IPC分类号：
B28B1/00 | B33Y10/00 | B33Y30/00 | B33Y50/00
当前申请(专利权)人：
华东交通大学 | 中国科学院武汉岩土力学研究所
原始申请(专利权)人：
华东交通大学 | 中国科学院武汉岩土力学研究所
当前申请(专利权)人地址：
330000 江西省南昌市经济技术开发区双港东大街808号 (江西,南昌,经济技术开发区)
工商统一社会信用代码：
12100000441624257D|12360000491018175R
工商注册地址：
湖北省武汉市武昌区水果湖街小洪山2号|江西省南昌市经济技术开发区双港东大街808号
发明人：
刘强 | 江权 | 周小平 | 刘建坡 | 于洋
摘要：
本发明提供了一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备及使用方法，设备包括：运动机构、挤出机构、喷射机构和双喷头切换机构；所述挤出机构与物料泵送机构相连；所述喷射机构采用螺杆加压推动，含有喷射喷头、喷射料管以及喷射料仓；所述挤出机构和喷射机构均设有自动防溢料装置；所述挤出机构和喷射机构并列安装打印机运动滑杆上，在运动系统控制下实现三维运动；所述挤出机构和喷射机构可通过电机实现自动切换。本发明通过挤出喷头挤出胶凝材料，喷射喷头可按一定比例喷射液体粘接剂，通过喷头切换，实现在挤出膏体同时向其表面喷涂液体粘合剂，通过控制粘接剂的喷出量来调节不同层间胶结性能，从而实现层间各项异性类岩土物理模型的精准打印。
技术问题语段：
目前挤出3D打印技术存在打印材料成型后层状各项异性明显、打印模型变形率较大以及打印效果较差等问题。
技术功效语段：
本发明提供了一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，通过在打印材料之间喷射粘接剂，提高了挤出材料的层间胶结性能并缩短了挤出材料的凝结硬化时间，从而可以提高打印成型质量，减小层间各向异性特性；实现不同强度和层间各项异性的类岩土材料的打印，能更精确打印出层状各项异性系数的类层状岩土物理模型。
权利要求：
1.一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，包括设备框架（11），所述设备框架（11）底部设置有工作台，设备框架（11）在工作台上方装载有运动机构（12），所述运动机构（12）的横轴滑块上固定有连接平台（2），所述连接平台（2）包括挤出喷射机构固定侧板（21）和挤出喷射机构与运动滑块连接板（22），所述连接平台（2）通过挤出喷射机构与运动滑块连接板（22）与运动机构（12）的横轴滑块连接，所述挤出喷射机构固定侧板（21）上安装有挤出机构（5）和喷射机构（6），所述挤出机构（5）和喷射机构（6）能够随运动机构（12）作三维空间运动，挤出机构（5）和喷射机构（6）通过送料管分别与物料泵送机构（3）和液体泵送机构（4）连接，所述物料泵送机构（3）和液体泵送机构（4）安装于设备框架（11）外。
2.根据权利要求1所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述挤出机构（5）包括挤出机构与固定侧板连接板（51）、挤出装置（52）、挤出料仓固定平台（53）、固定竖杆（54）、挤出进料口（55）、挤出进料防溢料装置（56）、挤出装置固定平台（57）、挤出喷头（58）和挤出加热装置（59），所述挤出机构（5）通过挤出机构与固定侧板连接板（51）与挤出喷射机构固定侧板（21）连接，所述挤出机构与固定侧板连接板（51）上安装有挤出机构与喷射机构喷头切换装置（7），所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置（7）与挤出装置固定平台（57）右端连接，所述挤出装置固定平台（57）中部通过固定竖杆（54）与挤出料仓固定平台（53）连接，所述挤出装置（52）安装于挤出装置固定平台（57）与挤出料仓固定平台（53）上，所述挤出装置（52）中部设有挤出进料口（55），所述挤出进料口（55）入口处设有挤出进料防溢料装置（56），所述挤出装置（52）底部安装有挤出喷头（58），所述挤出装置固定平台（57）在靠近挤出喷头（58）位置安装有挤出加热装置（59）。
