一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统及成型方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统及成型方法，包括：驱动部，安装于外部工作平面；双混凝土材料增材打印头，安装于驱动部上，双混凝土材料增材打印头包括至少两个混凝土增材打印头和一个裂隙填充头；混凝土减材头，安装于驱动部上，该专利能够制作含多种强度的岩石材料、复杂的裂隙网络和裂隙填充物的三维精细化物理模型，本专利将双混凝土材料增材打印头和裂隙切割头的运动与升降控制、混凝土挤出泵的泵送控制、裂隙填充头的挤出控制均集成在上位机的同一块主板上，直接通过程序代码实现混凝土打印头和裂隙填充头升降、混凝土材料挤出、裂隙切割和裂隙填充的自动控制，极大地提高了建造效率和精度。极大地提高了建造效率和精度。极大地提高了建造效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统及成型方法


[0001]本专利技术涉及机械工程
，具体而言，涉及一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统及成型方法。

技术介绍

[0002]岩土工程中含大量裂隙网络，严重影响国家重大基础设施和能源工程的安全性，研究裂隙网络岩体结构灾变机理和破坏特征是确保基础设施和能源工程安全的基础。物理模型试验是岩土工程领域主要的研究手段，然而，裂隙网络岩体物理模型的制备非常困难，由于裂隙网络岩体中同时存在多种强度的岩石材料，且存在分布非常复杂的裂隙网络和裂隙填充物，目前尚没有成熟的方法能够制作含多种强度的岩石材料、复杂的裂隙网络和裂隙填充物的三维物理模型。
[0003]混凝土3D打印技术采用层层堆积的方式建造结构，近年来，其凭借自动化、自由化、快速化的优势得到迅速发展。采用混凝土3D打印技术制备含多种强度的岩石材料、复杂的裂隙网络和裂隙填充物的三维物理模型具有较大潜力。申请号为202011021981.X的文献公开了一种制备复杂地质模型的粉末粘结3D打印设备及方法，该专利通过粉末铺设、粘结剂喷射粘结成型、裂隙切割、裂隙填充和升降平台的运动等工步间的协同工作，通过层层堆积方法，实现多强度岩石材料和复杂裂隙网络的同时打印，制备出高精度的复杂地质模型。然而，该专利存在以下两个问题：
①
采用铺设干粉末，然后喷射粘结剂的方式进行3D打印建造，粉末的铺设层厚一般在2mm以内，因此竖向建造成型速度非常慢。
②
因为采用层层铺粉的工艺，为防止切割制备的裂隙被新铺设粉末再次堵塞，该专利在裂隙内必须填充粉料，可溶性填充材料浸水溶解后形成裂隙。所以，该方法无法实现含填充物裂隙的制备。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
[0005]根据本专利技术的实施例的第一方面在于提供一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统。
[0006]本专利技术的第二方面还提出了一种双臂多材料混凝土3D打印增减材成型方法。
[0007]有鉴于此，本专利技术第一方面的实施例提供了一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，包括：驱动部，安装于外部工作平面；双混凝土材料增材打印头，安装于所述驱动部上，所述双混凝土材料增材打印头包括至少两个混凝土增材打印头和一个裂隙填充头；混凝土减材头，安装于所述驱动部上；其中，所述驱动部设置两个，一个所述驱动部与所述双混凝土材料增材打印头相连接，另一个所述驱动部与所述混凝土减材头相连接，所述驱动部、双混凝土材料增材打印头和混凝土减材头采用上位机集成控制。
[0008]根据本专利技术提供的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，该专利能够制作含多种强度的岩石材料、复杂的裂隙网络和裂隙填充物的三维精细化物理模型，解决了目前国内外无法实现含填充物裂隙制备的技术难题；
[0009]实现多混凝土材料自动交替快速打印和含填充物裂隙网络的制备，采用混凝土挤出方式，极大地提高了打印速度，避免了粉末3D打印由于层厚较小造成的建造成型速度慢的问题；
[0010]本专利将双混凝土材料增材打印头和裂隙切割头的运动与升降控制、混凝土挤出泵的泵送控制、裂隙填充头的挤出控制均集成在上位机的同一块主板上，直接通过程序代码实现混凝土打印头和裂隙填充头升降、混凝土材料挤出、裂隙切割和裂隙填充的自动控制，极大地提高了建造效率和精度。
[0011]另外，根据本专利技术的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
[0012]上述任一技术方案中，所述驱动部包括：横向驱动组件，安装于外部工作平面；机器臂，安装于所述横向驱动组件上，所述机器臂的移动端分别与所述双混凝土材料增材打印头和所述混凝土减材头相连接；其中，所述机器臂为五轴机器臂和/或六轴机器臂。
[0013]在该技术方案中，采用横向驱动组件进行横向的驱动移动和坐标位置调节，使得机器臂能够带动与其连接的结构进行横向的单轴快速和大范围的移动，能够移动大尺寸的建模生成和大行程的建模生产线设置，通过设置五轴机器臂和/或六轴机器臂，使得混凝土增材打印头和裂隙填充头能够进行更加多元和多方向的建设和加工，保证了建模的不同成型工艺和结构组成的要求，使得预设的实施工艺能够顺利实施，设置五轴或者六轴的选择，可根据具体的生产需求进行设定，以便进行加注、切割和填缝的不同步骤的使用需求。
