CN110802713A - 用于打印粗骨料混凝土的3d打印机 - Google Patents

用于打印粗骨料混凝土的3d打印机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，包括打印喷头、支撑***及控制***，支撑***包括能够驱动所述打印喷头分别X向和Z向移动的X向驱动机构和Z向驱动机构、设于所述打印喷头下方并能够驱动打印桌Y向移动的Y向驱动机构、以及支撑所述打印喷头、X向驱动机构、Z向驱动机构以及Y向驱动机构的支撑架。本发明打印机可以进行大粒径粗骨料混凝土的打印，通过螺旋叶片的旋转传输作用来进行打印过程；具有打印速度快、内部允许骨料粒径大、单层宽度大、打印效率高、不易堵塞喷头的特点；可以有效提高目前建筑3D打印的工作效率，且可以适配各种不同的水泥基材料。

Description

用于打印粗骨料混凝土的3D打印机
技术领域
本发明属于混凝土3D打印领域，尤其涉及一种用于打印粗骨料混凝土的3D打印机。
背景技术
3D打印技术为综合了数学、信息、机械、材料及化学等多方面技术的一种新型快速成型、增材制造技术，其实际应用可大幅度节约人力成本、能源与资源并提高加工产品的精度和效率，从而显著改变制造业的生产方式，是第三次工业革命中重要的技术性标志之一。
近年来，国内外逐渐将3D打印技术向建筑领域发展，由美国南加利福尼亚大学的比洛克·霍什内维斯(Behrokh Khoshnevis)教授发明的轮廓工艺是一种由数字控制的建造工艺，通过分层制造技术建造混凝土构件等。混凝土3D打印机主要由控制***、机械支撑部分及打印***(头)组成。打印过程中由控制***接收信息后向打印***输出指令从而按照所建立的模型逐层打印出混凝土，从而使所要求的部件被一层层地堆叠直至成形。
目前的市场上适配砂浆的打印机的工艺逐渐趋于成熟，然而针对含粗骨料混凝土的3D打印机***还不够完善。目前粗骨料混凝土3D打印机主要思想仍为在砂浆打印机的基础上进行改造，利用内部螺杆装置的挤压来进行出料，由于在打印过程中受到的骨料机械咬合力较大，其可以进行打印的混凝土中粗骨料粒径一般只有5mm，且存在出料速度慢、单层宽度小、打印时易堵塞等缺陷，不足以满足目前行业标准、社会发展需求。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，该打印机解决了现有粗骨料混凝土3D打印机打印的混凝土中粗骨料粒径小、出料速度慢、单层宽度小、打印时易堵塞等的问题。
技术方案：本发明的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，包括打印喷头、支撑***及控制***。
所述打印喷头包括主体料筒、设于所述料筒顶端的运动板、设于所述料筒上方侧边并能够向料桶内加料的入泵口、设于所述料筒出料口处的喷嘴，且所述料筒内还设有能够输送物料的传送机构，所述传送机构由驱动装置驱动。
其中，料筒呈所述尖口朝下的锥形；入泵口朝内的一端与料筒通过焊接相切连接、朝外的一端向外延伸，内部与料筒连通；所述驱动装置包括减速电机，通过设于所述料筒上的电机安装板与料筒连接，所述减速电机的输出端与传动机构连接，并能够驱动传送机构工作；所述喷嘴与料筒底部通过法兰盘连接。
所述支撑***包括能够驱动所述打印喷头分别X向和Z向移动的X向驱动机构和Z向驱动机构、设于所述打印喷头下方并能够驱动打印桌Y向移动的Y向驱动机构、以及支撑所述打印喷头、X向驱动机构、Z向驱动机构以及Y向驱动机构的支撑架，所述Z向驱动机构通过运动板与料筒连接，X向驱动机构通过Z向驱动机构与打印喷头连接。
Z向驱动机构通过运动板驱动打印喷头Z向移动，X向驱动机构通过驱动Z向驱动机构X向移动从而驱动打印喷头X向移动，Y向驱动机构驱动打印桌Y向移动，从而实现了3D打印。
所述控制***包括分别与打印喷头和支撑***的驱动机构连接的伺服电机，伺服电机和这些电机连接并提供指令，让打印机按照指令(G-code)来定向移动。
