CN113084962B - 一种用于地下管道结构铺设的3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置，包括外壳，还包括自前向后依次设置有盾构机、旋转机构和打印机构；其中，旋转机构和打印机构位于外壳内，所述盾构机与所述外壳固定连接。本发明减少了地下施工建筑材料的粉尘污染，提高了施工效率。

Description

一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置

技术领域

本发明涉及地下管道施工的技术领域，更具体地，涉及一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置。

背景技术

目前，在无地下水或少地下水的地下管道铺设以及行隧道暗挖等施工，通常采用的施工方法是盾构法。盾构法是隧道与地下工程施工中一种全机械化施工的方法，它是将盾构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片来支承四周围岩防止发生隧道的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部拼装成环的衬砌上加压顶进，然后拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

在隧道盾构施工过程中，顶部一次衬砌施工过程较多采用人工或机械喷射混凝土的方式进行。由于在喷射中会产生大量的粉尘，造成空气污染严重，不便于工人长时间施工，在施工人工成本增加的同时，施工进度缓慢。此外，混凝土在喷射过程中会有部分脱落造成材料浪费，且盾构产生的泥浆废料处理起来比较困难。

因此，现有技术中亟需一种能够避免盾构施工中喷射产生大量粉尘，且节省材料的技术方案。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置，包括外壳，还包括自前向后依次设置有盾构机、旋转机构和打印机构；其中，旋转机构和打印机构位于外壳内，所述盾构机与所述外壳固定连接。

所述旋转机构包括旋转机构电机、传动齿轮组合、齿圈和行星轮，所述旋转机构电机驱动所述传动齿轮组合自传，所述行星轮与所述传动齿轮组合啮合，所述行星轮还与所述齿圈啮合，所述齿圈与所述外壳固定连接；

所述打印机构包括打印机、支撑模具、自驱动推进器、打印底座和材料输送管道，所述打印机内设置有材料输送泵，打印机的前端与所述行星轮固定连接且与所述行星轮同步转动；所述打印机的后表面设置有喷射口，所述支撑模具与所述打印机的后端固定连接；所述自驱动推进器的前端与所述打印机固定连接；所述材料输送管道贯穿所述打印底座并与所述打印机连接。

所述传动齿轮组合包括从动轮和太阳轮，所述太阳轮与所述从动轮固定连接且同步转动，所述旋转机构电机的输出轴上套设有主动轮，所述主动轮与所述从动轮啮合。

所述太阳轮与所述从动轮同轴。

所述太阳轮与所述从动轮直径相同。

所述从动轮的前方设置有前齿轮挡板，所述太阳轮的后方设置有后齿轮挡板。

所述支撑模具的数量为三个，三个支撑模具彼此呈等边三角形布置；所述喷射口的数量为三个，三个喷射口彼此呈等边三角形布置，所述喷射口与所述支撑模具的位置一一对应。

所述行星轮的数量为三个，三个行星轮彼此呈等边三角形布置；所述行星轮轴的数量为三个，三个行星轮轴彼此呈等边三角形布置，且每个行星轮轴插设在相应的行星轮中，并与相应的行星轮固定连接，行星轮围绕太阳轮公转时，行星轮轴与行星轮同步运动，使所述打印机随着行星轮同步转动。

所述自驱动推进器为电动推杆或液压杆。

所述盾构机的前端设置有刀片，所述盾构机的后端设置有电机安装位，所述盾构机的后端还设置有打印主体连接槽，所述打印主体连接槽外壁上还设置有打印主体连接孔，所述外壳上设置有安装孔，所述安装孔与所述打印主体连接孔通过螺栓固定连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.利用3D打印技术，将管道、隧道等等所需的材料喷射出来，并利用支撑模具、打印底座、打印机与外壳形成密闭空间，使材料成型，减少了地下施工建筑材料的粉尘污染。

2.齿圈与外壳固定连接，行星轮围绕太阳轮旋转的时，也会沿着齿圈运动；同时，行星轮又与打印机固定连接，因而，在行星轮运动时，会带动打印机同步转动，实现对地下管道、隧道等管状结构的3D打印，实现连续不间断施工，提高了施工效率。

