CN116985237A - 利用螺旋钢纤维的水泥基材料3d打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法，其中，利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，包括出料管以及控制器，出料管体上转动套设固定环板，固定环板的一侧固设钢纤维插接机构，出料管体上固定套设环形齿轮，固定环板的上表面固设第一电机，第一电机的输出轴上具有与环形齿轮啮合的第一主动齿轮，钢纤维插接机构包括导轨、行走小车钢纤维导向柱、钢纤维切割单元以及位于钢纤维切割单元右侧的钢纤维输送单元。本发明的3D打印装置，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。

Description

利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及建筑领域，尤其涉及利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置及打印方法。

背景技术

针对纤维水泥基材料容易堵塞喷头且水泥基材料层与层之间的粘接方式与一体式的浇筑相比，强度和稳定性依然比较低的问题。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。

而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分别在同一3D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。

鉴于此，技术人员提出了将钢纤维插接机构转动设于出料管一侧，很好的解决了上述问题，但是使用中也发现了新的问题，比如插接的钢纤维虽然一定程度上加强了层与层之间的结构强度，但是抗拉拔性能依然不足，由此技术人员通过选型发现，螺旋状的钢纤维设置在打印层中能够大大增强层与层之间的抗拉抗剪等结构强度，但是，如何在打印过程中将设置螺旋状钢纤维、如何将螺旋状钢纤维插入水泥基材料中是个需要解决的技术问题，另外，螺旋状钢纤维插入水泥基材料中需要一个过程，而出料管的行走不能停顿，因此，在3D打印过程中，如何在出料管持续运行的过程中按照设定点位插入螺旋状钢纤维是另一个技术难题。

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，提供了利用螺旋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：

利用螺旋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，所述出料管体上通过轴承转动套设固定环板，所述固定环板的径向一侧固设钢纤维插接机构，所述出料管体上固定套设环形齿轮，所述固定环板的上表面固设第一电机，所述环形齿轮位于所述固定环板的上方，第一电机的输出轴上具有与所述环形齿轮啮合的第一主动齿轮，所述钢纤维插接机构包括固定在所述固定环板的径向一侧的导轨、设于导轨底部的由第二电机驱动的行走小车、设于行走小车下方的钢纤维导向柱、设于钢纤维导向柱右侧的钢纤维切割单元以及位于钢纤维切割单元右侧的钢纤维输送单元，所述钢纤维导向柱中设置与钢纤维吻合滑动配合的螺旋孔，所述螺旋孔的上口位于所述钢纤维导向柱的侧面且下口位于所述钢纤维导向柱的下端面上，所述钢纤维切割单元包括固定在小车底部的推杆以及设于推杆底部的紧贴钢纤维导向柱侧壁的切刀，钢纤维输送单元包括L形的固定板、设于固定板上的放线盘以及导引输送钢纤维的滚轮组，L形的固定板包括顶部固定在行走小车底部的竖板以及左端部固定在纤维导向柱侧壁的横板，滚轮组包括设于滚轮支架上的由第三电机驱动的主动轮以及与主动轮对应配合的从动轮，所述主动轮和从动轮形成压紧钢纤维的输送槽，控制器分别于第一电机、第二电机、第三电机以及推杆控制连接。

优选的，第一电机、第二电机和第三电机均为伺服电机，所述推杆为电动推杆，所述控制器与电动推杆控制连接。

优选的，所述横板上固设贴在纤维导向柱侧壁上的第一支撑板以及第一支撑板右侧的第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板上固定钢纤维导向管，钢纤维导向管具有供钢纤维吻合滑动穿过的导向孔，钢纤维导向管的一端与所述螺旋孔的上口连通且该端的上表面具有供切刀插入以切断钢纤维的楔形豁口，所述楔形豁口的底部与导向孔的底部持平或略低于导向孔的底部，钢纤维导向管的另一端与输送槽贴近且正对设置。

优选的，所述导轨为工字型导轨。

优选的，所述行走小车包括U形板、设于U形板内的由第二电机对应驱动的行走轮以及设于所述侧板内壁上的导向轮机构，所述行走轮与工字型导轨下部的翼缘板滚动设置，导向轮机构包括水平固定在于所述侧板内壁上的导向轮固定架以及与工字型导轨的腹板滚动配合的导向轮，第二电机与所述侧板的底部之间固设斜向加强板。

