技术领域
[0001] 本
发明属于
水泥基材料3D打印技术领域，尤其涉及一种
水泥基材料3D打印设备用的智能混料装置、具有该智能混料装置的智能混料型水泥基材料3D打印设备以及基于该智能混料型水泥基材料3D打印设备的打印方法。
背景技术
[0002] 传统
桥梁建造过程机械化和自动化程度较低，其发展迫切需要转型升级。随着3D打印技术的发展，该技术将给劳动
力密集型的桥梁建造业带来技术革新。3D打印技术具有自动化程度高、一次成型、耗材和工艺损耗少等特点，是实现桥梁建造业转型升级的一种重要手段，是解决高效、安全、数字化、自动化、智能化建造的有效途径，且具有低
碳、绿色、环保的特点，其研究已成为桥梁建造业的发展趋势。同时，桥梁构件预制化、工厂化生产是另一个发展趋势，具有生产效率高、构件
质量优的特点。将3D打印制造与桥梁构件工厂预制生产结合起来，将极大提升桥梁建造行业的智能化水平，是桥梁构件智能建造的重要方向之一。
[0003] 水泥基材料3D打印最大的变量是材料，水泥基材料性能的不稳定将会极大地影响3D打印成型质量，尤其是面对变截面问题。目前，水泥基材料3D打印都是以某一份水泥基材料
凝结时间和承受高度为打印工作开展的计算
基础，即特定材料的承受高度一定，在特定截面大小下，拌和的水泥基材料体积是固定的，当遇到变截面问题时，每一份所需要的水泥基材料量是不一样的，这将导致打印工作不连续。甚至当材料性能发生变化时，可能会引起管路堵塞等问题，将成为水泥基材料3D打印应用至实际工程领域的一个重大障碍。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题之一在于提供一种水泥基材料3D打印设备用的智能混料装置，以实现对水泥基材料性能的调控，保持材料性能稳定。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种智能混料型水泥基材料3D打印设备用的智能混料装置，所述智能混料装置包括用于混料的主罐，所述主罐包括壳体、出料管、搅拌器以及
电机，所述壳体具有内部腔室；所述出料管设置于所述壳体的底部且与所述壳体连通，所述出料管具有出料口；所述搅拌器可转动地贯穿所述壳体设置，所述搅拌器包括中心搅拌轴、设置于所述搅拌轴外围的第一螺带和第二螺带或者螺杆，其中，所述第一螺带位于所述腔室内，所述第二螺带或所述螺杆位于所述出料管内，且所述第一螺带与所述第二螺带的旋向相同，或者所述第一螺带与所述螺杆的旋向相同；所述电机的
输出轴与所述搅拌轴固定连接。
[0006] 根据本发明的一具体实施方式，所述第一螺带的外缘与所述壳体的内壁面之间的距离的d1，满足0＜d1≤20mm；以及/或者，所述第二螺带或者所述螺杆的外缘与所述出料管的内壁面之间的距离为d2，满足0＜d2≤20mm。
[0007] 优选地，所述主罐的下部设置有用于监测物料性能的测试装置，且所述主罐还包括
控制器，所述控制器分别与所述测试装置和所述电机电连接，该测量装置能够
感知材料性能并有针对性地进行调节，保持材料性能稳定。
[0008] 优选地，所述测试装置为
超声波测试装置、
X射线测试装置、
电阻率测试装置、
介电常数测试装置、激光
光源及背散射光检测器、
温度传感器、
扭矩传感器、稠度传感器中一种或几种的组合。
[0009] 更进一步地，所述测试装置的测试性能参数为屈服
应力、
剪切应力、
粘度、
弹性模量中一种或几种的组合。
[0010] 根据本发明的另一
实施例，所述智能混料装置还包括辅罐，所述辅罐固定于所述壳体上且所述辅罐与所述主罐通过管路连通。
[0011] 进一步地，所述辅罐内设置有多个彼此间隔的容纳腔。
[0012] 更进一步地，所述辅罐内容纳有早强剂、
缓凝剂、
减水剂、状态调节剂。
[0013] 优选地，所述早强剂包括氯盐、
