CN106568926A - 一种3d打印建筑砂浆堆积性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，由送料组件及放置送料组件的升降组件构成，送料组件包括注射筒体及推送机构组成，升降组件由升降部分、直线运动部分及底座组成。与现有技术相比，本发明用于表征3D打印建筑材料的可堆积性能，可为评价3D打印建筑材料的可建造性能提供基础。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料和建筑施工技术领域，尤其是涉及一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置。
背景技术
3D打印建筑施工的机械原理是通过机构运动实现打印头在X,Y,Z空间的运动，譬如龙门架行走机构实现X轴方向的运动，横梁实现Y方向的运动，打印头上部的打印杆实现Z方向的运动。然后通过靠打印头自身的伸缩和转动，实现打印喷头的局部运动，从而通过打印出建筑物的“平面层”的不断堆积，生成不同的建筑结构，与传统建筑技术相比，3D打印建筑技术的优势体现在：速度快—可比传统建筑技术快10倍以上；可以制造出传统方式很难建造的复杂多样化建筑，且无需使用模板，降低了建筑成本；不需数量庞大的建筑工人，降低了施工中的安全风险；并且减少了废弃副产品，可以有效的利用混凝土建筑材料，大大减少水泥需求量，同时可减少建筑垃圾，具有低碳、绿色、环保的特点。
3D打印施工颠覆了传统混凝土浇筑施工的方法，其挤出并叠加成型的施工特点，决定了对其工作性和可建造性的要求与传统建筑材料有很大的差异。用作3D打印的建筑材料必须具有较好的流动性，具有自凝、自硬性，能形成有效堆积、各打印层之间紧密衔接、粘结良好且不留空隙，抗下垂性能好，硬化浆体不收缩开裂，硬化后强度和热工性能达到设计要求等等。目前用于测试和表征传统建筑材料工作性能的方法，如表征建筑砂浆和混凝土工作性的坍落度、扩展度、凝结时间、分层度、可泵性等方法，都不适宜用于表征3D打印建筑材料的工作性能。专利申请201410558243.7，201410558262.X，201410558245.6公布了3D打印建筑砂浆工作性测试装置及应用、3D打印建筑砂浆塑性变形性能测试模具及其应用、3D打印建筑砂浆衔接性能测试方法，通过上述专利中的装置和方法可测试评打印建筑砂浆的挤出时间、可操作时间；通过测试打印混凝土的下垂度、侧向变形率来评价打印建筑砂浆的塑性变形性能；通过简单易行的容重法测试层叠加硬化混凝土的空隙率来评价打印混凝土层间衔接性能。这些方法对于评价打印建筑材料的相关性能可起借鉴作用。
3D打印建筑材料的堆积性能可综合反映出材料可建造性，是评价3D打印建筑材料性能的重要指标之一，但目前尚无有效表征和评价方法。本发明提出的3D打印建筑材料堆积性能的测试装置和方法，是针对3D打印施工逐层添加堆积成型的特点提出的，本发明可较好地弥补现有技术的空白，为评价3D打印建筑材料性能的评价提供技术支持。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于表征3D打印建筑材料的可堆积性能，可为评价3D打印建筑材料的可建造性能提供基础的3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，由送料组件及放置送料组件的升降组件构成，
所述的送料组件包括注射筒体及推送机构组成，
所述的升降组件由升降部分、直线运动部分及底座组成。
所述的注射筒体的前端连接有宽度逐渐减小的挤出头，该挤出头的前端开设有矩形的挤出口，利于材料的堆积成型，实验中可以按不同出口尺寸加工多个挤出头比较堆积效果。
注射筒体的长度和内径可根据打印材料中的流动性、材料中骨料的尺寸或施工实际情况作调整。
所述的推送机构为带有刻度的推杆，推杆的顶部带有荷载，下端部带有橡胶或软塑料密封圈。
所述的推送机构为螺杆式输送泵。
所述的升降部分包括定位光轴、升降平台及剪式千斤顶，所述的升降平台套设在定位光轴上并沿该定位光轴上下移动，所述的剪式千斤顶设置在升降平台的底部，控制升降高度，
所述的直线运动部分包括直线导轨、滑块及送料组件支架，所述的直线导轨设置在升降平台上，所述的滑块沿直线导轨滑动，所述的送料组件支架与滑块连接。
所述的定位光轴设有两根。
所述的直线导轨设有两条，相互平行设置在升降平台上，直线导轨的两端带有限位块，通过两个直线导轨平行布置，控制滑块上装配的送料组件固定板直线运动，并与该组件形成简支以改善其受载荷情况下的受力情况。
通过布置两组光轴-滑块装置，与千斤顶作用点三点构成稳定平面，以保证升降平台的稳定性和平行度。
所述的滑块上设有配重块以平衡力矩。
所述的剪式千斤顶还与盘型摇柄过盈配合连接，便于实验操作。
