CN113370345A - 外框内旋式3-d混凝土打印方法及专用打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开外框内旋式3‑D混凝土打印方法及专用打印设备，包括支撑机构、调整机构和打印机构；所述支撑机构架设在待打印墙体处，所述调整机构固定安装在所述支撑机构上，所述打印机构设置在所述调整机构上，所述调整机构驱动所述打印机构沿纵向运动，所述打印机构可在所述调整机构上沿横向运动和周向运动；本发明，由于工作臂围绕中轴匀速旋转，工作臂驱动电机始终在最佳转速工作而不需频繁启停，因而能耗降低，软件控制***和硬件驱动***仅需控制打印头在工作臂上做直线运动，因而打印机的软、硬件***得到简化，提高了***可靠性，由于采用多打印头同时工作，建造效率高，外框内旋式3‑D混凝土打印方法在打印规则的圆形建筑时具有显著的效率优势。

Description

外框内旋式3-D混凝土打印方法及专用打印设备
技术领域
本发明涉及3-D混凝土打印技术领域。具体地说是外框内旋式3-D混凝土打印方法及专用打印设备。
背景技术
现有的3-D混凝土打印机主要分为门架式和机械臂式两大类，其共同的工作特点是打印口在水平面上二维坐标的定位(不论采用平面坐标系还是极坐标系)均需要两台及以上的驱动电机来驱动运动机构实现，当所打印对象为圆形或曲线时，这些驱动电机需要频繁的进行启动-刹车，因而消耗了大量的电能，也降低了设备使用寿命、降低了工作效率，对于3-D混凝土打印的规模化产业化应用及实现建筑智能化建造是个不利因素。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种节省能源并且工作效率高的外框内旋式3-D混凝土打印方法及专用打印设备。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，包括支撑机构、调整机构和打印机构；所述支撑机构架设在待打印墙体处，所述调整机构固定安装在所述支撑机构上，所述打印机构设置在所述调整机构上，所述调整机构驱动所述打印机构沿纵向运动，所述打印机构可在所述调整机构上沿横向运动和周向运动。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述调整机构包括外框上拉杆、中轴轴套、中轴、中轴升降齿条和中轴升降电机；所述外框上拉杆的一端与所述支撑机构固定连接，所述外框上拉杆的另一端与所述中轴轴套固定连接；所述中轴插接在所述中轴轴套的内部，所述中轴升降齿条竖直安装在所述中轴的外表面，所述中轴升降电机固定安装在所述中轴轴套的顶端，且所述中轴升降电机的动力输出端与所述中轴升降齿条啮合连接。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述打印机构包括工作臂驱动电机、工作臂驱动轴、工作臂、外打印头、内打印头、中打印头和打印头送料电机；所述工作臂驱动电机固定安装在所述中轴的顶端，所述工作臂驱动轴的顶端与所述工作臂驱动电机的输出轴相连接，所述工作臂驱动轴的底端穿过所述中轴的轴向中孔伸出到所述中轴的下方；所述工作臂的数量为三个且位于同一水平面上，三个所述工作臂的一端均与连接环焊接在一起，且每相邻两个所述工作臂之间夹角相等，连接环安装在所述工作臂驱动轴的底端；所述外打印头、所述内打印头和所述中打印头的上方分别安装有所述打印头送料电机，所述外打印头、所述内打印头和所述中打印头分别通过行走组件安装在三个所述工作臂远离所述中轴的一端。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述行走组件包括滑套、打印头行走电机和滚轮；所述打印头行走电机固定安装在所述滑套的外部，所述滚轮同轴安装在所述打印头行走电机的输出轴上，所述滚轮穿过所述滑套的上表面伸入到所述滑套的内部，所述外打印头、所述内打印头和所述中打印头分别竖直安装在三个所述滑套的一侧，三个所述滑套分别套接在所述工作臂远离所述中轴的一端，所述滚轮的外表面与所述工作臂的上表面相接触，且所述滚轮的中轴线垂直于所述工作臂的长度方向。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述支撑机构包括升降腿、底座调整螺钉、外框立柱、外框下横梁和吊耳；所述底座调整螺钉螺纹安装在所述升降腿的底端，所述升降腿的数量为三个，三个所述升降腿构成等边三角形，且通过所述底座调整螺钉同轴设置在所述待打印墙体的***；所述外框立柱固定安装在所述升降腿的顶端，所述外框立柱的数量为三个；所述外框下横梁的数量为三个，三个所述外框下横梁的一端通过螺钉安装在三个所述外框立柱的一侧靠近顶端的位置；所述吊耳焊接在所述外框立柱的顶端；所述外框上拉杆的一端与所述外框立柱固定连接，所述外框下横梁的另外一端与所述中轴轴套固定连接。