CN116175731A - 一种结构增强型混凝土一体化3d打印机构及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构及设备，以解决现有的混凝土3D打印设备中，加热单元距离喷头较远，导致打印材料会凝固甚至堵塞喷头的问题。具体包括盛装打印材料的漏斗，及驱动搅拌单元、加热单元、打印喷头和加固单元；驱动搅拌单元安装在漏斗上，其作用端伸入漏斗以搅拌打印材料；加热单元设置于漏斗上以加热打印材料；打印喷头上端与漏斗输出端连通，下端设打印材料输出口；打印喷头内部设第一流道和第二流道；第一流道和第二流道上端与漏斗连通，二者下端均与打印材料输出口连通，且二者之间设隔断层；隔断层上设与打印材料输出口连通的丝网通道；加固单元固连于打印喷头后方，用于向丝网通道同步输出加强丝网。

Description

一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构及设备

技术领域

本发明涉及3D打印装置，具体涉及一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构及设备。

背景技术

3D打印是一种通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。3D打印是快速成型技术的一种，它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术。3D打印无须机械加工或者模具，甚至无须在工厂进行操作。

混凝土3D打印工艺与轮廓工艺相似，因为挤出混凝土砂浆的打印喷头也安装在一个小型起重机架上，打印喷头沿着预先设定的路线移动并持续挤出混凝土材料。与轮廓工艺相比，混凝土3D打印工艺是基于挤出混凝土砂浆来实现的，并且这种方法有更小的沉积分辨率，因此对复杂几何体的表面质量有较好的控制，具有生产高度个性化建筑构件的潜力。但是在打印高温水泥基材料时会出现以下问题：

第一，加热单元离打印喷头较远，熔化的材料离开漏斗流向打印喷头时会因温度下降而凝固。

第二，当高温水泥基材料经过加热漏斗流进打印喷头时，容易附着在打印喷头内壁，导致打印材料不易流出打印喷头，甚至堵塞打印喷头。

第三，直接使用高温水泥基材料打印出的构件强度不足，尤其无法满足大型建筑场合的需求。

因此，现亟需一种能够解决上述问题且能够使用高温水泥基材料打印构件的3D打印设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构及设备，以解决现有的混凝土3D打印设备中，加热单元距离喷头较远，导致打印材料会凝固甚至堵塞喷头，以及无法满足大型建筑所需强度的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特殊之处在于：包括漏斗、驱动搅拌单元、加热单元、打印喷头以及加固单元；

所述漏斗用于盛装打印材料；

所述驱动搅拌单元安装在漏斗上，其作用端伸入漏斗，用于搅拌打印材料；

所述加热单元设置于漏斗上，用于加热漏斗中的打印材料；

所述打印喷头上端与漏斗输出端连通，下端设有打印材料输出口；所述打印喷头内部设有第一流道和第二流道；所述第一流道和第二流道上端与漏斗连通，二者的下端分别与打印材料输出口连通；所述第一流道和第二流道之间设有隔断层；所述隔断层上设有贯穿隔断层及打印喷头前后的丝网通道；所述丝网通道与打印材料输出口连通；

所述加固单元固连于打印喷头的后方，用于向所述丝网通道同步输出加强丝网。

进一步地，所述加热单元包括设置在所述漏斗内壁或外壁上的保温层以及多个微波加热器；

所述保温层用于对打印材料进行保温；

多个所述微波加热器绕所述漏斗周向均匀分布，所述微波加热器的作用端伸入所述漏斗内。

进一步地，所述打印喷头为圆柱状；

所述第一流道和第二流道沿打印喷头的轴向方向两侧设置，其上端合二为一，并与漏斗的输出端连通；第一流道和第二流道的中部设置隔断层将二者分开；第一流道和第二流道的下端与打印材料输出口连通；所述隔断层的外表面为沿打印材料流动方向设置的平滑曲面；所述丝网通道设置在隔断层的中部，且沿打印喷头的径向贯穿隔断层及打印喷头前后。