3.根据权利要求2所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述挤出装置（52）包括挤出电机（521）、挤出料仓（522）和挤出螺杆（523），所述挤出电机（521）安装于挤出料仓固定平台（53）上方，挤出料仓（522）固定于挤出料仓固定平台（53）和挤出装置固定平台（57）之间，所述挤出料仓（522）内部安装有挤出螺杆（523），所述挤出料仓（522）中部设有挤出进料口（55），所述挤出进料口（55）入口处设有挤出进料防溢料装置（56），所述挤出料仓（522）底部安装有挤出喷头（58），所述挤出装置固定平台（57）在靠近挤出喷头（58）位置安装有挤出加热装置（59）；
所述挤出进料防溢料装置（56）包括挤出球阀（561）、挤出旋转轴杆（562）和挤出控制电机（563），所述挤出球阀（561）设置于挤出进料口（55）入口处，挤出球阀（561）通过挤出旋转轴杆（562）与挤出控制电机（563）连接；
所述挤出加热装置（59）包括挤出连接杆（591）和挤出热风口（592），所述挤出热风口（592）通过挤出连接杆（591）与挤出装置固定平台（57）安装连接。
4.根据权利要求1所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述喷射机构（6）包括加压针筒（61）、喷射进料防溢料装置（62）、加压装置（63）、喷射进料口（64）、喷射装置固定平台（65）、喷头升降平台（66）、针筒与喷头连接件（67）、喷射喷头（68）和喷射加热装置（69），所述喷射机构（6）通过喷射装置固定平台（65）与挤出喷射机构固定侧板（21）连接，所述喷射装置固定平台（65）右端通过挤出机构与喷射机构喷头切换装置（7）与喷头升降平台（66）连接，所述喷射装置固定平台（65）中部分别安装有加压针筒（61）和加压装置（63），所述加压针筒（61）和加压装置（63）底部通过针筒与喷头连接件（64）与喷射喷头（68）连接，所述喷射喷头（68）安装在喷头升降平台（66）左端，所述加压针筒（61）和加压装置（63）中部各安装有一个喷射进料口（64），所述喷射进料口（64）入口处安装有喷射防溢料装置（62）。
5.根据权利要求4所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述加压针筒（61）包括加压压头（611）、传力杆及活塞（612）和液体料仓（613），所述液体料仓（613）安装于喷射装置固定平台（65）下方，所述液体料仓（613）设有传力杆及活塞（612），所述传力杆及活塞（612）顶部设有加压压头（611）；所述加压装置（63）包括加压螺杆（631）和加压电机（632），所述加压电机（632）安装于喷射装置固定平台（65）下方，加压电机（632）通过加压螺杆（631）与加压装置（63）顶部的加压压头（611）连接；
所述喷射进料防溢料装置（62）包括喷射球阀（621）、喷射旋转轴杆（622）和喷射控制电机（623），所述喷射球阀（621）设置于喷射进料口（62）入口处，喷射球阀（621）通过喷射旋转轴杆（622）与喷射控制电机（623）连接；
所述针筒与喷头连接件（67）包括伸缩波纹管（671）和波纹管连接件（672）；所述喷头（68）依次通过波纹管连接件（672）和伸缩波纹管（671）与液体料仓（613）底部连接；
所述喷射加热装置（69）包括喷射连接杆（691）和喷射热风口（692），所述喷射热风口（692）通过喷射连接杆（691）与喷头升降平台（66）安装连接。
