CN117021571A - 一种3d打印混凝结构、打印设备及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法，关于3D打印技术领域，一种3D打印混凝结构，包括多层混凝层，所述混凝层包括多根混凝柱，多根所述混凝柱相互粘连融合，其中，混凝柱包括第一耗材和加强筋，所述加强筋设置在第一耗材的内部。一种3D打印设备，用于制备3D打印混凝结构，3D打印设备包括打印头，打印头安装在3D打印设备的下端，打印头包括安装台，所述安装台的上端固定连接有加热部件，所述安装台远离加热部件的一端固定连接有喉管。与现有技术相比，根据本发明的一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法，其使用3D打印混凝结构成型后的模型强度高，使得成型后的模型能够易于承受拉力，很大程度上增加了模型的质量以及强度。

Description

一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法

技术领域

本发明是关于3D打印技术领域，特别是关于一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法。

背景技术

FMD(沉积法)3D打印技术一般使用打印设备将较粗的长条形原材料(耗材)熔化后再从细喷口挤出，挤出后冷却成型。经过层层堆叠，最终完成一个多层结构的产品。

得益于沉积法打印的逐层编辑的成型原理，该技术生产的产品可具有复杂的内部封闭镂空(如一外表完全封闭的立方体，内部具有复杂的支撑结构)，故理论上只要能够去除打印需要的辅助支撑结构，此打印技术可以完成任何结构的加工。

但是现有的沉积法打印的成型材料较单一，且材料本身强度不高，导致成型后的模型强度不高，即模型本身较脆，不易于承受拉力，从而影响成型后模型的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法，其使用3D打印混凝结构成型后的模型强度高，使得成型后的模型能够易于承受拉力，很大程度上增加了模型的质量以及强度

为实现上述目的，本发明提供了一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法，一种3D打印混凝结构，包括多层混凝层，所述混凝层包括多根混凝柱，多根所述混凝柱相互粘连融合；

其中，混凝柱包括第一耗材和加强筋，所述加强筋设置在第一耗材的内部。

在一个或多个实施方式中，一种3D打印设备，用于制备如权利要求所述的一种3D打印混凝结构，所述3D打印设备包括：

打印头，所述打印头安装在3D打印设备的下端，所述打印头包括安装台，所述安装台的上端固定连接有加热部件，所述安装台远离加热部件的一端固定连接有喉管；

送丝机构，所述送丝机构与打印头相匹配，所述送丝机构用于给打印头输送加强筋；

第一切断机构，所述第一切断机构与喉管相匹配，所述第一切断机构用于切断打印头喷出的混凝柱；

物联网模块，所述物联网模块用于控制3D打印设备。

在一个或多个实施方式中，所述送丝机构包括电机和连接杆，所述连接杆上固定连接有安装部件，所述安装部件上安装有多个安装盒，所述连接杆上还固定连接有第一导杆，所述第一导杆远离安装部件的一端固定连接有与喉管相匹配的第二导杆。

在一个或多个实施方式中，所述安装盒上转动连接有料辊，所述加强筋卷绕在料辊上，所述加强筋的一端穿过第一导杆。

在一个或多个实施方式中，所述第一导杆包括第三壳体，所述第三壳体的内部固定连接有多个输送部件，所述输送部件用于输送加强筋。

在一个或多个实施方式中，所述第二导杆和第一导杆之间固定连接有第二切断机构，所述第二切断机构用于检测加强筋的长度，所述第二切断机构还可以用于将加强筋进行切断。

在一个或多个实施方式中，所述喉管上固定连接有换热机构，所述换热机构用于降低打印头的温度。

在一个或多个实施方式中，所述换热机构包括第一壳体、连接管、泵和集热套筒，所述集热套筒能够将喉管包裹，所述第一壳体固定连接在加热部件的上端，所述第一壳体连通集热套筒和第一壳体，所述泵固定连接在连接管上。

在一个或多个实施方式中，一种3D打印方法，使用如权利要求2～8任意权利要求所述的3D打印设备，包括以下步骤：

S1、加载3D打印模型信息，将第二耗材插入至打印设备中，进行预热；

S2、将预热完成之后的第二耗材进行加热直至熔化，得到第一耗材，将第一耗材和加强筋结合，得到待凝固混凝柱；

S3、3D打印设备带待凝固混凝柱沿3D打印模型信息行走，待凝固混凝柱凝固后得到混凝结构的打印模型。

在一个或多个实施方式中，所述第二耗材包括加强筋和混凝柱，所述加强筋设置在混凝柱的内部。

与现有技术相比，根据本发明的一种3D打印混凝结构、打印设备及打印方法具有以下优点：

1)、使用3D打印混凝结构成型后的模型强度高，使得成型后的模型能够易于承受拉力，很大程度上增加了模型的质量以及强度；

2)、3D打印设备能够根据打印模型更换不同规格的加强筋，在打印的过程中不需要更换第二耗材的情况下，自动完成换丝操作，操作简单，且根据打印模型更换不同的加强筋，能够大幅度增加打印模型的质量以及强度；