硫酸盐、锂盐、
硝酸盐、醇胺类、乙酸钠、
甲酸钙、水化
硅酸钙(C-S-H)晶种中一种或几种的混合物。
[0014] 优选地，所述缓凝剂包括
硼酸及其盐类、
磷酸及其盐类、
氢氟酸及其盐类、羟基
羧酸及其盐类、有机磷酸及其盐类、糖类、有机磺酸及其盐类、木质素磺酸盐及其衍
生物、
纤维素及其衍生物中一种或几种的混合物。
[0015] 优选地，所述减水剂包括
聚羧酸系高性能减水剂、脂肪族高效减水剂、密胺类高效减水剂中一种或几种的混合物。
[0016] 优选地，所述状态调节剂包括聚丙烯酰胺系、
纤维素系、聚
丙烯酸系、黏土及改性黏土类中一种或几种的混合物。
[0017] 优选地，智能混料装置内的各物料的质量与水泥基材料总质量的比例范围分别为所述早强剂为0％～5％，和/或所述缓凝剂为0％～5％，和/或所述减水剂为0％～1％，和/或所述状态调节剂为0％～1％。
[0018] 更进一步地，所述水泥基材料在所述功能组分作用下可以保持性能参数稳定。
[0019] 更进一步地，所述性能参数包括屈服应力、剪切应力、粘度中一种或几种，且参数变化量不大于10％。
[0020] 根据本发明的另一方面，提供一种智能混料型水泥基材料3D打印设备，所述3D打印设备包括本发明提供的智能混料装置。
[0021] 进一步地，所述3D打印设备还包括
导轨、可滑动地设置于所述导轨上的
支架和打印平台、可移动地设置于所述支架上的打印喷头，其中，所述打印喷头与所述智能混料装置通过管路连通，且所述管路上还设置有输料
泵。
[0022] 优选地，所述打印喷头顶部安装有
伺服电机，具备调节转速的功能。
[0023] 优选地，所述输料泵为
螺杆泵，且装配有附着式振动电机。
[0024] 根据本发明的另一方面，提供一种水泥基材料3D打印方法，所述3D打印方法基于本发明提供的智能混料型水泥基材料3D打印设备。
[0025] 水泥基材料参数输入步骤，向
打印机控制
软件中输入水泥基材料参数，所述水泥基材料参数包括表观
密度、屈服应力、剪切应力、粘度、弹性模量中一种或几种；
[0026] 模型导入与分割步骤，根据水泥基材料参数计算得到的材料的最大建造高度，沿模型竖直方向分割出分割单元，以使得所述分割单元与所述打印
机架体各个方向移动速率和所述打印喷头的所述伺服电机转速相适应；
[0027] 模型打印步骤，将所得到的模型分割后的文件导入打印机控制软件中，并执行打印。
[0028] 模型导入与分割步骤，分割方向为模型竖直方向上(垂直于地面)，分割依据为所述水泥基材料参数计算得到的材料的最大建造高度，分割结果为相应分割单元内所述打印机架体X、Y、Z轴方向移动速率和所述打印喷头伺服电机转速。
[0029] 本发明提供的3D打印设备用的智能混料装置、智能混料型水泥基材料3D打印设备和打印方法至少具有如下有益效果：本发明提供的智能混料装置，可以通过调整搅拌器的旋转方向来控制智能混料装置的搅拌和出料，简化了智能混料装置的结构，降低了其制造成本。另一方面，本非买那个提供的智能混料装置包括测试装置以及辅罐，可实现对材料性能的感知及调节，保证材料性能稳定，保障桥梁预制构件的打印质量。
附图说明
[0030] 通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：
[0031] 图1为本发明一示例性实施例提供的3D打印设备的结构简图。
[0032] 图2为图1中的智能混料装置的结构简图。
[0033] 附图标记说明：
[0034] 11、主罐； 12、辅罐；
[0035] 13、搅拌轴； 14、第一螺带；
[0036] 15、第二螺带； 16、出料管；
[0037] 17、电机； 18、测试装置；
[0038] 20、打印喷头； 30、导轨；