6.根据权利要求2或权利要求4所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置（7）包括挤出结构喷头升降装置（71）、喷射机构喷头升降装置（72），所述挤出结构喷头升降装置（71）安装在挤出机构（5）上，挤出结构喷头升降装置（71）包括挤出升降电机（711）和挤出升降螺杆（712），所述挤出升降电机（711）安装于挤出机构与固定侧板连接板（51）上方，挤出升降电机（711）通过挤出升降螺杆（712）与挤出装置固定平台（57）连接；同理，所述喷射机构喷头升降装置（72）安装在喷射机构（5）上，喷射机构喷头升降装置（72）包括喷射升降电机（721）和喷射升降螺杆（722），所述喷射升降电机（721）安装于喷射装置固定平台（65）上方，喷射升降电机（721）通过喷射升降螺杆（722）与喷头升降平台（66）连接。
7.根据权利要求5所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述加压针筒（61）和加压装置（63）的喷射针筒底部设有压力传感器（614）。
8.根据权利要求1所述的一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，其特征在于，所述液体泵送机构（4）包括两个或两个以上的液体输送泵。
9.一种如权利要求1-8所述挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将打印模型拆成砂浆挤出模型和层间喷射模型两部分，考虑喷头间的间距对两个模型空间位置进行定位，然后通过切片导入打印设备中，分别在物料泵送机构（3）和液体泵送机构（4）内注入打印材料和喷射粘接剂液体；
步骤S2、打印开始，先调整打印喷头在同一高度，然后挤出机构喷头升降装置（71）开始旋转，使得挤出装置（52）向下移动达到打印高度，此时，喷射进料口（64）阀门关闭，挤出进料口（55）阀门打开，物料泵送机构（3）开始工作，挤出螺杆（523）开始工作，挤出物料；
步骤S3、当挤出机构（5）打印完第一层后，挤出螺杆（523）停止工作，系统关闭挤出阀门，物料泵送机构（3）暂停工作，挤出机构喷头升降装置（71）开始抬升挤出装置（52），使其复位。同时，喷射喷头（68）在喷射机构喷头升降装置（72）带动下向下运动至打印部位，打开液体泵送机构（4）下的液体输送泵阀门，两个喷射装置同时施加挤出压力，在运动系统带动下沿挤出喷头（58）相同路径喷射粘接剂；
步骤S4、当喷射机构（6）喷射完第一层后，加压装置（63）的加压螺杆（631）反向转动，将传力杆及活塞（612）恢复到开始部位，随即加压装置（63）的加压螺杆（631）停止工作，随后系统关闭喷射进料防溢料装置（62），液体泵送机构（4）暂停工作，喷射机构喷头升降装置（72）开始抬升喷头固定升降平台（66），使喷射喷头（68）复位，随后，整个挤出喷射机构固定平台（2）在运动机构（12）的带动下，向上移动一层的高度；
步骤S5、随后每层挤出机构（5）和喷射机构（6）重复步骤S2和步骤S3，直至整个模型打印结束。
技术领域：
[0001]本发明属于3D打印设备技术领域，具体涉及一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备及使用方法。
背景技术：
[0002]挤出3D打印技术在建筑构件、陶瓷类艺术品以及各类模型等方面得到了广泛应用。常见的挤出3D打印材料主要有水泥基砂浆材料、陶泥材料等。这些打印材料成型后层状各项异性明显，且受到挤出材料固化时间的固有属性影响，导致其成型变形率较大，打印效果较差。另外，挤出3D打印具有成型速度快、制作成本低、打印均质性好、复杂结构易成型等优点，在类岩土物理模拟中具有广泛的应用前景，然而挤出3D打印具有明显各项异性特性，如何定量打印横观各项同性系数的类层状岩体试样是需解决的关键问题。
[0003]中国专利授权公告号为CN 112847733B，公告日2022.04.01，发明名称为“一种便于提高3D打印砂浆层间强度的打印头”，该专利公开了一种提供一种便于提高3D打印砂浆层间强度的打印头，通过在打印头设置钢丝送料机构和剪断钢丝的剪切机构，在层间植入钢丝。该技术虽然能提高打印材料的层间整体强度，但不能降低打印模型的变形性能，也不能用于制作类层状岩石模型。