3)、第一耗材被损坏后，通过加强筋的强度，仍能够支撑打印模型不产生形变，且加强筋能够增强打印模型的抗击能力。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的一种3D打印混凝结构的结构示意图一。

图2是根据本发明一实施方式的一种3D打印混凝结构的结构示意图二。

图3是根据本发明一实施方式的一种3D打印设备的结构示意图一。

图4是根据本发明一实施方式的一种3D打印设备的结构示意图二。

图5是根据本发明一实施方式的一种3D打印设备的正视图。

图6是根据本发明一实施方式的一种3D打印设备的半剖图。

图7是图6中C处结构示意图。

图8是图6中D处结构示意图。

图9是根据本发明一实施方式的第一切断机构的半剖图。

图10是根据本发明一实施方式的送丝机构处结构示意图一。

图11是根据本发明一实施方式的送丝机构处结构示意图二。

图12是根据本发明一实施方式的送丝机构处半剖图。

图13是图12中A处结构示意图。

图14是图12中B处结构示意图。

图15是根据本发明一实施方式的料辊的结构示意图。

图16是根据本发明一实施方式的料辊的半剖图

图17是根据本发明一实施方式的一种3D打印设备的使用状态图。

图18是图17中E处结构示意图。

图19是根据本发明一实施方式的第一耗材和加强筋结合的剖面图。

图20是根据本发明一实施方式的集热套筒的结构示意图。

主要附图标记说明：

1、第一耗材；2、加强筋；3、安装台；301、第一电源线；4、加热部件；5、换热机构；501、第一壳体；5011、第一出气孔；502、连接管；503、泵；504、集热套筒；5041、密封圈；5042、第二出气孔；6、第二耗材；7、喉管；8、第一切断机构；801、第一支架；8011、滑槽；802、延长臂；8021、第一切刀；803、第一伸缩杆；9、送丝机构；901、电机；902、连接杆；903、安装部件；904、安装盒；9041、第一通孔；9042、卡槽；9043、第二通孔；905、第一导杆；9051、第三壳体；9052、输送部件；906、第二导杆；10、第二支架；11、第二切断机构；1101、第二壳体；11011、盲孔；1102、检测探头；1103、第二伸缩杆；1104、第二切刀；12、料辊；1201、轴承；1202、料辊主体；13、第二电源线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

参图1～图2所示，根据本发明一实施方式的一种3D打印混凝结构，包括多层混凝层，混凝层包括多根混凝柱。

参图1～图2所示，混凝柱由凝固后的加强筋2和第一耗材1组成，加强筋2位于第一耗材1的内部。即加强筋2被第一耗材1包裹。由于混凝层是多层。通过相互垂直的加强筋2能够大幅度增强成型的抗挤压能力、延展性。

其中，加强筋2具体可以为线性结构的材料，如钢丝绳，鱼丝线，钢琴线，棉线等。

参图3～图20所示，一种3D打印设备，包括打印头，打印头安装在3D打印设备的下端。通过打印头能够将第二耗材6熔化，并将第一耗材1和加强筋2结合，使得加强筋2能够位于第一耗材1的内部打印。

具体的，参图3～图6所示，打印头包括安装台3，安装台3的上端固定连接有加热部件4，安装台3远离加热部件4的一端固定连接有喉管7。安装台3上固定连接有第一电源线301，即安装台3能够在安装加热部件4的同时，还可以给加热部件4提供电能，加热部件4的上端用于第二耗材6进入，加热部件4内安装有传送部件一，传送部件一用于输送第二耗材6，加热部件4用于将第二耗材6熔化，熔化后第二耗材6得到第一耗材1，第一耗材1经过加热部件4融化之后存储在喉管7中，安装台3的上端还固定连接有与喉管7相匹配的送丝机构9。

具体的，送丝机构9用于向喉管7内输送加强筋2，送丝机构9的出口端位于喉管7的中部，由于喉管7内存储有第一耗材1，第一耗材1和加强筋2同时出来，使得加强筋2能够被第一耗材1包裹，加强筋2同时和第一耗材1从喉管7中挤出。

