混凝土3D打印机喷头

技术领域

本发明属于混凝土3D打印技术领域，特别是涉及一种混凝土3D打印机喷头。

背景技术

现有混凝土3D打印机喷头的喷嘴多为圆筒形结构，挤出的料浆呈圆条状，而分层叠加的施工工艺使上下两层料浆不易充分接触，特别是为了使底层料浆具有足够承载后续层重量的能力需要料浆的流动性较小而粘聚性较大，且具有快硬早强的性能，导致层间接触面较小，上下层水化程度的差异又使层间结合不良，造成硬化混凝土原始缺陷的存在，混凝土自身强度难以完全发挥，所打印出的结构件强度普遍较低，这也是制约3D打印混凝土技术难以规模化应用的原因之一。而且，圆条状料浆上下层叠加后形成的界面沟槽十分明显，在削弱强度的同时，也不美观。有些即使采用了方形喷嘴，但打印层的厚度不易改变，而打印层层厚、层宽、喷头行进速率和喷嘴出料速率等工艺参数均应随混凝土的流变性、凝结硬化速率和触变性等进行相应的调整。另一方面，3D打印对混凝土快硬早强要求及分层叠加的工艺特点使混凝土在施工期很难得到及时充分的养护，进一步加剧了原始缺陷的形成，即使进行及时养护，如果施工方式不合理，同样不会取得满意的效果，甚至适得其反，如打印的同时即喷洒养护剂可能进一步增大界面层的缺陷。因此，有必要开发出一种结构合理、具有立面修整和养护剂喷涂功能、满足智能化操控需要的混凝土3D打印机喷头。

发明内容

本发明目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种混凝土3D打印机喷头，本申请设计合理、结构简单、环保高效、测试精准，能够实现对浆条的宽度和厚度的调整，并进行抹平和养护，从而提高浆条的质量。

为实现上述目的，所采取的技术方案是：

一种混凝土3D打印机喷头，包括：

喷头料筒，在所述喷头料筒上部设置有喷头进料管和机械臂；

喷嘴，其设置在所述喷头料筒的底部，所述喷嘴的出料腔呈矩形；

喷头搅拌单元，其设置在所述喷头料筒内，所述喷头搅拌单元用于所述喷头料筒内物料的持续搅拌；

浆条厚度调节单元，其设置在所述喷嘴内，所述浆条厚度调节单元用于调节所述喷嘴喷出的浆条的厚度；以及

浆条宽度调节单元，其设置在所述喷嘴下部，所述浆条宽度调节单元用于调节所述喷嘴喷出的浆条的宽度。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述浆条厚度调节单元包括：

阀板，所述阀板的上部铰接设置在喷嘴的出料腔的一侧壁上；以及

阀板驱动部，其驱动所述阀板转动动作，所述阀板的两侧壁与所述出料腔的侧壁滑动贴合。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述浆条宽度调节单元包括：

宽度调节基板，其设置在所述喷嘴外侧壁上；

抹平板，两所述抹平板左右相对设置在所述喷嘴下部；以及

宽度驱动部，其设置在所述宽度调节基板与所述抹平板之间，所述宽度驱动部调节两所述抹平板之间的间距。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述宽度驱动部包括：

调节螺杆，其设置在所述宽度调节基板上；

丝母，所述抹平板通过丝母设置在所述调节螺杆上，且所述抹平板上端与所述宽度调节基板之间贴合滑动设置或通过横移滑轨匹配滑动连接；以及

滑移驱动电机，其驱动所述调节螺杆转动。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，两所述抹平板分别对应设置有宽度调节基板和宽度驱动部，两所述抹平板分别独立动作。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，还包括升降调节单元，所述升降调节单元驱动所述浆条宽度调节单元相对于所述喷嘴升降动作；所述升降调节单元包括:

升降座，其固定设置在所述喷嘴侧壁上，所述宽度调节基板滑动设置在所述升降座上；以及

升降驱动部，其驱动所述宽度调节基板升降动作。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，单片所述抹平板包括依次固定设置的第一抹平板、养护剂喷辊和第二抹平板，所述第一抹平板和所述第二抹平板均包括折线形的抹平面，且两所述第一抹平板之间的宽度较量所述第二抹平板的宽度宽。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述养护剂喷辊包括：