[0039] 40、支架； 50、打印平台。
具体实施方式
[0040] 现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
[0041] 本发明一示例性实施例提供一种3D打印设备，该3D打印设备可以为
建筑3D打印设备，例如但不限于，可以为桥梁3D打印设备。3D打印设备可以包括横跨河流两侧的导轨30，可在该导轨30上滑动行走的支架40和打印平台50，在支架40上设置有可沿桥梁的跨度方向和上下方向移动的喷头20，以及与该喷头20通过管路连接的智能混料装置，在智能混料装置中原始物料可以按照一定的比例混合预定时间以实现充分混合，然后可以通过输料泵将混合物料泵送至喷头20，以对桥梁进行3D打印。本发明中限定的输料泵可以为螺杆泵，更加优选地，该螺杆泵可以装配有附着式振动电机17，以使物料传输更加顺畅，避免堵塞。优选地，输料泵可以设置有光电
液位传感器，以用于监测输料泵内的物料的液位高低。
[0042] 智能混料装置可以主罐11和辅罐12，主罐11中可以用于对物料进行搅拌，辅罐12可以用于对原料提供储存空间方便及时添加。其中，主罐11包括具有空腔的壳体，且壳体的下方连接有出料管16，且出料管16的下端具有开口，以供混合好的物料从该出口离开主罐11。主罐11的壳体可以呈圆柱筒形，也可以由圆柱筒形与倒锥体形组合形成的组合形状。具体地，壳体的上部大致呈筒形结构，且壳体的下部呈横截面逐渐缩小的锥形结构，其中出料管16连接于锥形结构的下端，该横截面垂直于筒形结构的轴线。本实施例中，搅拌器的第一螺带14的形状与壳体的形状匹配，即该第一螺带14的下部沿从上向下的方向其外缘的直径可以为逐渐变小的螺旋状结构。
[0043] 主罐11还包括搅拌器，该搅拌器可以包括搅拌轴13、围绕并固定于该搅拌轴13上部的外围且呈螺旋状设置的第一螺带14、以及位于该搅拌轴13的下部且与第一螺带14旋向相同的第二螺带15，其中，沿搅拌轴13的轴向，该第一螺带14位于第二螺带15的上方，第一螺带14可以位于壳体内。搅拌器的下端可以伸入到出料管16内，以使得第二螺带15位于出料管16内。作为变型，伸入到出料管16中的部分搅拌轴13可以呈螺杆式结构，从而无需再设置第二螺带15，也可以实现出料。
[0044] 作为本发明的优选的实施例，其中，第一螺带14的外缘与壳体的内壁面之间的距离的d1，满足0＜d1≤20mm；第二螺带15或者螺杆的外缘与出料管的内壁面之间的距离为d2，满足0＜d2≤20mm。搅拌器的第一螺带14到壳体的内壁之间的距离为0-20mm，为了防止搅拌器与主罐11发生摩擦，壳体的内壁与第一螺带14的外缘之间的距离不取0。相类似地，出料管16的内壁与第二螺带15的外缘之间的距离为0-20mm，可以理解的是，为了防止搅拌器与主罐11发生摩擦，出料管16的内壁与第二螺带15的外缘之间的距离不取0。
[0045] 搅拌器可由壳体外部的电机17驱动，例如该搅拌器的上端可以伸出于壳体的上方且与位于壳体上方的电机17连接。
[0046] 作为示例，可以假设搅拌轴13顺
时针旋转时，混合好的物料可以进入出料管16并经过出口离开主罐11。在搅拌器搅拌的过程中，可以先逆时针方向旋转搅拌轴13，从而可以对壳体内的物料进行搅拌，也可以防止尚未充分混合的物料从进入到出料管16中，从而可以使壳体内的所有物料进行充分混合，该搅拌过程中，物料处于被搅拌器13提升的过程。出料过程：待物料充分混合好后，可以改变搅拌轴13的旋转方向，即使搅拌轴13按照顺时针方向旋转，充分混合好的物料可以进入到出料管16中，并经过出口离开主罐11，该出料过程中，物料处于被搅拌器13推向出料管16的过程。
