一种堆骨料流浆3D打印混凝土成型设备及成型方法与流程

本发明涉及3d打印技术领域，具体涉及一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备及成型方法。

背景技术：

目前，3d打印技术在建筑领域推广迅速，混凝土作为建筑上用量最大、范围最广的建筑用材料，是建筑3d打印技术的主要材料。

建筑3d打印技术顺应了产业革命的发展，与传统施工工艺相比具有以下优势：

（1）通过恒定的施工速率来减少现场施工时间，提高施工效率；

（2）不需要使用模板，可以减少模板的浪费而减少施工成本，提高建筑的可持续性建设；

（3）不使用模板使得建筑的可定制性强，可打印出任何细节特点与复杂的曲面、管道等，实现更复杂的设计和审美目的；

（4）创造基于高端技术的工作岗位；根据计算机设计图，全程可由电脑程序操控，无需人工干预，这意味着建筑行业伤亡事故风险的大幅减少，大量节省人员劳工，且用于建筑施工的安全措施费用降低；

（5）可以降低建筑粉尘及噪音污染，保护环境，实现绿色环保。

然而，目前混凝土3d打印技术中所用打印混凝土为砂浆材料，没有2-25mm的粗骨料，也没有添加钢纤维来解决素混凝土的脆性问题；另外砂浆材料水泥用量高、水化过程体积收缩大，容易开裂，造成3d打印建筑的质量问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备及成型方法，通过快凝触变性水泥浆均匀填充堆骨料的方式，确保了3d打印混凝土成品质量，满足标准要求。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备，包括进料体系、移动机构、打印头和控制系统，其特征在于：所述打印头包括竖向并行设置的打印料斗和打印喷头，所述打印料斗的进料口与骨料的进料体系连通，所述打印喷头的进料口与快凝触变性水泥浆的进料体系连通；所述打印料斗设于打印前进方向的前面，所述打印喷头设于打印前进方向的后面，两者沿同一移动路线前进；所述打印料斗与打印喷头之间设置刮平板，将打印料斗打印面的骨料进行刮平；所述打印料斗的打印面宽度大于打印喷头的打印面宽度，打印面中心线相互重合。

其中，作为本发明的优选技术方案，所述打印料斗和打印喷头之间通过旋转装置活动连接，所述旋转装置套设于打印料斗的颈部，其外侧壁与打印喷头之间通过连杆固定连接，实现打印料斗与打印喷头在平直打印段相对位置保持不变，在弯曲位置两者通过旋转装置调节相对位置，实现沿同一移动路线前进。

进一步的，所述打印料斗内设有输送螺旋叶；所述打印喷头上设有喷头控流阀。

进一步的，所述刮平板通过连杆固定在打印喷头上；所述刮平板为硬质塑料板或金属板，其竖向设置；所述连杆为v形杆或v形杆与直杆的组合体，所述v形杆的中间尖端固定在打印喷头的输浆管上或直杆的中间，两端部分别固定在刮平板的上边沿两侧，所述直杆一端与旋转装置的外侧壁固定，另一端与打印喷头外侧壁固定。

进一步的，所述打印喷头整体为扫帚形，包括顶部的输浆管和底部梯形偏平的压浆部，所述压浆部的底部为出浆口；所述出浆口周围均匀设于一圈辅助设匀浆条。

进一步的，所述打印料斗和打印喷头静置状态时距离为50～200mm；所述旋转装置由齿轮和轴承组合而成，通过手动或者皮带传动转动，保持打印喷头与打印料斗的移动线一致

此外，本发明还提供利用上述的堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备进行的堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备、骨料以及快凝触变性水泥浆；

步骤二、根据需要进行打印路线的设置，输入堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备的控制系统中；

