CN105569343A - 爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3d打印***及方法 - Google Patents

Abstract

针对现有打印***只有一个打印头，打印效率较低、***控制复杂的问题，本发明提供一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，该***包括打印装置与电动爬升装置，电动爬升装置设置于已打印建筑的外立面上，电动爬升装置能够带动打印装置在竖直方向上移动；打印装置包括一对平行轨道横梁、至少两根相平行且各自独立运动的打印头横梁、打印头杆以及打印头，所述打印头横梁垂直于平行轨道横梁之间且能够沿着平行轨道横梁移动，设有打印头的打印头杆密布于整根打印头横梁上，从而将打印头在水平打印面内的双向移动转换为单向移动，提高了可靠性，且打印头横梁的每次移动可以完成至少两层的打印，提高了打印效率。

Description

爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法

技术领域

本发明属于建筑施工领域，尤其涉及一种建筑用3D打印***及方法。

背景技术

3D打印技术即三维打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料，与电脑连接后，通过一层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。

随着3D打印技术的发展并逐渐成熟，3D打印技术给制造业带来技术革新。在劳动力密集型的建筑行业，如能引入3D打印技术进行工程施工生产，在施工效率，生产成本，工程工期，机械化自动化水平提高等方面均能有很大程度的提高。

建筑结构通常体量巨大，现有3D打印***的打印头横梁上只设置一个打印头，打印效率较低。并且，现有的3D打印***的打印头需要在打印区域内进行X向与Y向的双向运动，因此，需要分别设置X向与Y向的各自的驱动***并使之协同作用，不但使得结构较复杂、控制繁琐，而且降低了3D打印***的可靠性和精度。

因此，如何提供一种结构简单、性能可靠且具有较高打印效率的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，已成为建筑施工界需进一步完善优化的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，通过在打印头横梁密布打印头，将打印头在水平打印面上的双向运动变为单向运动，简化了***，有效提高了整个打印***的可靠性，并且密布的打印头在水平打印面上每移动一次即可完成至少两层建筑横截面层打印，有效提高了打印效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，包括打印装置与电动爬升装置，所述电动爬升装置设置于已打印建筑的外立面上，所述电动爬升装置能够带动所述打印装置在竖直方向上移动；所述打印装置包括一对平行轨道横梁、至少两根相平行且各自独立运动的打印头横梁、若干打印头杆以及若干打印头，所述打印头横梁垂直于所述平行轨道横梁之间且能够沿着所述平行轨道横梁移动，所述打印头杆的一端固定连接于所述打印头横梁上，所述打印头杆的另一端设置所述打印头，且所述若干打印头杆密布于整根所述打印头横梁上。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述打印头杆能够伸缩，带动所述打印头上下移动。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，各所述打印头独立控制。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述轨道横梁具有一C型空腔，所述打印头横梁的两端分别与一滑块固定连接，所述滑块与所述C型空腔相匹配，所述滑块分别嵌设于对应轨道横梁的C型空腔内并能够沿着对应轨道横梁的C型空腔滑动。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，还包括打印头横梁驱动机构，所述打印头横梁驱动机构设置于所述滑块上，所述打印头横梁驱动机构包括驱动电机、传动机构以及滚轮对，所述滚轮对与所述轨道横梁的C型空腔的内壁相接触，所述驱动电机经所述传动机构带动所述滚轮对转动，使得所述滑块能够沿着所述轨道横梁移动。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述电动爬升装置包括竖向导轨以及电动爬升构件，所述电动爬升构件能够沿着所述竖向导轨移动并能够固定于所述竖向导轨上，所述竖向导轨固定于已打印建筑的外立面上，所述竖向导轨包括若干导轨段，所述导轨段分别通过附墙构件固定于已打印建筑的外立面上，且相邻的导轨段首尾连接。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述附墙构件的形状呈V型，所述附墙构件包括两根附墙连杆，所述两根附墙连杆的一端连接在一起并与所述导轨段螺栓连接，所述两根附墙连杆的另一端分别与所述已打印建筑的两个相邻外立面上的预埋螺栓锁紧固定。

