用于打印粗骨料混凝土的3D打印机的制作方法

本发明属于混凝土3d打印领域，尤其涉及一种用于打印粗骨料混凝土的3d打印机。

背景技术：

3d打印技术为综合了数学、信息、机械、材料及化学等多方面技术的一种新型快速成型、增材制造技术，其实际应用可大幅度节约人力成本、能源与资源并提高加工产品的精度和效率，从而显著改变制造业的生产方式，是第三次工业革命中重要的技术性标志之一。

近年来，国内外逐渐将3d打印技术向建筑领域发展，由美国南加利福尼亚大学的比洛克·霍什内维斯(behrokhkhoshnevis)教授发明的轮廓工艺是一种由数字控制的建造工艺，通过分层制造技术建造混凝土构件等。混凝土3d打印机主要由控制系统、机械支撑部分及打印系统(头)组成。打印过程中由控制系统接收信息后向打印系统输出指令从而按照所建立的模型逐层打印出混凝土，从而使所要求的部件被一层层地堆叠直至成形。

目前的市场上适配砂浆的打印机的工艺逐渐趋于成熟，然而针对含粗骨料混凝土的3d打印机系统还不够完善。目前粗骨料混凝土3d打印机主要思想仍为在砂浆打印机的基础上进行改造，利用内部螺杆装置的挤压来进行出料，由于在打印过程中受到的骨料机械咬合力较大，其可以进行打印的混凝土中粗骨料粒径一般只有5mm，且存在出料速度慢、单层宽度小、打印时易堵塞等缺陷，不足以满足目前行业标准、社会发展需求。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种用于打印粗骨料混凝土的3d打印机，该打印机解决了现有粗骨料混凝土3d打印机打印的混凝土中粗骨料粒径小、出料速度慢、单层宽度小、打印时易堵塞等的问题。

技术方案：本发明的用于打印粗骨料混凝土的3d打印机，包括打印喷头、支撑系统及控制系统。

所述打印喷头包括主体料筒、设于所述料筒顶端的运动板、设于所述料筒上方侧边并能够向料桶内加料的入泵口、设于所述料筒出料口处的喷嘴，且所述料筒内还设有能够输送物料的传送机构，所述传送机构由驱动装置驱动。

其中，料筒呈所述尖口朝下的锥形；入泵口朝内的一端与料筒通过焊接相切连接、朝外的一端向外延伸，内部与料筒连通；所述驱动装置包括减速电机，通过设于所述料筒上的电机安装板与料筒连接，所述减速电机的输出端与传动机构连接，并能够驱动传送机构工作；所述喷嘴与料筒底部通过法兰盘连接。

所述支撑系统包括能够驱动所述打印喷头分别x向和z向移动的x向驱动机构和z向驱动机构、设于所述打印喷头下方并能够驱动打印桌y向移动的y向驱动机构、以及支撑所述打印喷头、x向驱动机构、z向驱动机构以及y向驱动机构的支撑架，所述z向驱动机构通过运动板与料筒连接，x向驱动机构通过z向驱动机构与打印喷头连接。

z向驱动机构通过运动板驱动打印喷头z向移动，x向驱动机构通过驱动z向驱动机构x向移动从而驱动打印喷头x向移动，y向驱动机构驱动打印桌y向移动，从而实现了3d打印。

所述控制系统包括分别与打印喷头和支撑系统的驱动机构连接的伺服电机，伺服电机和这些电机连接并提供指令，让打印机按照指令(g-code)来定向移动。

为实现料筒内物料的传输，所述传送机构包括立设于所述料筒内腔中的螺杆、设于所述螺杆周缘的螺旋叶片，其中，所述螺杆的动力输入端与驱动装置的动力输出端连接，且所述螺旋叶片边缘与料筒内壁相切。其中，螺杆上端与减速电机的转子通过嵌合方式连接，螺旋叶片与螺杆通过焊接连接，螺旋叶片的大小与料筒的锥形内腔形配合，即朝向尖端的方向逐渐减小。

螺杆的上端设有能够卡在料筒顶端开口边缘的若干板块，若干所述板块以螺杆为中心向外辐射，其板块一端与螺杆连接、另一端卡在料筒顶端的开口边缘，并用螺栓连接。

所述z向驱动机构包括与运动板连接的光杆、设于所述光杆上的z向齿轨、与所述齿轨配合使用的z向齿轮、驱动所述z向齿轮转动的z向驱动装置，其中，z向驱动装置通过驱动齿轮转动来带动光杆运动，从而驱动打印喷头z向移动。