3.电动推杆或液压杆等自驱动推进器间歇向前推动打印机，可以完成较长距离的地下施工。

附图说明

图1是3D打印装置的结构示意图。

图2是3D打印装置去掉盾构机和一半外壳后的内部结构示意图。

图3是3D打印装置在另一视角下去掉盾构机和一半外壳后的内部结构示意图。

图4是3D打印装置去掉盾构机和一半外壳后的内部主视图。

图5是旋转机构的结构示意图。

图6是带有支撑模具的打印机的结构示意图。

图7是带有支撑模具的打印机在另一视角下的结构示意图。

图8是打印底座的结构示意图。

图9是盾构机的主视图。

图10是图9的左视图。

图11是图1是3D打印装置去掉一半外壳后内部的结构示意图。

附图标记：1-旋转机构电机、2-传动齿轮组合、21-从动轮、22-太阳轮、3-齿圈、4-行星轮、5-外壳、61-前齿轮挡板、62-后齿轮挡板、7-主动轮、8-打印机、9-支撑模具、10-自驱动推进器、11-打印底座、12-材料输送管道、13-行星轮轴、100-盾构机、101-电机安装位、102-打印主体连接孔、200-旋转机构、201-外壳连接孔、300-打印机构。

具体实施方式

下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。

如图1-11所示的用于地下管道结构铺设的3D打印装置，包括外壳5，外壳5内自前向后依次设置有盾构机100、旋转机构200和打印机构300。

盾构机100的前端设置有刀片，盾构机100的后端设置有电机安装位101，盾构机100的后端还设置有打印主体连接槽，打印主体连接槽外壁上还设置有打印主体连接孔102。外壳5为两个半圆柱筒状的壳体拼合而成，每个壳体上都有外壳连接孔201，且两个壳体上的外壳连接孔201位置一一对应，将螺栓穿过两个壳体上的外壳连接孔201并锁紧，即可将外壳5组装完整。外壳5上设置有安装孔，安装孔位于壳体的前方，安装孔与打印主体连接孔102通过螺栓固定连接，从而实现盾构机100与外壳5固定连接。

旋转机构包括旋转机构电机1、传动齿轮组合2、齿圈3和行星轮4，旋转机构电机1驱动传动齿轮组合2自传，行星轮4与传动齿轮组合2啮合，行星轮4还与齿圈3啮合，齿圈3与外壳5固定连接。

打印机构包括打印机8、支撑模具9、自驱动推进器10、打印底座11、材料输送管道12和行星轮轴13，其中，自驱动推进器10可以为电动推杆或液压杆，本实施例中采用电动推杆。自驱动推进器10的前端与打印机8固定连接。打印机8内设置有材料输送泵，打印机8的后表面设置有喷射口14，支撑模具9与打印机8的后端固定连接；行星轮轴13与打印机8的前端固定连接，行星轮4以行星轮轴13为轴旋转，且行星轮4与行星轮轴13固定连接；材料输送管道12贯穿打印底座11并与打印机8连接。

传动齿轮组合2包括从动轮21和太阳轮22，太阳轮22与从动轮21固定连接且同步转动，旋转机构电机1的输出轴上套设有主动轮7，主动轮7与从动轮21啮合。从动轮21与太阳轮22同轴。本实施例中，从动轮21与太阳轮22直径相同。从动轮21的前方设置有前齿轮挡板61，太阳轮22的后方设置有后齿轮挡板62。

本实施例中，如图6-7所示，支撑模具9为三块不同高度的钢板组成，三块钢板依次相连，围成的形状开口向外。支撑模具9的数量为三个，三个支撑模具9彼此呈等边三角形布置；喷射口14的数量为三个，三个喷射口14彼此呈等边三角形布置，喷射口14与支撑模具9的位置一一对应。

本实施例中，行星轮4的数量为三个，三个行星轮4彼此呈等边三角形布置；行星轮轴13的数量为三个，三个行星轮轴13彼此呈等边三角形布置，且每个行星轮轴13插设在相应的行星轮4中，并与相应的行星轮4固定连接。

本发明的工作原理如下：

旋转机构电机1可间歇性工作，启动时，驱动主动轮7转动，主动轮7带动从动轮21，太阳轮22又与从动轮21固定连接且同步转动，因而，由于行星轮4与齿圈3和太阳轮22均啮合，且齿圈3与外壳5固定连接为一体，因而，太阳轮22自传时，行星轮4围绕太阳轮22公转时，会带动行星轮轴13与行星轮4同步运动，使打印机8在行星轮4的带动下绕其自身的旋转轴线进行自转。

打印机8内的材料输送泵的数量可以是一个或多个，每个材料输送泵自带驱动电机，并且由PLC的控制下。每当旋转机构电机1启动，使打印机8转动到下一工位后，在PLC的控制下，相应的材料输送泵在自带驱动电机的驱动下，喷出3D打印材料，材料在支撑模具9、打印底座11、打印机8与外壳5围成密闭空间内成型。材料输送管道12与外部动力连接，外部始终保持往材料输送管道12里输送打印材料的状态，使材料输送管道12内始终保持一定压力，在打印机8喷出3D打印材料的同时，材料输送管道12内始终充满打印材料。

