CN106437152B - 建造塔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建造塔（2）的方法，该方法包括以下步骤：A：提供升降装置（13），该升降装置包括实现为与塔表面（S）接合的动态接合机构（131、133）；B：将三维打印设备（10）布置在升降装置（13）上；C：致动动态接合机构（131、133）以实现升降装置（13）的竖直升降；D：致动三维打印设备（10）从而使包括至少塔体区（20）的大体上为水平的材料层（L）沉积；E：重复步骤C和D而获得塔结构（2）。本发明还涉及一种利用这种方法所建造的塔和三维塔打印设备（1）。

Description

建造塔的方法

技术领域

本发明涉及一种建造塔的方法、塔、和三维塔打印设备。

背景技术

塔结构是各种用途所必需的，例如用于支撑风力涡轮机机舱，用于电视塔、桥梁支座、高压线塔等。高塔（如风力涡轮机组塔架）可以由在装配塔的地点实行连接的钢部件所制成。然而，钢的价格昂贵，并且塔节必须以高精确度制造从而能够装配塔。钢塔结构的另一个问题是在塔段不发生任何变形或椭圆形变的情况下将塔段运输到装配地点中的困难。因此，这种塔结构现在是使用混凝土而建造，因为混凝土相对较为经济。已知有各种方法。例如，环形塔节可以预制并且运输到装配地点，在该地点通过将塔段堆叠在另一个塔段的顶部上而装配塔。此方法的一个问题是沉重塔节的运输问题。可由混凝土或钢所制成的各塔节的尺寸常常是折中的。大塔节使非常高的塔的快速建造成为可能，但需要特殊的卡车和宽的道路将宽且沉重的塔节运输到装配地点。另一方面，小塔节可以用标准卡车在普通道路上运输，并且可以利用标准吊车将其举起和堆叠。然而，装配过程要花费较长时间因此费用更高，并且由小塔节所制成塔的高度受到了限制。另一个问题是要求用适当地大的吊车将塔节举起到适当位置。尤其是在近海风力涡轮机的情况下，该建造方法会是非常耗时且费用高的。将沉重的塔节举起到适当位置进行装配也是非常危险的过程。因为需要用吊车来堆叠多个塔节，所以塔的高度受到可使用吊车类型的限制。也必须建造适当地大的地基，以便支撑这种大且沉重的吊车。因为风速通常随着在地面或海平面上的高度增加而增大，所以风力涡轮机组塔架的高度与风力涡轮机的功率输出有直接关系。因此，至少在风能发电的领域中，期望建造非常高的塔。需要大吊车的施工工艺并非总是可行的，尤其在近海施工场地的情况下，因为在近海位置为常见的强风会限制最大吊车高度。因此，尤其在近海风力发电场的情况下，上述问题导致了对用已知工艺可以实现的最大塔高度的限制，因此这会限制可以从风中所获取能量的量。

在另一个方法中，可以通过以下方法现场浇筑混凝土塔：将混凝土倒入环形模具中，使得其硬化，使模具向上移动，并重复该过程直到塔达到期望的高度。此方法的一个问题是它相对较为耗时因此代价高，因为在可将模具去除之前各浇筑的塔节必须硬化到某种程度。使模具移动并调节其尺寸（从而允许直径的减小）的步骤也是耗时的。而且，大量的人工干预增加了塔的总成本。