本发明还公开了一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法，包括如下步骤：

步骤一、安装如上所述爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，使所述竖向导轨稳定附着于所述已打印建筑的外立面，调整各打印头至待打印高度；

步骤二、分别驱动各打印头横梁，各打印头同时或先后跟随对应的打印头横梁移动，完成与打印头横梁相应数量的建筑横截面层打印，接着，调整各打印头的高度至下一待打印高度，分别驱动各打印头横梁，各打印头同时后者先后跟随对应的打印头横梁反向移动在刚打印完的建筑横截面层上完成另一与打印头横梁相应数量的建筑横截面层打印，如此往复，直至完成打印施工。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法中，在步骤二中，通过所述打印头杆调整所述打印头的高度，当打印头的待打印高度超过打印头杆的调节范围时，加高所述竖向导轨至预定高度，所述电动爬升构件带动整个打印装置向上爬升一预定距离，以满足打印头的打印高度需求。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法中，在步骤二中，各打印头横梁上的打印头的高度沿打印头横梁的前进方向逐个降低，且在每次打印前，先将各个打印头横梁尽量靠在一起，位于打印前进方向的第一根打印头横梁先移动一定距离后，位于打印前进方向的第二根打印头横梁开始移动，依此类推，直至所有打印头横梁开始移动。

由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，针对建筑结构通常体量巨大，现有打印***只有一个打印头，打印效率较低，且打印头需要在水平打印平面内进行X向与Y向的双向运动导致整个***控制复杂、可靠性较低的技术问题，本发明通过在每根打印头横梁上设置密布的打印头，一方面将水平打印面内即打印***的XY平面内的双向移动转换为单向移动，简化了控制***，提高了3D打印***的可靠性；另一方面，结合在轨道横梁之间设置至少两根打印头横梁，打印头横梁的每次单向水平移动可以进行至少两层打印，有几根打印头横梁就可以实现与打印头横梁相应数量的层数的打印，因此显著提高了打印效率。

(2)本发明的所有打印头横梁各自独立运动，各相邻打印头横梁之间的距离可以进行调整，一方面，各个打印头横梁独立运动互不影响，可以根据需要打印的情况独立的带动相对应的打印头到指定位置进行打印工作，便于适应复杂体型建筑的打印，有利于提高打印效率；另一方面，在打印前可以将各个打印头横梁尽量靠在一起，集中于联系梁与建筑的缝隙内(即缝隙的正上方投影范围内)，保证所有打印头横梁均可以打印到建筑外边缘的情况下，减少联系梁与打打印建筑的缝隙的宽度，进而减少轨道横梁的长度并使得电动爬升装置以及轨道横梁2更加靠近已打印建筑，从而提高整个打印***的稳定性和安全性。

(3)本发明的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，所述竖向导轨包括若干导轨段，所述导轨段分别通过附墙构件固定于已打印建筑的外立面上，且相邻的导轨段首尾连接。所述竖向导轨不但为3D打印***提供了稳定的支撑，而且随着建筑的升高，可以通过不断的增设导轨段加高竖向导轨，配合电动爬升构件的爬升，能够实现打印装置的稳定连续爬升，以适应建筑的高度变化。

(4)本发明的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，所述附墙构件的形状呈V型，所述附墙构件包括两根附墙连杆，所述两根附墙连杆的一端连接在一起并与所述导轨段螺栓连接，所述两根附墙连杆的另一端分别与所述已打印建筑的两个相邻外立面上的预埋螺栓锁紧固定，从而可以使得竖向导轨更加稳定的固定于已打印的建筑上，进一步提高打印的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***的立体示意图；

图2为本发明一实施例的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***的俯视示意图；

图3为本发明一实施例的打印头杆分布示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图中：1-建筑、2-轨道横梁、3-打印头横梁、4-打印头杆、5-打印头、6-联系梁、7-竖向导轨、8-电动爬升构件、9-附墙构件、10-滑块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

请参阅图1至图4，本实施例以大体量建筑物的3D打印施工为例，公开了一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***。为了明确方向关系，建立XYZ直角坐标系，其中已打印建筑体10高度延伸方向作为Z轴，打印头横梁3的延伸方向作为X轴，轨道横梁2的延伸方向作为Y轴。

该爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，包括打印装置与电动爬升装置，所述电动爬升装置设置于已打印建筑1的外立面上，所述电动爬升装置能够带动所述打印装置在竖直方向上移动；所述打印装置包括一对平行轨道横梁2、至少两根相平行且各自独立运动的打印头横梁3、若干打印头杆4以及若干打印头5，所述打印头横梁3垂直设置于所述平行轨道横梁2之间且能够沿着所述平行轨道横梁2移动，所述打印头杆4的一端固定连接于所述打印头横梁3上，所述打印头杆4的另一端设置所述打印头5，且所述若干打印头杆4密布于整根所述打印头横梁3上。针对建筑结构通常体量巨大，现有打印***只有一个打印头5，打印效率较低，且打印头需要在水平打印平面内进行X向与Y向的双向运动导致整个***控制复杂、可靠性较低的技术问题，本发明通过在每根打印头横梁3上设置密布的打印头5，一方面将水平打印面内即打印***的XY平面内的双向移动转换为单向移动，简化了***，提高了3D打印***的可靠性；另一方面，结合在轨道横梁2之间设置至少两根打印头横梁3，打印头横梁3的每次单向水平移动可以进行至少两层的打印，有几根打印头横梁3就可以实现与打印头横梁3相应数量的层数的打印，因此显著提高了打印效率。

并且，本发明的所有打印头横梁3各自独立运动，各相邻打印头横梁3之间的距离可以进行调整，一方面，各个打印头横梁3独立运动互不影响，可以根据需要打印的情况独立的带动相对应的打印头5到指定位置进行打印工作，便于适应复杂体型建筑1的打印，有利于提高打印效率；另一方面，在打印前可以将各个打印头横梁3尽量靠在一起，集中于联系梁6与建筑1的缝隙内(即缝隙的正上方投影范围内)，保证所有打印头横梁3均可以打印到建筑1外边缘的情况下，减少联系梁6与建筑1的缝隙的宽度，进而减少轨道横梁2的长度并使得电动爬升装置以及轨道横梁2更加靠近已打印建筑，从而有效提高了整个打印***的稳定性和安全性。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，各所述打印头5独立控制。也就是说，每个打印头5是否用于打印是可以独立控制的，以便于打印出不同的造型。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述打印头杆4能够伸缩，带动所述打印头5上下移动，所述打印头杆4的伸缩范围可以为0～200mm，从而可以实现打印头5在竖直方向即Z向的移动。所述打印头杆4上可以具有用于伸缩所述打印头5的伸缩机构，以实现带动打印头5的上下移动。伸缩机构为本领域常规技术手段，此处不进行赘述。

本实施例中，为了提高平行轨道横梁2的稳定性，所述平行轨道横梁2的同侧端通过联系梁6固定连接。

本实施例中，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述电动爬升装置包括竖向导轨7以及电动爬升构件8，所述电动爬升构件8能够沿着所述竖向导轨7移动并能够固定于所述竖向导轨7上，所述竖向导轨7固定于已打印建筑1的外立面上。优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述竖向导轨7包括若干导轨段，所述导轨段分别通过附墙构件9固定于已打印建筑的外立面上，且相邻的导轨段首尾连接。所述竖向导轨7不但为打印装置提供了稳定的支撑，而且随着建筑1的升高，可以通过不断的增设导轨段加高竖向导轨7，配合电动爬升构件8的爬升，能够实现打印装置的稳定连续爬升，以适应建筑1的高度变化。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述附墙构件9的形状呈V型，所述附墙构件9包括两根附墙连杆，所述两根附墙连杆的一端连接在一起并与所述导轨段螺栓连接，所述两根附墙连杆的另一端分别与所述已打印建筑的两个相邻外立面上的预埋螺栓锁紧固定，从而可以使得竖向导轨7更加稳定的固定于已打印的建筑1上，进一步提高打印的安全性和可靠性。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，所述轨道横梁2具有一C型空腔，所述打印头横梁3的两端分别与一滑块10固定连接，所述滑块10与所述C型空腔相匹配，所述滑块10分别嵌设于对应轨道横梁2的C型空腔内并能够沿着对应轨道横梁2的C型空腔滑动。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***中，还包括打印头横梁驱动机构，所述打印头横梁驱动机构设置于所述滑块10上。所述打印头横梁驱动机构为现有技术，故未图示，可以采用如下结构：所述打印头横梁驱动机构包括驱动电机、传动机构以及滚轮对，所述滚轮对与所述轨道横梁2的C型空腔的内壁相接触，所述驱动电机经所述传动机构带动所述滚轮对转动，使得所述滑块10能够沿着所述轨道横梁2移动。

