一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机制造技术

本发明专利技术涉及一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，包括龙门式框架、X轴、Y轴、Z轴、纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头、材料导管、压力泵、储料池；所述的高分子材料喷头通过逐层叠加方式打印三维模型外轮廓；所述的水泥浆体喷头在高分子材料喷头打印一定层高的轮廓后，快速挤出与外壳轮廓相等体积空间的水泥浆体，填充三维模型；所述的连续纤维喷头在每填充一定层厚的水泥后，在水泥表面铺放连续纤维材料，增强水泥浆体的成型性能；打印完成后通过热熔方式去除塑料外壳，得到水泥模型。本发明专利技术材料成本低、成型精度高、成型性能强，表面质量好，易于多材料特性调控，用于景观建筑、艺术品等产品的直接成型，具有广阔应用前景。

A fiber reinforced multi sprinkler cement paste 3D printer

The present invention relates to a multi nozzle cement paste 3D printer and a reinforced fiber, including Longmen type frame, X axis, Y axis, Z axis, fiber composite nozzle, nozzle, polymer cement slurry nozzle, pump, pressure vessel, material storage tank; spray head of the polymer material layer by layer the superposition of the three-dimensional model of printing outer contour; the cement slurry nozzle in polymer material print head contour after certain height, the rapid extrusion of cementpaste and shell contours of equal volume, filling the 3D model; the continuous fibers in each nozzle filled with certain thickness of cement, laying on the surface of the cement continuous fiber reinforced materials, forming property of cement paste; after printing by hot way to remove the plastic shell, the cement model. The invention has the advantages of low material cost, high molding accuracy, strong molding performance, good surface quality, easy regulation and control of multi material characteristics, and direct application for landscape architecture, artwork and other products, and has wide application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机
本专利技术涉及一种用于纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，属于增材制造
技术背景3D打印以其不受结构复杂性限制、一体成型等优势，被誉为“推动第三次工业革命”的技术，广泛应用在航空航天、机械制造、工艺品、教育教学等各个领域。其中，在景观、工艺品设计等领域以“所见即所得”的方式，能够快速把创意转化为现实，大大加快了产品的开发速度。目前，用于艺术品的快速成型，多用聚乳酸、石膏、树脂等材料进行3D打印。存在材料性能不强、打印成本较高，难以在室外长期存放等缺点。在3D打印领域，水泥材料以其较低的成本、较好的性能等优势，多采用水泥砂浆为原料用于大型房屋建筑。对于小型景观或工艺品，水泥砂浆材料存在精度不高、表面质量差等问题；而传统基于FDM(FusedDepositionMolding，熔融沉积)技术的水泥浆体3D打印，又存在性能不高，凝固时间、模型结构特点与打印速率难以协调一致，对材料凝固特性精确度要求高等问题。