用于混凝土3D打印的挤出装置论文和设计-张卉伊

全文摘要

本实用新型提供一种用于混凝土3D打印的挤出装置，它包括柱状储料桶，柱状储料桶下端固定连接漏斗状挤出嘴；储料桶和挤出嘴内部中空并贯穿地设有螺旋挤出机构；螺旋挤出机构包括纵贯储料桶和挤出嘴设置的转轴和围绕转轴螺旋设置的螺旋叶片；螺旋叶片上部为匹配挤出嘴内径变化的变径螺旋叶片，下部为等径螺旋叶片；储料桶顶部设有顶盖，顶盖开有中心通孔和至少一个周围通孔；在顶盖上方，中心通孔处设有控制转轴的电机，转轴顶端穿过中心通孔后连接电机，电机通过电源线获得外部供电。本实用新型的挤出装置挤料彻底，不易堵塞，且易清洗，能够显著降低胶凝材料3D打印过程的操作成本。

主设计要求

1.一种用于混凝土3D打印的挤出装置，它包括柱状储料桶，所述的柱状储料桶下端固定连接漏斗状挤出嘴；所述储料桶和挤出嘴内部中空并贯穿地设有螺旋挤出机构；所述的螺旋挤出机构包括纵贯所述储料桶和挤出嘴设置的转轴和围绕所述转轴螺旋设置的螺旋叶片；其特征在于：所述的螺旋叶片上部为匹配所述挤出嘴内径变化的变径螺旋叶片，下部为等径螺旋叶片；所述的储料桶顶部设有顶盖，所述的顶盖开有中心通孔和至少一个周围通孔；在所述的顶盖上方，所述的中心通孔处设有控制所述转轴的电机，所述的转轴顶端穿过所述中心通孔后连接所述的电机，所述的电机通过电源线获得外部供电。

设计方案

2.如权利要求1所述的挤出装置，其特征在于：所述的柱状储料桶为圆柱状；所述的漏斗状挤出嘴的漏斗椎体形状是圆锥体。

3.如权利要求1或2任意一项所述的挤出装置，其特征在于：所述的任意一个周围通孔上安装有半圆形漏斗；所述的半圆形漏斗下方端口通过所述的周围通孔伸入所述的柱状储料桶内部。

4.如权利要求1或2任意一项所述的挤出装置，其特征在于：所述的挤出装置内进一步设有温度可调的电加热装置；所述的电加热装置包括温度控制器和与所述温度控制器电连接的电阻丝，所述的温度控制器安装在所述的柱状储料桶外部，所述的电阻丝设置在所述挤出装置内部。

5.如权利要求4所述的挤出装置，其特征在于：所述的电阻丝在所述柱状储料桶内壁上沿周向设置。

6.如权利要求4所述的挤出装置，其特征在于：所述的电阻丝在所述挤出嘴下端口内沿周向设置。

7.如权利要求1所述的挤出装置，其特征在于：进一步围绕所述柱状储料桶的外壁设有抱箍组件；所述的抱箍组件由一安装板枢接一对可开闭抱环构成；所述的柱状储料桶置于所述可开闭抱环内；所述的一对可开闭抱环活动端成对地设有相配合的搭扣组件，用于将所述可开闭抱环锁紧，使所述柱状储料桶与所述抱箍组件形成固定；所述的安装板设有若干螺孔，用于完成与各种3D打印设备之间的固定连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种增材制造设备，具体涉及一种用于混凝土3D打印的挤出装置。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing)”、“实体自由制造(Solid Free-formFabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料-混凝土的发展虽然只有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求，混凝土需要不断地注入新鲜的血液。3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。

现有技术中，用于胶凝材料3D打印的设备已经成为研发热点，已有大量关于胶凝材料3D打印传动机构的研究被报道，使胶凝材料3D打印机的传动机构在稳定性和精确性方面都已达到了较高水平。但是针对于胶凝材料3D打印设备的挤出机构的研发尚显不足。实践当中，挤出机构的性能对于打印过程和打印结果也会产生至关重要的影响。目前在胶凝材料3D打印设备上应用的挤出机构通常存在以下缺点：1.挤出机构挤压材料力度不够，容易堵塞罐体；2.挤出机构挤出后的物料水化速度慢；3.打印后料桶不好清洗，一般需要拆除料罐单独清洗。这些问题的存在使胶凝材料3D打印的规模化推广在一定程度上受到制约。