利用上述水泥基材料3D打印装置进行打印的方法，包括以下步骤：

步骤1 、控制器根据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，控制器同时控制第一电机和第二电机将钢纤维导向柱送达预定的钢纤维植入点，然后控制第三电机继续输送钢纤维进入钢纤维导向柱螺旋孔中，推动螺旋孔中的钢纤维向下螺旋运动并旋入水泥基中，同时插入导向柱螺旋孔中的钢纤维在螺旋孔的约束下塑形成螺旋状，然后推杆向下推动切刀切断钢纤维并迅速回缩为下次钢纤维的插入让出位置，螺旋状的钢纤维旋入水泥基的过程中， 第一电机和第二电机在控制器的控制下根据设定转动以便保持钢纤维导向柱始终位于植入点上方；

步骤3、一个植入点的螺旋钢纤维植入完毕，控制器控制第一电机和第二电机跟随出料管将钢纤维导向柱送到下一个设定的植入点继续植入螺旋钢纤维。

本发明的利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，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。使用的时候，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，通过控制器驱动第一电机带动钢纤维插接机构转动，并通过第二电机驱动行走小车在导轨上移动，通过两者的调节将钢纤维导向柱送达预定的钢纤维植入点，由于导轨具有一定的长度，在钢纤维植入的过程中，可通过第一电机调节导轨的角度并通过第二电机调节行走小车在导轨上的位置，使得在不影响出料管运行的前提下，钢纤维导向柱始终保持在植入点上方；第三电机通过滚轮组将钢纤维进入钢纤维导向柱螺旋孔中，强制顶推螺旋孔中的钢纤维向下螺旋运动并旋入水泥基中，同时插入导向柱螺旋孔中的钢纤维在螺旋孔的约束下塑形成螺旋状，然后控制器控制推杆向下推动切刀切断钢纤维并迅速回缩为下次钢纤维的插入让出位置，一个植入点的螺旋钢纤维植入完毕，控制器控制第一电机和第二电机跟随出料管将钢纤维导向柱送到下一个设定的植入点继续植入螺旋钢纤维，结构巧妙，非常使用，解决了在3D打印过程中，如何在出料管持续运行的过程中按照设定点位插入螺旋状钢纤维的问题。滚轮组包括设于滚轮支架上的由第三电机驱动的主动轮以及与主动轮对应配合的从动轮，所述主动轮和从动轮形成压紧钢纤维的输送槽，能够压紧钢纤维，强制输送钢纤维向前输送。控制器分别于第一电机、第二电机、第三电机以及推杆控制连接。

更近一步的，钢纤维导向管的一端与所述螺旋孔的上口连通，用于将钢纤维输送到螺旋孔中顶压之前的肝纤维并通过螺旋孔将自身塑形为螺旋状钢纤维，钢纤维导向管该端的上表面具有楔形豁口用于供切刀插入以切断钢纤维，楔形豁口的底部与导向孔的底部持平或略低于导向孔的底部，保证切断钢纤维的同时保证钢纤维不折弯，方便钢纤维插入螺旋孔的上口，横板上固设贴在纤维导向柱侧壁上的第一支撑板以及第一支撑板右侧的第二支撑板，用于支撑钢纤维导向管，特别是第一支撑板对应定在楔形豁口用于承受切刀的向下传递的冲击力，保证钢纤维导向管使用稳定性，钢纤维导向管的另一端与输送槽贴近且正对设置，方便滚轮组输送的钢纤维插入钢纤维导向管的导向孔中。

更近一步的，行走小车上设置导向轮机构保证行走小车在导轨上的行走稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中钢纤维插接机构的局部结构示意图；

图3是本发明实施例中行走小车的结构示意图。

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

利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，如图1-3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1以及设于出料管体底部的锥状出料口4，出料管体上通过轴承转动套设固定环板3，固定环板的径向一侧固设钢纤维插接机构，出料管体上固定套设环形齿轮7，固定环板的上表面固设第一电机2，环形齿轮位于固定环板的上方，第一电机的输出轴上具有与环形齿轮啮合的第一主动齿轮，纤维插接机构包括固定在固定环板的径向一侧的工字型导轨10、设于导轨10底部的由第二电机11驱动的行走小车、设于行走小车下方的钢纤维导向柱5、设于钢纤维导向柱右侧的钢纤维切割单元以及位于钢纤维切割单元右侧的钢纤维输送单元，钢纤维导向柱中设置与钢纤维吻合滑动配合的螺旋孔6，螺旋孔的上口位于钢纤维导向柱的侧面且下口位于钢纤维导向柱的下端面上，钢纤维切割单元包括固定在小车底部的电动推杆19以及设于推杆底部的紧贴钢纤维导向柱侧壁的切刀20，钢纤维输送单元包括L形的固定板、通过放线盘支架24设于固定板上的放线盘8以及导引输送钢纤维的滚轮组，L形的固定板包括顶部固定在行走小车底部的竖板28以及左端部固定在纤维导向柱侧壁的横板23，滚轮组包括设于滚轮支架25上的由第三电机驱动的主动轮22以及与主动轮对应配合的从动轮21，主动轮和从动轮形成压紧钢纤维的输送槽，控制器分别于第一电机、第二电机、第三电机以及电动推杆控制连接，本实施例中，第一电机、第二电机和第三电机均为伺服电机，所述推杆为电动推杆，所述控制器与电动推杆控制连接。