进一步地，所述加固单元包括第一驱动件、丝网辊子以及所述加强丝网；

所述第一驱动件固连于所述打印喷头的后方；

所述丝网辊子连接于第一驱动件的作用端，所述丝网辊子的轴线与打印喷头的轴线平行；

所述加强丝网缠绕在丝网辊子外。

进一步地，所述加固单元还包括切断组件；

所述切断组件包括滚筒外壳、切割刀片以及第二驱动件；

所述滚筒外壳套装在丝网辊子外，且与第一驱动件的本体固连，其侧壁上设置有与所述丝网通道对应的丝网出口；

所述切割刀片嵌装在滚筒外壳内，其刀刃靠近所述丝网出口，滚筒外壳对应一侧内壁上设置有与切割刀片对应的切割衬板；

所述第二驱动件安装在滚筒外壳上，其作用端与所述切割刀片连接，用于驱动所述切割刀片旋转至丝网出口处，以适时切断所述加强丝网。

进一步地，还包括安装在所述漏斗上的测温单元和传感监测单元；

所述测温单元用于实时测量打印材料的温度；

所述传感监测单元位于所述漏斗上靠近打印喷头的位置，用于实时测量打印材料的挤出压力、挤出速度以及输出的打印材料硬化状态。

进一步地，所述驱动搅拌单元包括第三驱动件、联轴器和搅拌叶轮；

所述第三驱动件设置于漏斗上方，其作用端通过联轴器与搅拌叶轮上端连接；所述搅拌叶轮下端伸入漏斗内，用于搅拌打印材料；所述搅拌叶轮与漏斗之间设有第一深沟球轴承。

进一步地，还包括控制单元；

所述控制单元分别与加热单元、第一驱动件、第二驱动件、测温单元、第三驱动件以及传感监测单元连接。

进一步地，所述漏斗包括漏斗本体和漏斗端盖；

所述漏斗端盖盖装在漏斗本体上端；所述漏斗本体用于盛装打印材料；

所述第三驱动件通过顶部支撑架安装在漏斗端盖顶部；

所述搅拌叶轮伸入漏斗本体内；

所述加热单元设置在漏斗本体上；所述测温单元设置在漏斗端盖上；所述打印喷头与漏斗本体输出端连通；

所述加固单元通过底部支撑架固连于打印喷头的后方；所述底部支撑架包括连接杆和分别设置在所述连接杆两端的安装环和安装座；

所述安装环套装在所述打印喷头与漏斗本体输出端连接处之外；所述第一驱动件安装在安装座上，其输出轴向下伸出所述安装座与丝网辊子连接；所述第一驱动件的输出轴与安装座之间设有第二深沟球轴承；

所述滚筒外壳通过安装座与第一驱动件的本体固连。

本发明还提供了一种结构增强型混凝土一体化3D打印设备，其特殊之处在于，包括上述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，还包括移动平台、机械臂以及打印材料输送装置；

所述机械臂一端与所述移动平台连接，另一端与所述驱动搅拌单元连接；

所述打印材料输送装置与所述漏斗连通，用于向漏斗输送打印材料。

本发明的有益效果：

1.本发明设置了包括漏斗、驱动搅拌单元、加热单元、打印喷头以及加固单元的一体化打印机构，通过加热单元能够加热位于漏斗内的高温打印材料，保持打印材料的具有良好的流动性，并通过驱动搅拌单元能够使打印材料快速且顺利地流入打印喷头，并从第一流道和第二流道顺畅流出，从而保证打印喷头的畅通，避免打印喷头堵塞。

2.本发明在打印喷头后方设置了能够同步输出加强丝网加固单元，与打印喷头内部的第一流道和第二流道配合，使得加强丝网能够被夹置于通过打印喷头输出的打印材料中部，从而形成以加强丝网为骨架的打印构件，提高打印构件的强度。

3.由于打印材料输出口位于打印喷头的下端，设置有丝网通道的隔断层位于第一流道和第二流道之间，第一流道和第二流道下端又与打印材料输出口连通，因此丝网通道毫无疑义位于打印材料输出口的上方，所以在打印时，输出的丝网可以高于输出的打印材料上表面，这样在打印下一层时；高出的丝网可以伸入下一层的打印材料内部，将下层加强丝网的顶部和上层加强丝网的底部重叠，从而增强整个打印构件的整体性与稳定性。

4.本发明还在漏斗上设置了保温层以及多个微波加热器，既能够加热还能够保温，进一步保证了打印材料的流动性，进而保证打印喷头的通畅性。

5.本发明将隔断层的外表面设置为沿打印材料流动方向的平滑曲面，形成流线型壁面，进一步增加了打印材料流动的通畅性，保障打印喷头时刻畅通。

6.本发明还设置了切断组件，通过第二驱动件驱动曲面刀片适时切断加强丝网，减少人工操作，降低人工成本。

7.本发明还设置了测温单元和传感监测单元，通过测温单元能够在线监测打印材料的温度，通过传感监测单元能够在线监测打印材料的挤出压力、速度和硬化状态，能够基于多传感器数据融合的方法预估打印成型的质量。

