一种直径可变的混凝土3D打印机喷头的制作方法

本发明涉及3d打印机领域，特别是一种直径可变的混凝土3d打印机喷头。

背景技术：

3d打印作为一种增材制造方法，已经越来越多地运用到人们的生活之中，特别是在建筑领域，混凝土作为一种最为常见的建筑材料，是3d打印在建筑业中应用的主流材料选择。目前，混凝土3d打印已经展现出建造大型构件的潜力。

3d打印机喷头是3d打印设备的核心，喷头的功能是存储材料，最主要的是输送和挤出材料，这对于3d打印有着至关重要的影响。现有的3d打印机喷头的尺寸多数是固定的，当打印的模型外部轮廓复杂，同时内部又含有一定的中空结构时，为适应不同的打印精度需要拆卸更换3d打印机喷头，影响效率，破坏3d打印的连续性。

因此开发一种直径可变的混凝土用3d打印喷头十分必要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种直径可变的混凝土3d打印喷头。该喷头可以在3d打印作业过程中实时地改变喷头直径的大小，做到喷头直径的连续变化，在打印的过程中可以合理，科学，自由地改变喷头的直径，进而有助于提高3d打印的精度与效率。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

一种直径可变的混凝土3d打印机喷头，包括储料系统、输送系统和变径系统，变径系统连接储料系统，储料系统由输送系统供料，其特征在于，

所述变径系统包括底板、基座、变径电机齿轮、变径电机、盖板、大内齿轮、多个变径叶片及与变径叶片数量相同的小齿轮，

所述基座为凸台型空心柱形结构，上部直径小，下部直径大，包括大直径部分和小直径部分，大直径部分的盘面上均匀布置多个小通孔，每个小通孔中插入一个销轴，每个销轴上部固定一个小齿轮，下部固定一个变径叶片，变径叶片和小齿轮分别位于基座盘面的上下两侧；基座的小直径部分的圆周侧面的上部设有螺纹，小直径部分的圆周侧面下部未设置螺纹；

所述盖板套在基座的小直径部分上，盖板的环向面积能盖住小齿轮，且盖板的外径小于基座大直径部分的外径，所述盖板的盘面上表面沿圆周方向均匀固定有多个短柱，短柱上部有螺纹；

所述大内齿轮为圆环状，大内齿轮的下表面设有一圈内齿，能与基座上小齿轮啮合，在大内齿轮的环面上均匀布置有与盖板上短柱数量相同的弧形通槽，所述大内齿轮的圆周侧面上设有多个连续传动齿；大内齿轮的圆环外径与基座的大直径部分的外径一致，大内齿轮的高度大于盖板的盘面到基座大直径部分上表面的距离，且小于基座小直径部分的高度；

所述基座的大直径部分的圆周上安装有支撑板，所述变径电机固定在支撑板上，变径电机的输出轴连接变径电机齿轮，安装时大内齿轮上的内齿恰好能与基座上固定的多个小齿轮内啮合，且大内齿轮的下表面与基座大直径部分的盘面接触，大内齿轮上的传动齿与变径电机齿轮外啮合，且盖板上的短柱恰好穿出大内齿轮上的相应弧形通槽并通过螺栓固定，大内齿轮上的弧形通槽在短柱的约束下转动；

所述底板利用螺栓固定在基座的下部，且底板和基座之间具有间隙，能够容纳变径叶片，多个变径叶片能旋转打开和闭合，多个变径叶片完全闭合时相互交叠的最大直径不小于基座小直径部分的内径；基座的小直径部分与储料系统的末端螺纹连接。

总体而言，本发明所构思的上述技术方案与现有方案相比，有如下优势：

本发明利用多个变径叶片调节喷嘴直径，可以再3d打印过程之中实时地改变喷嘴直径。当打印较大的区域时，使用较大的喷头直径，当打印较小的区域时，使用较小的喷嘴直径，从而提高打印的效率，保证了提高打印的精度与连续性。

本发明针对挤出式的混凝土材料，设置螺杆输送结构，输送螺杆叶片呈螺旋状，分两部分，上部螺距相等，且直径较储料筒外壳小1～2mm，下部螺距逐层加密，且直径大小递减，直径减小的梯度应与储料筒外壳下部的圆台倾斜相同；输送螺杆叶片与储料筒外壳内壁应有1～2mm的间隙，使得相对转动的时候消除摩擦，又不致使材料漏出以及过于紧密引起的堵塞情况。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的爆炸图。

