WO2022124943A1 - Строительный 3d принтер - Google Patents

Строительный 3d принтер Download PDF

Info

Publication number
WO2022124943A1
WO2022124943A1 PCT/RU2021/050419 RU2021050419W WO2022124943A1 WO 2022124943 A1 WO2022124943 A1 WO 2022124943A1 RU 2021050419 W RU2021050419 W RU 2021050419W WO 2022124943 A1 WO2022124943 A1 WO 2022124943A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
printing
mortar
construction
print
printer
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050419
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Муса Музагитович ГАЛИМОВ
Александр Сергеевич КЛИМЧИК
Александр Васильевич МАЛОЛЕТОВ
Артем Михайлович ИДРИСОВ
Рафаэль Фаритович ИЛЬЯСОВ
Original Assignee
Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" filed Critical Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Publication of WO2022124943A1 publication Critical patent/WO2022124943A1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/16—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material

Definitions

  • the invention relates to the design of building 3D printers for printing objects such as buildings, small architectural forms, fences, etc. from mortar and to a 3D printing method, and can be used in the development of 3D printers and printing technologies.
  • a device and a method for layer-by-layer manufacturing of large structures are known (RU 2690436).
  • a device for layer-by-layer application of a pasty material in the manufacture of a three-dimensional structure of large dimensions containing: at least three first supports (P1, P2, P3) that are located at a distance from the ground and not in the same line and on which the first three devices (M1, M2, M3) for cable tension; at least one second support (5b) located at a distance from the ground (10) and supporting the second device (4) to provide tension; a tube (2b) for supplying material, suspended above the ground (10) and configured to move at least over the area between the first three supports; head (2a) for applying the material, fixed at the lower end of the tube (2b) for supplying material and suspended from the second device (4) to provide tension by means of a cable (4a) for suspension, and three positioning cables (7-1, 7-2 , 7-3) with lengths (L1, L2, L3), respectively, each of which is attached at one end to the head for applying the material
  • a method for manufacturing a three-dimensional structure from paste-like materials applied by means of the said device consists in that said structure is made by applying a paste-like material in the form of successive thin layers while moving the head for applying the material, while tensioning three positioning cables with lengths (L1, L2 , L3), adjustable by changing the setting of the first three devices (M1, M2, M3) to provide tension in such a way as to define an inverted pyramid with a triangular base and with a vertex defining a reference point in three-dimensional space, located essentially on the head for application of material located at the lower end of the tube for supplying material, while the specified application point is moved along three coordinates of the three-dimensional space XYZ, given by the first three supports (P1, P2, P3), by changing the setting of at least one of the first three devices (M1 , M2, M3) for o providing tension and by moving the first carriage (3) supporting the material application head (2a) and holding the material supply tube (2b) in a substantially vertical position.
  • Known parallel robotic arm US 2017/0095973 A1 for creating three-dimensional structures which includes a device for forming additive structures, containing: an extruder attached to at least one cable and adapted to move around the rendering area with the support of the cable; a plurality of cable supports adjacent to the rendering area, each of the supports being adapted to support a respective cable; at least one cable drive communicating with at least one of the cables and configured to place the extruder over the imaging area; and a supply reservoir connected to the extruder and configured to convey the extrudable material to the extruder for controlled application to the processing zone.
  • a method for forming additive structures comprising: attaching an extruder to a plurality of cables to move and support over the imaging area with the support of the cable; maintaining cables from a plurality of cable supports adjacent to the render area, each of the supports being adapted to support a respective cable; positioning the extruder at predetermined positions above the render area by extending and retracting cables; and discharging the extrudate from a supply tank connected to the extruder and configured to convey the extrudate to the extruder for controlled deposition onto the processing zone.
