一种建筑3D打印喷头挤出状态智能控制系统及方法与流程

本发明属于建筑3d打印技术领域，具体涉及一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统及方法。

背景技术：

目前，建筑3d技术正处于关键的行业起步阶段，已经在公共建筑、装饰建筑、应急建筑、定制建筑等方面崭露头角，正处于从实验室过渡到商品化的阶段。

传统的3d打印技术主要应用于医疗、零配件等小型产品领域，其根据储料仓的大小持续的打印出某一体积不大于储料仓容积的部件，与传统的3d打印方式不同，大规模的建筑打印工作决定了打印喷头要具有持续供料的挤出能力。建筑材料在整个输送及挤出的过程中，喷头挤出口处由于通道截面积的减小，容易造成出口处打印材料的堵塞，由于建筑材料（混凝土、砂浆等）在打印的过程中往往是需要加入增强纤维的，在打印材料输送的过程中，打印材料中的增强纤维会发生定向取向（沿打印方向排列），在挤出口处，由于横截面积的减小，这种取向作用会加剧，造成建筑材料特别是混凝土中的骨料在挤出口处堆积造成堵塞。

3d打印喷头是建筑3d打印技术的核心部件，喷头能够均匀的挤出打印材料是打印工作进行的前提，喷头挤出打印材料的速度与许多因素有关，目前对于这些因素的控制基本采用反复适配和人工监测调控的方法，这不利于节约人力和保持打印过程的稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统，本发明能够智能调控建筑3d打印喷头挤出速度，智能监控料浆可打印状态，保证打印过程的稳定性。此外，本发明还要提供一种3d打印喷头挤出状态智能控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统，包括液面高度传感器、黏度传感器、电磁流量计、压力传感器及智能控制装置；

所述液面高度传感器安装于螺杆泵储料仓中用于监测螺杆泵储料舱内的液面高度；

所述黏度传感器安装于螺杆泵储料仓中用于监测料浆的黏度；

所述电磁流量计安装于喷头与螺杆泵之间用于监测料浆的挤出速度；

所述压力传感器安装于喷头内用于监测料浆挤出时对喷头的压力；

所述液面高度传感器、所述黏度传感器、所述电磁流量计、所述压力传感器连接所述智能控制装置，所述智能控制装置连接螺杆泵及输料系统。

作为优选的技术方案，所述液面高度传感器包括第一液面高度传感器及第二液面高度传感器，所述第一液面高度传感器位于所述第二液面高度传感器的上方，所述第一液面高度传感器与所述第二液面高度传感器形成液面高度限位器。

作为优选的技术方案，还包括报警单元，所述报警单元连接所述智能控制装置。

作为优选的技术方案，还包括显示单元，所述显示单元连接所述智能控制装置。

本发明的第二方面，提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制方法，采用上述的建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统，包括以下步骤：

s1、采集混凝土打印状态数据，适配3d打印混凝土；

s2、混凝土打印状态监控；

s3、混凝土挤出状态智能调控。

作为优选的技术方案，所述步骤s1中，将拌和好的不同配比的混凝土加入螺杆泵储料仓中进行试打印作业，打印过程中，黏度传感器和压力传感器实时采集混凝土的黏度数据及挤出压力数据并发送至智能控制装置进行记录，将实际打印状态与黏度数据、挤出压力数据相对应，得到适合混凝土进行3d打印的打印参数并记录。

作为优选的技术方案，所述步骤s1中，在打印作业进行的过程中，智能控制装置实时记录混凝土的黏度数据及挤出压力数据并与实时打印状态相对应，不断优化打印参数并记录，后续打印工作，控制混凝土的打印参数在打印数据内。

作为优选的技术方案，所述步骤s2中，根据步骤s1采集的混凝土打印状态数据，获得混凝土的额定挤出压力范围及额定黏度范围，打印过程中，若压力传感器采集的挤出压力数据超出额定挤出压力范围或黏度传感器采集的黏度数据超过额定黏度范围，智能控制装置发出指令停止打印工作；若压力传感器采集的挤出压力数据在额定挤出压力范围内且黏度传感器采集的黏度数据在额定黏度范围内，进入步骤s3。

