一种3D打印电磁吸波混凝土定向纤维分级供料系统的制作方法

本发明公开了一种基于3d打印技术的电磁吸波混凝土分级搅拌与智能定向纤维系统，属于混凝土3d打印技术领域。具体涉及3d打印技术电磁吸波混凝土中钢纤维有效定向的装置。

背景技术：

近年来，随着3d打印技术的发展，其应用领域已从传统的模具制造、珠宝设计、汽车工业扩展到建筑工程、医疗产业、航空航天以及众多其他领域，同时3d打印技术被誉为第三次工业革命。此外，现代电子工业快速发展，各种电子产品充斥与人类日常生活中，引起的电磁辐射对人体，设备，信息安全乃至军事防御结构产生各种负面影响。含有磁性或电磁吸收剂的水泥复合材料能够将电磁波转化为热能、电能、磁能等，如铁氧体、钢纤维、尾矿砂、碳材料等等作为电磁波的吸收剂掺入混凝土中。然而钢纤维混凝土在制备过程中，其内部的钢纤维的角度分布具有很强的随机性。因此，只有小部分纤维能够有效地承接张应力和弯曲应力。纤维的有效系数通常较低，方向为二维的纤维的有效系数往往低于0.4；而分布方向为三维的纤维的有效系数更可能会低于0.25。在振捣过程中,由于振捣和重力的作用,细长的钢纤维将不断向下部移动,并趋于与重力垂直的平面同向,这一现象称为纤维的重力效应,重力效应造成纤维在混凝土中的分布上疏下密，导致强度比理论值有下降。因此需要一种装置来改善其纤维的方向与分布的不利影响。

在现有技术中，对于钢纤维混凝土振捣工艺与养护工艺之间的初凝过程中缺少钢纤维定向过程，错过了改善钢纤维混凝土强度的一个时间段；同时，无效排布的钢纤维导致了钢材的浪费且对混凝土强度提升不明显。此外，现有对钢纤维排布的改善主要是离心法，但其对条件要求过于苛刻，难以大规模运用。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种3d打印电磁吸波混凝土定向纤维分级供料系统。该系统能完成电磁吸波混凝土的分级供料，并使混凝土中的磁纤维定向输出，实现3d打印。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案为：一种3d打印电磁吸波混凝土定向纤维分级供料系统，包括控制单元、用于干湿料初步称量混合搅拌的一级搅拌单元，其特征在于，该系统还包括二级搅拌单元、纤维定向单元和三级搅拌单元，一级搅拌单元的输出口连接二级搅拌单元的进料口，二级搅拌单元输出口连接三级搅拌单元及纤维定向单元；

所述的二级搅拌单元包括：中型搅拌桶、叶轮转轴、中型叶轮、辅助叶轮及其同轴反向装置，中型搅拌桶的下部为截面逐渐减小的回转体，沿中型搅拌桶的轴向设置叶轮转轴，位于中型搅拌桶内的叶轮转轴上设置中型叶轮，在叶轮转轴的上部同轴连接同轴反向装置，同轴反向装置的侧面上固定连接辅助叶轮，同轴反向装置与叶轮转轴的转动方向相反，辅助叶轮与同轴反向装置同步转动，辅助叶轮的外侧面靠近中型搅拌桶的内壁，形状与中型搅拌桶的内部形状相匹配；

所述的纤维定向单元包括三个螺线管，三个螺线管由上至下依次环绕排布在中型搅拌桶下部外表面，每个螺线管独立连接相应开关电路，每个开关电路中均设置有电流控制旋钮、保护电阻及开关，开关电路连接直流电源，上述的保护电阻连接直流电源与螺线管之间；