[0004]中国专利授权公告号为CN 112759350B，公告日2021.10.22，发明名称为“用于3D打印的钙钒石晶须层间增强粘结剂及使用方法”，该专利公开了一种用于3D打印的钙钒石晶须层间增强粘结剂的使用方法，通过采用同步喷洒的方式在打印的过程中喷射钙钒石晶须胶凝混合材料来提高混凝土3D打印材料的层间胶结性能。该技术主要是提出了一种提高层间胶结性能的粘合剂材料，并没有设计出实现该功能的打印设备。
[0005]可见，目前针对挤出3D打印，还没有能够实现层间各向异性类岩石打印成型的挤出3D打印设备。
发明内容：
[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，挤出喷头可挤出水泥基或陶泥等3D打印膏体材料，喷射喷头可按一定比例喷射粘接剂，通过喷头切换，可调控打印模型的层间胶结性能，本发明通过在打印材料之间喷射粘接剂，提高了挤出材料的层间胶结性能并缩短了挤出材料的凝结硬化时间，从而可以提高打印成型质量，减小层间各向异性特性；实现不同强度和层间各项异性的类岩土材料的打印，能更精确打印出层状各项异性系数的类层状岩土物理模型。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，包括设备框架，所述设备框架底部设置有工作台，设备框架在工作台上方装载有运动机构，所述运动机构的横轴滑块上固定有连接平台，所述连接平台包括挤出喷射机构固定侧板和挤出喷射机构与运动滑块连接板，所述连接平台通过挤出喷射机构与运动滑块连接板与运动机构的横轴滑块连接，所述挤出喷射机构固定侧板上安装有挤出机构和喷射机构，所述挤出机构和喷射机构能够随运动机构作三维空间运动，挤出机构和喷射机构通过送料管分别与物料泵送机构和液体泵送机构连接，所述物料泵送机构和液体泵送机构安装于设备框架外。
[0008]具体的，所述挤出机构包括挤出机构与固定侧板连接板、挤出装置、挤出料仓固定平台、固定竖杆、挤出进料口、挤出进料防溢料装置、挤出装置固定平台、挤出喷头和挤出加热装置，所述挤出机构通过挤出机构与固定侧板连接板与挤出喷射机构固定侧板连接，所述挤出机构与固定侧板连接板上安装有挤出机构与喷射机构喷头切换装置，所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置与挤出装置固定平台右端连接，所述挤出装置固定平台中部通过固定竖杆与挤出料仓固定平台连接，所述挤出装置安装于挤出装置固定平台与挤出料仓固定平台上，所述挤出装置中部设有挤出进料口，所述挤出进料口入口处设有挤出进料防溢料装置，所述挤出装置底部安装有挤出喷头，所述挤出装置固定平台在靠近挤出喷头位置安装有挤出加热装置。
[0009]进一步地，所述挤出装置包括挤出电机、挤出料仓和挤出螺杆，所述挤出电机安装于挤出料仓固定平台上方，挤出料仓固定于挤出料仓固定平台和挤出装置固定平台之间，所述挤出料仓内部安装有挤出螺杆，所述挤出料仓中部设有挤出进料口，所述挤出进料口入口处设有挤出进料防溢料装置，所述挤出料仓底部安装有挤出喷头，所述挤出装置固定平台在靠近挤出喷头位置安装有挤出加热装置；
所述挤出进料防溢料装置包括挤出球阀、挤出旋转轴杆和挤出控制电机，所述挤出球阀设置于挤出进料口入口处，挤出球阀通过挤出旋转轴杆与挤出控制电机连接；
所述挤出加热装置包括挤出连接杆和挤出热风口，所述挤出热风口通过挤出连接杆与挤出装置固定平台安装连接。
[0010]具体的，所述喷射机构包括加压针筒、喷射进料防溢料装置、加压装置、喷射进料口、喷射装置固定平台、喷头升降平台、针筒与喷头连接件、喷射喷头和喷射加热装置，所述喷射机构通过喷射装置固定平台与挤出喷射机构固定侧板连接，所述喷射装置固定平台右端通过挤出机构与喷射机构喷头切换装置与喷头升降平台连接，所述喷射装置固定平台中部分别安装有加压针筒和加压装置，所述加压针筒和加压装置底部通过针筒与喷头连接件与喷射喷头连接，所述喷射喷头安装在喷头升降平台左端，所述加压针筒和加压装置中部各安装有一个喷射进料口，所述喷射进料口入口处安装有喷射防溢料装置。
[0011]进一步地，所述加压针筒包括加压压头、传力杆及活塞和液体料仓，所述液体料仓安装于喷射装置固定平台下方，所述液体料仓设有传力杆及活塞，所述传力杆及活塞顶部设有加压压头；所述加压装置包括加压螺杆和加压电机，所述加压电机安装于喷射装置固定平台下方，加压电机通过加压螺杆与加压装置顶部的加压压头连接；
