CN208410175U - 全方位气动旋转挤压3d打印混凝土装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，包括：移动部，包含：沿着相互垂直的X、Y、Z三个轴向设置的X方向导轨构件、Y方向导轨构件、以及Z方向导轨构件；喷嘴部，可移动地安装在X方向导轨构件上，包含：喷嘴，和与该喷嘴相连通的套管；送料部，包含：空压机，与之相连通的输气管，减压阀，后部与输气管的出口相连通的装料罐，设置在装料罐中、底部与输气管出口相对向的推料头构件，以及将装料罐的出料口和喷嘴相连通的送料管，推料头构件将装料罐分隔成装料腔和充气腔；以及挤出部，包含：伸入喷嘴部内的挤压螺杆，内圈下部与挤压螺杆相连的轴承，以及与轴承的内圈上部相连、带动挤压螺杆旋转的驱动件。

Description

全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置

技术领域

本实用新型属于混凝土实验设备领域，具体涉及一种全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置。

背景技术

自动化和AI是当今社会最热门的话题，然而这两种时下最新的技术在建筑领域的应用较少，究其原因是机器人系统不能实时检测和运行，独立解决问题，导致单任务的机器人被限制到一个很小的建筑面积。此外，大多数的自动化技术是生产预制件，然后进行自动机器组装生产，这对于建筑行业有着巨大限制。因此，使用传统的自动化技术建立一个完全成熟的、可以解决传统建筑行业问题的自动化系统将是相当昂贵和不实用的^[1，2]。但是，增材制造概念的出现为建筑自动化带来曙光。

当前，工艺制造已逐渐进入第三次革命，而3D打印技术是其代表，3D打印技术在大尺寸建筑结构的自动建造中具有广阔的应用前景。该方法采用了降维共同成型的方式，改变了传统梁板柱的建筑形式。建筑最常见的材料是混凝土，3D打印混凝土技术是在3D打印技术的基础上发展起来的应用于混凝土施工的新技术，其主要工作原理是将配制好的混凝土浆体通过挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的打印程序，由喷嘴挤出进行打印，最终得到设计的混凝土构件。因为混凝土本身的特殊性，3D打印混凝土机器的喷嘴口径应远远大于普通塑料打印喷嘴和金属打印喷嘴。混凝土表观密度较大，输送动力必须足够且应该针对混凝土的和易性做出特殊设计，根据流体力学与混凝土流动性的综合考虑，挤出系统应满足既能有力挤出混凝土又能均匀挤出。

目前市面上常见的3D打印机多用于打印塑料、陶泥、金属等属于细颗粒的材料，针对混凝土这种大骨料、高流动度的材料并不适用，传统3D打印机不能满足打印混凝土的要求，例如，喷嘴口径小、挤出方式不适用、送料方式有缺陷等。

引用文献：

[1]Khoshnevis B.Automated construction by contour craf-ting-relatedrobotics and information technologies[J].Automation in Construction，2004，13(1):5-19.

[2]Kwon H.Experimentation and Analysis of Contour Craf-ting(CC)Process Using Uncured Ceramic Materials[D].Los Angeles:University ofSouthernCalifornia，2002.

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种可靠有效、结构简单的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置。

本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：

本实用新型提供一种全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于，包括：移动部，包含：沿着相互垂直的X、Y、Z三个轴向设置的X方向导轨构件、Y方向导轨构件、以及Z方向导轨构件，Y方向导轨构件可上下移动地安装在Z方向导轨构件上，X方向导轨构件可来回移动地安装在Y方向导轨构件上；喷嘴部，可沿X轴向移动地安装在X方向导轨构件上，包含：喷嘴，和与该喷嘴相连通的中空的套管；送料部，包含：空压机，与该空压机的排气口相连通的输气管，安装在输气管上的减压阀，用于装填打印用混凝土的浆体、并且后部与输气管的出口相连通的装料罐，设置在装料罐中、底部与输气管出口相对向的推料头构件，以及将装料罐的前部出料口和喷嘴相连通的送料管，推料头构件将装料罐分隔成相互独立的装料腔和充气腔；以及挤出部，包含：伸入喷嘴部内的挤压螺杆，内圈下部与挤压螺杆相连的轴承，以及与轴承的内圈上部相连、驱动内圈并带动挤压螺杆旋转的驱动件。