所述的三级搅拌单元包括：可拆卸喷头和三级搅拌叶轮，可拆卸喷头为圆台型，上端固定在中型搅拌桶的下端面，可拆卸喷头的上端直径d1与喷头高度h之间满足1/3≤d1/h≤1，可拆卸喷头的下端直径d2与所加入的钢纤维的长度l之间满足1≤d2/l≤1.4，三级搅拌叶轮安装在叶轮转轴的下部靠近出口位置，且三级搅拌叶轮中的叶轮与水平面夹角θ满足50°≤θ≤70°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明系统无需浇筑模具就可以直接打印出异型吸波结构，可以智能定向钢纤维使其沿着打印路径分布，提升沿打印路径方向的抗拉能力；并且无需根据混凝土构件形状定制外加磁场，更加适用于大批量生产。

本发明系统通过利用第一级、第二级搅拌单元分级搅拌改善混凝土流动性，提升钢纤维分布的均匀性，以打下纤维定向的基础；通过第三级搅拌，达到物理纤维定向的效果；同时通过定向纤维单元产生的磁场对钢纤维的作用，达到电磁纤维定向的效果，最终不仅提升了打印混凝土的电磁吸波性能，也通过纤维定向加固改善了混凝土的力学强度。钢纤维的磁导率μ＞＞1，所以钢纤维属于铁磁物质，有很强的磁化强度，因此利用通电螺线管的磁场来精准有效的控制纤维的排布与空间位置是可行的，而且定向效果显著。

说明书附图

图1为本发明3d打印电磁吸波混凝土定向纤维分级供料系统的整体结构示意图；

图2为本发明二级搅拌单元及纤维定向单元的结构示意图；

图3为本发明三级搅拌单元的结构示意图；

图4为实施例1的打印产品的定向效果图。

图中，1-控制单元，2-干料储备机构，3-湿料储备机构，4-大型搅拌桶，5-搅拌叶轮，7-二级搅拌单元，71-中型搅拌桶，72-叶轮转轴，73-中型叶轮，74-辅助叶轮及其同轴反向装置，8-螺线管，9-可拆卸喷头，6-三级搅拌叶轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。

本发明3d打印电磁吸波混凝土定向纤维分级供料系统，包括控制单元1、用于干湿料初步称量混合搅拌的一级搅拌单元、二级搅拌单元、纤维定向单元、三级搅拌单元，控制单元1控制一级搅拌单元的送料种类、质量，各搅拌单元的运转频率、运转时间，纤维定向单元的电磁参数、3d打印速度、喷头运行速度等，控制整个系统运行；一级搅拌单元的输出口连接二级搅拌单元的进料口，二级搅拌单元输出口连接三级搅拌单元及纤维定向单元；

所述一级搅拌单元包括：干料储备机构2、湿料储备机构3、大型搅拌桶4，干料储备机构和湿料储备机构不仅具备存储材料功能，且在底部安装有自动称重装置，自动称重装置连接控制单元，干湿材料由控制单元控制称重后，输送入大型搅拌桶中，在大型搅拌桶中设置搅拌叶轮，对材料进行充分搅拌，搅拌均匀后由输送管运送至二级搅拌单元。干料储备机构2、湿料储备机构3可以通过输送管连接大型搅拌桶为其供料，也可以将干料储备机构2、湿料储备机构3的出口设置在大型搅拌桶的入口正上方，干料储备机构2、湿料储备机构3设置倾斜向下的出口，材料由于重力作用倒入大型搅拌桶内。

所述的二级搅拌单元(参见图2)包括：中型搅拌桶71、叶轮转轴72、中型叶轮73、辅助叶轮及其同轴反向装置74，由上一级搅拌单元通过输送管输送来的材料，在叶轮和辅助叶轮的共同作用下，使材料中钢纤维分布的更加均匀，为纤维定向打印打下基础；中型搅拌桶71的下部为截面逐渐减小的回转体，沿中型搅拌桶的轴向设置叶轮转轴72，位于中型搅拌桶内的叶轮转轴72上设置中型叶轮，在叶轮转轴的上部同轴连接同轴反向装置，同轴反向装置的侧面上固定连接辅助叶轮，同轴反向装置可以为通过齿轮或轴承与叶轮转轴连接的转动方向相反的机构，辅助叶轮与同轴反向装置同步转动，辅助叶轮的外侧面靠近中型搅拌桶的内壁，形状与中型搅拌桶的内部形状相匹配；