因此，本发明的目的是提供一种建造非常高的塔同时克服已知的塔施工工艺的限制的方法。

该目的是通过建造塔的权利要求1的方法、通过权利要求8的塔、和通过权利要求9的三维塔打印设备而实现。

根据本发明，建造塔的方法包括以下步骤：

A：提供升降装置，该升降装置包括实现为实现与塔表面接合的动态接合机构；

B：将三维打印设备布置在升降装置上；

C：致动动态接合机构以实现升降装置的大体上竖直的升降；

D：致动三维打印设备以使至少包括塔体区的大体上为水平的材料层沉积；

E：重复步骤C和D而获得塔结构。

在本发明的上下文中，在增材制造工艺中，三维打印设备添加各层的材料（优选混凝土）从而使塔“长高”。当塔“长高”时，升降装置可以与以前打印的塔表面接合以便使三维打印设备升高或降低。在本发明的上下文中，材料层不要求侧向防漏，即三维打印设备使无粘结的或非包容性的层的材料沉积。被打印材料的一致性是使得它具备足够的流态性质以便打印，但也具有足够的粘度以保持其打印形状。优选地，三维打印设备被实现为包括一个或多个机械臂和相应的控制装置，例如工业机械臂装置。根据本发明的方法的一个优点（尤其是当把混凝土用作建筑材料时）是可以在基本上没有任何中断的情况下建造塔。在根据本发明的方法中，升降装置和三维打印设备大体上自由地相对于塔而悬挂，即，并不借助于脚手架、吊车、构架、吊钩、螺栓、或任何其它永久性或半永久性附接手段将升降装置附接或固定到塔。不同于常规的现场混凝土浇注工艺，无需建造滑模来容纳大体积流态混凝土；也无需暂缓建造过程直到浇筑的塔节已硬化。在已知的工艺中所必需的且当浇筑塔的高度增加时必须使其反复移动的其它模具在这里是不需要的。因此，根据本发明的方法非常有利地降低制造成本，因为该方法促成了用三维混凝土打印设备来打印混凝土塔的非常简单、经济的手段。

在根据本发明的方法中，按照特定的图案施加连续层的材料（优选混凝土）从而形成期望的结构。可以假设：三维打印设备包括给料头，该给料头具有用于以受控制的速度使受控制量的材料沉积的喷嘴或分配器；以及可以以受控制的方式使给料头移动。例如，如果正在使用混凝土建造环形塔节，那么可以对给料头进行控制以确定大体上为圆形的路径，使大体上为水平的层的混凝土沉积从而提供期望的层深度，同时形成塔体区和任何其它所需的区域。在本发明的上下文中，术语“大体上为水平的层”不排除打印层具有不平和/或略微倾斜的表面的可能性。而且，通过以螺旋形或螺旋状的方式施加连续层，可以以大体上无缝的方式使各层沉积。“塔体区”应被理解为大体上限定塔体形状的区域。

根据本发明，利用上述的方法来建造塔。根据本发明的塔的一个优点是，与已知的施工工艺相比可以非常迅速地完成塔的建造。而且，本发明的“塔打印过程”可以连续地并且基本上独立于天气条件或日时间而实施。根据本发明的塔可以非常快速地建造，因此可以与采用现有技术工艺所建造的塔相比明显地更加廉价，因为恶劣的天气条件（如大风）并不会造成问题，这不同于当大风导致大吊车的操作是危险时会需要中断的已知施工程序。利用根据本发明的方法，可以从地基高度到最高高度打印整个塔。可替代地，可以利用根据本发明的方法通过以前打印好的塔节的堆叠而装配塔。

根据本发明，三维塔打印设备包括：包括实现为与塔表面接合的动态接合机构的升降装置；用于致动动态接合机构从而实现升降装置的竖直位移的升降控制器；被布置在升降装置上的三维打印设备；和用于致动三维打印设备以便将材料沉积在一系列大体上为水平的层（各层包括至少塔体区）中以获得塔结构的打印控制器。

根据本发明的三维塔打印设备的一个优点是：该打印装置可以用于在快速建造过程中建造塔节、或者甚至是完整的塔。根据本发明的设备易于使用，并且当正在建造塔节或塔时无需额外的吊车或构架来固定该设备，该设备也无需模具来容纳流体材料直到它硬化。

本发明的特别优选的实施例和特征是由从属权利要求提供，正如在以下的描述中揭示。视情况可将不同权利要求类别的特征加以组合，从而提供本文中未描述的其它实施例。

术语“三维打印”与“增材制造”具有相同的含义，并且可互换地使用。在本发明的上下文中所使用的三维打印设备可以实现为打印或沉积适合于建造塔的一层的任何材料。在下文中，可假设该三维打印设备实现为用于以受控制的速度沉积或施加受控制量的流态混凝土。

基于混凝土拌合物组成、层厚度、环境温度、湿度等，在一定时间之后流态大体积混凝土将硬化。优选地，利用三维混凝土打印设备打印或沉积混凝土的速度是使得以前沉积的层已硬化到仍然允许该层与随后所施加的层粘结的程度。该三维混凝土打印设备可以包括用于分配流态混凝土的一个或多个给料头或喷嘴。例如，可用三个等距离布置的打印头同时地使混凝土层沉积，以便三个嵌套螺旋大体上地组成塔节。在具有相对较大直径且需要相应地大量混凝土的下塔区中使用数个打印头会是有利的。在具有较小直径的较高塔区中，单个打印头可足够了。多个给料头可共用一条共同的供给管路，或者可各自具有单独的供给管路。优选地，该三维混凝土打印设备实现为工业机器人，并且可以将给料头安装到具有数个自由度的关节机械臂，可以致动该机械臂从而以受控制的方式使给料头移动。在本发明的一个优选实施例中，打印控制器是用于控制工业机械臂及其给料头，以便打印出预定顺序的层，从而获得具有特定形状的塔。在该通常的三维打印方法中，一层的形状可仅略微不同于以前所沉积的层的形状。