内管，所述内管的上部与所述第一抹平板和第二抹平板固定，所述内管连接有养护剂供料管，所述内管上设置有开口朝向浆条的喷孔；以及

套环，其套设在所述内管上，且能够自由旋转动作，所述套环与所述内管之间形成间隙层，所述套环上均布开设有涂抹孔，在所述养护剂喷辊的外侧设置有防护罩。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述喷头料筒呈U型，且所述喷头料筒整体密封，所述喷头料筒的侧壁上设置有多个检测传感器。

根据本发明混凝土3D打印机喷头，优选地，所述喷头搅拌单元包括：

喷头搅拌电机，其设置在所述喷头料筒的顶部；

喷头搅拌轴，其通过密封轴承连接设置在所述喷头料筒的顶部，所述喷头搅拌电机与所述喷头搅拌轴传动连接；以及

喷头搅拌叶片，其设置在所述喷头搅拌轴上。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

（1）本申请由喷头料筒和桨叶等组成的喷头搅拌单元在打印过程中对混凝土料浆的不停搅拌不仅可防止料浆过早凝结硬化，还可对混凝土产生向下推力，保证料浆在打印时具有稳定的工作性。截面呈U形的喷头料筒本体与连接板形成可承受正负压的密闭腔室，便于利于混凝土输送泵的泵压将料浆从喷头料筒底部的喷嘴顺利全部挤出，同时便于将喷头料筒清洗干净。

（2）本申请喷头料筒对浆料的储存，保证混凝土浆料的均匀无延迟的供给和挤出，避免因混凝土输送泵的泵压波动带来的打印不连续。

（3）本申请喷头料筒内不同高度设置的压力传感器可与控制系统一起来精确调节和监控混凝土料浆的输送量。

（4）本申请中的长方形喷嘴及阀板的设置，可依据混凝土料浆的流动性和凝结硬化等性能调节打印层厚度，打印出截面为长方形的料浆条不仅可以提供良好的层间结合强度，还能提高均质性。

（5）本申请设置两套可独立运动的浆条厚度调节单元，当仅需要单边修整或遇到转角时，可将两套浆条厚度调节单元调整至不同高度，满足喷嘴对方位的较高要求，避免浆条扭曲及层间间隙的产生。

（6）第一抹平板和第二抹平板的设置，通过横向挤压作用消除上下层浇注料层间形成的空隙，通过压抹作用使构件立面光滑，实现精确打印，也将促进混凝土构件的强度增长，并创建更美观的外部轮廓。

（7）养护剂喷辊的设置，可使3D打印混凝土料浆得到及时养护，有效防止表面水分的散失，使内外水胶比一致，防止表面干缩开裂，最大程度上降低硬化混凝土的性能差异，使用渗透结晶型养护剂将取得更优的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的混凝土3D打印机喷头的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的混凝土3D打印机喷头的侧视结构示意图。

图3为图1中A-A向结构示意图。

图4为根据本发明实施例的抹平板的工作状态结构示意图。

图中序号：

210为喷头料筒、211为机械臂、212为喷头进料管、213为喷头搅拌电机、214为喷头搅拌轴、215为喷头搅拌叶片、216为连接板；

220为喷嘴、221为阀板、222为阀板驱动部、223为阀板转轴；

231为宽度调节基板、2321为第一抹平板、2322为养护剂喷辊、2323为第二抹平板、2324为内管、2325为套环、2326为间隙层、2327为喷孔、2328为涂抹孔、233为调节螺杆、234为滑移驱动电机、235为升降座、236为升降驱动部、237为升降螺杆、238为升降滑轨、239为横移滑轨；

240为检测传感器。

具体实施方式

下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的示例方案进行清楚、完整地描述。除非另作定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，“第一”、“第二”的表述用来描述本发明的各个元件，并不表示任何顺序、数量或者重要性的限制，而只是用来将一个部件和另一个部件区分开。

应注意到，当一个元件与另一元件存在“连接”、“耦合”或者“相连”的表述时，可以意味着其直接连接、耦合或相连，但应当理解的是，二者之间可能存在中间元件；即涵盖了直接连接和间接连接的位置关系。

应当注意到，使用“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

应注意到，“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语，仅用于表示相对位置关系，其是为了便于描述本发明，而不是所指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；当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应的改变。

