一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置

摘要

本发明为一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置，该装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头、送筋单元、导线轮、固定板、输筋管、剪断单元、控制系统及多个钢丝绳线轴，所述多个钢丝绳线轴、导线轮、送筋单元从上到下依次固定在固定板上，固定板通过固定环和连接杆平行固定在混凝土打印头上部的料桶侧面上；剪断单元固定在与固定板相对的料桶的另一侧面上；所述输筋管一端从混凝土打印头侧壁伸入到混凝土打印头的中部轴线位置。该装置能实现混凝土和多根钢丝绳的一体化建造，多根钢丝绳和混凝土一起通过打印头被挤出，所制备的3D打印钢丝绳增强混凝土复合材料具有较高的抗拉强度和延性。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种3D打印混凝土结构的增强方法，更具体地涉及一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置。

背景技术

近年来3D打印技术成为了社会的热点，其中打印材料包括塑料、金属、陶瓷、软材料、混凝土等。3D打印混凝土技术具有设计和建造自由化、自动化程度高、施工速度快、人工成本低、环境污染小等诸多优点，近几年在土木工程领域获得广泛的关注和显著的发展。3D打印桥梁、3D打印房屋等随处可见，这些在很大程度上证实了将3D打印技术运用到土木工程领域的可行性。然而3D打印混凝土抗拉强度低、脆性大，此外3D打印采用层层堆积的建造工艺，在打印过程中难以像传统浇筑工艺那样自由植入钢筋，所以目前3D打印结构主要作为非承重构件。研究者们将纤维掺入混凝土中，混凝土和纤维提前混合后一同被挤出，制备3D打印纤维增强混凝土复合材料，然而，由于选用短切纤维作为加强筋，其增强效果远不及钢筋。申请号为201110050221.6的中国专利公布了一种纤维增强聚合物-钢绞线复合筋混凝土梁，该混凝土梁的顶部受压筋和底部纵向受拉筋均是纤维增强聚合物-钢绞线复合筋，所述的纤维增强聚合物-钢绞线复合筋由位于核心的钢绞线和位于外围的纤维增强聚合物纤维经树脂复合而成，所述钢绞线由19根单钢丝绳绞成，其截面图中为单根纤维增强聚合物纤维整体包覆19根单钢丝绳构成，但这种复合筋不能进行3D打印。

因此，研发一种3D打印连续筋增强混凝土复合材料对促进3D打印混凝土技术的发展和工程实际应用具有十分重要的意义。

欲制备3D打印连续筋增强混凝土复合材料，需要实现在打印混凝土的同时连续筋被挤出，3D打印混凝土打印头的运行路径自由多变，所以连续筋需要具有一定的变形能力以适应3D打印技术的自由建造过程。钢丝绳是由若干细丝捻制而成，具有较高的强度和变形能力，且同样的直径下细丝数量越多钢丝绳的柔性越强，适合作为3D打印混凝土材料的加强筋。为适应3D打印路径的灵活性，满足混凝土3D打印要求的钢丝绳的直径较小，然而3D打印混凝土的打印头尺寸较大，单根钢丝绳所提供的增强作用有限。研发一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置具有重大的应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置。该装置能实现混凝土和多根钢丝绳的一体化建造，多根钢丝绳和混凝土一起通过打印头被挤出，所制备的3D打印钢丝绳增强混凝土复合材料具有较高的抗拉强度和延性，具有良好的工程可行性和应用价值，这将大力推动3D打印技术在混凝土工程中的实际应用。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置，其特征在于该装置包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头、送筋单元、导线轮、固定板、输筋管、剪断单元、控制系统及多个钢丝绳线轴，所述多个钢丝绳线轴、导线轮、送筋单元从上到下依次固定在固定板上，固定板通过固定环和连接杆平行固定在混凝土打印头上部的料桶侧面上；剪断单元固定在与固定板相对的料桶的另一侧面上；所述输筋管一端从混凝土打印头侧壁伸入到混凝土打印头的中部轴线位置，输筋管出口的中轴线与混凝土打印头出口的中轴线重合，输筋管的终端位于打印头出口的上方；输筋管另一端连接送筋单元，控制系统与送筋单元及剪断单元、混凝土打印头连接；

每个钢丝绳线轴上均缠绕一根钢丝绳，在多个钢丝绳线轴的下部的固定板中间位置设置导线轮，多根钢丝绳均连接到导线轮上；

所述送筋单元设置在导线轮下部的固定板上，送筋单元包括步进电机、主动齿轮和从动滑轮，步进电机固定在固定板的背面上，步进电机的输出轴通过联轴器与位于固定板正面上的主动齿轮连接，所述主动齿轮位于导线轮的下方，且靠近混凝土打印头所在一侧；所述从动滑轮与主动齿轮紧密接触，且从动滑轮位于主动齿轮斜向下的位置上；所述从动滑轮的圆周侧面上均布设有多周凹槽，每周凹槽的尺寸与相应的钢丝绳尺寸相吻合；输筋管的一端正对从动滑轮的多周凹槽；