所述喷射进料防溢料装置包括喷射球阀、喷射旋转轴杆和喷射控制电机，所述喷射球阀设置于喷射进料口入口处，喷射球阀通过喷射旋转轴杆与喷射控制电机连接；
所述针筒与喷头连接件包括伸缩波纹管和波纹管连接件；所述喷头依次通过波纹管连接件和伸缩波纹管与液体料仓底部连接；
所述喷射加热装置包括喷射连接杆和喷射热风口，所述喷射热风口通过喷射连接杆与喷头升降平台安装连接。
[0012]上述技术方案中，所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置包括挤出结构喷头升降装置、喷射机构喷头升降装置，所述挤出结构喷头升降装置安装在挤出机构上，挤出结构喷头升降装置包括挤出升降电机和挤出升降螺杆，所述挤出升降电机安装于挤出机构与固定侧板连接板上方，挤出升降电机通过挤出升降螺杆与挤出装置固定平台连接；同理，所述喷射机构喷头升降装置安装在喷射机构上，喷射机构喷头升降装置包括喷射升降电机和喷射升降螺杆，所述喷射升降电机安装于喷射装置固定平台上方，喷射升降电机通过喷射升降螺杆与喷头升降平台连接。
[0013]具体的，所述加压针筒和加压装置的喷射针筒底部设有压力传感器。
[0014]具体的，所述液体泵送机构包括两个或两个以上的液体输送泵。
[0015]一种如上述挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1、将打印模型拆成砂浆挤出模型和层间喷射模型两部分，考虑喷头间的间距对两个模型空间位置进行定位，然后通过切片导入打印设备中，分别在物料泵送机构和液体泵送机构内注入打印材料和喷射粘接剂液体；
步骤S2、打印开始，先调整打印喷头在同一高度，然后挤出机构喷头升降装置开始旋转，使得挤出装置向下移动达到打印高度，此时，喷射进料口阀门关闭，挤出进料口阀门打开，物料泵送机构开始工作，挤出螺杆开始工作，挤出物料；
步骤S3、当挤出机构打印完第一层后，挤出螺杆停止工作，系统关闭挤出阀门，物料泵送机构暂停工作，挤出机构喷头升降装置开始抬升挤出装置，使其复位，同时，喷射喷头在喷射机构喷头升降装置带动下向下运动至打印部位，打开液体泵送机构下的液体输送泵阀门，两个喷射装置同时施加挤出压力，在运动系统带动下沿挤出喷头相同路径喷射粘接剂；
步骤S4、当喷射机构喷射完第一层后，加压装置的加压螺杆反向转动，将传力杆及活塞恢复到开始部位，随即加压装置的加压螺杆停止工作，随后系统关闭喷射进料防溢料装置，液体泵送机构暂停工作，喷射机构喷头升降装置开始抬升喷头固定升降平台，使喷射喷头复位，随后，整个挤出喷射机构固定平台在运动机构的带动下，向上移动一层的高度；
步骤S5、随后每层挤出机构和喷射机构重复步骤S2和步骤S3，直至整个模型打印结束。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明将挤出泵送机构和喷射泵送机构独立设置，既减轻了喷射挤出机构的重量，能有效抑制了运动机构在急停或者启动时的抖动，提升打印过程的稳定性和打印精度，也便于在打印过程中持续向挤出机构和喷射机构补充物料，提升打印过程的持续性。
[0017]（2）挤出机构和喷射机构可通过螺杆升降进行切换，可以减小在打印过程中的相互干扰，用螺杆升降有利于挤出和喷射打印过程中的稳定性，喷头上下运动能较小对打印平台的冲击，有利于保证打印的精度。
[0018]（3）挤出装置和喷射装置进料口均设置了防溢料阀门，在打印机切换后，能保证另外一个喷头不出现溢料，能保证整个模型的打印效果。
[0019]（4）挤出装置和喷射装置喷头处均设置了加热装置，可以精准对打印材料进行加热，从而加快挤出材料和喷射材料的凝固硬化，降低打印实体的变形率，提高打印模型的建造性能。
[0020]（5）喷射机构针筒底部设有压力传感器，通过压力传感器可以动态控制液体挤出压力，调节喷射流速，从而定量控制喷射量，使得调节两者喷射管内的压力来实现液体配比的输出。
[0021]（6）喷射机构两个喷头可通过旋转改变喷射孔的直径和数量。可动态调节喷头的方向，可保证两个喷头喷射的位置重合。
具体实施方式：
