CN208870187U - 3d打印混凝土碳纤维构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种3D打印混凝土碳纤维构件，其包括采用3D打印技术制作的混凝土外壳和运用碳纤维工艺技术通过结构胶附着于所述混凝土外壳表面的碳纤维布。本实用新型通过建筑3D打印技术和碳纤维工艺技术相结合，实现增加打印构件强度、美化打印构件外观的作用。同时充分利用碳纤维材料的抗拉性能，解决了目前建筑3D打印构件外壳因逐层打印工艺产生的层间抗拉性能较低的问题，可以进一步提升3D打印结构构件的受力性能和应用范围。

Description

3D打印混凝土碳纤维构件

技术领域

本实用新型涉及3D打印建筑领域，尤其涉及一种3D打印混凝土碳纤维构件。

背景技术

3D打印是近年来迅猛发展的一种快速成型技术，其应用范围包括航空航天、制造业、生物医学、食品、服饰、艺术创作、建筑模型等领域。随着既有3D打印技术的改进和新型3D打印技术的研发，大型3D打印设备接连问世，促使大尺寸制品的打印成为可能，并带来打印成本的迅速降低。因此，3D打印建筑物应运而生。

3D打印技术以数字化三维模型为基础，通过逐层打印、分层叠加的方式构造三维实体。根据具体打印方式不同分为挤出堆积成型、三维粉末粘结成型(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)等。但所有打印方式均是基于分层打印、堆叠成型的原理。因此3D打印制品均具有明显的分层纹路，其层间强度相比于层内强度降低较多，具有显著的各向异性特性。因此如何增强3D打印结构的强度，从而提高整体建筑物的安全性成为当务之急。

实用新型内容

鉴于上述现有技术中存在或潜在的不足之处，本实用新型提供了一种工艺简单、施工快捷且能够增强层间抗拉性能的3D打印混凝土碳纤维构件。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种3D打印混凝土碳纤维构件，其包括采用3D打印技术制作的混凝土外壳和运用碳纤维工艺技术通过结构胶附着于所述混凝土外壳表面的碳纤维布。

本实用新型的技术效果是：通过建筑3D打印技术和碳纤维工艺技术相结合，实现增加打印构件强度、美化打印构件外观的作用。同时充分利用碳纤维材料的抗拉性能，解决了目前建筑3D打印构件外壳因逐层打印工艺产生的层间抗拉性能较低的问题，可以进一步提升3D打印结构构件的受力性能和应用范围。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳为柱结构外壳，包括构成柱身表面的多个3D打印柱结构侧板，多个所述3D打印柱结构侧板采用3D打印技术一体成型，内部合围形成灌浆空间。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳为梁结构外壳，包括构成梁底面的3D打印梁结构底板和构成梁侧面的多个3D打印梁侧板，所述3D打印梁结构底板和多个所述3D打印梁侧板一体成型，内部合围形成灌浆空间。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳的内部注有灌芯混凝土。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳的内表面形成有凹凸纹路。

在本实用新型的一些实施例中，所述碳纤维布通过所述结构胶附着于所述混凝土外壳的外表面。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳的外表面形成有凹凸纹路。

在本实用新型的一些实施例中，所述混凝土外壳的表面形成有凹凸纹路。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的3D打印混凝土碳纤维柱的剖面结构示意图。

图2为图1的A-A剖面结构放大示意图。

图3为本实用新型实施例的3D打印混凝土碳纤维梁的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

由于3D打印具有分层打印、堆叠成型的特征，因此3D打印结构具有明显的各向异性和较低的层间强度。而建筑物全寿命周期中受力状况复杂，薄弱的层间粘结极有可能成为整栋建筑物破坏甚至倒塌的源头，因此有必要增强3D打印结构的层间抗拉性能，提升3D打印结构构件的受力性能。

目前3D打印制品的常用增强技术包括浸蜡、浸胶等手段。这些技术能够在一定程度上增强3D打印制品的强度，满足其运输及日常使用过程中不破损的基本要求，但对于建筑结构构件等承力构件的强度要求尚不能满足。因此必须开发更加有效的增强技术和方法。

本实用新型针对结构特性复杂、层间抗拉性能较低的3D打印建筑物提出了3D打印混凝土碳纤维构件技术。

碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

目前，碳纤维工艺技术包含有：碳纤维手糊成型、真空导流成型、模压成型、RTM低压成型、RTM高压成型、热压罐成型。

3D打印技术包含有：立体平板印刷术(SLA法)、分层激光烧结法(SLS法)、逐层轮廓成型法(LOM法)、光掩膜法(SGC法)、熔化沉积法(FDM法)、陶瓷壳法(DSPC法)。