作为优选的技术方案，所述步骤s3中，若螺杆泵储料仓内的料浆液面低于液面高度传感器，智能控制装置向输料系统发出指令，输料系统增大料浆的输送速度；若螺杆泵储料仓内的料浆液面高于液面高度传感器，智能控制装置向输料系统发出指令，输料系统减小料浆的输送速度。

作为优选的技术方案，所述步骤s3中，若电磁流量计采集的挤出速度数据小于额定挤出速度，智能控制装置发出指令加快螺杆泵的转速；若电磁流量计采集的挤出速度数据大于额定挤出速度，智能控制装置发出指令降低螺杆泵的转速。

大规模的建筑打印工作决定了打印喷头要具有持续供料及挤出能力，因此本发明选择螺杆泵作为挤出机构，经过分析，螺杆泵储料仓中的液面高度、螺杆泵的转速以及混凝土料浆的流变性是影响混凝土打印效果的主要因素。本发明采用液面高度传感器与输料系统控制料浆液面在一定范围内，之后通过电磁流量计与螺杆泵微调螺杆泵的转速精确控制挤出流量，达到均匀挤出混凝土料浆的目的。

建筑材料一旦拌制完成后并投入使用便无法调节工作性能，因此，本发明设置压力传感器的目的主要有三个：一是采集料浆的挤出压力数据，与混凝土的挤出状态进行一一对应，从而获得额定挤出压力，作为3d打印作业的控制参数；二是实时监测料浆的挤出状态，结合实际打印状态，用于指导下批料浆的配制；三是随着打印时间及环境的变化，打印材料的工作性能会发生变化，实时监测料浆的挤出状态，判断料浆是否满足打印要求，不满足时，停止打印作业。

本发明设置黏度传感器的目的是用于监测并经智能控制装置判断打印材料是否满足打印要求，以维护设备安全，保证打印成品质量，以及采集黏度信息用于打印原材料的配置和优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明能够智能监控打印材料的打印状态，采集打印材料的打印状态数据，将打印材料的打印状态参数化，适配优选打印材料，智能调控打印材料的挤出速度，终止异常打印。

（2）本发明在打印的过程中不断地对打印参数进行优化，后续打印工作控制混凝土的打印参数在打印数据内，不断匹配良好的打印材料的配合比，保证了混凝土的成品效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的结构示意图。

图2为本发明建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的原理示意图。

其中，附图标记具体如下：进料口1、第一液面高度传感器2、第二液面高度传感器3、黏度传感器4、螺杆泵储料仓5、螺杆泵6、电磁流量计7、压力传感器8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统，包括第一液面高度传感器2、第二液面高度传感器3、电磁流量计7、压力传感器8及智能控制装置，智能控制装置连接螺杆泵6、输料系统、显示单元及报警单元。输料系统连接螺杆泵储料仓5的进料口1。

其中，第一液面高度传感器2、第二液面高度传感器3用于监测螺杆泵储料仓5中料浆的液面高度，并将监测数据通过无线或有线的方式实时传送给智能控制装置，智能控制装置根据液面高度数据调整料浆的输送速度，将螺杆泵储料仓5内的液面高度控制在一定范围内。第一液面高度传感器2和第二液面高度传感器3安装在螺杆泵储料仓5的仓壁或螺杆泵储料仓5中其它能够固定的位置，第一液面高度传感器2位于第二液面高度传感器3的上方，第一液面高度传感器2和第二液面高度传感器3共同构成料浆液面高度限位器，当液面高于第一液面高度传感器2时，智能控制装置向输料系统传递信号使输料系统减慢输送速度，当液面低于第二液面高度传感器3时，智能控制装置向输料系统传递信号使输料系统加快输送速度，将料浆液面控制在第一液面高度传感器2和第二液面高度传感器3之间。

黏度传感器4用于监测螺杆泵储料仓5中料浆的黏度，并将监测数据通过无线或有线的方式实时传送给智能控制装置，智能控制装置根据黏度数据显示料浆实时打印状态。黏度传感器4安装在螺杆泵储料仓5的顶部或螺杆泵储料仓5中其它能够固定的位置，智能控制装置可以将料浆黏度数据与系统设置的适合打印的黏度数据进行对比，并且在显示屏上显示出来，当料浆黏度不适合打印时，触发警报功能。