工业混凝土打印机器人可以具有：被安装在升降装置的平台上的旋转支承基面、和可以径向移动的关节机械臂。由于这种实现方式，打印机器人可以到达沿塔圆周的任意点。平台相对于升降装置是静止的，并且当升降装置被致动时利用升降装置使该平台竖直地位移。可替代地，可将打印机器人安装到由升降装置所承载的可旋转基座或平台。

在本发明的一个特别优选的实施例中，所述方法包括致动三维打印设备以使若干爬升结构区沉积的步骤，其中爬升结构区的形状被设计成与升降装置的动态接合机构互补，从而获得包括与升降装置的动态接合机构接合的爬升结构的塔结构。爬升结构与升降装置接合，使得在塔向上“生长”时，当致动升降装置时，三维打印设备可以向上行进达相应的距离。

当利用根据本发明的增材制造方法建造塔时，可以在塔的内和/或外表面上形成爬升结构。其中形成爬升结构的方式可以取决于正在使用的升降装置的类型。同样地，可以根据可以形成的爬升结构的类型来建造升降装置。

在本发明的一个优选实施例中，爬升结构形成为延伸超过塔体，在空心塔的情况下优选地延伸进入塔内部。例如，爬升结构可以包括径向延伸进入塔内部的大体上竖直的肋部或突出部。这种肋部或突出部的内竖直表面可以形成为与升降装置的相应部分接合，正如将在下面说明的。此类型爬升结构的一个优点是肋部或突出部与塔体整体地形成，因此可以显著地增加塔的结构强度。该方面可以用于增加具有某个壁和塔体厚度的塔的结构强度。可替代地，由这种爬升结构所提供的结构强度可以允许在不折中其强度的情况下减小塔的壁或塔体厚度，由此有利地保持较低的材料成本。

高塔（如风力涡轮机组塔架）通常具有在底部比在顶部更宽的圆锥形形状，并且可以形成实现为竖直的肋部或突出部的爬升结构，使得其内竖直表面是在与塔的中心竖直轴线的大体恒定的距离处。在这种实现方式中，肋部突出进入塔内部的量将随着塔高度的增加而减小。

在本发明的另一个优选实施例中，爬升结构形成为至少部分地延伸进入塔体中。根据本发明的方法可以将上述两个原理加以组合，使得例如爬升结构在下塔区中从塔体向外延伸，并且形成为在上塔区中至少部分地延伸进入塔体中。

在本发明的一个优选实施例中，通过施加具有适当形状的爬升结构区的一系列层，而获得包括用于与升降装置的带齿的轮接合的至少一个带齿齿条的爬升结构。换句话说，打印或沉积混凝土层使得连续层形成爬升结构，各爬升结构具有与带齿的轮的突起部相匹配的一系列凹槽。在本发明的一个优选实施例中，升降装置包括多个竖直布置的带齿或脊形的轮，并且爬升结构包括相对应数量的竖直的带齿或脊形的齿条。例如，升降装置可以包括等距离地布置在大体上为水平的平面中的三个竖直的带齿的轮，并且爬升结构可以包括三个竖直带齿齿条的相应布置。齿条的“齿”是通过打印适当的层形状而形成，即通过使混凝土沉积以便在当前高度获得所期望的水平的截面形状（凹进或凸起）。为了使平台升高或降低，优选地使带齿的轮同步地转动，并且当轮的齿与齿条接合时将带齿的轮的旋转运动转换成平台的相应的竖直位移。

在本发明的另一个优选实施例中，爬升结构形成为包括至少一个螺旋状螺纹，用以容纳升降装置的爬升轮。例如，升降装置可以具有三个或更多的爬升轮，由此爬升轮布置为确定沿塔壁的螺旋状行进路径。爬升结构可以形成为包括凹进塔体内部的三个相对应的螺旋状螺纹。“螺纹”是通过打印适当的层形状而形成，即通过使混凝土沉积从而在当前高度获得所期望的水平的截面形状。为了使平台升高或降低，优选地使爬升轮同步地转动，并且将轮的旋转运动转换成平台的相应的竖直位移。爬升轮可以包括具有适当地高摩擦系数的外表面，使得爬升轮不抵靠在混凝土表面上滑动。可替代地，通过在至少一个螺旋状螺纹中形成与在爬升轮外表面上的齿或脊部相对应的一系列脊部，可以将该原理与上述带齿的轮与齿条原理加以组合。

