[发明专利]一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统

说明书

本发明公开一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，包括盛料桶、挤料电机、搅龙轴、打印喷头、超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和固定环，搅龙轴与挤料电机传动相连，搅龙轴的外周面上具有传输片，盛料桶的底部与打印喷头相连通，超声波发生器与超声换能器电连接，超声换能器与超声变幅杆的一端相连，超声变幅杆通过固定环与搅龙轴相连，固定环可转动地与搅龙轴相连。挤料电机能够带动搅龙轴转动，利用超声波发生器和超声换能器，实现电能向机械振动能的改变，超声换能器连接超声变幅杆，能够实现机械振动幅值的增大，超声变幅杆连接搅龙轴，将超声振动传递至搅龙轴，与搅龙轴协同振动搅拌，进而实现对盛料桶内材料的振动。

技术领域

本发明涉及建筑3D打印设备及周边配套设施技术领域，特别是涉及一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统。

背景技术

建筑3D打印作为3D打印工业化的重要一环，进展迅猛，已经在在材料、设备和软件方面取得明显成果。但是建筑3D打印尚存在许多问题，其中建筑3D打印挤出成型材料内部存在较多可视气孔造成打印质量缺陷，打印结构质量是其中亟待解决的关键问题之一。建筑3D打印挤出成型材料内部多孔是由于打印材料在搅拌制备、泵送和挤出过程中不可避免会引入一定空气，空气与打印材料相互掺杂形成的气泡在打印过程无法排出，随材料经打印系统被一起打印入结构中造成的。结构内部多孔会导致结构有效受力截面的减小和受力的应力集中，造成打印结构承载能力下降，安全事故风险增大的不良后果。

公开号为CN110481003A的中国专利申请，公开了一种超声振动辅助3D打印方法，采用六自由度机械手与超声波发生器对已打印成型但尚未完全凝固的材料进行超声振动，以期达到3D打印构件的孔隙减少。此方法适用于较短时间内凝结硬化的材料，而建筑材料受制备、泵送、打印效率以及层间性能、打印完成后材料收缩等多种因素限制不能控制凝结时间过短。最重要的是建筑材料具有明显的触变性能，即材料成型后的超声振动会导致材料难以维持结构形状，触动变形影响不可忽略。同时该方法采用3D打印设备、六自由度机械手和超声机构协同配合实现，实现过程复杂，实际应用效果并不理想。

公开号为CN109795009A的中国专利申请，公开了一种提升混凝土3D打印质量的振动装置。该装置采用万向振动器、连接组件和控制器在打印头出料口处对打印混凝土进行同步微振动，实现对打印流畅度、打印断料裂缝、表面质量不佳和层间粘结力问题的改善。此方法将万向振动器安装于打印头出料口以期实现所述目标，但实际是将材料的宏观缺陷转变为细观或是微观材料缺陷，尤其是材料内部掺杂空气的无处排除会造成材料内部多裂缝、多空隙，在承载条件下容易应力集中、裂缝扩展，更容易产生破坏。同样地，实际应用效果并不理想。

现有的建筑3D打印挤出系统依据动力来源可以分为搅龙机械挤出系统、泵送压力挤出系统和搅龙与泵送协同挤出系统三种。搅龙机械挤出系统通常是打印材料经泵送至开放式料筒，材料在搅龙机械旋转压力作用下实现从打印喷嘴的稳定挤出。泵送压力挤出系统是泵送管与封闭式料筒连接直接密封连接(料筒内无搅龙装置)打印材料经泵送至料筒在泵送压力作用下实现从打印喷头稳定挤出。搅龙和泵送协同挤出系统是泵送管与封闭式料筒直接密封连接，但是料筒内含连接电机的搅龙装置，打印材料经泵送至料筒在泵送压力和搅龙机械挤出压力协同作用下实现从打印喷嘴的稳定挤出。搅龙机械挤出系统可以对由泵送产生的大气泡有效避免，但是在搅龙搅动过程易再次引入大量微小气泡。泵送压力挤出系统的全过程是封闭的，材料内部气泡无法排除，同时由泵送造成的大气泡容易导致材料挤出中断，导致打印结构缺失，缺陷更加明显。搅龙和泵送协同挤出系统与泵送压力挤出系统的缺陷相似，只是因为搅龙的机械旋转作用使得气泡分布均匀化和气泡粒径趋小化。

因此，如何改变现有技术中，建筑3D打印中材料内部气泡难以排除导致材料密实度降低的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑3D打印超声振动辅助挤出系统，以解决上述现有技术存在的问题，使建筑3D打印材料的致密性、均匀性、可挤出性和化学活性得到改善。