实用新型内容

鉴于上述背景，本实用新型的目的在于：提供一种用于混凝土3D打印的挤出装置，该挤出装置挤料彻底，不易堵塞，且易清洗，能够显著降低胶凝材料3D打印过程的操作成本。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

提供一种用于混凝土3D打印的挤出装置，它包括柱状储料桶，所述的柱状储料桶下端固定连接漏斗状挤出嘴；所述储料桶和挤出嘴内部中空并贯穿地设有螺旋挤出机构；所述的螺旋挤出机构包括纵贯所述储料桶和挤出嘴设置的转轴和围绕所述转轴螺旋设置的螺旋叶片；所述的螺旋叶片上部为匹配所述挤出嘴内径变化的变径螺旋叶片，下部为等径螺旋叶片；所述的储料桶顶部设有顶盖，所述的顶盖开有中心通孔和至少一个周围通孔；在所述的顶盖上方，所述的中心通孔处设有控制所述转轴的电机，所述的转轴顶端穿过所述中心通孔后连接所述的电机，所述的电机通过电源线获得外部供电。

现有技术中，挤出装置也会设有漏斗状的挤出嘴，但漏斗的椎体部分很容易积料，原因在于其漏斗内的螺旋叶片均为等径的螺旋叶片。而本实用新型将挤出用的螺旋叶片依储料桶及挤出嘴内部空间的形状变化改为变径的螺旋叶片，经过实验发现，本实用新型的螺旋挤出机构很容易将储料桶内的料挤干净，大大提高了胶凝材料的3D打印效率，降低了操作成本。

本实用新型所述的挤出装置中，所述的柱状储料桶具体的整体形状和所述的漏斗状挤出嘴的漏斗椎体形状没有特殊限制；优选的方案中，所述的柱状储料桶为圆柱状；所述的漏斗状挤出嘴的漏斗椎体形状是圆锥体。

为了更方便地向所述的储料桶内输送胶凝材料，本实用新型所述的挤出装置中，优选在所述的任意一个周围通孔上安装有半圆形漏斗；所述的半圆形漏斗下方端口通过所述的周围通孔伸入所述的柱状储料桶内部。所述的半圆形漏斗一方面可以用于引导打印材料进入储料桶，另一方面可以为清洗储料桶内的剩料提供方便，可以引导带有一定压力的水管伸入储料桶内完成清洗，这样能够避免清洗用水四处飞溅，也很容易将储料桶内的螺旋叶片和桶壁上粘的剩料清洗干净。

为了使挤出的物料更快地水化，本实用新型所述的挤出装置优选进一步设有温度可调的电加热装置；所述的电加热装置包括温度控制器和与所述温度控制器电连接的电阻丝，所述的温度控制器安装在所述的柱状储料桶外部，所述的电阻丝设置在所述挤出装置内部。在所述的挤出装置内部，所述的电阻丝可以在所述柱状储料桶内壁上沿周向设置，或在所述挤出嘴下端口内沿周向设置，或在所述螺旋杆上沿周向设置。所述的温度控制器用于设置打印温度，在打印挤出前控制电阻丝加热至预设温度，然后开始打印挤出物料。本实用新型通过设置所述电加热装置，可使打印材料在预设的温度下打印，打印后的材料可以快速凝结。

为了使本实用新型所述的挤出装置灵活便捷地应用于各种3D打印设备，本实用新型所述的挤出装置优选进一步围绕所述储料桶的外壁设有抱箍组件；所述的抱箍组件由一安装板枢接一对可开闭抱环构成；所述的储料桶置于所述可开闭抱环内；所述的一对可开闭抱环活动端成对地设有相配合的搭扣组件，用于将所述可开闭抱环锁紧，使所述储料桶与所述抱箍组件形成固定；所述的安装板设有若干螺孔，用于完成与各种3D打印设备之间的固定连接。本实用新型通过所述抱箍组件的设置使所述挤出装置拆卸更加方便。

本实用新型所述的用于胶凝材料3D打印设备的挤出装置可广泛应用于各种以胶凝材料为原料的实验室和建筑工地的3D打印。使用前，将胶凝材料输入所述的储料桶内，开启所述电机后，电机带动所述的螺旋挤出装置转动，所述的螺旋叶片将所述储料桶内的胶凝材料向下推挤，胶凝材料可以顺挤出嘴下端均匀稳定地输出。其中，所述的螺旋叶片上段的变径螺旋叶片会最大限度地将储料桶内的物料搅动下推，因此储料桶内几乎不会剩余凝胶材料，挤出嘴部分也不会发生堵塞。本实用新型的优选方案中，进一步设置的半圆形漏斗和抱箍组件还可以显著提高所述挤出装置的使用便利性，电加热装置能够使胶凝材料被挤出后及时迅速的水化。总之，本实用新型的挤出装置结构合理，应用方便，可显著改善目前胶凝材料3D打印中存在的挤出问题。

