一种增强水泥3D打印层间剪切强度的方法和喷头装置与流程

一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法和喷头装置
技术领域
1.本发明涉及建筑材料3d打印设备技术领域，尤其涉及一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法和喷头装置。


背景技术：

2.随着建筑工业智能建造技术的发展，3d打印快速成型技术的优势日渐突出，在建筑领域具有广阔的应用前景，但3d打印在建筑领域的发展还受到很多限制。层层打印是3d打印技术的主要特点，会使打印构件天然地具有分层现象，层与层之间出现明显的结合界面，两个连续层间的构件比整体浇筑施工的整体性差。层层堆积的施工方式使得打印构件不可避免地存在层间剪切性能弱，界面处的粘结性能和剪切性能明显低于基体，受力时容易最先发生破坏，从而影响打印构件的整体性和结构使用性能。因此增强3d打印水泥基材料的层间结合强度，从而提高3d打印建筑物的寿命十分重要。
3.目前建筑材料3d打印技术主要采用机械方法和化学方法来增强层与层之间的粘结，从而提高层间剪切强度，如使用双喷头，在层间涂抹不同的界面剂，使得两层紧密粘结。这种方法一定程度上可以改善层间界面薄弱的问题，但会引入更复杂的双喷头打印装置，带来更多结合界面，而且层间粘结剂的成本较高，不利于大规模使用。
4.从cn108673880中公知这样一种具有榫卯结构的3d打印填充结构及其加工工艺，通过3d打印方式使相邻丝料间存在榫卯状机械啮合结构，使制品内部有更多的填充结构共同承受外力，将所承受外力分散至制品内部各丝状结构上。此发明增强了大面积填充构件的整体性，但对于单层无需填充构件的层间问题未得到有效解决。
5.所以层间界面是影响3d打印构件在建筑行业推广应用面临的一个重大挑战。针对界面特性进行研究，使用简易的装置机械的提升3d打印构件界面性能，增强层间剪切强度，是3d打印建筑亟待解决的问题。
6.综上所述，目前3d打印建筑材料的应用领域因层间界面薄弱而具有一定的局限性。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出了一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法和喷头装置，通过在打印喷头上嵌套凹凸不平的沟槽装置，使得打印构件层间具有相互啮合的凹凸结构，从而达到提高层间剪切强度的作用。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法，包括以下步骤：
10.(s1)设计建筑物的三维模型，确定构件的每层打印厚度及打印宽度：
11.(s2)根据所述构件的层打印厚度及打印宽度选择合适直径的喷头；
12.(s3)根据所述构件的层打印厚度及打印宽度选择合适沟槽装置，将所述沟槽装置安装到所述喷头下方；
13.(s4)使用3d打印机根据所述三维模型进行水泥基材料3d打印制造，所述喷头带动所述沟槽装置运动并且所述沟槽装置与喷头的运行轨迹一致，直到构件打印完成为止。
14.优选的，还包括(s5)：待到构件打印完成并且3d打印材料完全硬化，对打印完成的构件进行喷水养护处理，达到设定的养护龄期后，即可进行使用。
15.优选的，所述喷头的直径为30～70mm；所述喷头的横截面形状为圆形或方形或矩形。
16.优选的，所述沟槽装置的沟槽深度为每层打印层高度的5％～30％。
17.优选的，所述沟槽装置的沟槽深度为每层打印层高度的20％。
18.优选的，所述3d打印机采用框架式水泥3d打印机、龙门式水泥3d打印机或机械臂式水泥3d打印机中的任意一种。
19.优选的，所述水泥基材料采用水泥砂浆或水泥净浆材料，其中所述水泥砂浆或水泥净浆材料的水泥材料是由胶凝材料、以及添加于胶凝材料中的外加剂构成。
20.优选的，所述胶凝材料为硫铝酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的任意一种，所述外加剂为聚羧酸减水剂、纤维素、乳胶粉中的任意一种。
21.本发明还提供了一种增强水泥3d打印层间剪切强度的喷头装置，所述喷头装置包括3d打印喷头和沟槽装置，所述喷头的下方螺纹连接有沟槽装置，所述沟槽装置的下端面均匀环向开设有若干个沟槽；所述沟槽装置的下端面对准打印构件，所述打印构件放置于打印平台上。
22.优选的，所述沟槽装置下端面开设的沟槽形状为锯齿形、楔形、圆齿形中的任意一种。