所述的底座为焊接有工字钢的钢板，底座上还连接有高度标尺。
与现有技术相比，本发明可以进行一维直线堆积的实验台来测试材料的堆积性能。在堆积方向上有一个自由度，并通过约束严格限制其直线性，通过限位装置来控制其运动范围(200mm-300mm)防止干涉和碰撞，具有以下优点：
1.本发明模拟3D打印建筑挤出施工方式测试打印砂浆堆积性能，测试结果可真实反映打印材料的可建造性，同时采用本发明装置及测试方法，操作简便、高效，易于推广使用。
2.采用本发明装置，可测试范围广，适用于各种组分的打印砂浆，具有广泛地适用性，可用于表征不同使用要求及使用环境打印砂浆的可建造性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为手动型送料组件的结构示意图；
图3为自动型送料组件的结构示意图。
图中，1-定位光轴、2-直线导轨、3-送料组件支架、4-滑块、5-升降平台、6-送料组件、7-剪式千斤顶、8-摇柄、9-高度标尺、10-限位块、11-配重块、12-注射筒体、13-推杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其结构如图1所示，由送料组件及放置送料组件的升降组件构成，送料组件包括注射筒体12及推杆13组成，如图2所示，升降组件由升降部分、直线运动部分及底座组成。
注射筒体12的前端连接有宽度逐渐减小的挤出头，该挤出头的前端开设有矩形的挤出口，利于材料的堆积成型，实验中可以按不同出口尺寸加工多个挤出头比较堆积效果。注射筒体12的长度和内径可根据打印材料中的流动性、材料中骨料的尺寸或施工实际情况作调整。推杆13上带有刻度，在推杆13的顶部带有荷载，下端部带有橡胶或软塑料密封圈。
升降部分包括定位光轴1、升降平台5及剪式千斤顶7，升降平台5套设在定位光轴1上并沿该定位光轴1上下移动，剪式千斤顶7设置在升降平台5的底部，控制升降高度。若采用车用千斤顶，尽管成本很低，但是由于其装配间隙的影响易造成在升降过程中的松动和晃动，不适合用于本发明装置中。
直线运动部分包括直线导轨2、滑块4及送料组件支架3，直线导轨2设有两条，相互平行设置在升降平台5上，在直线导轨2的两端带有限位块10，滑块4架设在两根直线导轨2之间，并且可以沿直线导轨2滑动，送料组件支架3与滑块4连接，并且能够随着滑块4一起滑动，滑块4上还设有配重块以平衡力矩。定位光轴1也设有两根。直线导轨2通过两个直线导轨平行布置，控制滑块4上装配的送料组件沿直线运动，并与该组件形成简支以改善其受载荷情况下的受力情况。通过布置两组光轴-滑块装置，与千斤顶作用点三点构成稳定平面，以保证升降平台的稳定性和平行度。剪式千斤顶7还与盘型的摇柄8过盈配合连接，便于实验操作。底座为焊接有工字钢的钢板，底座上还连接有高度标尺9。
本发明在使用时，采用以下步骤：
采用手工挤出送料
将自制的挤出筒体内壁用丙酮等溶液清洗干净并干燥，用小料勺将搅拌好的打印建筑砂浆填入挤出装置内部，用直径为8mm小铁棒插捣数下，使砂浆填满挤出筒，筒口用湿抹布擦干净,使打印砂浆至少距筒口20mm后，并在推杆密封圈上涂抹少量润滑油，***推杆至零刻度位置，将挤出筒置于升降支架上，调整好升降机架的高度，使挤出筒口距地面5mm的高度，将恒定荷载在竖直方向上压在挤出筒推杆上端部，开始匀速推动升降支架的推杆，同时推动挤出筒体沿导轨直线匀速运动，待打印完成一层后，卸除荷载，摇动升降支架的摇柄，使挤出筒口上升5mm的高度，继续加上荷载，重复前面的试验，直至最终堆积试件坍塌为止，并计算最终坍塌试件的最终堆积高度(堆积层数n)。按上述步骤，重新做一次堆积试验，堆积层数为n-2。
有效堆积高度计算
按照如上操作重新试验，在堆积n-2层后，还需计算打印构件高度的有效性，在打印结束后，用游标卡尺测算水平方向打印构建的最突出层的宽度d1及最窄层的宽度d2，若均在打印构件的理论宽度d的15％范围内，视为在有效变形范围内；用量尺测算打印构件的最低高度h1和最高高度h2，以及堆积的理论高度h＝堆积层数×层高。若h1和h2均在h的15％范围内，且d1及d2也在d的15％范围内，视(h1+h2)/2为有效高度。试验重复三次，以三次测试结果的平均值为该打印砂浆的有效堆积高度，三个测试值中最大值或最小值中如有一个与中间值的差超过中间值的15％，则把最大值及最小值一并舍去，取中间值为该材料的有效堆积高度，如最大值和最小值与中间值的差值均超过15％，则该试验结果无效。
表1列出了5种不同配方的打印砂浆采用本发明方法测试的工作性能的试验结果。其中其他材料组分一致，配比1、2、3掺加的水胶比分别为0.36、0.39、0.42；其他材料组分一致，配比4、5掺加的骨胶比分别为1.6:1、1.8:1。