在本发明的一个替代的优选实施例中，升降装置的动态接合机构包括大体上为水平的伸缩装置，该伸缩装置实现为将反压施加到塔内表面上以便将升降装置和三维打印设备悬挂在塔内部中。该伸缩装置可以包括数个伸缩“臂”，例如液压缸或机械臂，可以致动这些伸缩“臂”从而将向外的侧向力施加到塔内壁。伸缩臂可以包括大体上为细长或平直的臂。可替代地，伸缩臂可以是铰接的，即包括用一个或多个连接器所连接的细长段。在一个相对简单的实现方式中，可以使用三个或更多的液压缸，这些液压缸被等距离地布置在星形构造中并且将三维打印机支撑在星形构造的中心。位于星形构造的中心的液压泵和电机装置单独地和/或共同地控制伸缩臂的压力。在一个更加复杂的实施例中，伸缩装置包括机械伸缩臂，这些伸缩臂是用于将三维打印设备保持在适当位置并且用于使其向上或向下位移。在各伸缩臂的外端处的垫板可以增加与塔内壁的接触面积。各伸缩臂可以具有一个或多个自由度，例如相对于升降装置的中心的角自由度。为了实现竖直位移，可以减小由伸缩臂所施加的压力从而允许垫板沿塔内壁向上滑动（或者向下，如果升降装置正在下降）。一个或多个力/扭矩传感器可以将反馈提供给控制器，该控制器相应地调节压力。可以将力/扭矩传感器布置在任何适当位置，例如在垫板与臂之间、在臂与塔表面之间、在关节伸缩臂的连接器处，等。可替代地或另外，通过使用抽吸垫在垫板与塔壁之间形成真空同时伸缩臂是静止的，可以改善与塔表面S的接触。同样地，可以将高摩擦材料施加到垫板的外表面。

在本发明的另一个优选实施例中，升降装置包括伸缩装置，该伸缩装置实现为将反压施加到塔外表面上从而将升降装置和三维打印设备悬挂在塔内部。

可将上述原理组合在一个混合方法中。例如，升降装置可以配备有：承载带齿的轮的一个液压臂、及两个或更多个的液压伸缩臂（反之亦然）。可以对三维打印机进行控制从而打印出轮可以与之接合的一个竖直带齿齿条。可以致动伸缩臂使其跟随轮沿带齿齿条的竖直行进而向上（或向下）位移。

在另一个实现方式中，升降装置的动态接合机构可以实现为“跨越”塔壁的一种类型的夹持装置，该夹持装置具有一对或多对的液压和/或机械夹紧臂，例如关节臂，如上所述。夹紧臂可以以成对的方式布置。各臂可以终止于垫板中，该垫板可以位于抵靠在塔壁面上的位置。这样，夹紧臂对可以将反压施加到外侧和内侧壁面上。例如，可以对夹紧臂进行控制从而推动垫板使其抵靠在塔壁上，使得这些垫板与塔表面接合。可以将该三维打印设备安装在夹持装置的顶上，使得该三维打印设备大体上被悬挂在塔壁的上方。由于三个夹紧臂对（类似于衬套）的布置，两个夹紧臂对可以在任一时间施加反压同时第三夹紧臂对沿塔的圆周行进某个距离。通过交替地夹紧和移动，整个设备可以在三维打印机施加一层的流态混凝土时围绕塔圆周移动。可替代地，三维打印设备可以具有关节臂，该关节臂实现为在塔的最大直径上方伸长，以便该关节臂可以打印环形的环同时夹紧装置仍然保持静止。随后，当塔长高时，升降控制器可以致动夹持装置的液压臂从而实现升降装置和三维打印设备的竖直位移。可以对夹紧臂进行控制，以便根据三维打印机的位置和夹紧臂施加在升降装置上的任何扭矩来调节施加到内和外塔壁面的力。

在根据本发明的方法中，优选地将混凝土持续地提供给三维混凝土打印设备。为此目的，可以将混凝土搅拌与泵送装置用于连续地制备合适的混凝土拌合物并且将该混凝土拌合物在压力下泵送至三维混凝土打印设备的高度。适当地柔性和/或可伸缩的软管可以用于输送流态混凝土。优选地，根据混凝土的期望的坍落度值和/或待打印混凝土层的厚度和/或混凝土层的期望的硬化时间和/或在搅拌与泵送装置上方的三维混凝土打印设备或平台的当前高度，由合适的控制器来调节混凝土的组成。这种控制器优选地也调节泵压以补偿在泵与平台之间的流态混凝土柱的高度。由于这些措施，可以在增材制造工艺期间在塔的所有高度上确保混凝土组成的均质性。