所述的纤维定向单元包括三个螺线管12，三个螺线管由上至下依次环绕排布在中型搅拌桶71下部外表面，三个螺线管的尺寸选择应略大于中型搅拌桶下部空心圆柱外径尺寸，建议规格300-500匝。三个螺线管所产生磁场可以互相叠加。螺线管中电流越大，磁场强度越大，产生电磁力越大，钢纤维在混凝土定向作用明显；当电流过小时，产生磁场对钢纤维定向作用不明显。每个螺线管独立连接相应开关电路，每个开关电路中均设置有电流控制旋钮、保护电阻及开关，开关电路连接0a-20a0v-30v直流电源，上述的保护电阻连接直流电源(0a-20a0v-30v)与螺线管之间，保护所述直流电源(0a-20a0v-30v)的安全。所述的电流控制旋钮用来控制为相应螺线管提供直流电的电压与电流大小，受控制单元的控制(也可手动控制)，所述开关受控制单元的控制(也可手动控制)。

所述的三级搅拌单元包括：可拆卸喷头9和三级搅拌叶轮6，可拆卸喷头9为圆台型，上端固定在中型搅拌桶的下端面，可拆卸喷头9的上端直径d1与喷头高度h之间满足1/3≤d1/h≤1，进而保证钢纤维的竖向运输，可拆卸喷头9的下端直径d2与所加入的钢纤维的长度l之间应满足1≤d2/l≤1.4，三级搅拌叶轮6安装在叶轮转轴72的下部靠近出口位置，且三级搅拌叶轮中的叶轮与水平面夹角θ应满足50°≤θ≤70°的条件以保证钢纤维的顺利定向挤出。

叶轮转轴72的下部逐渐减小，最下端伸出中型搅拌桶下端面，并深入可拆卸喷头9内。

上述的一级搅拌单元的自动称重装置及搅拌叶轮5、叶轮转轴72、电流控制旋钮、开关均与控制单元电连接，受控制单元控制。

给三个螺线管通电，使进入中型搅拌桶下部的钢纤维处于电磁场中，电磁场的加入主要使得钢纤维的排布更多的趋向于同一方向，排布方向一致的钢纤维可以有效分担该方向的拉应力，跨越裂缝两侧的钢纤维可以阻止裂缝的进一步发展，有利于提高混凝土的抗裂性，与裂缝同一方向的钢纤维对混凝土抗裂性的提升几乎没有作用。因此改善钢纤维的排布的同时也提升了纤维混凝土的强度。

大型搅拌桶和二级搅拌单元之间由输送管连接，用于输送经过一级搅拌的混凝土材料进入二级搅拌单元，使钢纤维在打印材料中分布更加均匀。材料搅拌均匀后，还需要根据打印材料的特性来确定纤维定向所需电磁力的大小，比如材料的流动性和钢纤维的掺量都会影响所加定向磁场的大小。

本发明在正式打印前，需要根据打印材料的特性来确定纤维定向所需电磁力的大小。所需电磁力的大小与钢纤维混凝土拌合物的和易性有关，其和易性越好所需电磁力越小，和易性越差，所需电磁力越大。所需电磁力的大小，通过电流控制旋钮对三个螺线管在一定顺序下的调整，改变电磁场在中型搅拌桶不同位置内的场强大小，从而得到不同大小电场力以控制钢纤维的定向情况。得到在此材料配合比下合适的螺线管通电电流大小后进行打印操作。

使用本发明系统进行3d打印定向钢纤维吸波混凝土的工作过程是：

干料储料机构和湿料储备机构备料，分别把干料和液体存放入干料储备机构2和湿料储备机构3，根据所打印试件要求按配比试配打印材料，通过试打印确定定向钢纤维所需螺线管通电电流大小。