步骤三、将快凝触变性水泥浆送入与打印喷头连通的进料体系中，将骨料送入与打印料斗连通的进料体系中；

步骤四、启动堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备，进行第一层打印，具体步骤为：

s1、石子骨料进入打印料斗，经输送螺旋叶输送，从打印嘴部挤出骨料，按照设置好的打印路线进行骨料布料；

s2、刮平板紧跟打印料斗，将打印料斗布料的骨料整平；

s3、打印喷头在整平后的骨料上喷洒制备好的快凝触变性水泥浆，快凝触变性水泥浆在重力作用下流入骨料缝隙并凝固，凝固后的骨料和水泥浆形成混凝土芯部；

步骤五、按照设计的路线完成第一层打印后，开始第二层混凝土打印，具体按照步骤一至步骤四进行，直至打印层完成；

步骤六、完成打印机设定的墙体或者模型的打印工作后，将硬化后的混凝土芯部的两侧骨料进行清除，即得到最终的打印混凝土成品。

其中，作为本发明的优选技术方案，所述步骤一中的骨料为碎石、卵石、陶粒轻骨料、工业尾矿破碎骨料或建筑垃圾制成的骨料，粒径为5-25mm。

此外，所述步骤一中的骨料中还可以混入了钢纤维或高分子纤维，打印形成钢纤维增韧打印混凝土产品。

最后，优选所述步骤一中的快凝触变性水泥浆为水泥、矿物掺合料、外加剂和水混合搅拌制备成的具有快凝性能的浆体。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明涉及的堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备结构简单，设计新颖，在现有3d打印设备基础上进行改进，将打印头分设为打印料斗和打印喷头，打印料斗的进料口与骨料进料体系连通，打印喷头的进料口与快凝触变性水泥浆的进料体系连通，水泥浆体打印头是将水泥浆按一定宽度均匀喷洒在整平骨料面上，具有流量可调节特点，打印料斗和打印喷头前后设置，两者沿同一移动路线前进；中间设置刮平板将骨料进行刮平，突破了现有3d打印设备打印头为综合一体结构，灵活性和针对性差的问题；

2、本发明的堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法，具有成型工艺简单，生产效率高，生产成本低的优势，能够解决目前砂浆3d打印工艺所面临的无大颗粒骨料、水泥用量多、收缩大、无法添加钢纤维等缺陷，可应用与打印曲面墙体、艺术造型、市政部品、装饰小品等打印制造。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1是实施例一的堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备的打印头的结构示意图；

图2是图1的正视图；

图3是实施例二的堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备打印头的的整体结构示意图；

图4是本发明涉及的堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法的逐层打印示意图；

图5是本发明涉及的堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法的打印n层后示意图；

图6是打印完成后去除两侧骨料后的最终打印成品示意图。

附图标记：1-打印料斗、2-输送螺旋叶、3-骨料、4-打印喷头、4.1-输浆管、4.2-压浆部、4.3-出浆口、5-快凝触变性水泥浆、6-连杆、7-刮平板、8-混凝土芯部、9-两侧骨料、10-旋转装置。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备及成型方法的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1和图2为本发明涉及的实施例一，一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备，包括进料体系、移动机构、打印头和控制系统，打印头包括竖向并行设置的打印料斗1和打印喷头4，打印料斗1内设有输送螺旋叶2；打印喷头4上设有喷头控流阀，附图中喷头控流阀未画出，由后端浆体输送机直接控制，打印料斗1的进料口与骨料3的进料体系连通，打印喷头4的进料口与快凝触变性水泥浆5的进料体系连通；打印料斗1设于打印前进方向的前面，打印喷头4设于打印前进方向的后面，两者沿同一移动路线前进；打印料斗1与打印喷头4之间设置刮平板7，将打印料斗1打印面的骨料进行刮平，优选刮平板7通过连杆6固定在打印喷头4上；刮平板7为硬质塑料板或金属板，其竖向设置；连杆6为v形杆，其中间尖端固定在打印喷头4的输浆管4.1上，两端部分别固定在刮平板7的上边沿两侧。打印料斗1的打印面宽度大于打印喷头4的打印面宽度，打印面中心线相互重合。优选打印喷头4整体为扫帚形，包括顶部的输浆管4.1和底部梯形偏平的压浆部4.2，压浆部4.2的底部为出浆口4.3；出浆口4.3周围均匀设于一圈辅助设匀浆条；出浆口4.3的宽度根据所设计的打印宽度和更换不同宽度的出浆口，出浆口宽度一般不大于所设计的墙体或者路径线条宽度，打印料斗1和打印喷头4静置状态时距离为50～200mm。