所述剪断单元包括连杆电磁阀、连杆、活动杆、剪刀、剪刀电磁阀、固定架，所述固定架一端固定在料桶的侧面上，固定架的另一端通过连杆电磁阀连接有连杆，固定架的中部连接有活动杆，连杆和活动杆的下端均通过活动轴与剪刀连接，剪刀能以活动轴为中心打开或闭合，且活动杆能在活动轴的带动伸长或缩短；在剪刀上安装有剪刀电磁阀，剪刀张开口的角度要大于打印头的直径；

上述的连杆电磁阀、剪刀电磁阀、步进电机、混凝土打印头均与控制系统连接。

一种3D打印钢丝绳增强混凝土复合材料，其特征在于该复合材料由多层重复单元构成一个整体，每层重复单元均由3D打印混凝土和包裹在3D打印混凝土内部的多根钢丝绳构成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有3D打印混凝土结构内部不具有钢筋等提供抗拉强度的单元，所以现在的3D打印混凝土结构抗拉强度弱，承载能力有限，并且，3D打印混凝土采用层层叠加的建造工艺，现有的打印设备均不能在打印过程中置入钢筋等提供抗拉强度的单元。本发明装置基于3D打印技术，能同时打印多根钢丝绳和混凝土，可以提高3D打印混凝土结构植筋的自由化程度，所建造的3D打印多筋增强混凝土复合结构具有抗拉强度高、韧性好、高承载能力、设计灵活化的特点。该复合材料的建造过程简单，成本低，可以大幅度节省人工投入，提高3D打印混凝土结构的安全性，实现建造自动化。

为适应3D打印路径的灵活性，满足混凝土3D打印要求的钢丝绳的直径较小，然而3D打印混凝土的打印头尺寸较大，单根钢丝绳所提供的增强作用有限，本申请装置首次将多根钢丝绳与混凝土一起进行打印，实现了多根钢丝绳和混凝土同时从混凝土打印头挤出，在3D打印混凝土的同时自动布置多根钢丝绳，显著增强了复合材料的强度。

附图说明

图1为本发明适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置的正面结构示意图；

图2为本发明适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置的背面结构示意图。

图3为本发明中从动滑轮的立体结构示意图。

图4为本发明中剪断单元的立体结构示意图。

图5为本发明的3D打印多根钢丝绳增强混凝土复合材料的端面结构示意图。

图中，料桶1、固定环2、钢丝绳线轴3、钢丝绳4、导线轮5、固定板6、主动齿轮7、从动滑轮8、凹槽9、输筋管10、混凝土打印头11、连杆电磁阀12、连杆13、活动杆14、剪刀15、活动轴16、固定架17、步进电机18、联轴器19、剪刀电磁阀20。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种适用于3D打印混凝土结构的多筋一体化布置装置(简称装置，参见图1-2)包括螺旋叶片式挤出型混凝土打印头11、送筋单元、导线轮5、固定板6、输筋管10、剪断单元、控制系统及多个钢丝绳线轴3，所述多个钢丝绳线轴3、导线轮5、送筋单元从上到下依次固定在固定板6上，固定板6通过固定环2和连接杆平行固定在混凝土打印头11上部的料桶1侧面上；剪断单元固定在与固定板相对的料桶的另一侧面上；所述输筋管10一端从混凝土打印头侧壁伸入到混凝土打印头11的中部轴线位置，输筋管出口的中轴线与混凝土打印头出口的中轴线重合，输筋管的终端位于打印头出口的上方，预防输筋管破坏已挤出的混凝土；输筋管另一端连接送筋单元，控制系统与送筋单元及剪断单元、混凝土打印头连接，用于控制各部分执行相应的动作；

多个钢丝绳线轴3并排布置在固定板6上，每个钢丝绳线轴3上均缠绕一根钢丝绳4，在多个钢丝绳线轴3的下部的固定板中间位置设置导线轮5，多根钢丝绳均连接到导线轮5上；

所述送筋单元设置在导线轮下部的固定板上，送筋单元包括步进电机18、主动齿轮7和从动滑轮8，步进电机18固定在固定板的背面上，步进电机的输出轴通过联轴器19与位于固定板正面上的主动齿轮7连接，所述主动齿轮位于导线轮5的下方，且靠近混凝土打印头所在一侧；所述从动滑轮8与主动齿轮紧密接触，且从动滑轮位于主动齿轮斜向下的位置上，从动滑轮8与主动齿轮的圆心连线与水平面的夹角为30-60°；所述从动滑轮的圆周侧面上均布设有多周的凹槽9，每周凹槽的尺寸与相应的钢丝绳尺寸相吻合；输筋管10的一端正对从动滑轮的多周凹槽，从多周凹槽中出来的多根钢丝绳一起进入输筋管中，输筋管的直径大于多个钢丝绳的直径之和；

所述剪断单元包括连杆电磁阀12、连杆13、活动杆14、剪刀15、剪刀电磁阀20、固定架17，所述固定架17一端固定在料桶的侧面上，固定架的另一端通过连杆电磁阀12连接有连杆13，固定架的中部连接有活动杆14，连杆13和活动杆14的下端均通过活动轴16与剪刀15连接，剪刀能以活动轴16为中心打开或闭合，且活动杆14能在活动轴的带动伸长或缩短；在剪刀15上安装有剪刀电磁阀20，剪刀电磁阀能控制剪刀绕活动轴打开还是闭合；剪刀的剪切部位在进行剪断时位于混凝土打印头下端面以下，在不需要剪断时，剪切部位位于混凝土打印头出口上部，剪刀张开口的角度要大于打印头的直径；