升降装置优选地包括用于使轮转动从而使平台升高的驱动单元。为了致动升降装置，可以利用适当的控制器来控制驱动单元，该控制器导致驱动单元使平台以期望的速度升高或降低。例如，当正在建造塔或塔节时，可以以受控制的速度使升降装置升高，该受控制的速度可以由已沉积混凝土的硬化速度、在该高度上的塔周长、和所使用打印头的数量所决定。这样，通过以同步的方式控制三维打印头和升降装置，能够连续地将混凝土打印到当前的最高表面上，使得塔结构在不中断的情况下“生长”。有利地，快速塔建造可以显著降低风力涡轮机的总成本。

在本发明的一个优选实施例中，用于控制各种部件的任何控制器被同步化。例如，打印控制器（用于控制三维混凝土打印设备）、驱动单元（用于使平台升高或降低）、和搅拌装置控制器（用于控制混凝土搅拌与泵送装置）可以以同步的方式操作。例如，搅拌装置控制器可以调节混凝土组成和泵送压力，从而确保混凝土拌合物直到将其从给料头中喷射出之时具有正确的一致性，同时打印控制器可以以基于正在被打印层的表面积的速度而使混凝土沉积，该表面积相应地取决于在该水平上的塔高度。类似地，驱动单元可以对使升降平台升高的速度进行控制，以便在较低高度较缓慢地使平台升高（因为这些层是较大的）并且在较高高度较快速地使平台升高（由于它们相对较小的面积，可以更迅速地沉积）。例如，控制器可以单独实现，或者可以合并在***控制器中。可以将适当的计算机程序产品装载入这种***控制器的存储器中，以便生成用于致动三维混凝土打印设备以使混凝土层沉积、用于致动升降装置的驱动单元、和用于控制搅拌与泵送装置的一系列指令。

混凝土结构通常需要一些类型的加强元件，从而使其能够承受载荷力。因此，在本发明的一个优选实施例中，使混凝土层沉积从而在塔体中形成若干竖直的通道，用以容纳后应力绳索或柔绳。可替代地或另外，当正在打印塔时，可以将加强元件（如螺纹钢筋）埋入混凝土中。与此同时，可以将避雷线埋入塔体中，正如对于本领域技术人员将是已知的。

因为增材制造工艺是高度柔性的，所以在实施根据本发明的三维塔打印方法期间可以考虑其它方面。例如，在建造过程期间可以在塔的较低区留出随后可以用作进入塔内部的门道的一个开口，或者留出电力电缆离开塔所经过的一个开口。与高塔（如风力涡轮机组塔架，尤其是近海塔）有关的一个已知问题是在大风状况期间的塔载荷问题。根据本发明的方法将会允许在塔体中在各种高度上形成狭窄的竖直狭缝的布置，以便风可以穿过塔，由此减小载荷力。根据本发明的方法也可以用于打印“蜂窝”结构，该结构基本上对风是开放的，以便风进入塔的各区域。

根据本发明的方法可以用于从地基高度到最高高度三维打印出整个混凝土塔。例如，可以从其地基到安装偏航装置的最高高度三维打印出混凝土风力涡轮机组塔架。根据本发明的方法尤其适合于近海塔的建造，因为三维打印方法无需任何大的吊车设备并且可以显著地降低总施工成本。可替代地，可以三维打印出混凝土塔节，然后进行堆叠从而建造完整的塔。

一旦塔已完成，便可以将升降装置拆除。可替代地，升降装置和驱动单元可以留在塔中，并且可以用于支撑高度可调节的维修平台，例如以便允许维修技术人员进入在风力涡轮机组塔架的较高高度上的偏航驱动单元。

根据本发明的方法和装置并不局限于塔的建造，也可以用于建造多种结构。例如，可以利用根据本发明的方法来建造建筑物的直壁部。

附图说明

基于以下的详细描述并结合附图，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应该理解的是，附图是仅仅用于说明的目的而并非定义为用于对本发明的限制。