参图3～图5所示，送丝机构9和安装台3之间安装有第二支架10，第二支架10用于对送丝机构9进行安装，第二支架10为中空支架，第二电源线13则安装在第二支架10的内部，与送丝机构9电性连接。第二电源线13收纳在第二支架10中，用于节省空间，避免3D打印设备在使用的过程中，第二电源线13影响3D打印设备正常使用。

参图10～图14所示，送丝机构9包括电机901和连接杆902，电机901和连接杆902为固定连接，电机901能够带着连接杆902转动。连接杆902上固定连接有安装部件903，安装部件903上安装有多个安装盒904。多个安装盒904分别用于装载不同规格的加强筋2，通过切换不同规格的加强筋2，使得3D打印设备制作出来的混凝柱的强度不同，可以根据需要进行切换。

具体的，连接杆902上还固定连接有第一导杆905，第一导杆905和安装盒904相匹配，一个第一导杆905和一个安装盒904匹配，第一导杆905用于拉动加强筋2，使加强筋2能够延长，由于加强筋2具有一定的硬度，通过第一导杆905能够拉动安装盒904内的加强筋2的同时还可以将远离安装盒904的一端向喉管7内推送。

更进一步的，第一导杆905远离安装部件903的一端固定连接有与喉管7相匹配的第二导杆906。远离安装盒904一端的加强筋2沿第二导杆906进入到喉管7的内部，喉管7的下端开设有出料孔，第二导杆906和出料孔垂直设置，第二导杆906的外径和出料孔的外径为同心设置。

参图2～图20所示，3D打印设备还包括物联网模块，物联网模块用于控制3D打印设备，在进行加强筋2的切换时，物联网模块接收所加载3D打印模型信息，通过接收的加载3D打印模型信息控制电机901转动，实现加强筋2的转换。电机901在转动的过程中，需要保证转动后的第一导杆905和第二导杆906同心，此时加强筋2才便于进入到第二导杆906中，从而进入到喉管7内。

参图12～图14所示，第一导杆905包括第三壳体9051，第三壳体9051的内部固定连接有多个输送部件9052，输送部件9052用于输送加强筋2。输送部件9052沿第三壳体9051的内壁设置，能够将加强筋2包裹，加强筋2和输送部件9052为过盈配合，多个输送部件9052与加强筋2的外壁接触，输送部件9052运行的过程中，给加强筋2提供动力，使得加强筋2能够进入到喉管7中。

参图11所示，安装盒904上转动连接有料辊12，加强筋2卷绕在料辊12上，加强筋2的一端穿过第一导杆905。第一导杆905给卷绕在料辊12上的加强筋2施加拉力，给远离安装盒904一端的加强筋2施加推动的力，使得加强筋2能够向喉管7的方向移动。

优选的，安装盒904上可以设置检测加强筋2的检测组件，通过检测组件检测加强筋2卷绕在料辊12上的剩余量，可以通过视频检测的方式检测，料辊12的卷绕面为红色，当拍摄到红色时，检测组件立即作出警报，提醒工作人员对料辊12进行更换。

参图15～图16所示，料辊12包括轴承1201和料辊主体1202，加强筋2卷绕在料辊主体1202上，料辊主体1202和轴承1201为转动连接。参图11所示，安装盒904上开设有与料辊主体1202相匹配的第一通孔9041，安装盒904上开设有与轴承1201相匹配的卡槽9042，卡槽9042和轴承1201为转动连接，轴承1201卡接在卡槽9042中，料辊主体1202能够转动，转动的过程中会将卷绕在加强筋2上的拉出。

参图12所示，安装盒904的下端开设有第二通孔9043，加强筋2的一端从第二通孔9043中伸出。

其中，料辊主体1202和轴承1201之间具有阻尼，在正常情况下，料辊主体1202和轴承1201不会发生转动，只有在第一导杆905运行拉动加强筋2时，料辊主体1202才会和轴承1201转动。

参图11～图14所示，第二导杆906和第一导杆905之间固定连接有第二切断机构11，第二切断机构11固定连接在第二导杆906的前端，第二切断机构11用于检测加强筋2的长度，同时还可以将加强筋2进行切断。

参图14所示，第二切断机构11包括第二壳体1101，第二壳体1101上开设有一对盲孔11011，盲孔11011和第二壳体1101的中空部分相通，盲孔11011的内部华东连接有第二切刀1104，第二切刀1104和盲孔11011的底壁之间固定连接有第二伸缩杆1103。即第二壳体1101内设置有一对第二切刀1104，第二切刀1104相对设置，通过挤压切割的方式对加强筋2进行切割。

