用于桩基础3D打印混凝土的新型喷头装置及使用方法与流程

本发明涉及3d打印机，尤其涉及用于桩基础3d打印混凝土的新型喷头装置及使用方法。

背景技术：

近年来，3d打印技术已成为能够改变未来的创新性技术，它将对传统的社会生产产生巨大的影响。同时，3d打印技术与建筑相结合的3d打印建筑技术，必将成为建筑行业发展史上的里程碑。

混凝土3d打印机所需要的软件配置和普通的pla材料打印机基本相同，硬件的主要功能是配合计算机完成打印过程的执行。混凝土3d打印机的硬件部分主要分布在打印机的底层控制部分，主要有限位开关、主板、电机驱动器、嵌入式微控制器、功率不等的步进电机、载物台等。

由于混凝土具有凝固的特性，因此外界条件的改变都会引起混凝土的凝固，比如含水量、温度等。目前混凝土打印机的喷嘴出料方式采用的是挤压式出料，随着打印机喷头内混凝土的减少和水分的流失会使后期的出料变得艰难。且混凝土流动性会随着周围温度环境的变化而发生改变，打印大型建筑物是一个长时间的过程，温度的改变在打印过程中变化较大，人为难以控制。其次，混凝土在打印过程中，对于一些断层或者镂空结构，容易出现黏结，造成结构出现突出部位以及影响美观的问题。因此，设计出一种流畅输送混凝土的3d打印机喷头迫在眉睫。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明公开了一种用于桩基础3d打印混凝土的新型喷头装置及使用方法，适用于常规建筑和特殊建筑的现场制作及施工，既能保留3d打印技术的快捷精准自动化的特点，同时还可以节省大量的人力与运输资源，只需提前插入模板，即可完成大量重复的工作。

技术方案：本发明喷头包括3d打印机喷头装置，3d打印机框架结构，计算机终端控制系统，连接构件，原料箱。具体工作流程通过计算机终端控制系统控制连接构件，将原料箱内的原料输送到3d打印机喷头装置，3d打印机喷头开始工作，对喷头内部的混凝土流动性各方面参数进行调试，待调试完毕后，3d打印机喷头移动到框架原点为止，开始正式打印，3d打印机喷头在框架上xyz轴移动打印。其中，