[0047] 本发明中通过将搅拌器设置为具有两段旋转相同的螺带，一方面可以使主罐11内的物料充分混合，在搅拌过程中，第一螺带14和第二螺带15可以向上提升并搅拌物料，从而可以使主罐11内的物料充分混合均匀且不会由出料管16排出。在出料过程中，反向旋转电机，搅拌器的搅拌轴13将随之反向旋转，从而可以带动第一螺带14和第二螺带15向下推动物料向出料管16移动，以顺利离开该主罐11。也就是说，本发明提供的搅拌器可以通过改变搅拌轴13的旋转方向来实现对物料的搅拌和出料的两个功能，既简化了智能混料装置的结构，又提高了搅拌质量。
[0048] 为了能够实现对打印材料的性能感知及有针对性地调节，主罐11上设置有测试装置18，例如可以包括设置于主罐11内以用于监测主罐11内的物料的料位的料位传感器，或者测试装置18为用于监测混合好的物料的稠度的物料稠度测量仪，从而可以避免混合好的物料在智能混料装置内性能变化过大而影响3D打印成品的问题。优选地，稠度测量仪设置于出料管16上。更进一步地，该智能混料装置还可以包括控制器，该控制器可以分别与电机17和测试装置18电连接，以在接收到测试装置18的物料信息后，能够
驱动电机17带动搅拌器进行搅拌，从而可以实现自动化控制。本发明提供的测试装置18可以是
超声波测试装置，可以是X射线测试装置、电阻率测试装置、介电常数测试装置、激光光源及背散射光检测器、温度传感器、扭矩传感器、稠度传感器等，本领域技术人员可以从上述测试装置中根据需要进行选择及组合。
[0049] 作为本发明的另一实施例，其中，辅罐12内储存的原料是早强剂、缓凝剂、减水剂、状态调节剂。辅罐12可以通过管路与主罐11连通，且在主罐11与辅罐12连通的管路上还设置有输料泵，以驱动辅罐12内的原料进入到主罐11内。优选地，辅罐12可以固定于主罐11的壳体上，以使辅罐12与主罐11同
时移动，同时可以减小辅罐12与主罐11之间的管路的长度。
[0050] 优选地，所述早强剂包括氯盐、
硫酸盐、锂盐、硝酸盐、醇胺类、乙酸钠、甲酸钙、
水化硅酸钙(C-S-H)晶种中一种或几种的混合物。所述早强剂可以帮助提高智能混料装置中材料硬化速率。
[0051] 优选地，所述缓凝剂包括硼酸及其盐类、磷酸及其盐类、氢氟酸及其盐类、羟基羧酸及其盐类、有机磷酸及其盐类、糖类、有机磺酸及其盐类、木质素磺酸盐及其衍生物、纤维素及其衍生物中一种或几种的混合物。所述缓凝剂可以帮助减缓智能混料装置中材料硬化速率。
[0052] 优选地，所述减水剂包括聚羧酸系高性能减水剂、脂肪族高效减水剂、密胺类高效减水剂中一种或几种的混合物。所述减水剂可以帮助降低智能混料装置中材料粘度。
[0053] 优选地，所述状态调节剂包括聚丙烯酰胺系、纤维素系、聚丙烯酸系、黏土及改性黏土类中一种或几种的混合物。所述状态调节剂可以帮助增加智能混料装置中材料粘度。
[0054] 优选地，智能混料装置内的各物料的质量与水泥基材料总质量的比例范围分别为所述早强剂为0％～5％，和/或所述缓凝剂为0％～5％，和/或所述减水剂为0％～1％，和/或所述状态调节剂为0％～1％。
[0055] 在所述上述物料的作用下可以使整个智能混料装置内的所有物料保持性能参数稳定。优选地，所述性能参数包括屈服应力、剪切应力、粘度中一种或几种，且参数变化量不大于10％。
[0056] 优选地，辅罐12的数量可以根据实际需要设置，例如可以设置有4个，或者更多个。当然，为了满足需要，辅罐12内可以设置有至少4个相互分隔的腔体。具体地，稠度测量仪可以监测出料管16内的物料的稠度，当稠度小于预定值时，控制器可以控制辅罐12向主罐11内加入状态调节剂并启动搅拌器进行搅拌，直至物料达到预定粘稠度后可以从主罐11内运送至打印喷头20进行打印；当稠度大于预定值时，可以控制器可以控制辅罐12向主罐11内加入减水剂并启动搅拌器进行搅拌，直至物料达到预定粘稠度后可以从主罐11内运送至打印喷头20进行打印。如此可以监测进入打印喷头20内的物料的参数性能，以提高打印质量。