本实施例中，横板上固设贴在纤维导向柱侧壁上的第一支撑板29以及第一支撑板右侧的第二支撑板27，第一支撑板和第二支撑板上固定钢纤维导向管30，钢纤维导向管具有供钢纤维31吻合滑动穿过的导向孔，钢纤维导向管的一端与螺旋孔的上口连通且该端的上表面具有供切刀插入以切断钢纤维的楔形豁口，楔形豁口的底部与导向孔的底部持平或略低于导向孔的底部，钢纤维导向管的另一端与输送槽贴近且正对设置。需要指出的是，本实施例中钢纤维为可塑性好的铁丝。

本实施例中，行走小车包括U形板12、设于U形板内的行走轮15以及设于侧板内壁上的导向轮机构，第二电机11的转轴16转动穿设在U形板的侧板上，转轴16连接对应的行走轮15，行走轮与工字型导轨下部的翼缘板18滚动设置，导向轮机构包括水平固定在于侧板内壁上的导向轮固定架14以及与工字型导轨的腹板17滚动配合的导向轮13，第二电机与侧板的底部之间固设斜向加强板9。

本实施例的利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，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。使用的时候，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，通过控制器驱动第一电机带动钢纤维插接机构转动，并通过第二电机驱动行走小车在导轨上移动，通过两者的调节将钢纤维导向柱送达预定的钢纤维植入点，由于导轨具有一定的长度，在钢纤维植入的过程中，可通过第一电机调节导轨的角度并通过第二电机调节行走小车在导轨上的位置，使得在不影响出料管运行的前提下，钢纤维导向柱始终保持在植入点上方；第三电机通过滚轮组将钢纤维进入钢纤维导向柱螺旋孔中，强制顶推螺旋孔中的钢纤维向下螺旋运动并旋入水泥基中，同时插入导向柱螺旋孔中的钢纤维在螺旋孔的约束下塑形成螺旋状，然后控制器控制推杆向下推动切刀切断钢纤维并迅速回缩为下次钢纤维的插入让出位置，一个植入点的螺旋钢纤维植入完毕，控制器控制第一电机和第二电机跟随出料管将钢纤维导向柱送到下一个设定的植入点继续植入螺旋钢纤维，结构巧妙，非常使用，解决了在3D打印过程中，如何在出料管持续运行的过程中按照设定点位插入螺旋状钢纤维的问题。 滚轮组包括设于滚轮支架上的由第三电机驱动的主动轮以及与主动轮对应配合的从动轮，所述主动轮和从动轮形成压紧钢纤维的输送槽，能够压紧钢纤维，强制输送钢纤维向前输送。控制器分别于第一电机、第二电机、第三电机以及推杆控制连接。

钢纤维导向管的一端与所述螺旋孔的上口连通，用于将钢纤维输送到螺旋孔中顶压之前的肝纤维并通过螺旋孔将自身塑形为螺旋状钢纤维，钢纤维导向管该端的上表面具有楔形豁口用于供切刀插入以切断钢纤维，楔形豁口的底部与导向孔的底部持平或略低于导向孔的底部，保证切断钢纤维的同时保证钢纤维不折弯，方便钢纤维插入螺旋孔的上口，横板上固设贴在纤维导向柱侧壁上的第一支撑板以及第一支撑板右侧的第二支撑板，用于支撑钢纤维导向管，特别是第一支撑板对应定在楔形豁口用于承受切刀的向下传递的冲击力，保证钢纤维导向管使用稳定性，钢纤维导向管的另一端与输送槽贴近且正对设置，方便滚轮组输送的钢纤维插入钢纤维导向管的导向孔中。行走小车上设置导向轮机构保证行走小车在导轨上的行走稳定性。