另外，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：X方向导轨构件包含两个X方向导轨，Y方向导轨构件包含两个Y方向导轨，Z方向导轨构件包含四个Z方向导轨，移动部还包含固定构件，该固定构件包含：四个固定横杠、和四个三角固定架，四个固定横杠横向连接在四个竖立的Z方向导轨的底部，四个三角固定架分别固定安装在四个Z方向导轨的外侧。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：移动部还包含：驱动X方向导轨构件沿着Y方向导轨构件来回移动的第一电机，驱动Y方向导轨构件沿着Z方向导轨构件上下移动的第二电机，和驱动喷嘴部沿着X方向导轨构件轴向移动的第三电机。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：套管的上部设有内螺纹，轴承的外圈设有与内螺纹相匹配的外螺纹，套管的下部侧壁设有开口，与送料管的出口相连接。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：喷嘴部还包括：连接管、两个滑块、和固定件，连接管连接在喷嘴和套管之间，并且外径大于喷嘴和套管，两个滑块可沿X轴向滑动地安装在X方向导轨构件上，固定件将连接管固定安装在两个滑块上。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：喷嘴的进料口和出料口形状都为圆形，并且直径为2cm。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：喷嘴的进料口和出料口形状都为矩形，进料口的长为3cm、宽为1cm，出料口的长为6cm、宽为1cm。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：喷嘴部包含多个尺寸或形状互异的喷嘴，喷嘴与连接管可拆卸连接。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：推料头构件包含：推头、基座、和连接部，推头的上部呈圆锥体形状，下部呈圆柱体形状、并且与装料罐的内壁密封贴合，基座位于推头下方，内部中空且呈圆锥台形状，外径与推头下部相等，连接部呈圆柱体形状，并且外径小于基座外径，连接部的外围套装有一圈用于涂覆润滑油的棉质层。

优选地，在本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置中，还可以具有这样的特征：轴承的内圈下部与挤压螺杆固定相连，内圈上部与驱动件可拆卸相连，挤出部包括多个螺距互异的挤压螺杆。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，X方向导轨构件、Y方向导轨构件、以及Z方向导轨构件能够使得喷嘴在一个三维空间内做无死角的运动，包括水平面做扫描运动和竖直方向做垂直运动；送料部中驱动方式为气压输送，经减压阀的作用后，选择打印材料所需的推动力，动力源恒定，气压作用于推料头构件，使推料头构件推动混凝土浆体，从而实现稳定送料；然后由驱动件驱动挤压螺杆进行旋转，一方面将喷嘴部内的混凝土浆体均匀地从喷嘴中挤出，保证打印精度，另一方面，挤压螺杆的旋转起到了对混凝土浆体再次搅拌的作用，能够促进混凝土水化，增强早期强度；挤出部能够实现均匀挤压、不出现堵管、漏浆、便于清洗、并且旋转螺杆速度可控。

另外，由于喷嘴部包含多个尺寸或形状互异的喷嘴，因此，可以针对不同施工要求采用不同尺寸和不同形状的喷嘴，满足不同场合的要求，满足大颗粒混凝土的打印要求，扩大了适用范围。

附图说明

图1是本实用新型实施例涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例涉及的移动部的结构示意图；

图3是本实用新型实施例涉及的喷嘴部的部分结构示意图一；

图4是本实用新型实施例涉及的喷嘴部的部分结构示意图二；

图5是本实用新型实施例涉及的滑块与X方向导轨位置关系的示意图；

图6是本实用新型实施例涉及的送料部的结构示意图；

图7是本实用新型实施例涉及的推料头构件的结构示意图；

图8是本实用新型实施例涉及的推料头构件的剖视图；

图9是本实用新型实施例涉及的挤出部的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置作详细阐述。

<实施例>

如图1所示，全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置10包括移动部20、喷嘴部30、送料部40、以及挤出部50。