电磁流量计7用于监测料浆的挤出速度，并将监测数据通过无线或有线的方式实时传送给智能控制装置，智能控制装置根据挤出速度调整螺杆泵6的转速。电磁流量计7安装在螺杆泵6和喷头之间，可实时采集料浆的挤出速度，可设置挤出速度v，由智能控制装置控制挤出速度在v±δ的范围内，当挤出速度高于v+δ时，智能控制装置向螺杆泵6传递信号使螺杆泵6减慢转速，当挤出速度低于v-δ时，智能控制装置向螺杆泵6传递信号使螺杆泵6加快转速，将料浆挤出速度控制在v+δ和v-δ之间。

压力传感器8用于监测料浆挤出时对喷头的压力，并将监测数据通过无线或有线的方式实时传送给智能控制装置，智能控制装置根据压力数据显示料浆的挤出状态，压力过大时停止打印工作。压力传感器8传送给智能控制装置挤出压力数据，智能控制装置可以将料浆挤出压力数据与系统设置的适合打印的挤出压力数据进行对比，并且在显示屏上显示出来，当料浆挤出压力不适合打印时，触发警报功能，当料浆挤出压力过大时，停止打印工作。

第一液面高度传感器2、第二液面高度传感器3和电磁流量计7均属于挤出速度智能调控系统，对料浆的挤出速度进行智能调控，达到均匀挤出料浆的目的。黏度传感器4和压力传感器8均属于打印状态智能监控系统，对料浆的打印状态进行智能监控，达到实时监控料浆可打印状态的目的。

实施例2

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的应用场景，采集混凝土打印状态数据，适配3d打印混凝土。

将拌和好的不同配比混凝土加入螺杆泵储料仓5进行试打印工作，打印过程中，黏度传感器4和压力传感器8实时采集混凝土的黏度数据和挤出压力数据并发送给智能控制装置记录下来，将实际打印状态和采集的挤出压力数据及黏度数据相对应（实际打印状态是指打印出混凝土成品的状态，可以通过成品外观质量、微观结构、力学性能或耐久性试验进行实际打印状态评价），可以获得该种类混凝土适合3d打印的挤出压力参数及黏度参数，作为后续打印作业的标准。采集到足够数量的数据时，通过混凝土料浆的黏度数据对其性能进行初步判断，可以在不上机打印的情况下配制出符合打印参数要求的混凝土。

实施例3

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的应用场景，对打印状态参数化，优化3d打印混凝土配合比。在不断打印的过程中，智能控制装置可以收集大量的打印数据（包括黏度参数、挤出压力参数及打印混凝土配合比），将实时打印状态与实时打印数据相对应，不断匹配良好打印状态下的打印数据，后续打印工作的过程中，控制混凝土的打印参数在打印数据内，不断优化3d打印混凝土的配合比。

实施例3

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的应用场景，对挤出速度智能调控。某次建筑3d打印，一次性拌制了过多的混凝土，打印过程中，智能控制装置显示料浆黏度增大，挤出压力增大，但挤出压力参数与黏度参数尚处于适宜打印参数范围内，螺杆泵储料仓5内的料浆液面低于第二液面高度传感器3，挤出速度下降，智能控制装置识别到第二液面高度传感器3的信号，对输料系统发出指令，输料系统增大料浆输送速度，使得螺杆泵储料仓5内的液面高于第二液面高度传感器3，智能控制装置再次向输料系统发出指令，输料系统减小输送速度，料浆液面稳定在第一液面高度传感器2和第二液面高度传感器3之间。

实施例4

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的应用场景，对挤出速度智能调控。在某次室外大型构件3d打印过程中，打印持续时间长，气温发生变化，智能控制装置显示料浆黏度增大，挤出压力增大，但尚处于适宜打印参数范围内，螺杆泵储料仓5内液面高度正常，但电磁流量计7采集的数据显示打印挤出速度下降到v-δ以下，控制系统向螺杆泵6发出指令加快转速，挤出速度上升到v-δ和v+δ之间。

实施例5

本实施例提供一种建筑3d打印喷头挤出状态智能控制系统的应用场景，对打印状态异常的料浆，终止打印工作。某次建筑3d打印过程中，压力传感器8采集的挤出压力数据显示挤出压力过大，超过额定挤出压力值数倍，虽然料浆依然能够挤出，判断已不能满足打印要求，智能控制装置发出指令停止所有打印工作，避免了打印机的损耗或打印出不合格的产品。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。