自驱动推进器10本身是动力装置，可以间歇性运动，以电动推杆为例，可以外接电缆或内置蓄电池，电动推杆的前端与打印机8固定连接，电动推杆右端与打印机固定连接。在初始阶段，电动推杆的末端顶住打印底座11。每当打印机8完成一个圆周的3D打印后，电动推杆推动打印机8向前运动，电动推杆的末端顶住上一次打印好的地下管道等结构。

重复上述过程，即可3D打印出一定长度的地下管道等结构。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于地下管道结构铺设的3D打印装置，包括外壳(5)，其特征是，还包括自前向后依次设置的盾构机(100)、旋转机构(200)和打印机构(300)；所述旋转机构(200)和所述打印机构(300)设置在所述外壳(5)内；所述盾构机(100)与所述外壳(5)固定连接；

所述旋转机构包括旋转机构电机(1)、传动齿轮组合(2)、齿圈(3)和行星轮(4)，所述旋转机构电机(1)驱动所述传动齿轮组合(2)自传，所述行星轮(4)与所述传动齿轮组合(2)啮合，所述行星轮(4)还与所述齿圈(3)啮合，所述齿圈(3)与所述外壳(5)固定连接；

所述打印机构包括打印机(8)、支撑模具(9)、自驱动推进器(10)、打印底座(11)和材料输送管道(12)，所述打印机(8)内设置有材料输送泵，打印机(8)的前端与所述行星轮(4)固定连接且与所述行星轮(4)同步转动；所述打印机(8)的后表面设置有喷射口(14)，所述支撑模具(9)与所述打印机(8)的后端固定连接；所述自驱动推进器(10)的前端与所述打印机(8)固定连接；所述材料输送管道(12)贯穿所述打印底座(11)并与所述打印机(8)连接；

所述传动齿轮组合(2)包括从动轮(21)和太阳轮(22)，所述太阳轮(22)与所述从动轮(21)固定连接且同步转动，所述旋转机构电机(1)的输出轴上套设有主动轮(7)，所述主动轮(7)与所述从动轮(21)啮合；

所述太阳轮(22)与所述从动轮(21)同轴；

所述太阳轮(22)与所述从动轮(21)直径相同；

所述从动轮(21)的前方设置有前齿轮挡板(61)，所述太阳轮(22)的后方设置有后齿轮挡板(62)；

所述支撑模具(9)的数量为三个，三个支撑模具(9)彼此呈等边三角形布置；所述喷射口(14)的数量为三个，三个喷射口(14)彼此呈等边三角形布置，所述喷射口(14)与所述支撑模具(9)的位置一一对应；

所述打印机构还包括行星轮轴(13)，所述行星轮轴(13)与所述打印机(8)的前端固定连接，所述行星轮(4)以所述行星轮轴(13)为轴旋转，且所述行星轮(4)与所述行星轮轴(13)固定连接；

所述行星轮(4)的数量为三个，三个行星轮(4)彼此呈等边三角形布置；所述行星轮轴(13)的数量为三个，三个行星轮轴(13)彼此呈等边三角形布置，且每个行星轮轴(13)插设在相应的行星轮(4)中，并与相应的行星轮(4)固定连接，行星轮(4)围绕太阳轮(22)公转时，行星轮轴(13)与行星轮(4)同步运动，使所述打印机(8)随着行星轮(4)同步转动；

每当旋转机构电机1启动，使打印机8转动到下一工位后，在PLC的控制下，相应的材料输送泵在自带驱动电机的驱动下，喷出3D打印材料，材料在支撑模具9、打印底座11、打印机8与外壳5围成密闭空间内成型； 材料输送管道12与外部动力连接，外部始终保持往材料输送管道12里输送打印材料的状态，使材料输送管道12内始终保持一定压力，在打印机8喷出3D打印材料的同时，材料输送管道12内始终充满打印材料；

每当打印机8完成一个圆周的3D打印后，电动推杆推动打印机8向前运动，电动推杆的末端顶住上一次打印好的地下管道结构。

2.根据权利要求1所述的用于地下管道结构铺设的3D打印装置，其特征是，所述自驱动推进器(10)为电动推杆或液压杆。

3.根据权利要求1所述的用于地下管道结构铺设的3D打印装置，其特征是，所述盾构机(100)的前端设置有刀片，所述盾构机(100)的后端设置有电机安装位(101)，所述盾构机(100)的后端还设置有打印主体连接槽，所述打印主体连接槽外壁上还设置有打印主体连接孔(102)，所述外壳(5)上设置有安装孔，所述安装孔与所述打印主体连接孔(102)通过螺栓固定连接。

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