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，是一种的力学性能优异的新材料。本实用新型通过建筑3D打印技术和碳纤维工艺技术相结合，实现增加打印构件强度、美化打印构件外观的作用。同时充分利用碳纤维材料的抗拉性能，解决了目前建筑3D打印构件外壳因逐层打印工艺产生的层间抗拉性能较低的问题，可以进一步提升3D打印结构构件的受力性能和应用范围。

其中，所述的3D打印技术和碳纤维工艺技术可以根据实际的生产工艺使用不同的方法相结合使用。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细地说明。

首先参阅图1所示，本实用新型第一方面提出了一种3D打印混凝土碳纤维柱结构，包括采用3D打印技术制作的混凝土外壳11和运用碳纤维工艺技术通过结构胶12附着于所述混凝土外壳表面的碳纤维布13。混凝土外壳11的内部注有灌芯混凝土14。

其中，混凝土外壳11可以为通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成的柱结构外壳，包括构成柱身表面的多个3D打印柱结构侧板，多个3D打印柱结构侧板采用3D打印技术一体成型，内部合围形成灌浆空间，灌芯混凝土14灌注于该灌浆空间中并与混凝土外壳11结合成一体。

结构胶12为强度高(压缩强度>65MPa，钢-钢正拉粘接强度>30MPa，抗剪强度>18MPa)，能承受较大荷载，且耐老化、耐疲劳、耐腐蚀，在预期寿命内性能稳定，适用于承受强力的结构件粘接的胶粘剂。结构胶强度高、抗剥离、耐冲击、施工工艺简便。用于金属、陶瓷、塑料、橡胶、木材等同种材料或者不同种材料之间的粘接。可部分代替焊接、铆接、螺栓连接等传统连接形式。结合面应力分布均匀，对零件无热影响和变形。

需要说明的是，碳纤维布13主要提供混凝土外壳11的层间抗拉能力，碳纤维布通过结构胶12附着于混凝土外壳11的外表面，实现增加打印构件强度、美化打印构件外观的作用。同时充分利用碳纤维材料的抗拉性能，解决了目前建筑3D打印构件外壳因逐层打印工艺产生的层间抗拉性能较低的问题，可以进一步提升3D打印结构构件的受力性能和应用范围。

较佳地，碳纤维布13贴附在混凝土外壳11的外表面上，包括贴附于上述实施例中的3D打印混凝土柱结构外壳的各个3D打印柱结构侧板的外表面，形成致密的包裹，一方面可以包裹住混凝土外壳11的表面，起到美化3D打印构件外观的作用，另一方面，利用碳纤维布13抗拉性能优越的特点，可以提高混凝土外壳11的层间抗拉性能，增加3D打印构件的强度。同时，还可以在制作混凝土外壳11时，在其内部结合钢筋骨架(图中未显示)，以构成钢筋混凝土外壳，进一步提升3D打印构件的强度。其中，在混凝土外壳中结合钢筋骨架为现有技术，即先定位钢筋骨架，然后于钢筋骨架上由下至上逐层打印成型混凝土外壳。

结合图2所示，混凝土外壳11的表面形成有凹凸纹路15。

可以在混凝土外壳11的内表面设置连续的凹凸纹路15(该凹凸纹路可为3D打印过程自然形成的纹路)，此时，利用设置的凹凸纹路15，可以增加混凝土外壳11的内表面与其内部的灌芯混凝土14的接触面积，增强两者之间的结合强度，确保混凝土外壳11与灌芯混凝土凝结成一体，防脱离。

当然，还可以在混凝土外壳11的外表面设置连续的凹凸纹路15(该凹凸纹路可为3D打印过程自然形成的纹路)，此时，利用设置的凹凸纹路15，可以增加混凝土外壳11的外表面与其外部的结构胶12的接触面积，增强两者之间的结合强度，确保混凝土外壳11与结构胶12凝结成一体，防脱离，进而通过结构胶12将外层的碳纤维布13牢固地粘结在混凝土外壳11的外表面。

从而提高整体成型的3D打印混凝土碳纤维柱结构不同材质结构之间的粘结能力，提高整体强度。

再参阅图3所示，本实用新型第二方面提出了一种3D打印混凝土碳纤维梁结构，包括采用3D打印技术制作的混凝土外壳11和运用碳纤维工艺技术通过结构胶12附着于所述混凝土外壳表面的碳纤维布13。混凝土外壳11的内部注有灌芯混凝土14。