8.本发明还设置了控制单元，便于整体控制打印机构，以保证打印过程的持续性以及顺畅性；进一步节省人工成本。

附图说明

图1是本发明一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构实施例的结构示意图；

图2是本发明一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构实施例的剖视图；

图3是本发明实施例中打印喷头的结构示意图；

图4是本发明实施例中打印喷头沿径向且垂直于隔断层的剖视图；

图5是本发明实施例中打印喷头沿径向且通过隔断层中部的剖视图；

图6是本发明实施例中加固单元的结构示意图；

图7是本发明一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构实施例的工作状态结构示意图。

附图标号：

1-漏斗，11-漏斗本体，12-漏斗端盖，13-顶部支撑架；2-驱动搅拌单元，21-第三驱动件，22-联轴器，23-搅拌叶轮，24-第一深沟球轴承；3-加热单元，31-微波加热器；4-打印喷头，41-第一流道，42-第二流道，43-隔断层，44-丝网通道，45-打印材料输出口；5-加固单元，51-第一驱动件，52-丝网辊子，53-切断组件，531-滚筒外壳，5311-丝网出口，532-切割刀片，533-第二驱动件，54-底部支撑架，541-连接杆，542-安装环，543-安装座，544-第二深沟球轴承；6-加强丝网；7-测温单元；8-传感监测单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构，如图1和图2所示，该3D打印机构包括漏斗1、驱动搅拌单元2、加热单元3、打印喷头4、加固单元5、测温单元7、传感监测单元、控制单元、移动平台、机械臂以及打印材料输送装置；

漏斗1包括漏斗本体11和漏斗端盖12；漏斗端盖12盖装在漏斗本体11上端；漏斗本体11用于盛装打印材料(通常为高温水泥基材料)；

驱动搅拌单元2包括第三驱动件21、联轴器22和搅拌叶轮23；第三驱动件21具有调速功能和紧急制动功能，调速功能能够控制高温水泥基材料流入打印喷头的速度；紧急制动功能在有意外情况发生时可以实现紧急制动，停止打印。可以是第三电机，第三电机通过顶部支撑架13安装在漏斗端盖12顶部，其输出轴通过联轴器22与搅拌叶轮23上端连接；搅拌叶轮23伸入漏斗本体11内，用于搅拌打印材料；搅拌叶轮23与漏斗端盖12之间设有第一深沟球轴承24，使其转动更顺滑。第一深沟球轴承24下方可以设置轴承挡圈，避免第一深沟球轴承24掉落，轴承挡圈可以固连在漏斗端盖12下方。

加热单元3包括设置在漏斗本体11内壁或外壁上的保温层以及四个微波加热器31；保温层用于对打印材料进行保温；四个微波加热器31绕漏斗本体11周向均匀分布，微波加热器31的作用端伸入漏斗本体11内，用于加热打印材料。当然，漏斗端盖12上也可以设置保温层，四个微波加热器31也可以设置在漏斗端盖12上。

结合图3至图5所示，打印喷头4为圆柱状；打印喷头4上端与漏斗本体11输出端连通；下端设有打印材料输出口45，打印材料输出口45优选矩形状，内壁平滑；打印喷头4内部设有第一流道41和第二流道42，第一流道41和第二流道42沿打印喷头4的轴向方向设置，第一流道41和第二流道42上端与漏斗本体11输出端连通，且二者上端合二为一，二者的下端以人字形分开，中间形成隔断层43，第一流道41和第二流道42的下端分别与打印材料输出口45连通，以便打印材料统一从打印材料输出口45输出，同时能够将加强丝网6加在打印材料中间；隔断层43上设有贯穿打印喷头4前后的丝网通道44；具体的，丝网通道设置在隔断层43的中部，且沿打印喷头4的径向贯穿隔断层43及打印喷头4的前后，且丝网通道44与打印材料输出口45连通；隔断层43的外表面为沿打印材料流动方向设置的平滑曲面，这样能够进一步促进打印材料的快速流动。

结合图2与图6所示，加固单元5包括第一驱动件51、丝网辊子52、加强丝网6以及切断组件53；切断组件53包括滚筒外壳531、切割刀片532以及第二驱动件533；第一驱动件51通过底部支撑架54固连于打印喷头4的后方，第一驱动件51具有调速功能，能够调节加强丝网6铺放的速度；第一驱动件51可以是第一电机；具体的，底部支撑架54包括连接杆541和分别设置在连接杆541两端的安装环542和安装座543；安装环542套装在打印喷头4与漏斗本体11输出端连接处之外；第一电机安装在安装座543上，其输出轴向下伸出安装座543与丝网辊子52连接；第一电机的输出轴与安装座543之间设有第二深沟球轴承544；丝网辊子52的轴线与打印喷头4的轴线平行；加强丝网6缠绕在丝网辊子52外。滚筒外壳531套装在丝网辊子52外，且其上端与安装座543固连，其侧壁上设置有与丝网通道44对应的丝网出口5311；加强丝网6从丝网出口5311处输出。切割刀片532嵌装在滚筒外壳531内，其刀刃靠近丝网出口5311；第二驱动件533安装在滚筒外壳531上，其作用端与切割刀片532连接，用于驱动切割刀片532旋转至丝网出口5311处，以适时切断加强丝网6。第二驱动件533也可以是第二电机。滚筒外壳531对应一侧内壁上设置有与切割刀片532对应的切割衬板，用于切割时抵住切割刀片532。