图1示出了根据本发明的采用塔打印设备的第一实施例的塔建造阶段；

图2示出了根据本发明的混凝土塔的部分建造的第一实施例的透视图；

图3示出了根据本发明的混凝土塔的部分建造的第二实施例的剖视图；

图4示出了根据本发明的采用塔打印设备的第二实施例的塔建造阶段；

图5示出了根据本发明的采用塔打印设备的第二实施例的塔建造阶段。

在所有示意图中，类似的附图标记指代类似的物体。在各示意图中的各物体未必按比例绘制。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明的采用三维塔打印设备1的第一实施例的塔建造阶段。该示意图示出了部分完成的塔结构2。三维打印设备1包括工业机器人10，该工业机器人被实现为在增材制造工艺中从给料头11中分配流态混凝土，在该增材制造工艺中“打印”连续的混凝土层L以获得塔结构2。将该三维混凝土打印机布置在被安装到升降装置13的平台12上。搅拌与泵送装置15将混凝土搅拌并且将流态混凝土泵送至三维混凝土打印机10。当然，可以将流态混凝土直接地提供至给料头11。打印控制器14（在示意图中被图示为抽象的方框）发出打印命令140，以便控制待分配混凝土的量、分配速度、给料头的移动，等。打印控制器14可以是总***控制器（在示意图中未示出）的一部分。可以将打印命令140以无线方式或者利用有线通信接口发送给机器人10。

在此示例性实施例中，对机器人10进行控制以使无粘结的混凝土层L相继地沉积从而使塔体及爬升结构S1“长高”。塔体具有中空的圆锥形形状（用虚线表示），并且在此实施例中，爬升结构S1实现为延伸进入塔结构2的内部22的若干肋部或突出部，并且脊形外表面与升降装置13的脊形或带齿的轮131接合。这里，各爬升结构S1的脊形外表面维持与塔2的中心轴线X大体上恒定的距离D，因此突出部S1或肋部S1在下塔区最远地延伸进入塔内部22。在最高的塔高度，各爬升结构S1的脊形外表面可以变得与塔壁同高。为了简单起见，该示意图中仅示出了两个在直径方向上相反的爬升结构S1。实际的布置可以包括以120°间隔等距离布置的三个这种爬升结构S1，例如或者以90°间隔等距离布置的四个爬升结构S1。

对机器人10进行控制以使混凝土沉积在塔体区和爬升结构区中从而形成在示意图中所示的整体结构2。最初，在形成较低的高度时，可以不需要升降装置。在塔已“长高”到某个高度之后，可以将升降装置13布置为与爬升结构S1接合，并且可以控制升降装置13的驱动单元130从而致动带齿的轮131，由此使平台12向上升高，如由箭头所表示。驱动单元130可以包括电机，例如由蓄电池驱动或者连接到发电机（未图示）的电动机。***控制器可以以同步的方式控制打印机器人10、搅拌装置15、和驱动单元130，以便利用进料管线150将具有正确的一致性的混凝土连续地提供给机器人10，该机器人10使给料头11移动从而沿预定的图案沉积螺旋状层的混凝土同时利用升降装置13使平台缓慢地向上升高。这样，塔结构2可以以基本上不间断的方式“长高”。虽然示意图中仅示出了具有用于一个给料头的一个关节臂的机器人10，但应当理解的是，设备1可以包括多个这种关节臂，从而允许多个给料头以同步的方式施加各层的混凝土。

本发明的增材制造工艺是快速且不复杂的，从而能够在相对较短的时间内“打印出”非常高的塔，并且无需用于正在使湿混凝土沉积时容纳湿混凝土或者使湿混凝土成形的任何模具或滑模。由本发明所采用的方法允许在使混凝土硬化时无需用于混凝土的任何容器或模具的情况下沉积或打印具有精确控制的一致性（在湿度、粘度、坍落度值、凝结时间等方面）的各层的混凝土。以这种方式施加连续的无粘结或非包容性层的混凝土可形成在塔壁上的脊形结构。如果希望获得平滑的壁（例如平滑的塔外壁），可利用另一个工具使打印层的外表面变平滑，例如可沿软质混凝土的外表面拉动平直的刀片以使混凝土的外表面变平滑。例如，可以由另一个机械臂引导这种工具以便跟随打印机头。

该示例性实施例示出了经由进料管线150连接到打印机器人10的搅拌装置15，并且进料管线150穿过在较低塔区中的开口220。该开口220可以用作以后用于进入塔的门道，或者提供用于从电力线到海底电缆的通道。尽管在示意图中未示出，但当把设备1用于整体地建造整个塔时，进料管线150可以延伸到达塔结构2的最高高度。

图2中示出了混凝土塔结构2的部分建造的第一实施例的简化透视图。该示意图中示出了三个等距离布置的肋部S1的布置，该肋部S1具有用于与升降装置（未图示）的带齿或脊形轮接合的脊形外表面。当使升降装置的轮转动时，将使被安装到升降装置的平台竖直地移动。该示意图中示出了一系列的层L。已通过沿着大体上圆形的路径引导三维混凝土打印机器人的给料头以使混凝土沉积在塔体区20和爬升结构区21中，而沉积最高的层L。为了在爬升结构区21中打印出略微的“悬突”，可以控制给料头以便更加缓慢地释放混凝土，使得在使混凝土沉积时混凝土可以有效地硬化。也可以引导三维混凝土打印机器人的给料头从而不使混凝土沉积在空腔区200中，即避开这种空腔区200。在各层的高度，利用打印头“排除”空腔区200，使得完成的塔结构将具有用于后应力绳索或柔绳的若干竖直通道。