大批量配料，按需要从储备机构称料输送入大型搅拌桶4，经过充分搅拌后得到打印材料。

通过输送管将打印材料输送至二级搅拌单元7，进一步搅拌提升钢纤维分布的均匀性；同时将螺线管通电，在电磁场电磁定向和三级搅拌叶轮6物理定向的共同作用下，进行打印。

实施例1

本实施例系统包括控制单元1，干料储备机构2，湿料储备机构3，大型搅拌桶4，搅拌叶轮5，二级搅拌单元7，保护电阻，开关，电流控制旋钮，直流电源，螺线管8，可拆卸喷头9，三级搅拌叶轮6。二级搅拌单元包括中型搅拌桶71，叶轮转轴72，中型叶轮73，辅助叶轮及其同轴反向装置74。

中型搅拌桶71的下部为截面逐渐减小的回转体，沿中型搅拌桶的轴向设置叶轮转轴72，位于中型搅拌桶内的叶轮转轴72上设置中型叶轮，在叶轮转轴的上部同轴连接同轴反向装置，同轴反向装置的侧面上固定连接辅助叶轮，同轴反向装置与叶轮转轴的转动方向相反，辅助叶轮与同轴反向装置同步转动，辅助叶轮的外侧面靠近中型搅拌桶的内壁，形状与中型搅拌桶的内部形状相匹配；同轴反向装置为轴承结构，实现与叶轮转轴的反向转动；

所述的纤维定向单元包括三个螺线管12，三个螺线管由上至下依次环绕排布在中型搅拌桶71下部外表面，每个螺线管独立连接相应开关电路，每个开关电路中均设置有电流控制旋钮、保护电阻及开关，开关电路连接直流电源，上述的保护电阻连接直流电源与螺线管之间；

所述的三级搅拌单元包括：可拆卸喷头9和三级搅拌叶轮6，可拆卸喷头9为圆台型，上端固定在中型搅拌桶的下端面，三级搅拌叶轮6安装在叶轮转轴72的下部靠近出口位置，所述一级搅拌单元包括：干料储备机构2、湿料储备机构3、大型搅拌桶4，干料储备机构和湿料储备机构底部安装有自动称重装置，自动称重装置连接控制单元，干料储备机构2、湿料储备机构3的出口设置在大型搅拌桶的入口正上方，干料储备机构2、湿料储备机构3设置倾斜向下的出口。

上述的一级搅拌单元的自动称重装置及搅拌叶轮5、叶轮转轴72、电流控制旋钮、开关均与控制单元电连接。

本实施例中喷头直径12mm，钢纤维长度14mm，三级搅拌叶轮6中的叶轮与水平面夹角θ为60°，打印速度为5mm/s。三个螺线管的尺寸大于中型搅拌桶下部空心圆柱外径尺寸，且匝数均相同，为400匝。本实施例中的配方为普通c30混凝土，加上钢纤维。

第一步试配打印材料，确定螺线管通电电流大小：把配制好的钢纤维砂浆拌合物输送入大型搅拌桶中，搅拌并进行打印工艺，同时将螺线管通电，此时钢纤维在三级搅拌叶轮和电磁场的同时影响下完成定向，确定螺线管通电电流大小。

第二步正式打印：调整好输入电流后，开启控制单元从储备机构称料，自动称料输送并搅拌，在纤维定向单元的作用下按打印速度5mm/s进行打印。

第三步试件养护：试件打印完成后，需静置24-36小时后再进行搬运，静置过程中需要用塑料薄膜及保温材料(如毛毯、草毡)覆盖，防止水分蒸发过快或气温过低引起表面产生裂纹。

经过打印试验和电磁吸波测试，上述系统可以顺利的实现纤维定向和电磁吸波材料的打印。如图4所示，钢纤维均沿着打印路径分布，电磁吸波反射率为-14db(优于普通c30混凝土的-5～-8db)。本实施例能将比喷头直径还长的钢纤维打印出来，也进一步说明了本发明系统实现了钢纤维的定向作用。

本发明未述及之处适用于现有技术。