参见图1-图4，本申请公开了一种混凝土3D打印机喷头，包括喷头料筒210、喷嘴220、喷头搅拌单元、浆条厚度调节单元和浆条宽度调节单元，在所述喷头料筒210上部设置有喷头进料管212和机械臂211；喷嘴220设置在所述喷头料筒210的底部，所述喷嘴220的出料腔呈矩形；喷头搅拌单元设置在所述喷头料筒210内，所述喷头搅拌单元用于所述喷头料筒210内物料的持续搅拌；浆条厚度调节单元设置在所述喷嘴220内，所述浆条厚度调节单元用于调节所述喷嘴220喷出的浆条的厚度；浆条宽度调节单元设置在所述喷嘴220下部，所述浆条宽度调节单元用于调节所述喷嘴220喷出的浆条的宽度。

本实施例中的喷头搅拌单元包括喷头搅拌电机213、喷头搅拌轴214和喷头搅拌叶片215，喷头搅拌电机213设置在所述喷头料筒210的顶部；喷头搅拌轴214通过密封轴承连接设置在所述喷头料筒210的顶部，所述喷头搅拌电机213与所述喷头搅拌轴214传动连接；喷头搅拌叶片215设置在所述喷头搅拌轴214上。在打印过程中对混凝土料浆的不停搅拌可防止料浆过早凝结硬化，保证料浆在打印时具有稳定的工作性。

进一步地，本实施例中的喷头料筒210呈U型，且所述喷头料筒210整体密封，具体地，可以通过在喷头料筒本体顶部设置连接板，截面呈U形的喷头料筒顶部与连接板底部周向固定连接成整体，形成可承受正负压的密闭腔室，便于混凝土料浆顺利从底部的喷嘴挤出，而喷头料筒底部的U形截面也便于料浆全部流出。

连接板216用于固定喷头搅拌电机213、喷头搅拌轴214和喷头进料管212，同时连接板216与喷头料筒本体之间为密封连接，所述喷头料筒210的侧壁上设置有多个检测传感器240，检测传感器240可以为压力传感器或液位传感器，用于检测混凝土3D打印机喷头的喷涂量，也便于控制喷头进料管的进料量，实现整个系统的有效调节和监控。即不同高度设置多个压力传感器，与控制系统一起来调节和监控混凝土料浆的输送量。

呈矩形的喷嘴，与打印方向平行的前后侧壁宽度比与打印方向垂直的左右侧壁短，优选地，本实施例中的浆条厚度调节单元包括阀板221和阀板驱动部222，所述阀板221的上部铰接设置在喷嘴220的出料腔的一侧壁上；阀板驱动部222驱动所述阀板221转动动作，所述阀板221的两侧壁与所述出料腔的侧壁滑动贴合，阀板通过阀板转轴铰接设置在出料腔的侧壁上，阀板驱动部采用阀板驱动电机驱动。由阀板驱动电机驱动并带动阀板一起进行转动，阀板的转动可调节喷嘴开度的大小，进而调节打印层的厚度，以适应不同流动性和不同凝结硬化性能的混凝土料浆。

所述浆条宽度调节单元包括宽度调节基板231、抹平板和宽度驱动部，宽度调节基板231设置在所述喷嘴220外侧壁上；两所述抹平板左右相对设置在所述喷嘴220下部；宽度驱动部设置在所述宽度调节基板231与所述抹平板之间，所述宽度驱动部调节两所述抹平板之间的间距。

具体地，宽度驱动部包括调节螺杆233、丝母和滑移驱动电机234，调节螺杆233设置在所述宽度调节基板231上，具体地，调节螺杆通过轴承设置在宽度调节基板上；所述抹平板通过丝母设置在所述调节螺杆233上，且所述抹平板上端与所述宽度调节基板231之间贴合滑动设置或通过横移滑轨匹配滑动连接，起到限位作用，避免抹平板自身发生旋转；滑移驱动电机234驱动所述调节螺杆233转动。进一步地，为了实现两个抹平板独立动作，两所述抹平板分别对应设置有宽度调节基板231和宽度驱动部。