如图1和2所示，移动部20包含X方向导轨构件21、Y方向导轨构件22、Z方向导轨构件23、第一电机24、两个第二电机25、第三电机26、以及四个固定横杠27和四个三角固定架28。

X方向导轨构件21、Y方向导轨构件22、以及Z方向导轨构件23沿着相互垂直的X、Y、Z三个轴向设置。本实施例中，X方向导轨构件21包含两个X方向导轨，两个X方向导轨21a可来回移动地安装在Y方向导轨构件22上，并且间距恒定；Y方向导轨构件22包含两个Y方向导轨22a，两个Y方向导轨可上下移动地安装在Z方向导轨构件23上，并且间距恒定；Z方向导轨构件23包含四个竖直且固定放置的Z方向导轨23a。这里，导轨与导轨之间是通过膜片联轴器、直径传动轴和连接件进行可移动连接的。

第一电机24驱动X方向导轨构件21沿着Y方向导轨构件22来回移动。第二电机25驱动Y方向导轨构件22沿着Z方向导轨构件23上下移动。第三电机26驱动喷嘴部30沿着X方向导轨构件21轴向移动。这里，各个电机是通过皮带与被驱动导轨的直径传动轴连接，从而带动导轨移动。在本实施例中，第一电机24安装在Y轴导轨端部，并且自带刹车，跟X方向导轨21a的直径传动轴连接；两个第二电机25安装在Z轴上，跟Y方向导轨22a的直径传动轴连接；第三电机26与喷嘴部30连接。这些电机均为86步进电机。

四个固定横27杠横向连接在四个Z方向导轨23a的底部。四个三角固定架28分别固定安装在四个Z方向导轨的外侧。通过这些辅助支撑构件，确保移动部20的稳固性，切实避免发生抖动引发打印不准确的情况。

基于以上结构，移动部20能够在一个三维空间内做无死角的运动，包括水平面做扫描运动和竖直方向做垂直运动。

如图1和3至5所示，喷嘴部30可沿X轴向移动地安装在X方向导轨构件21上，包含多个喷嘴31、套管32、连接管33、两个滑块34、以及固定件35。

多个喷嘴31的尺寸或形状互异，从而能够满足不同的打印需求。如图3和4所示，本实施例中，共设有两个喷嘴31a和31b。喷嘴31a的形状为中空圆柱体形状，上部进料口和底部出料口的内径直径均为2cm，喷嘴31a的高度(深度)为2cm。喷嘴31b的截面形状为矩形，上部进料口的长为3cm、宽为1cm，底部出料口的长为6cm、宽为1cm，喷嘴31b的高度(深度)为2cm。