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述待打印墙体包括打印建筑墙体外壁、打印建筑墙体内壁和墙体加强筋；所述打印建筑墙体外壁呈圆形，所述打印建筑墙体内壁也呈圆形，所述打印建筑墙体内壁的直径小于所述打印建筑墙体外壁，所述打印建筑墙体内壁同轴位于所述打印建筑墙体外壁的中心位置，所述墙体加强筋设置于所述打印建筑墙体外壁与所述打印建筑墙体内壁之间，所述打印建筑墙体外壁通过所述墙体加强筋与所述打印建筑墙体内壁相连接。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述工作臂在工作时绕所述中轴顺时针旋转或逆时针旋转。
上述外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，所述工作臂、所述外打印头、所述内打印头和所述中打印头均位于所述外框立柱的内侧。
外框内旋式3-D混凝土打印方法，包括如下步骤：
步骤A：在待打印墙体处架设权利要求1-8所述的打印设备；
步骤B：打印机构在调整机构上进行横向运动的同时还进行周向运动，实现一个水平面上的所述待打印墙体的打印；
步骤C：调整机构带动打印机构纵向运动，实现下一个水平面上的所述待打印墙体的打印；
步骤D：在打印机构内装入打印材料并对打印机构进行调试，然后对打印机构的位置进行调整；
步骤E：启动打印程序开始对建筑物打印。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明，由于工作臂围绕中轴匀速旋转，工作臂驱动电机始终在最佳转速工作而不需频繁启停，因而能耗降低。
本发明，软件控制***和硬件驱动***仅需控制打印头在工作臂上做直线运动，因而打印机的软、硬件***得到简化，提高了***可靠性。
本发明，由于采用多打印头同时工作，打印速度快，建造效率高。
本发明，外框内旋式3-D混凝土打印方法在打印规则的圆形建筑时具有显著的效率优势。
本发明，由于软硬件***大幅简化外框内旋式3-D混凝土打印机相对于门架式和机械臂式3-D混凝土打印机具有显著地成本优势。
本发明，外框内旋式3-D混凝土打印机结构简单、易于拆装和运输。
本发明，通过设置升降腿，方便上下打印空间的调整，底座调整螺钉方便对本装置的水平度进行调整，吊耳可以方便对本装置的起吊，外框立柱和外框下横梁之间通过螺钉连接方便拆卸运输且方便在现场进行组装。
本发明，通过设置调整机构，可以对工作臂以及工作臂上的打印头的高度进行调节，且仅通过一个中轴升降电机就可以完成高度上的调节，结构简单，省时省力。
附图说明
图1本发明平面结构示意图；
图2本发明俯视结构示意图；
图3本发明工作臂与打印头工作结构示意图。
图中附图标记表示为：1-外框立柱；2-外框下横梁；3-外框上拉杆；4-中轴轴套；5-中轴；6-工作臂；7-外打印头；8-内打印头；9-中打印头；10-中轴升降齿条；11-工作臂驱动轴；12-吊耳；13-底座调整螺钉；14-工作臂驱动电机；15-中轴升降电机；16-打印头送料电机；17-打印头行走电机；18-打印建筑墙体外壁；19-打印建筑墙体内壁；20-墙体加强筋；21-升降腿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，包括支撑机构、调整机构和打印机构；支撑机构架设在待打印墙体处，调整机构固定安装在支撑机构上，打印机构设置在调整机构上，调整机构驱动打印机构沿纵向运动，打印机构可在调整机构上沿横向运动和周向运动。
如图1-3所示，调整机构包括外框上拉杆3、中轴轴套4、中轴5、中轴升降齿条10和中轴升降电机15；外框上拉杆3的一端与支撑机构固定连接，外框上拉杆3的另一端与中轴轴套4固定连接；中轴5插接在中轴轴套4的内部，中轴升降齿条10竖直安装在中轴5的外表面，中轴升降电机15固定安装在中轴轴套4的顶端，且中轴升降电机15的动力输出端与中轴升降齿条10啮合连接，打印机构包括工作臂驱动电机14、工作臂驱动轴11、工作臂6、外打印头7、内打印头8、中打印头9和打印头送料电机16；工作臂驱动电机14固定安装在中轴5的顶端，工作臂驱动轴11的顶端与工作臂驱动电机14的输出轴相连接，工作臂驱动轴11的底端穿过中轴5的轴向中孔伸出到中轴5的下方；工作臂6的数量为三个且位于同一水平面上，三个工作臂