为实现料筒内物料的传输，所述传送机构包括立设于所述料筒内腔中的螺杆、设于所述螺杆周缘的螺旋叶片，其中，所述螺杆的动力输入端与驱动装置的动力输出端连接，且所述螺旋叶片边缘与料筒内壁相切。其中，螺杆上端与减速电机的转子通过嵌合方式连接，螺旋叶片与螺杆通过焊接连接，螺旋叶片的大小与料筒的锥形内腔形配合，即朝向尖端的方向逐渐减小。
螺杆的上端设有能够卡在料筒顶端开口边缘的若干板块，若干所述板块以螺杆为中心向外辐射，其板块一端与螺杆连接、另一端卡在料筒顶端的开口边缘，并用螺栓连接。
所述Z向驱动机构包括与运动板连接的光杆、设于所述光杆上的Z向齿轨、与所述齿轨配合使用的Z向齿轮、驱动所述Z向齿轮转动的Z向驱动装置，其中，Z向驱动装置通过驱动齿轮转动来带动光杆运动，从而驱动打印喷头Z向移动。
为了保证打印喷头不下坠，所述光杆两侧还设有能够提拉打印喷头的两提拉杆，进一步保证打印喷头的稳固升降，另外光杆除了作为轨道，还有平衡下面喷头产生偏心力的作用。
其中，光杆、两提拉杆的另一端通过连接板连接。
所述X向驱动机构包括分别设于支撑架两端的X向齿轮、绕设于两X向齿轮外缘的X向传送带、驱动其中一X向齿轮转动的X向驱动装置、设于所述X向传送带上方并随其在齿轮的驱动下运动的固定板，其中，光杆滑动穿设于所述固定板然后与运动板连接，两所述提拉杆分别穿设于固定板然后与运动板连接，并能够相对固定板滑动。
为了保证X向齿轮顺利驱动X向传送带，X向传送带内表面设有与两X向齿轮啮合的X向齿轨，齿轮和齿轨啮合，X向传送带能够顺利带动固定板X向移动，从而带动打印喷头和Z向驱动机构顺利X向移动。
为确保X向驱动机构的固定板与Y向驱动机构连接后不侧翻，所述X向传送带两侧平行设有两固定杆，所述固定板下方两侧分别与固定板相对的位置均设有固定块，且所述固定块开设有与固定杆形配合、且固定杆能够穿过并相对其滑动的固定孔，在保证固定板随着X向传送带移动的同时，进一步保证固定板的稳固性。
所述Y向驱动机构设有两组，分别平行设于支撑架两内侧、并与X向驱动机构垂直，通过支撑座与支撑架连接，包括设于两端的Y向齿轮、绕设于两Y向齿轮外缘的Y向传送带、驱动其中一Y向齿轮转动的Y向驱动装置，所述打印桌铺设于两所述Y向驱动机构上。
为保证打印桌能够顺利随着Y向传送带移动，所述Y向传送带均匀开设有Y向齿轮能够嵌入的齿孔，且所述打印桌下方两侧均匀设有能够嵌入齿孔的Y向齿轨，Y向齿轮驱动Y向传送带运动，从而驱动打印桌Y向移动。
为更好的衔接料筒与Z向驱动机构的连接，所述运动板设有与料筒的顶端开口形配合的圆孔，所述圆孔套设于料筒顶端开口的外缘，进一步保证了料筒与Z向驱动机构连接的稳定性。其中，运动板一端通过柱形定位螺母与光杆和提拉杆连接，其中部与电机安装板通过螺钉连接，通过三角分布的螺钉与料筒连接。
所述支撑架呈龙门型，下方的次支架与地面锚固，来抵抗上部结构自重产生的偏心弯矩，横向的主支架承接中间轨道上X向传送带重力还有串联整个体系的作用。
有益效果：1、本发明打印机可以进行大粒径粗骨料混凝土的打印，最大粒径可达30mm，通过螺旋叶片的旋转传输作用来进行打印过程；2、具有打印速度快、内部允许骨料粒径大、单层宽度大、打印效率高、不易堵塞喷头的特点；3、可以有效提高目前建筑3D打印的工作效率，且可以适配各种不同的水泥基材料。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中Z向驱动机构、X向驱动机构及运动板的结构示意图；
图3是本发明中Z向驱动机构、X向驱动机构及打印喷头的连接结构示意图；
图4是本发明中Z向驱动机构、X向驱动机构及运动板的连接结构示意图；
图5是本发明中料筒的剖视结构示意图；
图6是本发明中料筒顶端结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图6，本发明一实施例所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，包括打印喷头1、支撑***2及控制***。
打印喷头1包括尖口朝下的锥形料筒11、设于料筒11顶端的运动板12、设于料筒11上方侧边并能够向料桶11内加料的入泵口13、设于料筒11出料口处的喷嘴14，喷嘴为40*40mm的方形喷头，且料筒11内还设有能够输送物料的传送机构15，传送机构15由减速电机16驱动。