其中，第二切刀1104的上端还固定连接有检测探头1102，检测探头1102用于检测加强筋2的长度，从加强筋2的前端到一定的距离，具体根据3D打印模型信息控制加强筋2的长度，检测探头1102检测到加强筋2经过长度到一定程度时，则控制第二伸缩杆1103推动第二切刀1104，第二切刀1104对加强筋2进行切割。

其中，切割完成之后，位于第二导杆906中的加强筋2还需要继续推进，如果需要不同材料的加强筋2，则先启动电机901，将需要的加强筋2转动至与第二导杆906匹配，然后通过第一导杆905输送加强筋2，将原来的加强筋2和现有的加强筋2接触时，继续推送现有的加强筋2，原来的加强筋2被现有的加强筋2继续推送。

当然，也可以在第二导杆906上设置推送机构，推送机构推送被剪切后的加强筋2。

大部分切割来自于同一混凝层的打印过程中，当喉管7完成一层的某步打印后，喉管7需要移动到另一位置继续打印且移动过程不出料，专业术语叫“旅行”，每次旅行前都需要切断细丝防止细丝在旅行始末点间形成额外的拉丝。因此，安装台3的下端还固定连接有与喉管7相匹配的第一切断机构8，第一切断机构8用于切断打印头喷出的混凝柱。

参图9所示，第一切断机构8的数量有两个，两个第一切断机构8相对设置，第一切断机构8包括第一支架801和延长臂802，第一支架801上开设有滑槽8011，延长臂802的一端华东连接在滑槽8011中，滑槽8011的底壁和延长臂802之间固定连接有第一伸缩杆803，通过第一伸缩杆803能够使相对的延长臂802靠近，从而对加强筋2进行切断。

具体的，延长臂802上设置有第一切刀8021，第一切刀8021用于切断加强筋2。

3D打印设备在使用时，首先将第二耗材6安装在加热部件4上，然后将送丝机构9上的多个加强筋2安装完成，加热部件4对第二耗材6进行熔化，熔化之后的第二耗材6为第一耗材1，第一耗材1则存储在喉管7中，送丝机构9将加强筋2推送至喉管7内与第一耗材1接触，加强筋2和第一耗材1同时从喉管7中挤出，形成待凝固的混凝柱，使用待凝固的混凝柱打印，得到混凝层，最终得到混凝机构的打印模型。

3D打印设备根据分析打印模型的信息，通过物联网模块控制电机901转动，实现加强筋2的切换，在打印的过程中，通过第二切断机构11也可以对加强筋2进行切断，然后再通过转动电机901，实现料辊12的转变，即对加强筋2进行更换。在打印的过程中也可以实现对加强筋2的更换，使得不同的混凝层由不同的加强筋2制作而成，对于一些打印模型较脆弱的部分，通过强度高的加强筋2制作，打印模型比较厚重的部分，使用普通的加强筋2制作。在节省成本的情况下，还可以保证打印模型的强度。

参图3～图4所示，喉管7上固定连接有换热机构5，换热机构5用于降低打印头的温度。换热机构5通过抽走喉管7附近高温空气的方式对喉管7进行降温，加快喉管7的散热速度。抽走的高温空气进行换热后用于给第二耗材6进行预热。减少熔化第二耗材6所需要的能耗。

其中，换热机构5包括第一壳体501、连接管502、泵503和集热套筒504，第一壳体501固定连接在加热部件4的上端，第一壳体501连通集热套筒504和第一壳体501，泵503固定连接在连接管502上。集热套筒504能够将喉管7包裹，集热套筒504将喉管7的一段包裹，包裹的部分为密封状态，密封状态能够保证喉管7的温度的同时还可以降低温度的流失。集热套筒504的内部设置有第一温度检测探头，当温度检测探头检测到集热套筒504内的温度过高时，则启动泵503，将热空气抽走，通过连接管502输送至第一壳体501中，热空气与第一壳体501换热，第一壳体501的内壁和第二耗材6的外壁接触，从而实现对第二耗材6的预热。

参图20所示，集热套筒504上开设有多个密封圈5041，密封圈5041实现对喉管7的密封。集热套筒504的下端开设有多个第二出气孔5042，第二出气孔5042和泵503相连通，在喉管7进行打印时，泵503将气体输出至第二出气孔5042，第二出气孔5042吹出的气体能够对混凝结构散热。