23.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
24.(1)本发明的沟槽装置具有360
°
平均分配的锯齿，可以实现与打印喷头在任意方向上同步运行，无需考虑转向的问题；
25.(2)本发明的沟槽装置简便易行，形状多样，稳定性好；在不改变原有的3d打印路径，不增加其他打印设备与供料系统的基础上，可以实现与打印喷头同步运行，采用机械啮合的方式来增强3d打印层间剪切强度；
26.(3)本发明的沟槽装置可以根据打印尺寸更换不同规格与型号的沟槽装置，可以拥有多样的相互啮合形状。
附图说明
27.图1为本发明的整体结构示意图；
28.图中：1、3d打印喷头；2、螺纹连接处；3、沟槽装置；4、打印构件；5、打印平台。
具体实施方式
29.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。
30.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例：
33.如图1所示，本发明提出了一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法和喷头装置，通过在打印喷头上嵌套凹凸不平的沟槽装置3，使得打印构件4层间具有相互啮合的凹凸结构，从而达到提高层间剪切强度的作用。
34.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
35.一种增强水泥3d打印层间剪切强度的方法，包括以下步骤：
36.(s1)设计建筑物的三维模型，确定构件的每层打印厚度及打印宽度。
37.(s2)根据所述构件的层打印厚度及打印宽度选择合适直径的喷头；
38.喷头的直径为30～70mm，如30mm，40mm，50mm，70mm；喷头的横截面形状为圆形或方形或矩形等。
39.(s3)根据所述构件的层打印厚度及打印宽度选择合适沟槽装置3，将沟槽装置3安装到所述喷头下方；
40.沟槽装置3的沟槽深度为每层打印层高度的5％～30％。如5％、10％、15％、20％，30％等，不建议超过打印层高的50％，本实施例的沟槽装置3的沟槽深度为每层打印层高度的20％。
41.(s4)使用3d打印机根据所述三维模型进行水泥基材料3d打印制造，喷头带动所述沟槽装置3运动并且所述沟槽装置3与喷头的运行轨迹一致，直到构件打印完成为止；
42.本3d打印机采用的是水泥3d打印机，包括但不限于框架式、龙门式或机械臂式3d打印机，此处使用的是框架式水泥3d打印机；
43.而打印的水泥基材料采用水泥砂浆或水泥净浆材料，其中水泥砂浆或水泥净浆材料的水泥材料是由胶凝材料、以及添加于胶凝材料中的外加剂构成。胶凝材料为具有快硬早强性能的硫铝酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等水泥基材料，所述外加剂包括但不限于聚羧酸减水剂、纤维素、乳胶粉等。
44.(s5)待到构件打印完成并且3d打印材料完全硬化，对打印完成的构件进行喷水养护处理，达到设定的养护龄期后，即可进行使用；
45.喷水养护处理，主要是指使用喷雾养护装置对3d打印的水泥基材料构件进行喷水养护，反复的喷雾养护，可以促进水泥基材料的水化反应，从而具有更好的力学性能。
46.一种增强水泥3d打印层间剪切强度的喷头装置，喷头装置包括3d打印喷头1和沟槽装置3，喷头的下方具有螺纹连接处2，喷头的下方螺纹连接有沟槽装置3，沟槽装置3的下端面均匀环向开设有若干个凹凸不平的沟槽，本实施例中沟槽装置3的下端面360
°
环绕平均设置6个锯齿。打印过程中对新近打印的流动性较好的水泥基材料进行局部挤压和分区。
47.沟槽装置3的下端面对准打印构件4，打印构件4放置于打印平台5上。
48.沟槽装置3下端面开设的凹凸不平的沟槽形状包括但不限于锯齿形、楔形、圆齿形中等，本实施例中使用的是锯齿形沟槽装置3。
49.本发明的工作原理为：
50.本发明的沟槽装置3简便易行，形状多样，稳定性好；在不改变原有的3d打印路径，不增加其他打印设备与供料系统的基础上，可以实现与打印喷头同步运行，采用机械啮合的方式来增强3d打印层间剪切强度；
51.通过在打印喷头上嵌套凹凸不平的沟槽装置3，使得打印构件4层间具有相互啮合的凹凸结构，同时起到压实浆体，排除气泡的功能，从而达到提高层间剪切强度的作用。主要使用在水泥净浆和水泥砂浆3d打印中，但不限于以上应用。
52.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。