对于现有多喷头3D打印机，一种是采用压电喷射逐层堆叠打印光固化树脂或蜡铸造材料层，材料多为树脂或颜料颗粒，通过光固化方式成型，用来进行高精度全彩色树脂材料打印；一种为基于FDM技术多个喷头的叠加，如并联式双喷头，分别打印高分子材料与支撑材料或两种色彩的条状材料，用于打印水溶性支撑模型或双色模型；以及以此方式扩展的大型多喷头3D打印，可同时打印两个或多个同样的模型，提高效率；或者把三个喷嘴集中安装在同一个固定装置上，能够进行切换，节省了装备空间，完成多材料或多色彩的打印功能。但对于水泥3D打印高精度高性能的需求，一方面需要针对不同材料进行不同类型喷头的安装部署及控制协调；同时需要在成型工艺上能够同时满足水泥的成型性能与精度。鉴于此，需要一种能够同时满足成型精度和表面质量的低成本水泥浆体3D打印机，用于景观建筑、艺术品等产品的直接三维成型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对水泥3D打印所需求的高精度、高表面质量的要求，提供一种纤维增强的多喷头水泥3D打印机。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，包括龙门式框架、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台、纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头、材料导管、压力泵、用来储存水泥浆体材料的储料池，还包括用于控制X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台相互运动以及纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头之间相互运动的控制系统一；所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台固定在龙门式框架上，所述纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头依次并列活动固定在X轴移动机构上，三个喷头的下端处于同一水平面，并由X轴移动机构驱动沿X轴方向水平移动，由Y轴移动机构驱动沿y轴方向水平移动，Z轴移动平台沿竖直方向升降；水泥浆体喷头通过材料导管与储料池相连接，导管上设有压力泵；所述高分子材料喷头以高分子材料为打印材料，用于打印三维模型轮廓，水泥浆体喷头以水泥浆体为打印原料，用于挤出与三维模型轮廓相等体积空间的水泥浆体，纤维复合材料喷头以连续纤维复合材料为打印材料，用于在水泥表面铺放连续纤维材料。进一步的，所述纤维复合材料喷头包括进料机构、固定在进料机构上的导向管支架、剪切驱动装置、剪切传动机构、刀片支架、剪切刀片、加热装置、传感发射装置、传感接收装置、连接在进料机构下端的支架，以及打印喷头；所述的进料机构固定在支架上方，由壳体、驱动电机、相互啮合的齿轮，以及金属导向管共同构成，驱动电机用于驱动相互啮合的齿轮把连续纤维材料沿金属导向管推送到打印喷头，所述金属导向管通过所述导向管支架固定，上端邻接相互啮合的齿轮，下端邻接加热装置，所述打印喷头位于加热装置内；所述剪切驱动装置固定在所述支架的一侧，底部设有电机轴，支架下端设有金属轴，所述电机轴和金属轴位于同一水平面，剪切传动机构一端固定在电机轴上，一端固定在金属轴上，刀片支架固定在金属轴上，并由剪切传动机构带动来转动，刀片支架上设有固定剪切刀片的凹槽，并通过紧定螺钉固定在刀片支架上；所述加热装置固定在支架下端，并与刀片支架下端相连接，加热装置由加热铝块及内部的加热棒构成，加热铝块内设有一个孔，所述打印喷头位于热铝块的孔内；传感发射装置设置在金属导向管末端，传感接收装置位于加热铝块孔内打印喷头旁，传感发射装置与传感接收装置垂直对应。进一步的，还包括与剪切驱动装置及传感接收装置相连接的控制系统二，当检测到打印路径的跳转点时，控制系统二控制剪切驱动装置驱动剪切刀片运动，完成连续纤维的切断；当传感接收装置的数值变化低于一定阈值时，由控制系统二控制剪切驱动装置驱动剪切刀片移动。进一步的，所述传感发射装置和传感接收装置为红外传感。进一步的，金属导向管底端到加热装置的距离为剪切刀片厚度。进一步的，所述水泥浆体喷头为注射器针筒式。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果：本专利技术通过三个喷头的协同工作，完成水泥3D打印。高分子材料喷头打印三维模型的外壳，内部空心无填充，水泥浆体喷头同步往外壳中注入等空间体积的水泥材料，这样避免了传统水泥浆体3D打印的凝固时间与打印速度、模型结构不同等三者之间复杂的配合问题，利用模具设计思想与3D打印思想相结合，能够提高水泥的成型精度，且边打边注入，在一定上提高了打印效率。根据增强性能的需求，纤维复合材料喷头按照规划路径，每隔一层或多层铺设纤维进行性能增强，由于水泥浆体的性能比较差，通过纤维材料喷头有选择性的把增强纤维铺放在水泥浆体内部，增强水泥浆体的成型性能。待外壳打印完毕，所填充的水泥浆体凝固后，通过热熔处理方式，熔化高分子材料外壳，去除外轮廓，得到增强的水泥模型。同时针对纤维复合材料连续性的特点，采用具有实时剪断功能的纤维材料3D打印喷头，能够在打印具有跳转点的复杂路径时，完成纤维的铺放及路径实时跳转。本专利技术利用多喷头结构的成型方式和多喷头协同工作过程的创新，解决了水泥3D打印的成型精度和性能的问题，本专利技术的多喷头水泥浆体3D打印机具有可连续进料、材料成本低、成型速度快、成型精度高、水泥材料凝固与流变特性要求低等优点，在景观、艺术品的快速成型制造领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的喷头布局图；图3为本专利技术纤维复合材料喷头的结构示意图；图4为本专利技术纤维复合材料喷头的底视图。图中：1、龙门式框架，2、X轴移动机构，3、Y轴移动机构，4、Z轴移动平台，5、纤维复合材料喷头，6、高分子材料喷头，7、水泥浆体喷头，8、材料导管，9、压力泵，10、储料池；51、进料机构，52、导向管支架，53、剪切驱动装置，54、剪切传动机构，55、刀片支架，56、剪切刀片，57、加热装置，58、传感发射装置，59、传感接收装置，510、喷头支架，511、打印喷头；61、高分子材料，62、打印喷嘴，63、加热棒。具体实施方式下面结合附图和具体实施对本实用型作进一步的描述：本专利技术的结构如附图1所示，包括龙门式框架1、X轴移动机构2、Y轴移动机构3、Z轴移动平台4、纤维复合材料喷头5、高分子材料喷头6、水泥浆体喷头7、材料导管8、压力泵9、储料池10。纤维复合材料喷头5、高分子材料喷头6、水泥浆体喷头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，其特征在于：包括龙门式框架、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台、纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头、材料导管、压力泵、用来储存水泥浆体材料的储料池，还包括用于控制X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台相互运动以及纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头之间相互运动的控制系统一；所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台固定在龙门式框架上，所述纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头依次并列活动固定在X轴移动机构上，三个喷头的下端处于同一水平面，并由X轴移动机构驱动沿X轴方向水平移动，由Y轴移动机构驱动沿y轴方向水平移动，Z轴移动平台沿竖直方向升降；水泥浆体喷头通过材料导管与储料池相连接，导管上设有压力泵；所述高分子材料喷头以高分子材料为打印材料，用于打印三维模型轮廓，水泥浆体喷头以水泥浆体为打印原料，用于挤出与三维模型轮廓相等体积空间的水泥浆体，纤维复合材料喷头以连续纤维复合材料为打印材料，用于在水泥表面铺放连续纤维材料。

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，其特征在于：包括龙门式框架、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台、纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头、材料导管、压力泵、用来储存水泥浆体材料的储料池，还包括用于控制X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台相互运动以及纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头之间相互运动的控制系统一；所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动平台固定在龙门式框架上，所述纤维复合材料喷头、高分子材料喷头、水泥浆体喷头依次并列活动固定在X轴移动机构上，三个喷头的下端处于同一水平面，并由X轴移动机构驱动沿X轴方向水平移动，由Y轴移动机构驱动沿y轴方向水平移动，Z轴移动平台沿竖直方向升降；水泥浆体喷头通过材料导管与储料池相连接，导管上设有压力泵；所述高分子材料喷头以高分子材料为打印材料，用于打印三维模型轮廓，水泥浆体喷头以水泥浆体为打印原料，用于挤出与三维模型轮廓相等体积空间的水泥浆体，纤维复合材料喷头以连续纤维复合材料为打印材料，用于在水泥表面铺放连续纤维材料。2.如权利要求1所述的一种纤维增强的多喷头水泥浆体3D打印机，其特征在于：所述纤维复合材料喷头包括进料机构、固定在进料机构上的导向管支架、剪切驱动装置、剪切传动机构、刀片支架、剪切刀片、加热装置、传感发射装置、传感接收装置、连接在进料机构下端的支架，以及打印喷头；所述的进料机构固定在支架上方，由壳体、驱动电机、相互啮合的齿轮，以及金属导向管共同构成，驱动电机用于驱动相互啮合的齿轮把连续纤维材料沿金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，张俊，谭跃刚，涂一文，周祖德，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42