图3是输送系统组装方式示意图。

图4是储料系统的组装方式示意图。

图5是变径系统爆炸图。

图6是变径系统底板、变径叶片与小齿轮的组装示意图。

图7是变径系统盖板、底板的组装示意图。

图8是变径系统大内齿轮示意图(仰视)。

图9是变径系统大内齿轮组装示意图。

图10是组装好的变径系统示意图。

图11是变径系统变径叶片全部打开示意图。

图12是变径系统变径叶片部分打开示意图。

图13是变径系统变径叶片全部闭合示意图。

图中，1-输送系统；11-输送电机；12-传送装置外壳；13-链条；14-输送电机齿轮；15-输送螺杆被动齿轮；16-输送螺杆叶片；17-输送螺杆轴

2-储料系统；21-储料筒外壳；22-进料口

3-变径系统；31-底板；32-变径叶片；33-基座；34-小齿轮；35-变径电机齿轮；36-变径电机；37-盖板；38-传动齿；39-大内齿轮

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

本发明一种直径可变的混凝土3d打印喷头由三个部分组成，下面分别说明三个部分的工作原理。

图1-2是本发明的整体结构示意图与爆炸图。本发明由三个部分组成：输送系统1，储料系统2，变径系统3。变径系统3利用利用基座33上的螺纹与储料系统2的储料筒外壳21相连接。储料筒外壳21利用螺栓固定在传动装置外壳12上。

图3是输送系统组装方式示意图。输送系统1包括输送电机11、传动装置外壳12、链条13、输送电机齿轮14、输送螺杆被动齿轮15、输送螺杆叶片16、输送螺杆杆轴17。所述输送电机11固定在传动装置外壳12的下表面，输送电机的输出端穿过传动装置外壳12连接输送电机齿轮14，利用螺栓将输送电机的电机轴与输送电机齿轮14固定，输送电机11可以驱动输送电机齿轮14转动。所述输送螺杆被动齿轮15固定在传动装置外壳12的另一端，所述输送电机齿轮14与输送螺杆被动齿轮15通过链条13相互啮合连接在一起，输送电机11的转动可以利用链条13传动到输送螺杆被动齿轮15上。输送螺杆被动齿轮15通过螺旋/螺纹连接与输送螺杆轴17连接，输送螺杆杆轴17可随输送螺杆被动齿轮15一起转动。所述输送螺杆轴17上焊接有输送螺杆叶片16，进一步地，所述输送螺杆叶片16呈螺旋状，分两部分，上部螺距相等，下部螺距逐层加密，且直径大小递减，直径减小的梯度应与储料筒外壳下部的圆台倾斜相同。为了使得3d打印材料，特别是水泥基材料的运输流畅，不至于堵塞，输送螺杆叶片16与储料筒外壳21内壁应有1～2mm的间隙，使得相对转动的时候消除摩擦，又不致使材料漏出以及过于紧密引起的堵塞情况。在工作时，有输送电机11带动固定在其上的输送电机齿轮14，进而带动输送螺杆被动齿轮15，使输送螺杆轴17与输送螺杆叶片16旋转。

图4是储料系统的组装方式示意图。储料系统2包括储料筒外壳21、进料口22。储料筒21外壳上部呈圆柱状的薄壁圆筒，下部是圆台状的薄壁圆筒。这样做是为了使得材料的输送连续，流畅。为了尽最大可能得发挥储料筒外壳的储料功能，进料口22应设置在储料筒外壳较为靠上的部分，储料筒外壳21下部有螺纹，用于连接变径系统。输送螺杆轴17伸入储料筒外壳21内，输送螺杆轴17与储料筒外壳21同轴安装，储料筒外壳21的上端固定在传动装置外壳12的下表面。