上述的连杆电磁阀12、剪刀电磁阀20、步进电机18、混凝土打印头均与控制系统连接。

本发明装置的工作过程是：由人工操作将多根钢丝绳分别经多个钢丝绳线轴通过导线轮依次进入送筋单元、输筋管10。然后步进电机通过联轴器带动主动齿轮转动，步进电机的转动由控制系统自动控制。主动齿轮与从动滑轮紧密接触，主动齿轮带动从动滑轮转动，用以提供向下送筋的动力。从动滑轮圆周侧面上均布有多周的凹槽，在送筋过程中作为钢丝绳的输送通道。在主动齿轮和从动滑轮的作用下通过输筋管送入混凝土打印头内与混凝土一同挤出。剪断单元通过固定架固定在打印头上部的料桶上。固定架下部连接有连杆13和活动杆14，连杆与固定架间通过连杆电磁阀12连接，连杆和活动杆与剪刀通过活动轴连接。不需要剪断时，剪刀底面位于混凝土打印头下端面以上处，当需要剪断时，控制系统控制连杆电磁阀降低连杆和活动杆将剪刀顶面下降至混凝土打印头下端面以下位置处，同时控制给剪刀电磁阀20通电，剪刀绕着活动轴闭合将钢丝绳剪断。最终制备出3D打印多根钢丝绳增强混凝土复合材料。

实施例1

本实施例选用3个钢丝绳线轴3，每个钢丝绳线轴上缠绕的钢丝绳的结构均为7*19，直径为1.2mm，此种结构钢丝绳柔性大，利于在3D打印过程中的自由化布置。钢丝绳4经钢丝绳线轴3和导线轮5进入送筋单元，步进电机18通过联轴器19带动主动齿轮7转动，步进电机18的转动由控制系统控制。主动齿轮7与从动滑轮8紧密接触，主动齿轮7带动从动滑轮8转动，用以提供向下送筋的动力。所述的从动滑轮8圆周侧面上均布设有多周的凹槽9，在送筋过程中作为钢丝绳的输送通道。在主动齿轮7和从动滑轮8的作用下通过输筋管10送入混凝土打印头11内与混凝土一同挤出。剪断单元由连杆电磁阀12、连杆13、活动杆14、剪刀15、剪刀电磁阀20组成。固定架17下部连接有连杆13和活动杆14，连杆13与固定架间通过连杆电磁阀12连接。连杆13和活动杆14与剪刀15通过活动轴16连接，活动杆上设有弹簧，连杆电磁阀控制连杆上下运动，弹簧进行伸缩运动，进而通过活动杆带动活动轴上下运动。不需要剪断时，剪刀底面位于混凝土打印头11底面以上2mm处，当需要剪断时，控制系统控制连杆电磁阀12降低连杆13和活动杆14，将剪刀15顶面下降至混凝土打印头11底面以下2mm位置处，同时控制给剪刀电磁阀20通电，剪刀15绕着活动轴16闭合将钢丝绳4剪断。最终制备出3D打印钢丝绳增强混凝土复合材料。

本发明制备得到的3D打印钢丝绳增强混凝土复合材料，由多层重复单元构成一个整体，每层重复单元均由3D打印混凝土33和包裹在3D打印混凝土内部的多根钢丝绳4构成，多根钢丝绳分散布置在3D打印混凝土33内。每根钢丝绳又由多根细丝构成，多根钢丝绳的直径可以不等。多根钢丝绳构成的多筋结构能够加强提高混凝土产品的增强效果，送筋时从动滑轮侧面需要多个凹槽作为多筋的输送通道，此外，为了避免由于剪断后的筋会分叉很难继续输送到输筋管，本申请将剪断单元设置在混凝土打印头另一侧面的位置上，当复合材料被从混凝土打印头输出以后再剪断。所述的3D打印混凝土是指能进行3D打印的混凝土材料，可以为水泥基3D打印混凝土、地聚物3D打印混凝土中的一种或两种。所述的钢丝绳为304、316和316L不锈钢钢丝绳中的任一种，其结构形式可以是7*7、7*19、1*19等任一种，钢丝绳是由若干细丝捻制而成，具有较高的强度和变形能力，且同样的直径下细丝数量越多钢丝绳的柔性越强，适合作为3D打印混凝土材料的加强筋。

本发明装置，基于3D打印技术，能同时打印多根钢丝绳和混凝土，可以提高3D打印混凝土结构植筋的自由化程度，所建造的多筋钢丝绳混凝土结构具有设计灵活、抗拉强度高的特点。该发明的建造过程简单，成本不高，可以大幅度的节省人工投入，缩短施工工期，具有良好的工程可行性和应用价值，这将大力推动3D打印技术在土木行业的实际应用。

本发明未述及之处适用于现有技术。