其中，入泵口13朝内的一端与料筒11通过焊接相切连接、朝外的一端向外延伸，内部与料筒11连通；减速电机15通过设于料筒11上的电机安装板16与料筒11连接，喷嘴14与料筒11底部通过法兰盘连接；运动板12设有与料筒11的顶端开口形配合的圆孔，圆孔套设于料筒11顶端开口的外缘，其中部与电机安装板16通过螺钉连接，通过三角分布的螺钉与料筒11连接。
传送机构包括立设于所述料筒11内腔中的螺杆111、焊接于螺杆111周缘的螺旋叶片112，其中，螺杆111的动力输入端与减速电机15的转子通过嵌合方式连接，且螺旋叶片112边缘与料筒11内壁相切，大小与料筒11的锥形内腔形配合，即朝向尖端的方向逐渐减小。
螺杆111的上端设有能够卡在料筒11顶端开口边缘的3块板块113，3块板块113以螺杆111为中心向外辐射，其板块113一端与螺杆111连接、另一端卡在料筒11顶端的开口边缘，并用螺栓连接。
支撑***2包括能够驱动打印喷头1分别X向和Z向移动的X向驱动机构21和Z向驱动机构22、设于打印喷头1下方并能够驱动打印桌3Y向移动的Y向驱动机构23、以及支撑打印喷头1、X向驱动机构21、Z向驱动机构22以及Y向驱动机构23的龙门型支撑架24，Z向驱动机构22通过运动板12与料筒11连接，X向驱动机构21通过Z向驱动机构22与打印喷头1连接。
Z向驱动机构22通过运动板12驱动打印喷头1Z向移动，X向驱动机构21通过驱动Z向驱动机构22X向移动从而驱动打印喷头1X向移动，Y向驱动机构23驱动打印桌3Y向移动，从而实现了3D打印。
Z向驱动机构22包括与运动板12通过柱形定位螺母连接的光杆221、设于光杆221两侧能够提拉打印喷头的两提拉杆222、设于光杆221上的Z向齿轨、与齿轨配合使用的Z向齿轮223、驱动Z向齿轮223转动的Z向电机224，其中，Z向电机224通过驱动Z向齿轮223转动来带动光杆221运动，从而驱动打印喷头1Z向移动。
其中，光杆221、两提拉杆222的另一端通过连接板225连接。
X向驱动机构21包括分别设于支撑架24两端的X向齿轮211、绕设于两X向齿轮211外缘的X向传送带212、驱动其中一X向齿轮211转动的X向电机213、设于X向传送带212上方并随其在X向齿轮211的驱动下运动的固定板214，其中，光杆221、两提拉杆222分别穿设于固定板214然后与运动板12连接，并能够相对固定板滑动；X向传送带212内表面设有与两X向齿轮211啮合的X向齿轨。
X向传送带212两侧平行设有两固定杆215，固定板214下方两侧分别与固定板214相对的位置均设有固定块216，且固定块216开设有与固定杆215形配合、且固定杆215能够穿过并相对其滑动的固定孔。
Y向驱动机构23设有两组，分别平行设于支撑架24两内侧、并与X向驱动机构21垂直，其通过支撑座与支撑架24连接，包括设于两端的Y向齿轮231、绕设于两Y向齿轮231外缘的Y向传送带232、驱动其中一Y向齿轮231转动的Y向电机，打印桌3铺设于两Y向驱动机构23上。
Y向传送带232均匀开设有Y向齿轮231能够嵌入的齿孔，且打印桌3下方两侧均匀设有能够嵌入齿孔的Y向齿轨，Y向齿轮231驱动Y向传送带232运动，从而驱动打印桌3Y向移动。
控制***包括分别与打印喷头1和支撑***2的驱动机构连接的伺服电机，伺服电机和这些电机连接并提供指令，让打印机按照指令(G-code)来定向移动。
本发明的工作原理为：
送料原理：在打印喷头1上部的减速电机15启动后，减速电机15会驱动螺杆及螺旋叶片转动，螺旋叶片就可以将入泵口13进入的混凝土像传送带一样传输到喷嘴14，进而使喷嘴14对材料产生约束力从而形成规则的形状，材料在这样的挤压过程中顺着喷嘴留出，也就是被打印出来。
