齿条10，连接料管的外侧壁上水平设置固定板12，固定板的底部设置第二减速电机11，第二减速电机的输出轴上具有与环状齿条啮合配合的齿轮13，控制器与第二减速电机控制连接。
本实施例的本发明的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，可以在打印过程中对钢丝进行裁切，裁切后的钢丝下端为斜面，非常锋利，便于插入水泥基材料中，而且可以根据打印需求精确裁切钢丝的长度，结构巧妙，操作方便。
更进一步的，采用巧妙结构，将出料管旋转装配在连接料管底部，并通过第二减速电机控制转动，并且将空压管及送丝管固定在出料管一侧，这样在需要插入钢纤维的位置,第二减速电机驱动出料管转动进而带动空压管及料斗一起沿出料管轴线转过一定角度,使得空压管的下端正对需要插入钢纤维的位置, 在此过程中，控制器根据在此位置预设的钢丝长度，控制第一减速电机驱动压辊将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中，然后动力源推动剪切管斜向下运动，将钢丝线切断得到所需钢纤维，并将剪切管推至空压管正下方，最后通过空气压力将剪切管中的钢纤维插入水泥基材料中。这样，水泥基材料的出料管和钢纤维插接机构设置在一个打印系统上即可，大大节省了成本，且有效防止干涉；另外，也完美解决了水泥基材料打印、钢纤维插接两套装置无法利用同一3D打印机轨道进行打印操作的问题。
实施例2
利用实施例1中水泥基材料3D打印装置进行打印的方法，包括以下步骤：
步骤1 、控制器根于预先设定的打印路径控制机械臂或3D打印机轨道，使得安装在其上的水泥基材料3D打印装置的按照打印路径运行；
步骤2、在水泥基材料3D打印装置按照打印路径运行的过程中，水泥基材料从出料管流出，在需要插入钢纤维的位置,第二减速电机驱动出料管转动进而带动空压管及送丝管一起沿出料管轴线转过一定角度, 使得空压管的下端正对需要插入钢纤维的位置,在此过程中，控制器根据在此位置预设的钢丝长度，控制第一减速电机驱动压辊将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中，然后动力源推动剪切管斜向下运动，将钢丝线切断得到所需钢纤维，并将剪切管推至空压管正下方；
步骤3、通过空气压力将剪切管中的钢纤维插入水泥基材料中；
步骤4、剪切管在动力源带动下复位。
Claims (6)
1. 利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，包括供水泥基材料挤出的出料管以及控制器，出料管包括筒状的出料管体以及设于出料管体底部的锥状出料口，其特征在于:所述出料管体的一侧固设钢纤维插接机构，所述钢纤维插接结构包括固设在出料管体上的空压管、固设在空压管上的送丝管以及设于送丝管上的剪切单元，所述空压管的底部以及送丝管的底部具有一个斜切面，斜切面临近出料管体的一侧低于远离出料管体的一侧，所述剪切单元包括固定在送丝管上的固定板、固设在固定板上的输出直线往复运动的动力源以及固设在动力源输出端的剪切管，剪切管的顶部具有与所述斜切面滑动剪切配合的剪切面，所述动力源的输出轴线与剪切面平行，送丝管的上方固设用于绕设钢丝的绕线盘，控制器与动力源控制连接, 所述出料管体的顶部固设环状内板，环状内板中插接连接料管，连接料管的底部具有环状外板，在环状内板和环状外板之间设置推力轴承，推力轴承的上板与环状内板固定，推力轴承的下板与环状外板固定，连接料管与上板、下板以及环状内板之间具有转动间隙，所述环状内板的上表面具有环状齿条，连接料管的外侧壁上水平设置固定板，固定板的底部设置第二减速电机，所述第二减速电机的输出轴上具有与环状齿条啮合配合的齿轮，控制器与第二减速电机控制连接。
2.根据权利要求1所述的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述斜切面上具有C形轨道，所述剪切面上具有与C形轨道滑动配合的C形滑槽。
3.根据权利要求2所述的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述送丝管内设有压辊及驱动压辊的第一减速电机。
4.根据权利要求3所述的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述动力源为液压推杆或电动推杆。
5.根据权利要求4所述的利用圆直钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述固定板为折线形固定板，所述送丝管上还固设连接固定板的加强筋板，所述加强筋板上固设用于固定液压推杆或电动推杆缸体的定位板。
6.利用权利要求5的水泥基材料3D打印装置进行打印的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1 、控制器根于预先设定的打印路径控制机械臂或3D打印机轨道，使得安装在其上的水泥基材料3D打印装置的按照打印路径运行；
步骤2、在水泥基材料3D打印装置按照打印路径运行的过程中，水泥基材料从出料管流出，在需要插入钢纤维的位置,第二减速电机驱动出料管转动进而带动空压管及送丝管一起沿出料管轴线转过一定角度, 使得空压管的下端正对需要插入钢纤维的位置,在此过程中，控制器根据在此位置预设的钢丝长度，控制第一减速电机驱动压辊将绕线盘上的钢丝牵引捋直并将预设长度的钢丝送入剪切管中，然后动力源推动剪切管斜向下运动，将钢丝线切断得到所需钢纤维，并将剪切管推至空压管正下方；
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