为了保证打印喷头不下坠，所述光杆两侧还设有能够提拉打印喷头的两提拉杆，进一步保证打印喷头的稳固升降，另外光杆除了作为轨道，还有平衡下面喷头产生偏心力的作用。

其中，光杆、两提拉杆的另一端通过连接板连接。

所述x向驱动机构包括分别设于支撑架两端的x向齿轮、绕设于两x向齿轮外缘的x向传送带、驱动其中一x向齿轮转动的x向驱动装置、设于所述x向传送带上方并随其在齿轮的驱动下运动的固定板，其中，光杆滑动穿设于所述固定板然后与运动板连接，两所述提拉杆分别穿设于固定板然后与运动板连接，并能够相对固定板滑动。

为了保证x向齿轮顺利驱动x向传送带，x向传送带内表面设有与两x向齿轮啮合的x向齿轨，齿轮和齿轨啮合，x向传送带能够顺利带动固定板x向移动，从而带动打印喷头和z向驱动机构顺利x向移动。

为确保x向驱动机构的固定板与y向驱动机构连接后不侧翻，所述x向传送带两侧平行设有两固定杆，所述固定板下方两侧分别与固定板相对的位置均设有固定块，且所述固定块开设有与固定杆形配合、且固定杆能够穿过并相对其滑动的固定孔，在保证固定板随着x向传送带移动的同时，进一步保证固定板的稳固性。

所述y向驱动机构设有两组，分别平行设于支撑架两内侧、并与x向驱动机构垂直，通过支撑座与支撑架连接，包括设于两端的y向齿轮、绕设于两y向齿轮外缘的y向传送带、驱动其中一y向齿轮转动的y向驱动装置，所述打印桌铺设于两所述y向驱动机构上。

为保证打印桌能够顺利随着y向传送带移动，所述y向传送带均匀开设有y向齿轮能够嵌入的齿孔，且所述打印桌下方两侧均匀设有能够嵌入齿孔的y向齿轨，y向齿轮驱动y向传送带运动，从而驱动打印桌y向移动。

为更好的衔接料筒与z向驱动机构的连接，所述运动板设有与料筒的顶端开口形配合的圆孔，所述圆孔套设于料筒顶端开口的外缘，进一步保证了料筒与z向驱动机构连接的稳定性。其中，运动板一端通过柱形定位螺母与光杆和提拉杆连接，其中部与电机安装板通过螺钉连接，通过三角分布的螺钉与料筒连接。

所述支撑架呈龙门型，下方的次支架与地面锚固，来抵抗上部结构自重产生的偏心弯矩，横向的主支架承接中间轨道上x向传送带重力还有串联整个体系的作用。

有益效果：1、本发明打印机可以进行大粒径粗骨料混凝土的打印，最大粒径可达30mm，通过螺旋叶片的旋转传输作用来进行打印过程；2、具有打印速度快、内部允许骨料粒径大、单层宽度大、打印效率高、不易堵塞喷头的特点；3、可以有效提高目前建筑3d打印的工作效率，且可以适配各种不同的水泥基材料。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中z向驱动机构、x向驱动机构及运动板的结构示意图；

图3是本发明中z向驱动机构、x向驱动机构及打印喷头的连接结构示意图；

图4是本发明中z向驱动机构、x向驱动机构及运动板的连接结构示意图；

图5是本发明中料筒的剖视结构示意图；

图6是本发明中料筒顶端结构示意图。

具体实施方式

参见图1至图6，本发明一实施例所述的用于打印粗骨料混凝土的3d打印机，包括打印喷头1、支撑系统2及控制系统。

打印喷头1包括尖口朝下的锥形料筒11、设于料筒11顶端的运动板12、设于料筒11上方侧边并能够向料桶11内加料的入泵口13、设于料筒11出料口处的喷嘴14，喷嘴为40*40mm的方形喷头，且料筒11内还设有能够输送物料的传送机构15，传送机构15由减速电机16驱动。

其中，入泵口13朝内的一端与料筒11通过焊接相切连接、朝外的一端向外延伸，内部与料筒11连通；减速电机15通过设于料筒11上的电机安装板16与料筒11连接，喷嘴14与料筒11底部通过法兰盘连接；运动板12设有与料筒11的顶端开口形配合的圆孔，圆孔套设于料筒11顶端开口的外缘，其中部与电机安装板16通过螺钉连接，通过三角分布的螺钉与料筒11连接。