(1)原料输送管道，将3d打印机喷头装置与原料箱相连，包裹喷头外壁，防止原料泄露。

(2)缓凝剂，促凝剂补充管道，位于喷头内壁上，与喷头内部直接相通，当缓凝剂，促凝剂不足时可直接从外部添加；

(3)转动齿轮，位于喷头外壁与喷头内壁的空隙之中，可调节混凝土流动性检测器的角度(内含传输数据的线缆)；

(4)喷头外壁；

(5)混凝土流动性检测器，固定于喷头内壁上，外部有凹凸不平的凹槽可以增大与原料的接触面积，内含加热器与散热器

(6)圆盘形搅拌器，位于喷头内轴上可以对原料进行充分的搅拌，同时可以圆盘可以收缩，达到喷头不同阶层依次关闭的效果；

(7)喷头内轴，与喷头内壁相连，起连接圆盘形搅拌器同时操纵圆盘形搅拌器的伸缩的作用；

(8)缓凝剂补充口，位于喷头内壁上，内部空间可以储存部分缓凝剂以备工程使用，必要时可以从外部使用管道补充；

(9)促凝剂补充口，位于喷头内壁上，内部空间可以储存部分促凝剂以备工程使用，必要时可以从外部使用管道补充；

(10)喷头内壁，与外壁之间留有一定空隙来放置传输数据所用的电线，同时在每个阶层随机放置有流动性传感器用来检测混凝土流动性。

本发明还提供一种上述基于3d打印的现场施工方法，包括以下步骤：

(1)建筑建模：通过3dsmax等三维建模软件建立三维立体模型，将其转换成stl格式导入3d打印软件中进行切片处理；

(2).现场准备：包括设备就位、配制耗材、现场绑扎钢筋笼、打印初始化和系统整体调试等；

(3)3d打印机就位：将当前的空气湿度，温度等参数输入电脑，设置需要打印的混凝土流动性要求范围；

(4)试运行3d打印机：观察喷头内转动轴承与齿状搅拌器运行情况，混凝土流动性检测器检测混凝土流动性变化情况，并传输到电脑终端进行记录；

(5)调试3d打印机：反复调试3d混凝土打印机各项参数直至喷头喷出的混凝土满足流动性要求；

(6)镂空阶段测试：3d打印机喷头喷出混凝土阶段运行成功后，关闭混凝土喷口，测试混凝土不喷出混凝土时喷头内部的混凝土流动性，对此时的混凝土流动性进行调试同时记录(此步骤是保证3d打印机喷头在打印镂空结构时需要不喷料移动的内部混凝土不发生凝固)；

(7)准备工作完成：喷头不喷出混凝土阶段与喷头喷出阶段调试完毕之后，设置3维坐标系，将喷头移至原点处，开始打印；

(8)实施打印：打印过程中，需要时刻注意原料箱及缓凝剂促凝剂剩余情况，必要时可以进行补充；

(9)喷头转向：当系统检测到喷头喷出速率不一致时，喷头自动转向装置将会自动旋转喷头至某一角度，从而使喷头喷出速率一致，使建筑物材料均匀。

(10)结束打印：当完成打印后，对打印的建筑进行检查清理，同时对3d打印机喷头进行清理。

工作原理：本发明通过计算机终端控制系统控制连接构件，将原料箱内的原料输送到3d打印机喷头装置，3d打印机喷头开始工作，对喷头内部的混凝土流动性各方面参数进行调试，待调试完毕后，3d打印机喷头移动到框架原点为止，开始正式打印，3d打印机喷头在框架上xyz轴移动打印。

有益效果：与现有的3d打印机喷头相比，本发明具有以下优点：(1)本发明可以实时监测混凝土流动性并及时通过添加促凝剂与缓凝剂改善混凝土流动性；(2)本发明的3d打印机喷头可以记录之前工作过的工作环境，在以后相似的工作环境中，可以总结并列举出之前的工作环境参数作为参考；(3)本发明的3d打印机喷头可以显示喷头的工作情况，如出现意外情况，可以及时通过电脑控制终端终止操作；(4)本发明的3d打印机喷头可以利用高低不同的圆盘搅拌器启闭时间不同达到分阶层关闭的目的，减少了3d打印容易出现的材料粘滞，反角处有混凝土堆积的问题；(5)本发明的3d打印机喷头在喷嘴部分设置有流量监测器，同时喷嘴横截面面积作为基本设置参数常量输入计算机中，这样，可通过流速v与基本公式q＝av即可得到即时通过流量；(6)本发明的3d打印机喷头在混凝土流动性检测器处另外增加了加热器与散热器的功能，可以根据机体的当前温度是否过高或者过低从而对机体选择性进行降温或者加热。

附图说明

图1为本发明喷头结构示意图；

图2为图1中3d打印机喷头的俯视图；

图3为3d打印机整体结构正视图；

图4为3d打印机整体结构侧视图；

图5为3d打印机整体结构俯视图；

图6为本发明实例整体结构图；

图7为本发明实施例中施工方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明喷头装置包括原料输送管道1，缓凝剂和促凝剂补充管道2，转动齿轮3，喷头外壁4，混凝土流动性检测器5，内轴圆盘型搅拌器6，喷头内轴7，缓凝剂补充仓8，促凝剂补充口9，喷头内壁10。