图3中示出了混凝土塔结构2的部分建造的第二实施例的剖视图。在此实施例中，爬升结构S2包括以相对平直的间距凹进塔壁中的三个“螺旋状螺纹”S2。具有三个倾斜的爬升轮的升降装置可以与这些螺旋状凹槽接合，并且当使轮转动时，被安装到升降装置的平台将竖直地移动。这里，在三维混凝土打印过程期间，也可以在塔体中形成用于后应力缆线的竖直空腔。同样地，在任何的这些实施例中，可以将其它加强元件（如螺纹钢筋）埋在塔体中。除了用于给料头的其关节臂外，机器人10还可以具有专用于操纵螺纹钢筋元件的关节臂。

图4中示出了根据本发明的采用三维塔打印设备1的第二实施例的塔建造阶段。这里，如已在图1中所示，将机器人10布置在可以由升降装置13使其升高的平台12上。在此实施例中，已沿着塔壁形成爬升结构S3，即随着塔高度的增加从塔轴线X到爬升结构S3的脊形表面的距离减小。升降装置13包括可调节装置，例如用于使脊形轮131在塔壁的方向上伸展的液压驱动单元和一组液压活塞。当塔长高时，当正在使脊形轮131转动以使平台升高时，可以将液压活塞回缩。当塔完成时，通过使轮在相反的方向上转动并且使液压活塞伸长使得脊形轮始终与爬升结构接合，可以使平台下降。

此实施例还示出了具有相同类型升降装置13的第二平台12。该第二平台是用于承载搅拌装置15。该布置的一个优点是进料管线150无需过分地长，即使正在建造非常高的塔时。相对较短的进料管线150可以确保混凝土直到混凝土到达用于打印的给料头11的时间仍然充分地处于流态。***控制器16发出打印命令140、搅拌命令150、和驱动命令132，从而以受控制和同步的方式来控制三维塔打印设备1的元件10、11、13、15。

图5中示出了根据本发明的采用三维塔打印设备1的第二实施例的塔建造阶段。该示意图中示出了部分完成的塔结构2。如前面的示意图中所示，三维打印设备1包括实现为从给料头11中分配出流态混凝土的工业机器人10。在此实施例中，将三维混凝土打印机安装到升降装置，该升降装置采用液压活塞133或伸缩臂133的星形装置并利用相对的压力的原理将三维混凝土打印机10悬挂在塔内部。将垫板或足134安装在各液压伸缩臂133的端部。臂133起源于位于星形构造中心的中央件。该中央件可以容纳用于调节各伸缩臂133中的压力的任何泵、电机等。各臂133具有相对于中央件的某个角自由度，以便垫板134可以向上移动到塔壁上的新位置。在此实施例中，对三个等距离的伸缩臂133进行控制从而经由三个垫板134施加反压P。当打印头11使一层的流态混凝土沉积时，施加压力从而将打印机10保持在期望的高度。***控制器16可以发出打印机控制命令160和提高控制命令161，以使升降装置13的移动与打印过程同步。

一个替代实施例（未图示）可以包括三个或更多的伸缩臂的两个星形构造，这些伸缩臂起源于相同的中央件，并且被布置成使得一组的伸缩臂连续地施加反压从而将打印设备悬挂在适当位置同时使其它组的伸缩臂向上位移。重复该过程，其中各组的活塞交替地固定三维打印机的位置然后向上移动。类似的控制程序允许当塔完成时使打印机反向地向下降低到地面。

在另一个实现方式中，三维塔打印设备1可以包括用于“跨越”塔壁2的夹持装置，例如具有用于将反压施加到外和内壁面上的三个夹紧臂对的布置。可以将三维打印设备10安装在大体上被悬挂在塔壁2的上方的夹持装置的顶上。当第三臂对沿塔的圆周行进一定距离时，两个夹紧臂对可以在任一时间施加反压。可替代地，三维打印设备10可以具有关节臂，该关节臂实现为在塔2的最大直径的上方伸展，以便该打印设备可以打印出环形的环同时夹紧装置仍然保持静止。