传送机构包括立设于所述料筒11内腔中的螺杆111、焊接于螺杆111周缘的螺旋叶片112，其中，螺杆111的动力输入端与减速电机15的转子通过嵌合方式连接，且螺旋叶片112边缘与料筒11内壁相切，大小与料筒11的锥形内腔形配合，即朝向尖端的方向逐渐减小。

螺杆111的上端设有能够卡在料筒11顶端开口边缘的3块板块113，3块板块113以螺杆111为中心向外辐射，其板块113一端与螺杆111连接、另一端卡在料筒11顶端的开口边缘，并用螺栓连接。

支撑系统2包括能够驱动打印喷头1分别x向和z向移动的x向驱动机构21和z向驱动机构22、设于打印喷头1下方并能够驱动打印桌3y向移动的y向驱动机构23、以及支撑打印喷头1、x向驱动机构21、z向驱动机构22以及y向驱动机构23的龙门型支撑架24，z向驱动机构22通过运动板12与料筒11连接，x向驱动机构21通过z向驱动机构22与打印喷头1连接。

z向驱动机构22通过运动板12驱动打印喷头1z向移动，x向驱动机构21通过驱动z向驱动机构22x向移动从而驱动打印喷头1x向移动，y向驱动机构23驱动打印桌3y向移动，从而实现了3d打印。

z向驱动机构22包括与运动板12通过柱形定位螺母连接的光杆221、设于光杆221两侧能够提拉打印喷头的两提拉杆222、设于光杆221上的z向齿轨、与齿轨配合使用的z向齿轮223、驱动z向齿轮223转动的z向电机224，其中，z向电机224通过驱动z向齿轮223转动来带动光杆221运动，从而驱动打印喷头1z向移动。

其中，光杆221、两提拉杆222的另一端通过连接板225连接。

x向驱动机构21包括分别设于支撑架24两端的x向齿轮211、绕设于两x向齿轮211外缘的x向传送带212、驱动其中一x向齿轮211转动的x向电机213、设于x向传送带212上方并随其在x向齿轮211的驱动下运动的固定板214，其中，光杆221、两提拉杆222分别穿设于固定板214然后与运动板12连接，并能够相对固定板滑动；x向传送带212内表面设有与两x向齿轮211啮合的x向齿轨。

x向传送带212两侧平行设有两固定杆215，固定板214下方两侧分别与固定板214相对的位置均设有固定块216，且固定块216开设有与固定杆215形配合、且固定杆215能够穿过并相对其滑动的固定孔。

y向驱动机构23设有两组，分别平行设于支撑架24两内侧、并与x向驱动机构21垂直，其通过支撑座与支撑架24连接，包括设于两端的y向齿轮231、绕设于两y向齿轮231外缘的y向传送带232、驱动其中一y向齿轮231转动的y向电机，打印桌3铺设于两y向驱动机构23上。

y向传送带232均匀开设有y向齿轮231能够嵌入的齿孔，且打印桌3下方两侧均匀设有能够嵌入齿孔的y向齿轨，y向齿轮231驱动y向传送带232运动，从而驱动打印桌3y向移动。

控制系统包括分别与打印喷头1和支撑系统2的驱动机构连接的伺服电机，伺服电机和这些电机连接并提供指令，让打印机按照指令(g-code)来定向移动。

本发明的工作原理为：

送料原理：在打印喷头1上部的减速电机15启动后，减速电机15会驱动螺杆及螺旋叶片转动，螺旋叶片就可以将入泵口13进入的混凝土像传送带一样传输到喷嘴14，进而使喷嘴14对材料产生约束力从而形成规则的形状，材料在这样的挤压过程中顺着喷嘴留出，也就是被打印出来。

移动原理：对于x方向，启动x向电机213后，会根据控制系统指令向两端定向移动，首先x向齿轮211带动固定板214移动，从而带动z向驱动机构22和打印喷头1移动；对于y方向，打印喷头1下面具有y向齿轨可以控制打印桌3移动，也就是说打印喷头1不在y向移动而是打印桌3在移动；对于z方向，与光杆221的z向齿轨配合的z向齿轮223，通过z向齿轮223来控制光杆221z方向的上下移动，从而控制打印喷头1z向上下移动，这样就做到了三维打印。