附图说明

图1是实施例1所述的挤出机构整体结构示意图。

图2是将实施例1所述的挤出机构外壳剖开后显示其内部结构的示意图。

图3是实施例2所述的挤出机构半圆形漏斗的结构示意图。

图4是实施例2所述的挤出机构抱箍组件的结构示意图。

图5是实施例2所述的挤出机构整体结构示意图。

图6是实施例3所述的挤出机构在挤出嘴下端设置电阻丝的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

一种可用于胶凝材料3D打印机的挤出机构，如图1、2所示，它包括圆柱状储料桶1，所述的圆柱状储料桶1下端固定连接圆形漏斗状挤出嘴2；所述储料桶1和挤出嘴2内部中空并贯穿地设有螺旋挤出机构；所述的螺旋挤出机构纵贯储料桶1和挤出嘴2设置转轴3，围绕所述的转轴3自上而下设置变径螺旋叶片4和等径的绞龙螺旋叶片5；所述的变径螺旋叶片4的叶片主体位于挤出嘴2的漏斗内，小部分位于储料桶1下段，其螺旋叶片半径自下而上依挤出嘴2的漏斗部分内径逐渐变大；所述的储料桶1顶部设有顶盖6，所述的顶盖6开有中心通孔7，中心通孔7两侧对称地开有2个周围通孔8；在所述的顶盖6上方，所述的中心通孔7处设有控制所述转轴3的步进电机9，所述的转轴3顶端从储料桶1内部穿过所述中心通孔7后，在顶盖6上方通过联轴器10连接所述的步进电机9，所述的步进电机9可通过电源线获得外部供电。所述的任意一个周围通孔8上安装有结构如图3所示的半圆形漏斗11；所述的半圆形漏斗11下方端口通过所述的周围通孔8伸入所述的储料桶1内部(参见图5)。所述的半圆形漏斗11一方面可以用于引导打印材料进入储料桶，另一方面可以为清洗储料桶内的剩料提供方便，可以引导带有一定压力的水管伸入储料桶内完成清洗，这样能够避免清洗用水四处飞溅，也很容易将储料桶内的螺旋叶片和桶壁上粘的剩料清洗干净。

此外，为了使挤出的物料更快地水化，在所述的储料桶1内壁上周向设置电加热层，如图1、2所示，所述的电加热层由电阻丝12及温度传感器(未示出)构成，所述的电阻丝12通过线缆19穿过顶盖6上的周围通孔8与固定安装在储料桶1外壁上的温度控制器20电连接。所述的温度控制器20和温度传感器用于设定和控制打印温度，在打印挤出前控制电阻丝12加热至预设温度，然后开始打印挤出物料。通过设置该电加热层，可使打印材料在预设的温度下打印，打印后的材料可以快速凝结。

实施例2

一种可用于胶凝材料3D打印机的挤出机构，其包括结构大致如实施例1所述的挤出机构及箍装在所述储料桶1外壁上的如图4所示的抱箍组件13；所述的挤出机构温度控制器20固定安装在步进电机9的一侧，并通过线缆19(未示出)穿过顶盖6上的周围通孔8与储料桶内部的电阻丝及温度传感器电连接；所述的抱箍组件13包括一安装板14，安装板14两端通过合页15连接一对抱臂16，形成可开闭的抱环；一对抱臂16的活动端成对地设有相配合的搭扣组件17，用于将可开闭的抱环锁紧。如图5所示，所述的储料桶1置于所述可开闭的抱环内，待搭扣组件17锁紧抱环后，储料桶1与所述抱箍组件即形成固定。如图4所示，所述的安装板14上设有若干螺孔18，用于通过螺丝与各种3D打印设备形成固定连接。本实施例的所述抱箍组件的设置使所述挤出装置拆卸更加方便。

实施例3

一种可用于胶凝材料3D打印机的挤出机构，其主体结构与实施例1或2的相同，区别在于：如图6所示，在其挤出嘴2下端的内壁上设有电阻丝12及温度传感器(未示出)组成的电加热层，电阻丝12通过沿挤出机构内壁设置的线缆19穿过顶盖6上的周围通孔8与固定安装在挤出机构外部的温度控制器电连接。

设计图

用于混凝土3D打印的挤出装置论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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