  • the prototype of the invention is a construction printer presented in the article “On the Improvements of a Cable-Driven Parallel Robot for Achieving Additive Manufacturing for Construction, (https://www.researchgate.net/publication/ 318274439_On_the_Improvements_of_a_CableDriven_Parallel_Robot_for_Achieving_Additive _Manufacturing_for_Construction) which contains towers, on which with the help of cables, the printing unit and the winch for controlling the lengths of the cables are suspended.
  • the printing unit is made in the form of a carrier frame (cube) on which a die is installed.
  • All of these devices implement a printing method in which at each moment the location and movement of the extruder is determined by the lengths of the cables on which the extruder (extrusion head) is suspended.
  • the disadvantages of these devices and the method of applying the mortar are the low accuracy of the movement of the extruder (extrusion head) and, as a result, the low accuracy of the printed product and the unevenness of the constructed walls, the low speed of applying layers of material, especially when printing with numerous changes in the direction of movement of the printing unit, large the weight of the structure and the large installed power of the equipment.
  • the carrier frame may lose its correct orientation in space. To compensate for this effect, it is necessary to increase the tension of the cables, which forces the construction printer to be strengthened and its installed power to be increased.
  • the operation of the prototype of the invention lies in the fact that the extruder, which is suspended and moved by means of cables, the lengths of which are controlled by winches, passes successively at each level each print line.
  • Straight print lines can be done at high speed, but when the direction of the print line changes, such as when turning, it is necessary to slow down the speed to prevent the extruder from swinging on the cables and to prevent the extruder from oscillating, which can not only reduce print accuracy, but also be dangerous for printer operation.
  • the technical result is to increase the accuracy of printing by providing compensation for errors in the movement of the printing unit.
  • the construction 3D printer contains supports, a printing unit suspended on supports with cables, cable length control winches and a mortar preparation and supply device according to the proposed solution, the printing unit contains a printing device with at least two dies, each of which is installed on its own linear movement mechanism.
  • the construction 3D printer contains a printing device that can be mounted on a swivel mechanism.
  • the construction 3D printer contains a printing device that can be installed on a carrier frame using a precise movement mechanism.
  • a construction 3D printer contains a printing device that can be equipped with location and spatial orientation sensors.
  • a construction 3D printer may contain compensating weights installed on its own linear movement drive.
  • a construction 3D printer may contain dies that are easily removable.
  • Construction 3D printer contains a printing unit with at least one container.
  • the construction 3D printer includes a printing unit with at least one container for mortar, which can be easily removable.
  • the construction 3D printer contains a device for refilling a container for mortar of a printing unit.
  • the construction 3D printer contains a device for filling and changing the container for the mortar of the printing unit.
  • the construction 3D printer includes a mortar supply device and a mortar supply pump, the outlet of which is connected to a safety or controlled valve for dumping excess mortar back into the hopper.
  • the construction 3D printer contains mortar pumps that can be connected directly to the dies.
  • the construction 3D printer contains mortar pumps, which are volumetric and equipped with individual adjustable drives.
  • Another technical result provides a method for printing an object using a construction 3D printer, in which the print unit moves with the help of cables, the lengths of which are controlled by winches, according to the proposed solution, the object is printed along the print levels and print lines defined for each level, while the print unit moves with a minimal change in the direction of movement along the trajectory, which is due to the shape of the printed object, and the dies installed on the printing device of the printing unit make movements according to the print lines.
  • a method for printing an object is possible, where printing is simultaneously performed at several levels.
  • a method for printing an object is possible, where the performance of each die is set depending on the speed of its movement and the cross-sectional area of its outlet.
  • a method of printing an object is possible, where at least a part of the dies can interrupt the supply of mortar.
  • the objective of the invention is to eliminate the above disadvantages and provide compensation for errors in the movement of the printing unit.