套管32为中空圆柱体形状，与喷嘴31相连通。套管32的上部设有内螺纹，下部侧壁设有开口，与送料部40相连通。

连接管33连接在喷嘴31和套管32之间，并且外径大于喷嘴31和套管32。本实施例中，连接管33与喷嘴31为可拆卸连接，以便更换喷嘴31。

如图5所示，两个滑块34可沿X轴向滑动地安装在两个X方向导轨21a上，滑块34为有螺母的金属方形圆孔滑块34。

如图1、4和5所示，固定件35将连接管33固定安装在两个滑块34上，从而使得整个喷嘴部30都可以沿X轴向进行移动。

如图1和6所示，送料部40包含空压机41、输气管42、减压阀43、装料罐44、推料头构件45、以及送料管46。

空压机41是送料部40的动力源，其功率应不低于550W，本实施例中采用的空压机41为JYK35静音无油35L-800W一拖二气泵空压机。

输气管42与空压机41的排气口相连通。

减压阀43安装在输气管42上，起调节动力与保护作用，可以防止气压过大发生危险。

装料罐44用于装填打印用混凝土的浆体，它的后部与输气管42的出口相连通。本实施例中，装料罐44容量为0.5L，内直经为5cm，高31cm，壁厚0.2cm。

推料头构件45设置在装料罐44中，并且底部与输气管42出口相对向，能够在气压的作用下推动装料罐44中的混凝土浆体。推料头构件45与装料罐44是密封性贴合接触，从而将装料罐44分隔成相互独立的装料腔和充气腔。如图6至8所示，推料头构件45包含：推头45a、基座45b、和连接部45c，并且这些结构都是橡胶件。

推头45a的上部呈圆锥体形状，下部呈圆柱体形状，并且下部与装料罐44的内壁密封贴合，以保证气密性。本实施例中，推头45a的上部高为3cm，底面外径为5cm。

基座45b位于推头45a下方，外径与推头45a下部相等。基座45b的内部中空，并且中空部分呈圆锥台形状，这种形状更有利于导气，并使气动推力均匀且集中，也进一步避免气体发生溢出。本实施例中，基座45b的外径直径为5cm，高3cm，圆锥台形状的中空部分高度为2cm，底面内径为3cm。

连接部45c呈圆柱体形状，并且外径小于基座45b外径。在本实施例中，连接部45c的外径为4cm，并且连接部45c的外围套装有一圈用于涂覆润滑油的棉质层(图中未显示)。

送料管46将装料罐44的前部出料口和套管32的侧壁上的开口相连通，使来自装料罐44的混凝土浆体进入套管32中。本实施例中，送料管46的内径为1cm，可以根据材料粒径和挤出速度可以更换不同内径的送料管46。

如图1和9所示，挤出部50包含多个挤压螺杆51(图中仅显示安装好的一个)、轴承52、以及驱动件53。

多个挤压螺杆51的螺距各异，从而可以根据需求选用相应螺距的挤压螺杆51。挤压螺杆51伸入套管32内部，旋转推送进入套管32内的混凝土浆体。本实施例中，挤压螺杆51与套管32之间的间距为挤压螺杆51直径的二十分之一。

轴承52包含外圈和可相对外圈做旋转运动的内圈。其中，内圈的下部与挤压螺杆51固定相连，内圈的上部与驱动件53可拆卸相连；外圈上设有与套管32的内螺纹相匹配的外螺纹，从而与套管32螺纹连接。

驱动件53与轴承52的内圈上部相连、驱动内圈旋转并带动挤压螺杆51同步旋转。本实施例中，驱动件53为电机。

另外，在本实施例中，可将全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置10与数控装置连接，例如，与广州数GSK980MDc钻铣床CNC连接，可实现对本装置10的全方位运动、旋转挤压、空压输送的自动化控制。

基于如上结构，全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置10的操作过程如下：

1.将搅拌好的3D打印混凝土浆体装入装料罐44中，用捣棒振捣料罐壁，使浆体密实存放，混凝土密实填充与装料罐中，保证打印连续性。将装料罐44两端密实与输气管42和送料管46密封安装好。

2.连接各用电器的电源，在不启动空压机41送料的情况下试运行，确保喷嘴31垂直于水平面，避免出现卡顿现象；并且确保移动部20和滑块34都能够流畅运动，避免连接部位产生摩擦阻力。

3.设备试运行结束后，启动空压机41，缓慢调节减压阀43，在确认气密性良好的情况下，逐渐增大气压，推头45a缓慢移动，启动驱动件53驱动挤压螺杆51旋转，从而将浆体挤压至喷嘴31，根据打印要求启动第一电机24、第二电机25、和第三电机26带动喷嘴31在三维空间内移动并喷出浆体，进行3D打印，从而制备混凝土试件。

以上实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本实用新型所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。