还包括升降调节单元，所述升降调节单元驱动所述浆条宽度调节单元相对于所述喷嘴220升降动作；所述升降调节单元包括升降座235和升降驱动部236，升降座235固定设置在所述喷嘴220侧壁上，所述宽度调节基板231滑动设置在所述升降座235上；升降驱动部236驱动所述宽度调节基板231升降动作。本实施例中的升降驱动部为升降驱动电机和升降螺杆，所述升降螺杆的下端与对应的宽度调节基板铰接，宽度调节基板与升降座之间通过升降滑轨或升降滑槽滑动配合，避免宽度调节基板在升降过程中旋转，从而在升降螺杆的旋转过程中，宽度调节基板能够相对于升降座升降动作。

有上述结构可知，本申请可以设置两套可独立运动的浆条厚度调节单元和升降调节单元，当仅需要单边修整或遇到转角时，可将两套浆条厚度调节单元调整至不同高度，满足喷嘴对方位的较高要求，避免浆条扭曲及层间间隙的产生。

进一步地，本实施例中的单片所述抹平板包括依次固定设置的第一抹平板2321、养护剂喷辊2322和第二抹平板2323，所述第一抹平板2321和所述第二抹平板2323均包括折线形的抹平面，且两所述第一抹平板2321之间的宽度较量所述第二抹平板2323的宽度宽。第一抹平板2321和第二抹平板2323的设置，通过横向挤压作用消除上下层浇注料层间形成的空隙，通过压抹作用使构件立面光滑，实现精确打印，也将促进混凝土构件的强度增长，并创建更美观的外部轮廓。

养护剂喷辊包括内管2324和套环2325，所述内管2324的上部与所述第一抹平板和第二抹平板固定，也可以在第一抹平板、第二抹平板和内套顶部设置连接架，通过连接架实现三者的连接固定，并由连接架通过丝母连接在调节螺杆上，实现横向移动，所述内管连接有养护剂供料管，所述内管上设置有开口朝向浆条的喷孔2327；套环套设在所述内管上，且能够自由旋转动作，所述套环与所述内管之间形成间隙层2326，所述套环上均布开设有涂抹孔2328，在所述养护剂喷辊的外侧设置有防护罩，可以避免养护剂流到外部。

第一抹平板和第二抹平板具有相同的弯折结构截面，后部与混凝土料浆条的打印方向平行，前部向料浆条打印方向的外侧弯折，左右两侧对应设置的一组第一抹平板形成喇叭状开口，打印时调整宽度使开口宽度大于料浆条的宽度，通过第一抹平板弯折呈喇叭状结构的收缩挤压，使料浆条不规则的外侧面得到初步修整。经过初步修整后的料浆条外侧面随着打印的进行与养护剂喷辊接触，所述养护剂喷辊为双层圆筒状结构，中心层为内管，其上端固定，朝向混凝土料浆条的内侧至上往下设置数个喷孔，内管外设置套环，二者采用间隙配合，形成间隙层，内管底部设置可承托套环的外凸环结构，防止套环滑落。套环周向有规律设置更多小孔径的喷孔，内管将输送来的养护剂通过喷孔喷到间隙层内形成薄膜，再通过套环上的涂抹孔涂抹到料浆条的外侧面。间隙层的设置便于套环绕内管旋转，使套环对料浆条的外侧面仅施加横向压力，并通过横向挤压作用修复因第一抹平板对料浆条的斜向挤压产生的撕裂裂纹，同时将养护剂均匀涂抹在料浆条的外侧面。随着打印的进行，喷涂过养护剂的料浆条外侧面与第二抹平板相接触，由左右两侧组成的一副第二抹平板之间的宽度比第一抹平板之间的宽度更小，以对料浆条形成进一步挤压并进行抹面修整和定型。所述养护剂喷辊通过输液管与原料罐连接，通过电磁阀、流量计和控制系统控制供应量的多少。

本申请的打印行迹控制由机械臂控制，可使机械臂按设定的程序沿X-Y-Z轴运动，操控打印喷头的旋转及调节喷嘴对材料的挤出等，实现多坐标联动控制。

改变本发明的一种混凝土3D打印机喷头的具体规格，如改变喷头料筒的直径和喷嘴长度的比例，或将喷嘴的截面改成正方形，将养护剂喷辊的套环和内管改变成轴承式连接结构，或为便于对料筒的清洗将喷头料筒与连接板采用螺纹和密封圈连接等也能组成多个实施例，均为本发明的常见变化，在此不一一详述。

上文已详细描述了用于实现本发明的较佳实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。所属领域的普通技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。