[0032]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请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申请。但是本申请能够以很多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申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
[0033]在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本申请的限制。
[0034]此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0035]在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0036]在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0037]需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0038]实施例1
如图1所示，本发明提供了一种挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，包括设备框架11，所述设备框架11底部设置有工作台，设备框架11在工作台上方装载有运动机构12，所述运动机构12的横轴滑块上固定有连接平台2，所述连接平台2包括挤出喷射机构固定侧板21和挤出喷射机构与运动滑块连接板22，所述连接平台2通过挤出喷射机构与运动滑块连接板22与运动机构12的横轴滑块连接，如图2所示，所述挤出喷射机构固定侧板21上安装有挤出机构5和喷射机构6，所述挤出机构5和喷射机构6能够随运动机构12作三维空间运动，挤出机构5和喷射机构6通过送料管分别与物料泵送机构3和液体泵送机构4连接，所述物料泵送机构3和液体泵送机构4安装于设备框架11外，可以减小运动平台的重量，提高打印精度。
[0039]具体的，所述液体泵送机构4包括两个或两个以上的液体输送泵。
[0040]本实施例中，液体泵送机构4包括两个液体输送泵，分别装有环氧树脂的A液和B液，通过调节喷射泵的流速控制两种成分喷出的比例，从而达到需要的固化强度和凝结时间。
[0041]如图3、图5和图6所示，所述挤出机构5包括挤出机构与固定侧板连接板51、挤出装置52、挤出料仓固定平台53、固定竖杆54、挤出进料口55、挤出进料防溢料装置56、挤出装置固定平台57、挤出喷头58和挤出加热装置59，所述挤出机构5通过挤出机构与固定侧板连接板51与挤出喷射机构固定侧板21连接，所述挤出机构与固定侧板连接板51上安装有挤出机构与喷射机构喷头切换装置7，所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置7与挤出装置固定平台57右端连接，所述挤出装置固定平台57中部通过固定竖杆54与挤出料仓固定平台53连接，所述挤出装置52安装于挤出装置固定平台57与挤出料仓固定平台53上，所述挤出装置52中部设有挤出进料口55，所述挤出进料口55入口处设有挤出进料防溢料装置56，所述挤出装置52底部安装有挤出喷头58，所述挤出装置固定平台57在靠近挤出喷头58位置安装有挤出加热装置59。
[0042]本实施例中，所述挤出装置52包括挤出电机521、挤出料仓522和挤出螺杆523，所述挤出电机521安装于挤出料仓固定平台53上方，挤出料仓522固定于挤出料仓固定平台53和挤出装置固定平台57之间，所述挤出料仓522内部安装有挤出螺杆523，所述挤出料仓522中部设有挤出进料口55，所述挤出进料口55入口处设有挤出进料防溢料装置56，所述挤出料仓522底部安装有挤出喷头58，所述挤出装置固定平台57在靠近挤出喷头58位置安装有挤出加热装置59；