请继续参阅图1至图4，本实施例还公开了一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法，采用如上所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，包括如下步骤：

步骤一、安装所述爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，使所述竖向导轨7稳定附着于所述已打印建筑1的外立面，调整各打印头5至待打印高度。

步骤二、分别驱动各打印头横梁3，各打印头5同时或先后跟随对应的打印头横梁3移动，完成与打印头横梁3相应数量的建筑横截面层打印，也就是说，所述打印头5能够一边移动一边喷射建筑物料进行打印，接着，调整各打印头的高度至下一待打印高度，分别驱动各打印头横梁3，各打印头5同时或先后跟随对应的打印头横梁3反向移动，在刚打印完的建筑横截面层上完成另一与打印头横梁3相应数量的建筑横截面层打印，如此往复，直至完成打印施工。

优选的，在步骤二中，通过所述打印头杆4调整所述打印头5的高度，当打印头5的待打印高度超过打印头杆4的调节范围时，加高所述竖向导轨7至预定高度，所述电动爬升构件8带动整个打印装置向上爬升一预定距离，以满足打印头5的打印高度需求。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法中，在步骤二中，各打印头横梁3上的打印头5的高度沿打印头横梁3的前进方向逐个降低。也就是说，各打印头横梁3上的打印头5呈阶梯状位于所述已打印建筑1上方的待打印高度，位于打印头横梁3前进方向前面即第一位的打印头横梁3上的打印头5位置最低，即使得各打印头横梁3上的打印头5的高度沿打印头横梁3的前进方向逐个降低。如此，位于打印头横梁3前进方向第一位的打印头横梁3上的打印头5在水平移动中喷出的打印材料凝固后形成的建筑横截面层可以作为位于打印头横梁3前进方向第二位的打印头横梁3上的打印头5打印的基础，如此即可实现多层同步打印，有效提高了打印效率。

优选的，在上述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法中，在步骤二中，在每次打印前，先将各个打印头横梁3尽量靠在一起，位于打印前进方向的第一根打印头横梁3先移动一定距离后，位于打印前进方向的第二根打印头横梁3开始移动，依此类推，直至所有打印头横梁3开始移动。为了使得所有的打印头横梁3上的打印头5能够实现建筑1的边缘的打印，在每次打印前，需要将所有打印头横梁3移动到联系梁6与建筑1之间的缝隙内，缝隙的宽度为b。而缝隙越小，轨道横梁2所需的长度越短，且轨道横梁2以及电动爬升装置将更加靠近建筑，与建筑1的连接将更加可靠，可以提高整个打印***的稳定性和安全性。第一根打印头横梁3先移动一定距离后，位于打印前进方向的第二根打印头横梁3再开始移动可以保证第一根打印头横梁3上的打印头5打印的建筑横截面层具有足够的强度支撑第二根打印头横梁3上的打印头5的打印。

综上所述，本发明的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***及方法，通过在每根打印头横梁3上设置密布的打印头5，一方面将水平打印面内即打印***的XY平面内的双向移动转换为单向移动，简化了***，提高了3D打印***的可靠性；另一方面，结合在轨道横梁2之间设置至少两根打印头横梁3，打印头横梁3的每次单向水平移动可以进行至少两层的打印，有几根打印头横梁3就可以实现与打印头横梁3相应数量的层数的打印，因此显著提高了打印效率。