6的一端均与连接环焊接在一起，且每相邻两个工作臂6之间夹角相等，连接环安装在工作臂驱动轴11的底端；外打印头7、内打印头8和中打印头9的上方分别安装有打印头送料电机16，外打印头7、内打印头8和中打印头9分别通过行走组件安装在三个工作臂6远离中轴5的一端，行走组件包括滑套、打印头行走电机17和滚轮；打印头行走电机17固定安装在滑套的外部，滚轮同轴安装在打印头行走电机17的输出轴上，滚轮穿过滑套的上表面伸入到滑套的内部，外打印头7、内打印头8和中打印头9分别竖直安装在三个滑套的一侧，三个滑套分别套接在工作臂6远离中轴5的一端，滚轮的外表面与工作臂6的上表面相接触，且滚轮的中轴线垂直于工作臂6的长度方向，打印机构可以在其所能移动到的位置打印任意形状的构件，如矩形和不规则曲线构件，且根据所打印构件的构造不同，外打印头7、内打印头8和中打印头9可同时工作也可以单独工作，支撑机构包括升降腿21、底座调整螺钉13、外框立柱1、外框下横梁2和吊耳12；底座调整螺钉13螺纹安装在升降腿21的底端，升降腿21的数量为三个，三个升降腿21构成等边三角形，且通过底座调整螺钉13同轴设置在待打印墙体的***；外框立柱1固定安装在升降腿21的顶端，外框立柱1的数量为三个；外框下横梁2的数量为三个，三个外框下横梁2的一端通过螺钉安装在三个外框立柱1的一侧靠近顶端的位置；吊耳12焊接在外框立柱1的顶端；外框上拉杆3的一端与外框立柱1固定连接，外框下横梁2的另外一端与中轴轴套4固定连接，待打印墙体包括打印建筑墙体外壁18、打印建筑墙体内壁19和墙体加强筋20；打印建筑墙体外壁18呈圆形，打印建筑墙体内壁19也呈圆形，打印建筑墙体内壁19的直径小于打印建筑墙体外壁18，打印建筑墙体内壁19同轴位于打印建筑墙体外壁18的中心位置，墙体加强筋20设置于打印建筑墙体外壁18与打印建筑墙体内壁19之间，打印建筑墙体外壁18通过墙体加强筋20与打印建筑墙体内壁19相连接，工作臂6在工作时绕中轴5顺时针旋转或逆时针旋转，工作臂6、外打印头7、内打印头8和中打印头9均位于外框立柱1的内侧。
外框内旋式3-D混凝土打印方法，包括如下步骤：
步骤A：在待打印墙体处架设权利要求1-8的打印设备；
步骤B：打印机构在调整机构上进行横向运动的同时还进行周向运动，实现一个水平面上的待打印墙体的打印；
步骤C：调整机构带动打印机构纵向运动，实现下一个水平面上的待打印墙体的打印；
步骤D：在打印机构内装入打印材料并对打印机构进行调试，然后对打印机构的位置进行调整；
步骤E：启动打印程序开始对建筑物打印。
工作原理：由于工作臂6围绕中轴5匀速旋转，工作臂驱动电机14始终在最佳转速工作而不需频繁启停，因而能耗降低，软件控制***和硬件驱动***仅需控制打印头在工作臂6上做直线运动，因而打印机的软、硬件***得到简化，提高了***可靠性，由于采用多打印头同时工作，打印速度快，建造效率高，外框内旋式3-D混凝土打印方法在打印规则的圆形建筑时具有显著的效率优势，由于软硬件***大幅简化外框内旋式3-D混凝土打印机相对于门架式和机械臂式3-D混凝土打印机具有显著地成本优势，外框内旋式3-D混凝土打印机结构简单、易于拆装和运输，通过设置升降腿21，方便上下打印空间的调整，底座调整螺钉13方便对本装置的水平度进行调整，吊耳12可以方便对本装置的起吊，外框立柱1和外框下横梁2之间通过螺钉连接方便拆卸运输且方便在现场进行组装，通过设置调整机构，可以对工作臂6以及工作臂6上的打印头的高度进行调节，且仅通过一个中轴升降电机15就可以完成高度上的调节，结构简单，省时省力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，包括支撑机构、调整机构和打印机构；
所述支撑机构架设在待打印墙体处，所述调整机构固定安装在所述支撑机构上，所述打印机构设置在所述调整机构上，所述调整机构驱动所述打印机构沿纵向运动，所述打印机构可在所述调整机构上沿横向运动和周向运动。
2.根据权利要求1所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述调整机构包括外框上拉杆(3)、中轴轴套(4)、中轴(5)、中轴升降齿条(10)和中轴升降电机(15)；
所述外框上拉杆(3)的一端与所述支撑机构固定连接，所述外框上拉杆(3)的另一端与所述中轴轴套(4)固定连接；所述中轴(5)插接在所述中轴轴套(4)的内部，所述中轴升降齿条(10)竖直安装在所述中轴(5)的外表面，所述中轴升降电机(15)固定安装在所述中轴轴套(4)的顶端，且所述中轴升降电机(15)的动力输出端与所述中轴升降齿条(10)啮合连接。