在上述实施例中，如图1和2所示，两个第二电机25是安装在位于左侧的两个Z轴上，共同驱动同一个Y方向导轨22a(左侧)移动，另一个Y方向导轨22a(右侧)只是被带动着移动。为了使得结构更加稳定，可以将两个第二电机25分别安装在左侧和右侧的Z轴上，并且两个第二电机25分别与两个Y方向导轨22a连接，分别驱动两个Y方向导轨22a移动。

Claims (10)

1.一种全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于，包括：

移动部，包含：沿着相互垂直的X、Y、Z三个轴向设置的X方向导轨构件、Y方向导轨构件、以及Z方向导轨构件，所述Y方向导轨构件可上下移动地安装在所述Z方向导轨构件上，所述X方向导轨构件可来回移动地安装在所述Y方向导轨构件上；

喷嘴部，可沿X轴向移动地安装在所述X方向导轨构件上，包含：喷嘴，和与该喷嘴相连通的中空的套管；

送料部，包含：空压机，与该空压机的排气口相连通的输气管，安装在所述输气管上的减压阀，用于装填打印用混凝土的浆体、并且后部与所述输气管的出口相连通的装料罐，设置在所述装料罐中、底部与所述输气管出口相对向的推料头构件，以及将所述装料罐的前部出料口和所述喷嘴相连通的送料管，所述推料头构件将所述装料罐分隔成相互独立的装料腔和充气腔；以及

挤出部，包含：伸入所述喷嘴部内的挤压螺杆，内圈下部与所述挤压螺杆相连的轴承，以及与所述轴承的内圈上部相连、驱动所述内圈并带动所述挤压螺杆旋转的驱动件。

2.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述X方向导轨构件包含两个X方向导轨，

所述Y方向导轨构件包含两个Y方向导轨，

所述Z方向导轨构件包含四个Z方向导轨，

所述移动部还包含固定构件，该固定构件包含：四个固定横杠、和四个三角固定架，

四个所述固定横杠横向连接在四个竖立的所述Z方向导轨的底部，

四个所述三角固定架分别固定安装在四个所述Z方向导轨的外侧。

3.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述移动部还包含：驱动所述X方向导轨构件沿着所述Y方向导轨构件来回移动的第一电机，驱动所述Y方向导轨构件沿着所述Z方向导轨构件上下移动的第二电机，和驱动所述喷嘴部沿着所述X方向导轨构件轴向移动的第三电机。

4.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述套管的上部设有内螺纹，所述轴承的外圈设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，

所述套管的下部侧壁设有开口，与所述送料管的出口相连接。

5.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述喷嘴部还包括：连接管、两个滑块、和固定件，

所述连接管连接在所述喷嘴和所述套管之间，并且外径大于所述喷嘴和所述套管，

两个所述滑块可沿X轴向滑动地安装在所述X方向导轨构件上，

所述固定件将所述连接管固定安装在所述两个所述滑块上。

6.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述喷嘴的进料口和出料口形状都为圆形，并且直径为2cm。

7.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述喷嘴的进料口和出料口形状都为矩形，所述进料口的长为3cm、宽为1cm，所述出料口的长为6cm、宽为1cm。

8.根据权利要求5所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述喷嘴部包含多个尺寸或形状互异的喷嘴，所述喷嘴与所述连接管可拆卸连接。

9.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述推料头构件包含：推头、基座、和连接部，

所述推头的上部呈圆锥体形状，下部呈圆柱体形状、并且与所述装料罐的内壁密封贴合，

所述基座位于所述推头下方，内部中空且呈圆锥台形状，外径与所述推头下部相等，

所述连接部呈圆柱体形状，并且外径小于所述基座外径，所述连接部的外围套装有一圈用于涂覆润滑油的棉质层。

10.根据权利要求1所述的全方位气动旋转挤压3D打印混凝土装置，其特征在于：

其中，所述轴承的内圈下部与所述挤压螺杆固定相连，内圈上部与所述驱动件可拆卸相连，

所述挤出部包括多个螺距互异的挤压螺杆。