此外，本发明的所有打印头横梁各自独立运动，各相邻打印头横梁之间的距离可以进行调整，一方面，各个打印头横梁独立运动互不影响，可以根据需要打印的情况独立的带动相对应的打印头到指定位置进行打印工作，便于适应复杂体型建筑的打印，有利于提高打印效率；另一方面，在打印前可以将各个打印头横梁尽量靠在一起，集中于联系梁与建筑的缝隙内，保证所有打印头横梁均可以打印到建筑外边缘的情况下，减少联系梁与打打印建筑的缝隙的宽度，进而减少轨道横梁的长度并使得电动爬升装置以及轨道横梁2更加靠近已打印建筑，从而提高整个打印***的稳定性和安全性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，包括打印装置与电动爬升装置，所述电动爬升装置设置于已打印建筑的外立面上，所述电动爬升装置能够带动所述打印装置在竖直方向上移动；所述打印装置包括一对平行轨道横梁、至少两根相平行且各自独立运动的打印头横梁、若干打印头杆以及若干打印头，所述打印头横梁垂直于所述平行轨道横梁之间且能够沿着所述平行轨道横梁移动，所述打印头杆的一端固定连接于所述打印头横梁上，所述打印头杆的另一端设置所述打印头，且所述若干打印头杆密布于整根所述打印头横梁上。

2.如权利要求1所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，所述打印头杆能够伸缩，带动所述打印头上下移动。

3.如权利要求1所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，各所述打印头独立控制。

4.如权利要求1所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，所述轨道横梁具有一C型空腔，所述打印头横梁的两端分别与一滑块固定连接，所述滑块与所述C型空腔相匹配，所述滑块分别嵌设于对应轨道横梁的C型空腔内并能够沿着对应轨道横梁的C型空腔滑动。

5.如权利要求4所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，还包括打印头横梁驱动机构，所述打印头横梁驱动机构设置于所述滑块上，所述打印头横梁驱动机构包括驱动电机、传动机构以及滚轮对，所述滚轮对与所述轨道横梁的C型空腔的内壁相接触，所述驱动电机经所述传动机构带动所述滚轮对转动，使得所述滑块能够沿着所述轨道横梁移动。

6.如权利要求1所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，所述电动爬升装置包括竖向导轨以及电动爬升构件，所述电动爬升构件能够沿着所述竖向导轨移动并能够固定于所述竖向导轨上，所述竖向导轨固定于已打印建筑的外立面上，所述竖向导轨包括若干导轨段，所述导轨段分别通过附墙构件固定于已打印建筑的外立面上，且相邻的导轨段首尾连接。

7.如权利要求6所述的爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，其特征在于，所述附墙构件的形状呈V型，所述附墙构件包括两根附墙连杆，所述两根附墙连杆的一端连接在一起并与所述导轨段螺栓连接，所述两根附墙连杆的另一端分别与所述已打印建筑的两个相邻外立面上的预埋螺栓锁紧固定。

8.一种爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、安装如权利要求1-7中任意一项所述的所述爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印***，使所述竖向导轨稳定附着于所述已打印建筑的外立面，调整各打印头至待打印高度；

步骤二、分别驱动各打印头横梁，各打印头同时或者先后跟随对应的打印头横梁移动，完成与打印头横梁相应数量的建筑横截面层打印，接着，调整各打印头的高度至下一待打印高度，分别驱动各打印头横梁，各打印头同时或者先后跟随对应的打印头横梁反向移动，在刚打印完的建筑横截面层上完成另一与打印头横梁相应数量的建筑横截面层打印，如此往复，直至完成打印施工。

9.如权利要求8所述爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法，其特征在于，在步骤二中，通过所述打印头杆调整所述打印头的高度，当打印头的待打印高度超过打印头杆的调节范围时，加高所述竖向导轨至预定高度，所述电动爬升构件带动整个打印装置向上爬升一预定距离，以满足打印头的打印高度需求。

10.如权利要求8所述爬升式单轴多轨独立并联式建筑用3D打印方法，其特征在于，在步骤二中，各打印头横梁上的打印头的高度沿打印头横梁的前进方向逐个降低，且在每次打印前，先将各个打印头横梁尽量靠在一起，位于打印前进方向的第一根打印头横梁先移动一定距离后，位于打印前进方向的第二根打印头横梁开始移动，依此类推，直至所有打印头横梁开始移动。