测温单元7安装在漏斗端盖12上，传感监测单元8安装在漏斗本体11上，靠近打印喷头设置，测温单元7用于实时测量漏斗1内打印材料的温度，传感监测单元8为集成了多种类型传感器单元，通过在线监测挤出压力、速度、输出的水泥温度和硬化状态，基于多传感器数据融合的方法预估水泥成型质量。

控制单元分别与加热单元3、第一驱动件51、第二驱动件533、测温单元7传感监测单元、以及第三驱动件21连接，从而对这些器件进行统一控制、统一监控，实现打印机构整体统筹，从而加强整个打印机构的自动化，节省3D打印的人工成本。

机械臂一端与移动平台连接，另一端与驱动搅拌单元连接；机械臂带动打印机构移动，移动平台带动机械臂移动；打印材料输送装置与漏斗1连通，用于向漏斗1输送打印材料。

另外，本发明实施例还提供了一种结构增强型混凝土一体化3D打印设备，包括上述的3D打印机构，还包括移动平台、机械臂以及打印材料输送装置；机械臂一端与所述移动平台连接，另一端与所述驱动搅拌单元连接；所述打印材料输送装置与所述漏斗1连通，用于向漏斗输送打印材料。

如图7所示，具体使用时，使用者将打印机构安装在机械臂另一端上，移动平台带动机械臂移动，使用者通过打印材料输送装置向漏斗1内输送高温加热水泥，高温加热水泥在漏斗1中继续被加热单元加热，控制单元控制第三驱动件21带动搅拌叶轮23转动，在搅拌叶轮23的驱动下，高温加热水泥从漏斗1流出，并从打印喷头4内第一流道41和第二流道42向下流动，在隔断层43处被分为两路；同时第一驱动件51带动丝网辊子52滚动输出加强丝网6，将加强丝网6在打印路线上平缓展开，加强丝网6从隔断层43中部的丝网通道44输出，则从第一流道41和第二流道42流出的高温加热水泥与加强丝网6在打印喷头4下端的打印材料输出口45处结合，即从第一流道41和第二流道42流出的高温加热水泥能够固化在加强丝网6两侧，切断组件53能够在加强丝网6铺放完毕后切断丝网。加强丝网6的上端高出输出的高温加热水泥上表面；在打印下一层时，高出的加强丝网6部分会伸入位于上层的高温加热水泥内，这样实现了上下两层打印材料的连接，从而增加了打印构建的整体性，同时，还加强了整个打印构建的坚固强度，提高打印质量，该打印机构尤其适用于对整体性稳定性要求较高地场合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：包括漏斗(1)、驱动搅拌单元(2)、加热单元(3)、打印喷头(4)以及加固单元(5)；

所述漏斗(1)用于盛装打印材料；

所述驱动搅拌单元(2)安装在漏斗(1)上，其作用端伸入漏斗(1)，用于搅拌打印材料；

所述加热单元(3)设置于漏斗(1)上，用于加热漏斗(1)中的打印材料；

所述打印喷头(4)上端与漏斗(1)输出端连通，下端设有打印材料输出口(45)；所述打印喷头(4)内部设有第一流道(41)和第二流道(42)；所述第一流道(41)和第二流道(42)上端与漏斗(1)连通，二者的下端分别与打印材料输出口(45)连通；所述第一流道(41)和第二流道(42)之间设有隔断层(43)；所述隔断层(43)上设有贯穿隔断层(43)及打印喷头(4)前后的丝网通道(44)；所述丝网通道(44)与打印材料输出口(45)连通；

所述加固单元(5)固连于打印喷头(4)的后方，用于向所述丝网通道(44)同步输出加强丝网(6)。

2.根据权利要求1所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述加热单元(3)包括设置在所述漏斗(1)内壁或外壁上的保温层以及多个微波加热器(31)；