类似于图1，搅拌与泵送装置（未图示）将混凝土搅拌并且将流态混凝土泵送至三维混凝土打印机10，并且打印控制器（未图示）发出打印命令140以便控制待分配混凝土的量、分配的速度、给料头的移动，等。图1中所图示说明的控制方法也可以应用于此处，例如***控制器可以控制打印机器人10、搅拌装置和驱动单元130，以便经由进料管线将具有正确的一致性的混凝土继续地提供给机器人10，该机器人10使给料头11沿着预定的图案移动从而使螺旋状层的混凝土沉积，并且致动伸缩臂从而逐渐地升高打印机10。

尽管上面以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但应当理解的是，在不背离本发明范围的前提下，可以对其做出许多另外的修改和变型。

为了清楚起见，应该理解的是在整个本申请中“一”或“一个”的使用不排除多个的情况，并且“包括”并不排除其它的步骤或元件。

Claims (10)

1.一种建造塔（2）的方法，所述方法包括以下步骤：

A：提供升降装置（13），所述升降装置包括实现为与塔表面（S）接合的动态接合机构（131、133）；

B：将三维打印设备（10）布置在所述升降装置（13）上；

C：致动所述动态接合机构（131、133）以实现所述升降装置（13）的竖直升降；

D：在不使用滑模的情况下，致动所述三维打印设备（10）从而使包括至少塔体区（20）的大体上为水平的材料层（L）沉积；

E：重复步骤C和D而获得塔结构，

其中，所述升降装置（13）的所述动态接合机构包括若干带齿的轮，并且其中，爬升结构（S1、S3）形成为包括用于与带齿的轮接合的至少一个带齿齿条；或者

其中，所述升降装置（13）的所述动态接合机构包括多个竖直布置的带齿的轮，并且其中，爬升结构（S1、S3）形成为包括相应数量的竖直带齿齿条；或者

其中，爬升结构（S2）包括多个螺旋状螺纹，用以容纳所述升降装置（13）的相应数量的爬升轮。

2.根据权利要求1所述的方法，包括致动所述三维打印设备（10）从而使若干爬升结构区（21）沉积的步骤，其中爬升结构区（21）的形状被设计成与所述升降装置（13）的所述动态接合机构（131）互补，从而获得包括与所述升降装置（13）的所述动态接合机构（131）接合的爬升结构（S1、S2、S3）的塔结构。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，爬升结构（S1、S2、S3）形成为至少部分地延伸进入所述塔（2）的主体中，并且/或者至少部分地延伸超过所述塔（2）的主体，并且/或者延伸进入塔内部（22）。

4.根据权利要求1或2所述的方法，包括致动所述升降装置（13）从而以与以前所施加材料层（L）的硬化时间相对应的速度使被安装到所述升降装置（13）的平台（12）升高的步骤。

5.一种利用根据权利要求1至4中任一项所述的方法所建造的塔（2）。

6.一种三维塔打印设备（1），包括：

升降装置（13），所述升降装置包括实现为与塔表面（S）接合的动态接合机构（131、133）；

升降控制器，所述升降控制器是用于致动所述动态接合机构（131、133）以实现所述升降装置（13）的竖直位移（V）；

三维打印设备（10），所述三维打印设备被布置在所述升降装置（13）上；和

打印控制器（14），所述打印控制器是用于在不使用滑模的情况下致动所述三维打印设备（10）以将材料沉积在一系列大体上为水平的层（L）上，各层（L）包括至少塔体区（20），从而获得塔结构，

其中，所述升降装置（13）的所述动态接合机构包括若干轮，并且其中，所述打印控制器（14）实现为控制所述三维打印设备（10）从而打印出若干爬升结构区（21），其中，爬升结构区（21）的形状被设计成与轮互补；或者

其中，所述升降装置（13）的所述动态接合机构包括实现为将反压（P）施加到塔内表面上的伸缩装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，在所述升降装置（13）的所述动态接合机构包括实现为将反压（P）施加到塔内表面上的伸缩装置的情况下，所述伸缩装置包括伸缩臂的至少一个星形构造。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述升降装置（13）包括液压驱动***（130）。

9.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述三维打印设备（10）包括工业机器人（10），所述工业机器人（10）具有实现为响应于来自所述打印控制器（14）的打印指令（140）而分配所述材料的给料头（11）。

10.根据权利要求6或7所述的设备，包括：用于将流态混凝土搅拌且用于将所述流态混凝土泵送至所述三维打印设备（10）的搅拌与泵送设备（15）、和实现为根据在所述三维打印设备（10）的地面上的高度来调节所述流态混凝土组成和所述泵送压力的搅拌装置控制器。

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