混凝土3D打印喷头装置设计及重要构件的有限元分析

混凝土 3D打印喷头装置设计及重要构件的有限元分析

孟伟

山东建筑大学 250101

摘要：混凝土3D打印喷头装置能否满足工作需要并顺利完成打印任务，其装置内部的输送螺杆与喷嘴两个构件发挥着至关重要的作用。所以，当混凝土3D打印的喷头装置内部的输送螺杆与喷嘴满足工作需要时，该喷头装置就可以顺利完成打印任务。本小节采用ANSYS软件对上文中建立的输送螺杆和喷嘴模型进行有限元分析，我们在ANSYS软件环境下考虑模拟喷头实际工作时，输送螺杆和喷嘴的受力情况，并以此为基础，对两构件进行有限元分析，通过分析的结果考察两构件的设计是否满足实际施工的需要。

关键字：混凝土3D打印技术，混凝土3D打印喷头装置，有限元分析

1. 打印喷头装置总体设计

本文混凝土3D打印喷头装置的构成与上文中提到的常见喷头装置组成相近，料仓采用底面圆直径400mm、高150mm的圆柱壳体和下底面圆直径400mm、上底面圆200mm的圆台壳体组成，在圆台壳体上开有尺寸为100mm×150mm的长方形观察窗口，用以观察料仓内混凝土浆体的情况；料仓上方设置有直径500mm的圆形料仓盖，料仓盖与料仓之间采用螺栓连接；料仓下方设置有直径200mm、高100mm的圆柱状输送杆；同时设置有一根600mm×180mm的输送螺杆，贯穿于料仓和输送杆之间，输送杆在料仓内对混凝土浆体进行进一步的搅拌与混合，在输送杆内促进混凝土浆体顺利的输送到喷嘴位置；喷嘴构件连接在输送杆上，喷嘴直径为50mm，该尺寸口径可以满足绝大多数打印混凝土的颗粒大小要求，不会产生堵塞；在料仓的上部和输送杆的下部设置有整个喷头装置的固定架，用于将喷头固定在框架结构上，实现喷头在空间上的定位和移动。

图1混凝土3D打印喷头装置结构图（1.料仓上部壳体2.料仓下部壳体3.输送杆4.喷头装置固定架5.喷嘴6.输送螺杆7.固定螺栓）

2. 混凝土3D打印喷头装置中输送螺杆与喷嘴的有限元分析

首先，分析输送螺杆构件在喷头装置内的工作状态，当混凝土浆体在料仓和输送杆内沉积，会对输送螺杆的扇叶形成一个相互作用的力，由于混凝土浆体在螺杆的作用下不断向下流动，根据力的相互作用，混凝土浆体会对螺杆的扇叶施加一个向上的力；同时，螺杆连接外部驱动，实现自身的等速率转动，也为自身施加了一定大小的扭矩，两种力的相互作用，就简化出了输送螺杆的受力模型。以此受力模型为基础，在ANSYS软件环境下对相关的参数进行设置，这里取混凝土对构件表面的压强为25Mpa左右，并对输送螺杆构件进行相关模拟，得到分析结果。螺杆的整体变形图，可以看出整个螺杆构件的最大变形发生在螺杆顶部且变形数值为0.2mm左右，即变形微小，可忽略不计。螺杆构件的应力图和应变图，可以看出应力与应变的最大值都发生在螺杆构件的中轴心位置，应力最大值为117Mpa，应变最大值微小，且两个数值都在材料的正常承受范围之内。所以，本混凝土3D打印喷头装置设计的螺杆构件符合设计要求。

同样，分析喷嘴构件在喷头装置工作时的受力状态，供料和搅拌机构将混凝土浆体输送给喷头装置的料仓，并在料仓之中沉积，在输送螺杆的作用下，料仓之中的混凝土浆体自上而下的进行流动，通过喷头装置下部的输送杆，并通过喷嘴构件挤出累加。所以当混凝土浆体到达喷嘴时，会对喷嘴的内壁形成一定的压力，从而产生压强，这个压强大概在25-30Mpa之间，即喷嘴构件上部的圆柱状内表面所受压强相对较小，喷嘴构件下部的圆台状内表面所受压强相对较大，数值在上述范围之内变化。

以此受力模型为基础，在ANSYS软件环境下对相关的参数进行设置，并对喷嘴构件进行相关模拟，得到分析结果。

分析喷嘴构件的整体变形图，可以发现喷嘴构件的最大变形发生在喷嘴的底部，最大变形量为0.013mm左右，工作状态下的变形量忽略不计。喷嘴构件的应力图与应变图，可以看出喷嘴构件的最大应力和最大应变也发生在喷嘴构件的底部，最大应力数值和最大应变数值都在材料的承受范围之内。所以，本混凝土3D打印喷头装置设计的喷嘴构件符合设计要求。

3. 总结

本文以混凝土3D打印技术为背景，提出了一种混凝土3D打印喷头装置，设计过程包括从最基本的打印混凝土材料出发，并参考现有混凝土3D打印喷头装置，以此为基础，设计出了本文混凝土3D打印喷头装置的主要组成构件。本文混凝土3D打印喷头装置由料仓盖、料仓、输送杆、输送螺杆、喷嘴、固定架、固定螺钉等构件组成，并根据选择的打印混凝土和喷头在实际打印过程中的功能要求，设计并计算出了以上各构件的尺寸大小。为了确保本文设计的喷头能满足打印过程中的功能要求，又对喷头装置中的两个重要构件进行了有限元模拟，即输送螺杆和喷嘴两个构件的模拟，根据模拟结果，从整体变形、应力、应变三个方面对构件的性能进行评价分析，具体结果如上文所述。

参考文献

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