如图3为本发明涉及的实施例二，与实施例一的不同之处在于，打印料斗1和打印喷头4之间通过旋转装置10活动连接，旋转装置10套设于打印料斗1的颈部，其外侧壁与打印喷头4之间通过连杆6固定连接，实现打印料斗1与打印喷头4在平直打印段相对位置保持不变，在弯曲位置两者通过旋转装置10调节相对位置，实现沿同一移动路线前进。所述旋转装置10由齿轮和轴承组合而成，通过手动或者皮带传动转动，保持打印喷头与打印料斗的移动线一致。连杆6为v形杆与直杆的组合体，所述v形杆的中间尖端固定在直杆的中间，两端部分别固定在刮平板7的上边沿两侧，所述直杆一端与旋转装置10的外侧壁固定，另一端与打印喷头4外侧壁固定。

如图4-6，利用上述的堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备进行的堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法包括如下步骤：

步骤一、准备堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备、骨料以及快凝触变性水泥浆；

步骤二、根据需要进行打印路线的设置，输入堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备的控制系统中；

步骤三、将快凝触变性水泥浆5送入与打印喷头4连通的进料体系中，将骨料3送入与打印料斗1连通的进料体系中；

步骤四、启动堆骨料流浆3d打印混凝土成型设备，进行第一层打印，具体步骤为：

s1、石子骨料进入打印料斗1，经输送螺旋叶2输送，从打印嘴部挤出骨料3，按照设置好的打印路线进行骨料布料；

s2、刮平板6紧跟打印料斗1，将打印料斗1布料的骨料整平；

s3、打印喷头4在整平后的骨料上喷洒制备好的快凝触变性水泥浆5，快凝触变性水泥浆5在重力作用下流入骨料缝隙并凝固，凝固后的骨料和水泥浆形成混凝土芯部8；打印喷头4是将快凝触变性水泥浆按一定宽度均匀喷洒在整平骨料面上，具有流量可调节特点；

步骤五、按照设计的路线完成第一层打印后，开始第二层混凝土打印，具体按照步骤一至步骤四进行，直至打印层完成；

步骤六、完成打印机设定的墙体或者模型的打印工作后，将硬化后的混凝土芯部8的两侧骨料9进行清除，即得到最终的打印混凝土成品。

其中，骨料3包括碎石、卵石、陶粒轻骨料、工业尾矿破碎骨料和建筑垃圾制成的骨料，且不限于以上骨料，粒径为5-25mm，还可以与钢纤维、高分子纤维等纤维混合后用打印料斗4进行布料，最后可形成钢纤维增韧打印混凝土。快凝触变性水泥浆5为水泥、矿物掺合料、外加剂和水搅拌制备成的具有快凝性能的浆体。

进一步，按照3d打印机设定层数逐层打印完成模型后，喷洒的水泥浆与骨料硬化结合在一起具有一定的强度后，去除多余的骨料及完成了打印的模型成品。

一种堆骨料流浆3d打印混凝土成型方法，其打印最终效果如图6所示，在打印第n层，完成打印机设定的墙体或者设计模型的打印工作后，将硬化后的打印混凝土两侧的石子骨料清除，留下硬化后的混凝土芯部即得到最终的打印混凝土成品，成品外立面由于有裸露的石子表面和非平整性，在选用特点的骨料后会具有一定的自然装饰效果。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。