实施例2

利用上述水泥基材料3D打印装置进行打印的方法，如图1-3所示，包括以下步骤：

步骤1 、控制器根据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，控制器同时控制第一电机和第二电机将钢纤维导向柱送达预定的钢纤维植入点，然后控制第三电机继续输送钢纤维进入钢纤维导向柱螺旋孔中，推动螺旋孔中的钢纤维向下螺旋运动并旋入水泥基中，同时插入导向柱螺旋孔中的钢纤维在螺旋孔的约束下塑形成螺旋状，然后推杆向下推动切刀切断钢纤维并迅速回缩为下次钢纤维的插入让出位置，螺旋状的钢纤维旋入水泥基的过程中， 第一电机和第二电机在控制器的控制下根据设定转动以便保持钢纤维导向柱始终位于植入点上方；

步骤3、一个植入点的螺旋钢纤维植入完毕，控制器控制第一电机和第二电机跟随出料管将钢纤维导向柱送到下一个设定的植入点继续植入螺旋钢纤维。

需要说明的是,钢纤维具有可塑形的钢纤维,比如铁丝,也可以采用铝纤维代替钢纤维。

Claims (5)

1.利用螺旋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:所述出料管体上通过轴承转动套设固定环板，所述固定环板的径向一侧固设钢纤维插接机构，所述出料管体上固定套设环形齿轮，所述固定环板的上表面固设第一电机，所述环形齿轮位于所述固定环板的上方，第一电机的输出轴上具有与所述环形齿轮啮合的第一主动齿轮，所述钢纤维插接机构包括固定在所述固定环板的径向一侧的导轨、设于导轨底部的由第二电机驱动的行走小车、设于行走小车下方的钢纤维导向柱、设于钢纤维导向柱右侧的钢纤维切割单元以及位于钢纤维切割单元右侧的钢纤维输送单元，所述钢纤维导向柱中设置与钢纤维吻合滑动配合的螺旋孔，所述螺旋孔的上口位于所述钢纤维导向柱的侧面且下口位于所述钢纤维导向柱的下端面上，所述钢纤维切割单元包括固定在小车底部的推杆以及设于推杆底部的紧贴钢纤维导向柱侧壁的切刀，钢纤维输送单元包括L形的固定板、设于固定板上的放线盘以及导引输送钢纤维的滚轮组，L形的固定板包括顶部固定在行走小车底部的竖板以及左端部固定在纤维导向柱侧壁的横板，滚轮组包括设于滚轮支架上的由第三电机驱动的主动轮以及与主动轮对应配合的从动轮，所述主动轮和从动轮形成压紧钢纤维的输送槽，控制器分别于第一电机、第二电机、第三电机以及推杆控制连接。

2.根据权利要求1所述的利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：第一电机、第二电机和第三电机均为伺服电机，所述推杆为电动推杆，所述控制器与电动推杆控制连接。

3.根据权利要求2所述的利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述导轨为工字型导轨。

4.根据权利要求3所述的利用螺旋钢纤维的水泥基材料3D打印装置，其特征在于：所述行走小车包括U形板、设于U形板内的由第二电机对应驱动的行走轮以及设于所述侧板内壁上的导向轮机构，所述行走轮与工字型导轨下部的翼缘板滚动设置，导向轮机构包括水平固定在于所述侧板内壁上的导向轮固定架以及与工字型导轨的腹板滚动配合的导向轮，第二电机与所述侧板的底部之间固设斜向加强板。

5.利用权利要求4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 、控制器根据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，控制器同时控制第一电机和第二电机将钢纤维导向柱送达预定的钢纤维植入点，然后控制第三电机继续输送钢纤维进入钢纤维导向柱螺旋孔中，推动螺旋孔中的钢纤维向下螺旋运动并旋入水泥基中，同时插入导向柱螺旋孔中的钢纤维在螺旋孔的约束下塑形成螺旋状，然后推杆向下推动切刀切断钢纤维并迅速回缩为下次钢纤维的插入让出位置，螺旋状的钢纤维旋入水泥基的过程中， 第一电机和第二电机在控制器的控制下根据设定转动以便保持钢纤维导向柱始终位于植入点上方；

步骤3、一个植入点的螺旋钢纤维植入完毕，控制器控制第一电机和第二电机跟随出料管将钢纤维导向柱送到下一个设定的植入点继续植入螺旋钢纤维。