在有些情况下，为了
加速水泥基材料硬化，可以在物料进入打印喷头20前加入些
速凝剂，当然为了延缓水泥基材料的硬化，可以在物料进入打印喷头20前加入些缓凝剂。本发明通过在主罐11上设置测试装置18，可以对物料的性能进行实时监测，并可以根据需要对物料的性能进行调节，对于3D打印材料保持性能一致、保证生产、适应不同截面模型并进行连续打印、提升打印质量具有重要意义。
[0057] 作为本发明的另一实施例，其中，支架40可以包括至少三个彼此平行的
纵梁，该至少三个纵梁可以形成为纵梁组件，且相邻的两个纵梁之间连接有横梁，以使至少三个纵梁连接为一体。具体地，3D打印设备可以包括至少两条相互平行的导轨30，至少三个纵梁或者至少三个中的部分分别可滑动地设置于该导轨30上，以使支架40保持平衡且可行走。由于支架40可在导轨30上滑动，从而可以使3D打印设备在横跨河流的方向上进行大范围的移动。本发明定义的纵梁大致沿上下方向延伸，也就是说该纵梁垂直于河流的水面。本发明定义的横梁可以大致平行于河流的水面。
[0058] 参照图2，支架40可以包括4根纵向设置的纵梁，从纵梁的顶部往下看，4根纵梁大致形成为矩形，相邻的两个纵梁之间连接有横梁，以使支架40结构更加稳定。
[0059] 横梁可以包括第一横梁和第二横梁，且第一横梁和第二横梁相互垂直，其中，第二横梁成对设置，且第一横梁的两端可滑动地设置于第二横梁上，且第二横梁可滑动地设置于纵梁上，并且在第一横梁上设置有打印喷头20，该打印喷头20可滑动地连接于第一横梁上，如此可以使打印喷头20既可以在水平面内移动，又可以在纵向平面内移动，以进行三维空间打印。
[0060] 进一步地，打印喷头20可以具有打印
开关，在非打印过程中，该打印开关可以处于关闭状态，在打印过程中，该打印开关可以处于打开状态。
[0061] 进一步地，所述打印喷头，在顶部安装有伺服电机，具备调节转速的功能。
[0062] 优选地，打印喷头20处的打印材料通过输料泵从所述智能混料装置处转移过来，所述输料泵为螺杆泵，且装配有附着式振动电机。
[0063] 本发明提供的3D打印设备的具有如下打印步骤：包括水泥基材料参数输入、模型导入与分割、模型打印。优选地，所述水泥基材料参数包括表观密度、屈服应力、剪切应力、粘度、弹性模量中的一种或几种。
[0064] 进一步地，所述水泥基参数的输出为现有水泥基材料的最大建造高度。
[0065] 优选地，所述模型导入与分割，其特征在于，分割方向为模型竖直方向上(垂直于地面)，分割依据为所述水泥基材料参数计算得到的材料的最大建造高度，分割结果为相应分割单元内所述打印机架体X、Y、Z轴方向移动速率和所述打印喷头伺服电机转速。
[0066] 优选地，所述模型打印，包括将所得到的模型分割后的文件导入打印机控制软件中，并执行打印。
[0067] 进一步地，根据所述3D打印方法，所述变截面模型打印，其特征在于，当打印进行至变截面
位置时，所述打印机架体移动速度和所述的打印喷头伺服电机转速根据模型分割结果进行自动调整。
[0068] 本发明提供的3D打印设备用的智能混料装置、3D打印设备和打印方法至少具有如下有益效果：本发明提供的智能混料装置，可以智能感知材料性能，并通过定量的功能组分的调节，保持材料性能稳定。同时，调整搅拌器的旋转方向来控制混料装置的搅拌和出料，简化了混料装置的结构，降低了其制造成本。借助本发明提供3D打印设备，尤其是打印机架体、打印喷头和智能混料装置的配合，可以保持水泥基材料性能稳定，适应任意3D模型的连续打印，尤其适应存在变截面的3D模型的连续打印。
[0069] 本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