[0014]上述任一技术方案中，所述横向驱动组件包括：地轨，安装于外部工作平面；滑动底座，滑动安装在所述地轨上，所述滑动底座上表面固定连接所述机器臂，所述滑动底座用于与所述地轨相配合，以将所述机器臂沿所述地轨的设置方向移动；其中，两个所述地轨横向平行设置。
[0015]在该技术方案中，通过在地轨上滑动连接的滑动底座，使得整体的移动更加稳定，在保证了行程长度和移动的要求时，能够保证整体的移动稳定进行，降低内部的颠簸，进一步提高了设置的加工精度和内部的使用寿命，通过两个地轨的平行设置，使得混凝土增材打印头和裂隙填充头的设计移动更加方便，降低了在设计和编程中的繁琐，提高了前期的设计速度。
[0016]上述任一技术方案中，所述机器臂还包括：升降组件，安装在所述机器臂上，所述升降组件设置至少三个，且分别与所述双混凝土材料增材打印头和所述裂隙填充头固定连接；升降控制电机，安装在所述机器臂上，所述升降控制电机用于与所述升降组件相配合，以使所述混凝土增材打印头和所述裂隙填充头能够单独的纵向移动；控制板卡，电连接所述升降控制电机和所述上位机，所述控制板卡安装在所述机器臂上。
[0017]在该技术方案中，双混凝土材料增材打印头和裂隙填充头并列排布并分别采用打印头固定夹具固定在升降组件上，其底部在同一水平线上，以便于实现三个头在同一层打印，通过升降控制电机的控制，能够实现自由和快速自主的移动控制，裂隙填充头位于两个双混凝土材料增材打印头的中间位置，使得在对不同材料进行填缝时能够更加容易的进行，降低各步骤之间的调节行程，提高加工的整体速度。
[0018]上述任一技术方案中，所述升降组件包括：升降托，所述升降托一端分别固定连接所述双混凝土材料增材打印头和所述裂隙填充头固定连接，所述升降托纵向滑动连接在所述机器臂上；传动丝杠，转动安装在所述机器臂上，所述传动丝杠与所述升降托另一端相螺
接，以带动所述升降托纵向移动；从动齿轮，安装在所述传动丝杠下端；主动齿轮，安装在所述升降控制电机的输出端上，所述主动齿轮与所述从动齿轮相啮合。
[0019]在该技术方案中，控制板卡控制升降控制电机的转动，进而带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动进而控制传动丝杠转动，升降托固定在传动丝杠上，通过传动丝杠的转动实现升降托的升降，进而控制双混凝土材料增材打印头和裂隙填充头在竖向上的升降运动，通过分别的单独控制，使得每种材料和每种实施工艺的步骤都能单独的调节，以便每步的加工中不会产生相互干扰。
[0020]上述任一技术方案中，所述双混凝土材料增材打印头包括：混凝土输入管，安装在所述升降托一端上，且位于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，其特征在于，包括：驱动部，安装于外部工作平面；双混凝土材料增材打印头，安装于所述驱动部上，所述双混凝土材料增材打印头包括至少两个混凝土增材打印头和一个裂隙填充头；混凝土减材头，安装于所述驱动部上；其中，所述驱动部设置两个，一个所述驱动部与所述双混凝土材料增材打印头相连接，另一个所述驱动部与所述混凝土减材头相连接，所述驱动部、双混凝土材料增材打印头和混凝土减材头采用上位机集成控制。2.根据权利要求1所述的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，其特征在于，所述驱动部包括：横向驱动组件，安装于外部工作平面；机器臂，安装于所述横向驱动组件上，所述机器臂的移动端分别与所述双混凝土材料增材打印头和所述混凝土减材头相连接；其中，所述机器臂为五轴机器臂和/或六轴机器臂。3.根据权利要求2所述的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，其特征在于，所述横向驱动组件包括：地轨，安装于外部工作平面；滑动底座，滑动安装在所述地轨上，所述滑动底座上表面固定连接所述机器臂，所述滑动底座用于与所述地轨相配合，以将所述机器臂沿所述地轨的设置方向移动；其中，两个所述地轨横向平行设置。4.根据权利要求2所述的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，其特征在于，所述机器臂还包括：升降组件，安装在所述机器臂上，所述升降组件设置至少三个，且分别与所述双混凝土材料增材打印头和所述裂隙填充头固定连接；升降控制电机，安装在所述机器臂上，所述升降控制电机用于与所述升降组件相配合，以使所述混凝土增材打印头和所述裂隙填充头能够单独的纵向移动；控制板卡，电连接所述升降控制电机和所述上位机，所述控制板卡安装在所述机器臂上。5.根据权利要求4所述的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统，其特征在于，所述升降组件包括：升降托，所述升降托一端分别固定连接所述双混凝土材料增材打印头和所述裂隙填充头固定连接，所述升降托纵向滑动连接在所述机器臂上；传动丝杠，转动安装在所述机器臂上，所述传动丝杠与所述升降托另一端相螺接，以带动所述升降托纵向移动；从动齿轮，安装在所述传动丝杠下端；主动齿轮，安装在所述升降控制电机的输出端上，所述主动齿轮与所述从动齿轮相啮合。6.根据权利要求5所述的一种双臂多材料混凝土3D打...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，李之建，王里，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：