具体的，物料挤出挤出料仓522后，通过挤出电机521带动挤出螺杆523转动，通过挤出螺杆523将物料从挤出喷头58中挤出，挤出料仓522为空心圆柱形，挤出螺杆523为等间距直螺杆，挤出螺杆523与喷头气瓶处为光滑尖灭状，挤出螺杆523外径略小于挤出料仓522的内径；挤出螺杆的转速可通过挤出电机521控制。
[0043]优选的，挤出螺杆523与挤出电机521之间通过旋转联轴器连接，在挤出电机521下部可加设减速机增大挤出力矩。
[0044]所述挤出进料防溢料装置56包括挤出球阀561、挤出旋转轴杆562和挤出控制电机563，所述挤出球阀561设置于挤出进料口55入口处，挤出球阀561通过挤出旋转轴杆562与挤出控制电机563连接；
具体的，物料由物料泵送机构3通过挤出进料口55进入挤出料仓522；在挤出进料口55通道处设有挤出进料防溢料装置56，该装置由挤出球阀561、挤出控制电机563和挤出旋转轴杆562组成，通过挤出控制电机563来回90°旋转，控制挤出球阀561的开闭，来实现在挤出打印过程中阀门打开，在其他情况下阀门关闭。
[0045]所述挤出加热装置59包括挤出连接杆591和挤出热风口592，所述挤出热风口592通过挤出连接杆591与挤出装置固定平台57安装连接；在挤出过程中打开挤出加热装置59，通过从挤出热风口592吹热风实现精准加热，可加速材料固化，减小打印模型的变形。
[0046]如图4、图7和图8所示，所述喷射机构6包括加压针筒61、喷射进料防溢料装置62、加压装置63、喷射进料口64、喷射装置固定平台65、喷头升降平台66、针筒与喷头连接件67、喷射喷头68和喷射加热装置69，所述喷射机构6通过喷射装置固定平台65与挤出喷射机构固定侧板21连接，所述喷射装置固定平台65右端通过挤出机构与喷射机构喷头切换装置7与喷头升降平台66连接，所述喷射装置固定平台65中部分别安装有加压针筒61和加压装置63，所述加压针筒61和加压装置63底部通过针筒与喷头连接件64与喷射喷头68连接，所述喷射喷头68安装在喷头升降平台66左端，所述加压针筒61和加压装置63中部各安装有一个喷射进料口64，所述喷射进料口64入口处安装有喷射防溢料装置62。
[0047]具体的，所述加压针筒61包括加压压头611、传力杆及活塞612和液体料仓613，所述液体料仓613安装于喷射装置固定平台65下方，所述液体料仓613设有传力杆及活塞612，所述传力杆及活塞612顶部设有加压压头611；所述加压装置63包括加压螺杆631和加压电机632，所述加压电机632安装于喷射装置固定平台65下方，加压电机632通过加压螺杆631与加压装置63顶部的加压压头611连接；
优选的，所述加压针筒61和加压装置63的喷射针筒底部设有压力传感器614，通过监测针筒内的压力，来动态控制喷头的流速，从而实现定量控制喷射比例。
[0048]本实施例中，喷射机构6设有两个喷射装置，对应所述液体泵送机构4设有液体输送泵，分别装有两种液体，需混合后才能形成快速凝固的粘接剂，如环氧树脂A液和B液，两种液体按比例混合后可以快速凝固，增强水泥基层间胶结性能。
[0049]所述喷射进料防溢料装置62包括喷射球阀621、喷射旋转轴杆622和喷射控制电机623，所述喷射球阀621设置于喷射进料口62入口处，喷射球阀621通过喷射旋转轴杆622与喷射控制电机623连接；
通过喷射控制电机623来回90°旋转，控制喷射球阀621的开闭；在打印过程中，打开喷射控制电机623，正向转动加压电机632对针筒施加压力；在非打印过程中，先反向转动加压电机632使得加压活塞复位，然后关闭喷射控制电机623，防止溢料。
[0050]所述针筒与喷头连接件67包括伸缩波纹管671和波纹管连接件672；所述喷头68依次通过波纹管连接件672和伸缩波纹管671与液体料仓613底部连接；伸缩波纹管671的作用是能保证喷头在局部范围内升降，液体泵送机构4可泵送粘接剂液体通过喷射进料口64进入加压针筒61内，通过加压装置63给加压压头611施加压力，从而使得液体从喷射喷头68中喷出。
[0051]所述喷射加热装置69包括喷射连接杆691和喷射热风口692，所述喷射热风口692通过喷射连接杆691与喷头升降平台66安装连接；在喷射过程中打开喷射加热装置69，通过从喷射热风口692吹热风实现精准加热，可加速材料固化，减小打印模型的变形。