移动原理：对于X方向，启动X向电机213后，会根据控制***指令向两端定向移动，首先X向齿轮211带动固定板214移动，从而带动Z向驱动机构22和打印喷头1移动；对于Y方向，打印喷头1下面具有Y向齿轨可以控制打印桌3移动，也就是说打印喷头1不在Y向移动而是打印桌3在移动；对于Z方向，与光杆221的Z向齿轨配合的Z向齿轮223，通过Z向齿轮223来控制光杆221Z方向的上下移动，从而控制打印喷头1Z向上下移动，这样就做到了三维打印。

Claims (10)

1.一种用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：包括打印喷头、支撑***及控制***，
-所述打印喷头包括主体料筒、设于所述料筒顶端的运动板、设于所述料筒上方侧边并能够向料桶内加料的入泵口、设于所述料筒出料口处的喷嘴，且所述料筒内还设有能够输送物料的传送机构，所述传送机构由驱动装置驱动；
-所述支撑***包括能够驱动所述打印喷头分别X向和Z向移动的X向驱动机构和Z向驱动机构、设于所述打印喷头下方并能够驱动打印桌Y向移动的Y向驱动机构、以及支撑所述打印喷头、X向驱动机构、Z向驱动机构以及Y向驱动机构的支撑架，所述Z向驱动机构通过运动板与料筒连接，X向驱动机构通过Z向驱动机构与打印喷头连接；
-所述控制***包括分别与打印喷头和支撑***的驱动机构连接的伺服电机。
2.根据权利要求1所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述传送机构包括立设于所述料筒内腔中的螺杆、设于所述螺杆周缘的螺旋叶片，其中，所述螺杆的动力输入端与驱动装置的动力输出端连接，且所述螺旋叶片与料筒内壁相切。
3.根据权利要求1所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述Z向驱动机构包括与运动板连接的光杆、设于所述光杆上的Z向齿轨、与所述齿轨配合使用的Z向齿轮、驱动所述Z向齿轮转动的Z向驱动装置，其中，Z向驱动装置通过驱动齿轮转动来带动光杆运动，从而驱动打印喷头Z向移动。
4.根据权利要求3所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述光杆两侧还设有能够提拉打印喷头的两提拉杆。
5.根据权利要求1所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述X向驱动机构包括分别设于支撑架两端的X向齿轮、绕设于两X向齿轮外缘的X向传送带、驱动其中一X向齿轮转动的X向驱动装置、设于所述X向传送带上方并随其在齿轮的驱动下运动的固定板，其中，光杆、两提拉杆分别穿设于固定板然后与运动板连接，并能够相对固定板滑动。
6.根据权利要求5所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述X向传送带内表面设有与两X向齿轮啮合的X向齿轨。
7.根据权利要求5所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述X向传送带两侧平行设有两固定杆，所述固定板下方两侧分别与固定板相对的位置均设有固定块，且所述固定块开设有与固定杆形配合、且固定杆能够穿过并相对其滑动的固定孔。
8.根据权利要求1所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述Y向驱动机构设有两组，分别平行设于支撑架两内侧、并与X向驱动机构垂直，包括设于两端的Y向齿轮、绕设于两Y向齿轮外缘的Y向传送带、驱动其中一Y向齿轮转动的Y向驱动装置，所述打印桌铺设于两所述Y向驱动机构上。
9.根据权利要求8所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述Y向传送带均匀开设有Y向齿轮能够嵌入的齿孔，且所述打印桌下方两侧均匀设有能够嵌入齿孔的Y向齿轨，Y向齿轮驱动Y向传送带运动，从而驱动打印桌Y向移动。
10.根据权利要求1所述的用于打印粗骨料混凝土的3D打印机，其特征在于：所述运动板设有与料筒的顶端开口形配合的圆孔，所述圆孔套设于料筒顶端开口的外缘。
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