表1不同配比打印砂浆的堆积性能
由表1可看出，采用本测试方法可有效地表征不同打印砂浆的可建造性能(堆积高度)，通过本方法可对3D打印砂浆的建造性能给出量化指标，为评价3D打印材料的可建造性能提供基础；通过采用本方法对打印材料性能的测定，可对材料的组成进行调配使之能符合不同环境、工况条件下对打印材料性能的要求。
实施例2
一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其结构与实施例1大致相同，不同之处在于，送料组件采用的推送机构为螺杆式输送泵，如图3所示。
本装置在使用时，采用输送泵送料，将自制的挤出装置内壁用丙酮等溶液清洗干净并干燥，并置于升降支架上，调整好升降机架的高度，使挤出筒口距地面5mm的高度。将搅拌好的灌浆料倒入螺杆式输送泵，开动输送泵，调整泵送速度使打印砂浆在压力软管中以合适速度的均匀稳定流出，流出速度以10-50L/h为宜，将压力软管中***挤出筒体中，使打印砂浆在送料装置中均匀稳定出料，同时推动挤出筒体沿导轨直线匀速运动，待打印完成一层后，摇动升降支架的摇柄，使挤出筒口上升5mm的高度，继续推动挤出筒体沿导轨直线匀速运动，重复前面的试验，直至最终堆积试件坍塌为止，并计算最终坍塌试件的最终堆积高度(堆积层数n)，按上述步骤，重新做一次堆积试验，堆积层数为n-2。
有效堆积高度计算步骤与实施例1相同。
本发明通过测试3D打印建筑砂浆的堆积高度来表征其可建造性能，具体采用自行设计的堆积性能测试装置进行。堆积性能用有效堆积高度来评价，有效堆积高度越高，堆积性能越好。
Claims (10)
1.一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，该测试装置由送料组件及放置送料组件的升降组件构成，
所述的送料组件包括注射筒体及推送机构组成，
所述的升降组件由升降部分、直线运动部分及底座组成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的注射筒体的前端连接有宽度逐渐减小的挤出头，该挤出头的前端开设有矩形的挤出口。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的推送机构为带有刻度的推杆，推杆的顶部带有荷载，下端部带有橡胶或软塑料密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的推送机构为螺杆式输送泵。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，
所述的升降部分包括定位光轴、升降平台及剪式千斤顶，所述的升降平台套设在定位光轴上并沿该定位光轴上下移动，所述的剪式千斤顶设置在升降平台的底部，控制升降高度，
所述的直线运动部分包括直线导轨、滑块及送料组件支架，所述的直线导轨设置在升降平台上，所述的滑块沿直线导轨滑动，所述的送料组件支架与滑块连接。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的定位光轴设有两根。
7.根据权利要求5所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的直线导轨设有两条，相互平行设置在升降平台上，直线导轨的两端带有限位块。
8.根据权利要求5所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的滑块上设有配重块。
9.根据权利要求5所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的剪式千斤顶还与盘型摇柄过盈配合连接。
10.根据权利要求1所述的一种3D打印建筑砂浆堆积性能测试装置，其特征在于，所述的底座为焊接有工字钢的钢板，底座上还连接有高度标尺。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Qiaoling Inventor after: Yang Qianrong Inventor after: Li Yuhang Inventor after: Li Jing Inventor before: Liu Qiaoling Inventor before: Yang Qianrong Inventor before: Li Yuhang Inventor before: Li Jing |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170419 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |