一种不间断建筑3D打印装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及建筑3D打印领域，尤其涉及一种不间断建筑3D打印装置及方法。该3D打印装置包括3D打印头，该3D打印头包括：保护盖、料桶、打印料仓、套筒、出料装置、挤出杆和搅拌叶片。利用该建筑3D打印装置实现不间断的3D打印的方法，包括：S1：主进料口与建筑3D打印“油墨”输送管连接，次进料口与速凝剂输送管连接；S2：注入建筑3D打印“油墨”与速凝剂；S3：搅拌叶片将建筑3D打印“油墨”与速凝剂在打印料仓内搅拌均匀后，由挤出杆输送到出料装置进行打印。该打印装置实现了不间断的建筑3D打印过程，开拓了建造3D打印技术从实验室阶段向工程应用阶段的转变，具有重要的工程价值。

An uninterrupted 3D printing device and method for building

【技术实现步骤摘要】
一种不间断建筑3D打印装置及方法
本专利技术涉及建筑3D打印领域，尤其涉及一种不间断建筑3D打印装置及方法。
技术介绍
建筑3D打印是以建筑材料为油墨材料，将3D打印技术运用于建筑工程领域的一种智能建造技术。由于3D打印技术的优越性，其在建筑领域具有极大的应用潜力。将建筑材料与3D打印技术结合起来，不仅可以大大的减少建造成本、提高建造效率，还能提高建造的安全性、稳定性和精确性，同时也使得复杂的建造形式成为可能。然而目前，大多数的建筑3D打印技术都停留在实验室阶段。究其原因，在于建筑3D打印技术的工业化应用还不成熟，特别是建筑3D打印“油墨”的泵送性和建造性相互矛盾的问题未能得到有效解决，从而制约了建筑3D打印的可持续进行，阻碍了建筑3D打印技术的进一步应用和推广。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种不间断建筑3D打印装置及方法，用于实现建筑3D打印的不间断进行。该装置将建筑3D打印“油墨”与速凝剂分开输送，并在打印料仓内混合搅拌均匀后打印，既不破坏建筑3D打印“油墨”的泵送性，又能大大提高最终打印材料的建造性，有效的克服了建筑3D打印中“油墨”的泵送性和建造性相互矛盾的制约瓶颈，使得建筑3D打印“油墨”能在较短时间内凝结硬化，从而能够承受来自上面层打印材料的自重压力，实现了不间断的建筑3D打印过程，开拓了建造3D打印技术从实验室阶段向工程应用阶段的转变，具有重要的工程价值。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。本专利技术第一个方面公开了一种3D打印头，包括：保护盖；料桶，设置于所述保护盖的下方；打印料仓，同轴设置于所述料桶的下方；套筒，同轴设置于所述打印料仓的下方；出料装置，设置于所述套筒的下方；挤出杆，沿中心轴向贯穿料桶、打印料仓和套筒；搅拌叶片，套设与所述挤出杆上，且位于所述打印料仓内；其中，所述保护盖上设置有第一进料口；所述料桶上设置有第二进料口和第三进打印料仓；所述挤出杆位于所述搅拌叶片下方的部分设置有等螺距叶片。优选的，所述套筒和出料装置可拆卸连接。优选的，所述套筒下方设置有螺纹，与所述出料装置螺纹连接。优选的，所述料桶和打印料仓铆接。优选的，所述出料装置为出料筒。优选的，所述第一进料口和第二进料口均为圆形，所述第三进打印料仓呈漏斗状。本专利技术第二个方面公开了一种建筑3D打印装置，所述建筑3D打印装置包括上述的3D打印头。优选的，所述建筑3D打印装置包括建筑3D打印“油墨”输送管和速凝剂输送管；所述建筑3D打印“油墨”输送管与所述第二进料口连接；所述速凝剂输送管与所述第一出料口连接。更优选的，所述建筑3D打印“油墨”的输送方式为螺杆泵泵送式；所述输入的建筑3D打印“油墨”具有良好的可泵送性能。更优选的，所述速凝剂输送管靠近第二出料口的一端设置有单向阀，用于防止打印“油墨”回流入速凝剂输送管。另一端设置有气泵，用于清理速凝剂管内的残余物。所述速凝剂输入管末端为靠近打印头的一端。优选地，所述打印料仓用于存储建筑3D打印“油墨”及速凝剂。优选地，所述搅拌叶片用于将存储在打印料仓内的建筑3D打印“油墨”及速凝剂拌合均匀。优选地，所述挤出杆用于挤出拌合均匀的建筑3D打印“油墨”及速凝剂，并传输到出料装置进行打印。本专利技术第三个方面公开了一种利用上述的建筑3D打印装置实现不间断的3D打印的方法，包括：S1：主进料口与建筑3D打印“油墨”输送管连接，次进料口与速凝剂输送管连接；S2：注入建筑3D打印“油墨”与速凝剂；S3：搅拌叶片将建筑3D打印“油墨”与速凝剂在打印料仓内搅拌均匀后，由挤出杆输送到出料装置进行打印。优选的，所述输入建筑3D打印“油墨”的速率与输入速凝剂的速率相互匹配，即每秒钟输入打印料仓的速凝剂与3D打印“油墨”的质量比为0.8％～6.5％。；所述速凝剂与3D打印“油墨”的质量比根据施工进度要求及打印构件特性的不同而调整。优选地，所述速凝剂为液态，属于无机盐类速凝剂，主要成份为铝酸钠或硫酸铝；所述加入速凝剂的建筑3D打印“油墨”的初凝时间控制在4～30分钟，终凝时间控制在8～75分钟，所述初凝时间和终凝时间根据速凝剂掺量的不同而不同；所述速凝剂与建筑3D打印“油墨”混合后能大大缩短其凝结硬化时间并提高其早期湿坯强度，从而提高建筑3D打印“油墨”的建造性；所述建造性提高后的建筑3D打印“油墨”可连续打印垂直高度2～4米，且无明显塌陷。优选的，所述速凝剂与3D打印“油墨”质量比的调整方式为，该质量比能保证建造性提高后的建筑3D打印“油墨”的湿坯强度P始终大于其所受的来自于上层打印料自重产生的受压应力P1，从而实现不间断的建筑3D打印。优选的，掺有速凝剂的建筑3D打印“油墨”的湿坯强度随时间的发展关系符合公式(1)，公式(1)为P＝f(r,v,t)；其中，P为掺有速凝剂的建筑3D打印“油墨”的湿坯强度，r为速凝剂与建筑3D打印“油墨”的混合比例，v为搅拌叶片的搅拌速率，t为速凝剂和建筑3D打印“油墨”混合后的时间。优选地，所述掺有速凝剂的建筑3D打印“油墨”的湿坯强度P与r,v,t的函数关系可以根据实验值P拟合出来；所述拟合方式的其中一种为：假定r,v为定值，即可拟定出在速凝剂与建筑3D打印“油墨”的混合比例(r)及搅拌叶片的搅拌速率(v)一定的情况下，建筑3D打印“油墨”的湿坯强度P与速凝剂和建筑3D打印“油墨”混合时间t的函数关系。更优选的，所述在速凝剂与建筑3D打印“油墨”的混合比例(r)及搅拌叶片的搅拌速率(v)数值不变的前提下，建筑3D打印“油墨”的湿坯强度P随着时间t在凝结硬化初期按照近似幂函数y＝xa方式增长；优选的，所述建筑3D打印“油墨”的凝结硬化初期为0～8小时，所述幂函数y＝xa的指数a>1。优选的，所述底层打印料承受的自重应力P1随打印层数的变化关系符合公式(2)，公式(2)为P1＝n·h·ρ·g；其中，n为打印层数，h为每层打印高度，ρ为打印“油墨”密度，g为重力加速度。优选的，所述打印层数n随打印时间的变化关系符合公式(3)，公式(3)为n＝vt/l；其中，v为打印速度，t为打印时间，l为每层需要打印长度。优选的，所述底层打印料承受的自重应力随时间的变化关系符合公式(4)，公式(4)为所述参数h,ρ,g,v,l在建筑3D打印“油墨”、打印构件、打印基本参数确定的情况下，皆为定值，所述底层打印料承受的自重应力P1随时间t按一次函数y＝Ax方式增长，其中A为大于零的常数。优选地，所述在仅考虑因自重应力不足导致破坏的情况下，根据建筑3D打印“油墨”的湿坯强度P和底层打印料的自重应力P1的增长方式，通过调节速凝剂与建筑3D打印“油墨”的混合比例(r)的大小，可以保证在任本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印头，其特征在于，包括：/n保护盖；/n料桶，设置于所述保护盖的下方；/n打印料仓，同轴设置于所述料桶的下方；/n套筒，同轴设置于所述打印料仓的下方；/n出料装置，设置于所述套筒的下方；/n挤出杆，沿中心轴向贯穿料桶、打印料仓和套筒；/n搅拌叶片，套设于所述挤出杆上，且位于所述打印料仓内；/n其中，所述保护盖上设置有第一进料口；所述料桶上设置有第二进料口和第三进打印料仓；/n所述挤出杆位于所述搅拌叶片下方的部分设置有等螺距叶片。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印头，其特征在于，包括：
保护盖；
料桶，设置于所述保护盖的下方；
打印料仓，同轴设置于所述料桶的下方；
套筒，同轴设置于所述打印料仓的下方；
出料装置，设置于所述套筒的下方；
挤出杆，沿中心轴向贯穿料桶、打印料仓和套筒；
搅拌叶片，套设于所述挤出杆上，且位于所述打印料仓内；
其中，所述保护盖上设置有第一进料口；所述料桶上设置有第二进料口和第三进打印料仓；
所述挤出杆位于所述搅拌叶片下方的部分设置有等螺距叶片。


2.一种建筑3D打印装置，其特征在于，所述建筑3D打印装置包括权利要求1所述的3D打印头。


3.根据权利要求2所述的建筑3D打印装置，其特征在于，所述建筑3D打印装置包括建筑3D打印“油墨”输送管和速凝剂输送管；
所述建筑3D打印“油墨”输送管与所述第二进料口连接；
所述速凝剂输送管与所述第一出料口连接。


4.根据权利要求3所述的建筑3D打印装置，其特征在于，所述速凝剂输送管靠近第二出料口的一端设置有单向阀，另一端设置有气泵。


5.一种利用权利要求2-4所述的建筑3D打印装置实现不间断的3D打印的方法，包括：
S1：主进料口与建筑3D打印“油墨”输送管连接，次进料口与速凝剂输送管连接；
S2：注入建筑3D打印“油墨”与速凝剂；
S3：搅拌叶片将建筑3D打印“油墨”与速凝剂在打印料仓内搅拌均匀后，由挤出杆输送到出料装置进行打印。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输入建筑3D打印“油墨”的速率与输入速凝剂的速率相互匹配，即每秒钟输入打印料仓的速凝剂与3D打印“油墨”的质量比为0.8％～6.5％。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述速凝剂与3D打印“油墨”质量比的调整方式为，该质量比能保证建...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖建庄，丁陶，汲广超，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31