3.根据权利要求2所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述打印机构包括工作臂驱动电机(14)、工作臂驱动轴(11)、工作臂(6)、外打印头(7)、内打印头(8)、中打印头(9)和打印头送料电机(16)；
所述工作臂驱动电机(14)固定安装在所述中轴(5)的顶端，所述工作臂驱动轴(11)的顶端与所述工作臂驱动电机(14)的输出轴相连接，所述工作臂驱动轴(11)的底端穿过所述中轴(5)的轴向中孔伸出到所述中轴(5)的下方；所述工作臂(6)的数量为三个且位于同一水平面上，三个所述工作臂(6)的一端均与连接环焊接在一起，且每相邻两个所述工作臂(6)之间夹角相等，连接环安装在所述工作臂驱动轴(11)的底端；
所述外打印头(7)、所述内打印头(8)和所述中打印头(9)的上方分别安装有所述打印头送料电机(16)，所述外打印头(7)、所述内打印头(8)和所述中打印头(9)分别通过行走组件安装在三个所述工作臂(6)远离所述中轴(5)的一端。
4.根据权利要求3所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述行走组件包括滑套、打印头行走电机(17)和滚轮；
所述打印头行走电机(17)固定安装在所述滑套的外部，所述滚轮同轴安装在所述打印头行走电机(17)的输出轴上，所述滚轮穿过所述滑套的上表面伸入到所述滑套的内部，所述外打印头(7)、所述内打印头(8)和所述中打印头(9)分别竖直安装在三个所述滑套的一侧，三个所述滑套分别套接在所述工作臂(6)远离所述中轴(5)的一端，所述滚轮的外表面与所述工作臂(6)的上表面相接触，且所述滚轮的中轴线垂直于所述工作臂(6)的长度方向。
5.根据权利要求2所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述支撑机构包括升降腿(21)、底座调整螺钉(13)、外框立柱(1)、外框下横梁(2)和吊耳(12)；
所述底座调整螺钉(13)螺纹安装在所述升降腿(21)的底端，所述升降腿(21)的数量为三个，三个所述升降腿(21)构成等边三角形，且通过所述底座调整螺钉(13)同轴设置在所述待打印墙体的***；所述外框立柱(1)固定安装在所述升降腿(21)的顶端，所述外框立柱(1)的数量为三个；所述外框下横梁(2)的数量为三个，三个所述外框下横梁(2)的一端通过螺钉安装在三个所述外框立柱(1)的一侧靠近顶端的位置；所述吊耳(12)焊接在所述外框立柱(1)的顶端；
所述外框上拉杆(3)的一端与所述外框立柱(1)固定连接，所述外框下横梁(2)的另外一端与所述中轴轴套(4)固定连接。
6.根据权利要求1所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述待打印墙体包括打印建筑墙体外壁(18)、打印建筑墙体内壁(19)和墙体加强筋(20)；
所述打印建筑墙体外壁(18)呈圆形，所述打印建筑墙体内壁(19)也呈圆形，所述打印建筑墙体内壁(19)的直径小于所述打印建筑墙体外壁(18)，所述打印建筑墙体内壁(19)同轴位于所述打印建筑墙体外壁(18)的中心位置，所述墙体加强筋(20)设置于所述打印建筑墙体外壁(18)与所述打印建筑墙体内壁(19)之间，所述打印建筑墙体外壁(18)通过所述墙体加强筋(20)与所述打印建筑墙体内壁(19)相连接。
7.根据权利要求3所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述工作臂(6)在工作时绕所述中轴(5)顺时针旋转或逆时针旋转。
8.根据权利要求3所述的外框内旋式3-D混凝土打印专用打印设备，其特征在于，所述工作臂(6)、所述外打印头(7)、所述内打印头(8)和所述中打印头(9)均位于所述外框立柱(1)的内侧。
9.外框内旋式3-D混凝土打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：在待打印墙体处架设权利要求1-8所述的打印设备；
步骤B：打印机构在调整机构上进行横向运动的同时还进行周向运动，实现一个水平面上的所述待打印墙体的打印；
步骤C：调整机构带动打印机构纵向运动，实现下一个水平面上的所述待打印墙体的打印；
步骤D：在打印机构内装入打印材料并对打印机构进行调试，然后对打印机构的位置进行调整；
步骤E：启动打印程序开始对建筑物打印。
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