所述保温层用于对打印材料进行保温；

多个所述微波加热器(31)绕所述漏斗(1)周向均匀分布，所述微波加热器(31)的作用端伸入所述漏斗(1)内。

3.根据权利要求1或2所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述打印喷头(4)为圆柱状；

所述第一流道(41)和第二流道(42)沿打印喷头(4)的轴向方向两侧设置，其上端合二为一，并与漏斗(1)的输出端连通；第一流道(41)和第二流道(42)的中部设置隔断层(43)将二者分开；第一流道(41)和第二流道(42)的下端与打印材料输出口(45)连通；所述隔断层(43)的外表面为沿打印材料流动方向设置的平滑曲面；所述丝网通道设置在隔断层(43)的中部，且沿打印喷头(4)的径向贯穿隔断层(43)及打印喷头(4)前后。

4.根据权利要求3所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述加固单元(5)包括第一驱动件(51)、丝网辊子(52)以及所述加强丝网(6)；

所述第一驱动件(51)固连于所述打印喷头(4)的后方；

所述丝网辊子(52)连接于第一驱动件(51)的作用端，所述丝网辊子(52)的轴线与打印喷头(4)的轴线平行；

所述加强丝网(6)缠绕在丝网辊子(52)外。

5.根据权利要求4所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述加固单元(5)还包括切断组件(53)；

所述切断组件(53)包括滚筒外壳(531)、切割刀片(532)以及第二驱动件(533)；

所述滚筒外壳(531)套装在丝网辊子(52)外，且与第一驱动件(51)的本体固连，其侧壁上设置有与所述丝网通道(44)对应的丝网出口(5311)；

所述切割刀片(532)嵌装在滚筒外壳(531)内，其刀刃靠近所述丝网出口(5311)，滚筒外壳(531)对应一侧内壁上设置有与切割刀片(532)对应的切割衬板；

所述第二驱动件(533)安装在滚筒外壳(531)上，其作用端与所述切割刀片(532)连接，用于驱动所述切割刀片(532)旋转至丝网出口(5311)处，以适时切断所述加强丝网(6)。

6.根据权利要求5所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：还包括安装在所述漏斗(1)上的测温单元(7)和传感监测单元(8)；

所述测温单元(7)用于实时测量打印材料的温度；

所述传感监测单元(8)位于所述漏斗(1)上靠近打印喷头(4)的位置，用于实时测量打印材料的挤出压力、挤出速度以及输出的打印材料硬化状态。

7.根据权利要求6所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述驱动搅拌单元(2)包括第三驱动件(21)、联轴器(22)和搅拌叶轮(23)；

所述第三驱动件(21)设置于漏斗(1)上方，其作用端通过联轴器(22)与搅拌叶轮(23)上端连接；所述搅拌叶轮(23)下端伸入漏斗(1)内，用于搅拌打印材料；所述搅拌叶轮(23)与漏斗(1)之间设有第一深沟球轴承(24)。

8.根据权利要求7所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：还包括控制单元；

所述控制单元分别与加热单元(3)、第一驱动件(51)、第二驱动件(533)、测温单元(7)、第三驱动件(21)以及传感监测单元(8)连接。

9.根据权利要求8所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，其特征在于：所述漏斗(1)包括漏斗本体(11)和漏斗端盖(12)；

所述漏斗端盖(12)盖装在漏斗本体(11)上端；所述漏斗本体(11)用于盛装打印材料；

所述第三驱动件(21)通过顶部支撑架(13)安装在漏斗端盖(12)顶部；

所述搅拌叶轮(23)伸入漏斗本体(11)内；

所述加热单元(3)设置在漏斗本体(11)上；所述测温单元(7)设置在漏斗端盖(12)上；所述打印喷头(4)与漏斗本体(11)输出端连通；

所述加固单元(5)通过底部支撑架(54)固连于打印喷头(4)的后方；所述底部支撑架(54)包括连接杆(541)和分别设置在所述连接杆(541)两端的安装环(542)和安装座(543)；

所述安装环(542)套装在所述打印喷头(4)与漏斗本体(11)输出端连接处之外；所述第一驱动件(51)安装在安装座(543)上，其输出轴向下伸出所述安装座(543)与丝网辊子(52)连接；所述第一驱动件(51)的输出轴与安装座(543)之间设有第二深沟球轴承(544)；

所述滚筒外壳(531)通过安装座(543)与第一驱动件(51)的本体固连。

10.一种结构增强型混凝土一体化3D打印设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的结构增强型混凝土一体化3D打印机构，还包括移动平台、机械臂以及打印材料输送装置；

所述机械臂一端与所述移动平台连接，另一端与所述驱动搅拌单元(2)连接；

所述打印材料输送装置与所述漏斗(1)连通，用于向漏斗输送打印材料。

Images