参图4所示，第一壳体501的上端开设有多个与第二耗材6相匹配的第一出气孔5011。第一壳体501中设置有第二温度检测探头，第二温度检测探头能够对第一壳体501内部空气的检测，当第一壳体501中的空气温度过低时，则通过第一出气孔5011将空气排出，排出的空气与第二耗材6接触，即带有预热的空气排出后也能够起到预热第二耗材6的作用。

一种3D打印方法，包括以下步骤：

S1、加载3D打印模型信息，将第二耗材6插入至打印设备中，进行预热；

S2、将预热完成之后的第二耗材6进行加热直至熔化，得到第一耗材1，将第一耗材1和加强筋2结合，得到待凝固混凝柱；

S3、3D打印设备带待凝固混凝柱沿3D打印模型信息行走，待凝固混凝柱凝固后得到混凝结构的打印模型。

具体的，参图17～图19所示，首先需要加载3D打印模型信息，物联网会接收加载3D打印模型信息，通过加载的3D打印模型信息使用不同的加强筋2，第二耗材6进入加热部件4中熔化，熔化完成之后的第二耗材6进入喉管7中存储，喉管7中熔化的第二耗材6记为第一耗材1，第一耗材1和加强筋2同时从喉管7出挤出，第一耗材1和加强筋2混合得到待凝固的混凝柱，待凝固的混凝柱打印在S1上，3D打印设备沿加载的3D打印模型信息打印完成之后，待凝固之后得到打印模型。

其中，S1为桌面。

综上所述，3D打印混凝结构其延展性更强、抗挤压能力强，表面损伤不会影响结构强度，内部细丝结构不易大量断裂，内部部分细丝断裂后总体强度不会大幅度减少。通过单个的混凝柱，内部部分细丝断裂不会使其他完好细丝更易断裂，具有较强的抗击能力，当第一耗材1被破坏后，加强筋2没有损坏时，打印的模型仍可以保持形状。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种3D打印混凝结构，其特征在于，包括多层混凝层，所述混凝层包括多根混凝柱，多根所述混凝柱相互粘连融合；

其中，混凝柱包括第一耗材和加强筋，所述加强筋设置在第一耗材的内部。

2.一种3D打印设备，其特征在于，用于制备如权利要求1所述的一种3D打印混凝结构，所述3D打印设备包括：

打印头，所述打印头安装在3D打印设备的下端，所述打印头包括安装台，所述安装台的上端固定连接有加热部件，所述安装台远离加热部件的一端固定连接有喉管；

送丝机构，所述送丝机构与打印头相匹配，所述送丝机构用于给打印头输送加强筋；

第一切断机构，所述第一切断机构与喉管相匹配，所述第一切断机构用于切断打印头喷出的混凝柱；

物联网模块，所述物联网模块用于控制3D打印设备。

3.如权利要求2所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述送丝机构包括电机和连接杆，所述连接杆上固定连接有安装部件，所述安装部件上安装有多个安装盒，所述连接杆上还固定连接有第一导杆，所述第一导杆远离安装部件的一端固定连接有与喉管相匹配的第二导杆。

4.如权利要求3所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述安装盒上转动连接有料辊，所述加强筋卷绕在料辊上，所述加强筋的一端穿过第一导杆。

5.如权利要求4所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述第一导杆包括第三壳体，所述第三壳体的内部固定连接有多个输送部件，所述输送部件用于输送加强筋。

6.如权利要求5所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述第二导杆和第一导杆之间固定连接有第二切断机构，所述第二切断机构用于检测加强筋的长度，所述第二切断机构还可以用于将加强筋进行切断。

7.如权利要求2所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述喉管上固定连接有换热机构，所述换热机构用于降低打印头的温度。

8.如权利要求7所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述换热机构包括第一壳体、连接管、泵和集热套筒，所述集热套筒能够将喉管包裹，所述第一壳体固定连接在加热部件的上端，所述第一壳体连通集热套筒和第一壳体，所述泵固定连接在连接管上。

9.一种3D打印方法，其特征在于，使用如权利要求2～8任意权利要求所述的3D打印设备，包括以下步骤：

S1、加载3D打印模型信息，将第二耗材插入至打印设备中，进行预热；

S2、将预热完成之后的第二耗材进行加热直至熔化，得到第一耗材，将第一耗材和加强筋结合，得到待凝固混凝柱；

S3、3D打印设备带待凝固混凝柱沿3D打印模型信息行走，待凝固混凝柱凝固后得到混凝结构的打印模型。

10.如权利要求9所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述第二耗材包括加强筋和混凝柱，所述加强筋设置在混凝柱的内部。