其中原料输送管道1包于喷头外壁4上，并与喷头外壁4相连，喷头内壁10与喷头外壁4之间留有一定空间，用来放置缓凝剂、促凝剂补充管道2以及转动齿轮3，喷头内壁10上安放缓凝剂，促凝剂补充口9，与喷头内部空间连通，混凝土流动性检测器5呈板状穿插于喷头内壁上，喷头内轴7位于中心位置，上面放置圆盘型搅拌器6。圆盘型搅拌器可以对原料进行充分的搅拌，同时圆盘可以收缩，达到喷头不同阶层依次关闭的效果。喷头内壁与外壁之间留有一定空隙来放置传输数据所用的电线，同时在每个阶层随机放置有流动性传感器用来检测混凝土流动性。

如图2所示，旋转外壁15、旋转圈16、小角度微调器12、大角度微调器17和水平位移杆18共同组成了喷头自动转向装置，13为角度固定器，14为旋转润滑剂，15为旋转器外壁。当系统检测到喷头喷出速率不一致时，将会自动旋转喷头至某一角度，从而使喷头喷出速率一致，使建筑物材料均匀。

图3为3d打印机整体结构正视图，其中19为oxy滑轨，20为喷头旋转装置，21为混凝土打印机喷头，22为oz方向滑轴，23为环境检测器，24为动力轴。喷头装置在打印过程中可以通过整体结构中的图3中oxy轴滑轨19进行x方向的精确移动；图3中的oz轴滑轨22进行z方向的精确移动，确保施工的精准度要求。3d打印机喷头装置安装固定在施工现场，通过输料管和数据线，与其它电脑终端控制单元连接。

图4为3d打印机整体结构侧视图；其中25为材料检测器，19为oxy滑轨，20为喷头旋转装置，21为混凝土打印喷头，22为oz方向滑轴，26为水平支座。图4中的oxy轴滑轨19进行y方向的精确移动。

图5为3d打印机整体结构俯视图；其中25为材料检测器，27为信息传输器，26为水平支座，23为环境监测器。

图6，原料箱，原料抽送泵，原料输送管道，混凝土打印喷头，终端控制系统连接关系如图6所示，原料箱与原料抽送泵通过原料输送管道相连，原料输送泵将原料箱内的原料利用压强输送到混凝土打印喷头中，终端控制系统与原料输送泵和混凝土打印喷头相连，控制原料的出料速度与喷头移动。

如图7所示，本实施例的新型喷头装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，建筑建模：通过3dsmax等三维建模软件建立三维立体模型，将其转换成stl格式导入3d打印软件中进行切片处理；

步骤2，现场准备：包括设备就位、配制耗材、现场绑扎钢筋笼、打印初始化和系统整体调试等；

步骤3，3d打印机就位：将当前的空气湿度，温度等参数输入电脑，设置需要打印的混凝土流动性要求范围；

步骤4，试运行3d打印机：观察喷头内转动轴承与齿状搅拌器运行情况，混凝土流动性检测器检测混凝土流动性变化情况，并传输到电脑终端进行记录；

步骤5，调试3d打印机：反复调试3d混凝土打印机各项参数直至喷头喷出的混凝土满足流动性要求；

步骤6，镂空阶段测试：3d打印机喷头喷出混凝土阶段运行成功后，关闭混凝土喷口，测试混凝土不喷出混凝土时喷头内部的混凝土流动性，对此时的混凝土流动性进行调试同时记录；此步骤是保证3d打印机喷头在打印镂空结构时需要不喷料移动的内部混凝土不发生凝固；

步骤7，准备工作完成：喷头不喷出混凝土阶段与喷头喷出阶段调试完毕之后，设置3维坐标系，将喷头移至原点处，开始打印；

步骤8，进行打印：打印过程中，需要时刻注意原料箱及缓凝剂促凝剂剩余情况，必要时可以进行补充；

步骤9，喷头转向：当系统检测到喷头喷出速率不一致时，将会自动旋转喷头至某一角度，从而使喷头喷出速率一致，使建筑物材料均匀。

步骤10，结束打印：当完成打印后，对打印的建筑进行检查清理，同时对3d打印机喷头进行清理。