其中，混凝土外壳11可以为通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成的梁结构外壳，包括构成梁底面的3D打印梁结构底板和构成梁侧面的多个3D打印梁侧板，3D打印梁结构底板和多个3D打印梁侧板一体成型，内部合围形成灌浆空间，灌芯混凝土14灌注于该灌浆空间中并与混凝土外壳11结合成一体。

结构胶12为强度高(压缩强度>65MPa，钢-钢正拉粘接强度>30MPa，抗剪强度>18MPa)，能承受较大荷载，且耐老化、耐疲劳、耐腐蚀，在预期寿命内性能稳定，适用于承受强力的结构件粘接的胶粘剂。结构胶强度高、抗剥离、耐冲击、施工工艺简便。用于金属、陶瓷、塑料、橡胶、木材等同种材料或者不同种材料之间的粘接。可部分代替焊接、铆接、螺栓连接等传统连接形式。结合面应力分布均匀，对零件无热影响和变形。

需要说明的是，碳纤维布13主要提供混凝土外壳11的层间抗拉能力，碳纤维布通过结构胶12附着于混凝土外壳11的外表面，实现增加打印构件强度、美化打印构件外观的作用。同时充分利用碳纤维材料的抗拉性能，解决了目前建筑3D打印构件外壳因逐层打印工艺产生的层间抗拉性能较低的问题，可以进一步提升3D打印结构构件的受力性能和应用范围。

较佳地，碳纤维布13贴附在混凝土外壳11的外表面上，包括贴附于上述实施例中的3D打印混凝土梁结构外壳的3D打印梁结构底板和各个3D打印梁结构侧板的外表面，形成致密的包裹，一方面可以包裹住混凝土外壳11的表面，起到美化3D打印构件外观的作用，另一方面，利用碳纤维布13抗拉性能优越的特点，可以提高混凝土外壳11的层间抗拉性能，增加3D打印构件的强度。同时，还可以在制作混凝土外壳11时，在其内部结合钢筋骨架(图中未显示)，以构成钢筋混凝土外壳，进一步提升3D打印构件的强度。其中，在混凝土外壳中结合钢筋骨架为现有技术，即先定位钢筋骨架，然后于钢筋骨架上由下至上逐层打印成型混凝土外壳。

同样，较佳地，混凝土外壳的表面形成有凹凸纹路(为提供附图，构造及原理可参照上述3D打印混凝土碳纤维柱结构中的凹凸纹路构造)。

可以在混凝土外壳的内表面设置连续的凹凸纹路(该凹凸纹路可为3D打印过程自然形成的纹路)，此时，利用设置的凹凸纹路，可以增加混凝土外壳的内表面与其内部的灌芯混凝土的接触面积，增强两者之间的结合强度，确保混凝土外壳与灌芯混凝土凝结成一体，防脱离。

当然，还可以在混凝土外壳的外表面设置连续的凹凸纹路(该凹凸纹路可为3D打印过程自然形成的纹路)，此时，利用设置的凹凸纹路，可以增加混凝土外壳的外表面与其外部的结构胶的接触面积，增强两者之间的结合强度，确保混凝土外壳与结构胶凝结成一体，防脱离，进而通过结构胶将外层的碳纤维布牢固地粘结在混凝土外壳的外表面。

从而提高整体成型的3D打印混凝土碳纤维梁结构不同材质结构之间的粘结能力，提高整体强度。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：包括采用3D打印技术制作的混凝土外壳和运用碳纤维工艺技术通过结构胶附着于所述混凝土外壳表面的碳纤维布。

2.如权利要求1所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳为柱结构外壳，包括构成柱身表面的多个3D打印柱结构侧板，多个所述3D打印柱结构侧板采用3D打印技术一体成型，内部合围形成灌浆空间。

3.如权利要求1所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳为梁结构外壳，包括构成梁底面的3D打印梁结构底板和构成梁侧面的多个3D打印梁侧板，所述3D打印梁结构底板和多个所述3D打印梁侧板一体成型，内部合围形成灌浆空间。

4.如权利要求1～3中任一项所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳的内部注有灌芯混凝土。

5.如权利要求4所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳的内表面形成有凹凸纹路。

6.如权利要求1所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述碳纤维布通过所述结构胶附着于所述混凝土外壳的外表面。

7.如权利要求6所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳的外表面形成有凹凸纹路。

8.如权利要求1所述的3D打印混凝土碳纤维构件，其特征在于：所述混凝土外壳的表面形成有凹凸纹路。