[0052]优选的，喷射机构6的喷射喷头68可以通过旋转改变孔的直径大小和多少，实现喷射速度和流量的控制；可动态微调喷头的方向，即可保证两个喷头喷射的位置重合。
[0053]所述挤出机构与喷射机构喷头切换装置7包括挤出结构喷头升降装置71、喷射机构喷头升降装置72，所述挤出结构喷头升降装置71安装在挤出机构5上，挤出结构喷头升降装置71包括挤出升降电机711和挤出升降螺杆712，所述挤出升降电机711安装于挤出机构与固定侧板连接板51上方，挤出升降电机711通过挤出升降螺杆712与挤出装置固定平台57连接；同理，所述喷射机构喷头升降装置72安装在喷射机构5上，喷射机构喷头升降装置72包括喷射升降电机721和喷射升降螺杆722，所述喷射升降电机721安装于喷射装置固定平台65上方，喷射升降电机721通过喷射升降螺杆722与喷头升降平台66连接。
[0054]本实施例中，挤出机构5和喷射机构6可通过挤出机构与喷射机构喷头切换装置7实现喷头垂直升降移动，来避免打印过程中的相互影响；挤出机构5通过挤出机构喷头升降装置71来实现喷头的升降，挤出机构喷头升降装置71由挤出升降电机711转动带动挤出升降螺杆712正向或反向旋转，从而实现挤出装置的上下移动；同理，喷射装置6下部喷头通过喷射机构喷头升降装置72来实现升降，喷射机构喷头升降装置72由喷射升降电机721转动带动喷射升降螺杆722正向或反向旋转，从而实现喷射喷头68的上下移动；挤出机构5、喷射机构6与挤出机构与喷射机构喷头切换装置7与系统平台相连，根据模型打印路径实现挤出、喷射机构来回切换打印。
[0055]为了进一步阐述挤出喷射打印设备工作原理，如图8所示，现将设备协同使用流程简述如下。
[0056]挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1、将打印模型拆成砂浆挤出模型和层间喷射模型两部分，考虑喷头间的间距对两个模型空间位置进行定位，然后通过切片导入打印设备中，分别在物料泵送机构3和液体泵送机构4内注入打印材料和喷射粘接剂液体；
步骤S2、打印开始，先调整打印喷头在同一高度，然后挤出机构喷头升降装置71开始旋转，使得挤出装置52向下移动达到打印高度，此时，喷射进料口64阀门关闭，挤出进料口55阀门打开，物料泵送机构3开始工作，挤出螺杆523开始工作，挤出物料；
步骤S3、当挤出机构5打印完第一层后，挤出螺杆523停止工作，系统关闭挤出阀门，物料泵送机构3暂停工作，挤出机构喷头升降装置71开始抬升挤出装置52，使其复位。同时，喷射喷头68在喷射机构喷头升降装置72带动下向下运动至打印部位，打开液体泵送机构4下的液体输送泵阀门，两个喷射装置同时施加挤出压力，在运动系统带动下沿挤出喷头58相同路径喷射粘接剂；
步骤S4、当喷射机构6喷射完第一层后，加压装置63的加压螺杆631反向转动，将传力杆及活塞612恢复到开始部位，随即加压装置63的加压螺杆631停止工作，随后系统关闭喷射进料防溢料装置62，液体泵送机构4暂停工作，喷射机构喷头升降装置72开始抬升喷头固定升降平台66，使喷射喷头68复位，随后，整个挤出喷射机构固定平台2在运动机构12的带动下，向上移动一层的高度；
步骤S5、随后每层挤出机构5和喷射机构6重复步骤S2和步骤S3，直至整个模型打印结束。
[0057]综上所述，本发明提供的挤出和喷射3D打印类岩土物理模型设备，挤出喷头58可挤出水泥基或陶泥等3D打印膏体材料，喷射喷头68可按一定比例喷射粘接剂，通过喷头切换，可调控打印模型的层间胶结性能，通过在打印材料之间喷射粘接剂，本发明提高了挤出材料的层间胶结性能并缩短了挤出材料的凝结硬化时间，从而可以提高打印成型质量，减小层间各向异性特性；实现不同强度和层间各项异性的类岩土材料的打印，能更精确打印出层状各项异性系数的类层状岩土物理模型。
[0058]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0059]以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准