图5-9是变径系统各部分零件的组装示意图以及整体结构示意图。变径系统如图5所示，包括底板31、12个变径叶片32、基座33、12个小齿轮34、变径电机齿轮35、变径电机36、盖板37、大内齿轮39、传动齿38，利用基座33上的螺纹与储料桶外壳21相连接。所述基座33为凸台型空心柱形结构，上部直径小，下部直径大，包括大直径部分和小直径部分，大直径部分的盘面上均匀布置12个小通孔，每个小通孔中插入一个销轴，每个销轴上部固定一个小齿轮34，下部固定一个变径叶片32，变径叶片32可随着小齿轮34绕销轴旋转，变径叶片和小齿轮34分别位于基座盘面的上下两侧；基座的小直径部分的圆周侧面的上部设有螺纹，小直径部分的圆周侧面下部未设置螺纹。所述盖板37套在基座的小直径部分上，盖板的环向面积能盖住小齿轮34，且盖板的外径小于基座大直径部分的外径，盖板37的作用是保护小齿轮34以及承载大内齿轮39。所述盖板37的盘面上表面沿圆周方向焊接有三个短柱，上部搓有螺纹。

所述大内齿轮39为圆环状，大内齿轮的下表面设有一圈内齿，可与基座上小齿轮啮合，在大内齿轮的环面上均匀布置有三个弧形通槽，所述大内齿轮39的圆周侧面上设有多个传动齿38，多个传动齿等间距布置，传动齿所在的环面上未开有弧形通槽。大内齿轮39的圆环外径与基座33的大直径部分的外径一致，大内齿轮的高度大于盖板37的盘面到基座大直径部分上表面的距离，且小于基座小直径部分的高度；

所述基座的大直径部分的圆周上安装有支撑板，所述变径电机36固定在支撑板上，变径电机的输出轴连接变径电机齿轮35，安装时大内齿轮上的内齿恰好能与基座上固定的多个小齿轮内啮合，且大内齿轮的下表面与基座大直径部分的盘面接触，大内齿轮39上的传动齿38与变径电机齿轮35外啮合，且盖板37上的三个短柱恰好穿出大内齿轮上的三个弧形通槽中，短柱可以在弧形通槽里滑动，其实是大内齿轮上的弧形通槽在短柱的约束下转动，弧形通槽的弧长不小于多个传动齿的弧长，能限制大内齿轮的转动，变径电机的输出方向为竖直方向。

短柱高度的设置：高度应能够完全伸出39大内齿轮的表面，以便螺栓的固定，短柱的数量不宜过多，会增加加工难度。

大内齿轮39与盖板37固定之后，利用螺栓穿过相应的短柱将盖板与大内齿轮固定在一起。所述大内齿轮39可以在盖板37上转动，盖板与大内齿轮可以插入基座的小直径部分，但是并不利用螺纹与小直径部分连接，仅仅与小直径部分上没有螺纹的地方接触。最后，在变径系统的最底部装有底板31，用于封闭以及保护变径系统，底板31利用螺栓固定在基座33的下部，且底板和基座33之间具有间隙，能够容纳变径叶片。

多个变径叶片能旋转打开和闭合，多个变径叶片完全闭合时相互交叠的最大直径不小于基座小直径部分的内径。

多个变径叶片的形状完全相同，在旋转过程中叶片之间不产生缝隙，每个变径叶片的最大长度为销轴固定点到基座中心的距离，变径叶片可以由长方形和三角形拼接构成的结构，三角形的尖端朝向基座中心，能避免在变径叶片完全闭合时在基座中心附近尽可能少的交叠，叶片很薄，叶片不会产生过大的弯曲。

工作中，由变径电机36带动变径电机齿轮35，进而拨动传动齿38，传动齿38安装在大内齿轮39上，大内齿轮39也被拨动，进而转动与大内齿轮39的内齿相啮合的小齿轮34，进而带动变径叶片32。变径叶片32的转动即可实现喷头的开闭，直径的变化，同时，大内齿轮39上的是三个弧形通槽也可以起到限位的作用，约束最大直径与最小直径。

当变径电机顺时针转动时，变径叶片打开，喷头直径随之增大。反之，当变径电机逆时针旋转时，变径叶片关闭，喷头直径随之减小。图11-13分表示了变径喷头完全打开、打开一部分、全部关闭的三中情况，图中共12个变径叶片，每个变径叶片负责30°的圆弧。

本发明中所述小齿轮、销轴、变径叶片的数量可根据实际情况确定。变径叶片可做成多种形状，能保证在转动作用下一起开合即可。

作为本发明的优选技术方案，变径系统与储料筒的连接可采取如螺栓连接等多种连接方式。

作为本发明的优选技术方案,拨动传动齿可采取如点击拨动，手动调节，这里的手动方法是变径电机不工作能够时的补充措施，以使得变径电机不能工作时还能调节，比如转回原位。

本发明未述及之处适用于现有技术。