  • Construction 3D printer contains at least three supports 1, on which the printing unit 3 is suspended with the help of cables 2, the winches 4 for controlling the lengths of the cables 2, the mortar preparation and supply device 5, the mortar supply sleeve 6 and the main control panel 7.
  • the points of location of the supports 1 form a geometric figure, within which printing takes place.
  • the cables 2 are connected on the one hand to the printing unit 3, on the other hand through the intermediate pulleys 8 installed on the tops of the supports 1, and / or through the intermediate pulleys 8a, installed at given constant or variable heights of the supports 1, with winches 4 or directly with winches 4, which are placed on supports 1 in the same way as intermediate pulleys 8 and 8a.
  • the cables 2 connected to the pulleys 8 or the winches 4 installed in their places are connected to the lower fastening elements 9 of the print unit 3, respectively, the cables 2 connected to the pulleys 8a or the winches 4 installed in their places are connected to the upper fastening elements 9 print unit 3.
  • Print unit 3 (structural diagram ) contains the following sequence of installed mechanisms and devices: carrier frame 12, rotation mechanism 13, printing device 10.
  • Printing device 10 contains at least two dies 11.
  • the carrier frame 12 of the printing unit 3 contains elements 9 for attaching cables 2.
  • the printing unit 3 can be equipped with a mechanism 14 for precise movements (structural diagram ).
  • the printing unit 3 has the following sequence of installed mechanisms and devices: carrier frame 12, fine movement mechanism 14, rotation mechanism 13, printing device 10.
  • Print node 3 (hydraulic circuit , variant of execution of the block diagram variant ) comprises a mortar flow splitter 15, mortar supply pumps 16, flexible mortar supply hoses 17 and spinnerets 11 installed on the printing device 10.
  • Mortar supply pumps 16 are of positive displacement type, for example, gerotoric, peristaltic, rotary vane, etc. etc.
  • Each mortar supply pump 16 is provided with an adjustable drive, such as a servomotor 18, a stepper motor, or an asynchronous motor with a frequency converter.
  • the mortar supply pumps 16 can be connected directly to the spinnerets 11 which they feed.
  • a rotation mechanism 13 and a printing device 10 are installed in series.
  • Print unit 3 version (hydraulic circuit , variant of execution of the block diagram variant ) differs from the version the presence of a mechanism of 14 precise movements.
  • the printing unit 3 may also include at least one container 19 and pumps 20 for metering additional components of the mortar into the mortar.
  • the additional component is supplied by one pump 20 to the flow splitter 15 or by individual pumps 20 to each stream after the flow splitter 15 ( ).
  • the printing unit 3 may additionally contain a shut-off valve 21, which is located after the mortar supply pump 16 or immediately before the die 11 ( ).
  • the print node 3 may contain a local control panel 22, which contains power supplies, drivers for controlling all of its constituent motors, actuators, valves and other equipment, secondary transducers of sensors (not shown in the figures), which are combined by a single controller, as well as communication devices with the main control panel 7 for building a 3D printer.
  • Printing device 10 contains ( ) base 23, on which linear movement mechanisms are installed, for example, linear modules 24 of horizontal movement with a motor 25, linear modules 27 of vertical movement are installed on carriages 26. On the carriages 28 of the linear modules 27 of vertical movement, easily removable connections are installed for fastening the dies 11, for example, in the form of cap collars 29, fixed with screws 30. This solution allows you to move the die 11 linearly along one axis in the horizontal plane and vertically.
  • the printing device 10 may include two linear modules 24 horizontal movement, which are installed one on top of the other perpendicular to each other (not shown in Fig.). This ensures the movement of the die 11 in two directions of the coordinate axes in the horizontal plane.
  • each die 11 is installed on the printer 10 on its own linear movement mechanism and can have up to three degrees of freedom of linear movement.
  • Printer version 10 contains three dies 11. Moreover, two dies 11 move along the same horizontal line and are installed on shorter horizontal displacement linear modules 24 than the third die 11. Depending on the purpose of the construction 3D printer and the level of complexity of the printed objects, the printing device 10 may contain two or more dies 11. In this case, to solve a specific task, both all available dies 11 and part of them can be used. Unused dies 11 can be removed from their positions and not participate in the work or disabled using the shut-off valve 21 or by stopping the pump 16 for supplying mortar to this die 11.
  • the printing device 10 can be equipped with dies 11 of various profiles and bore sizes.
  • the printing device 10 may include one or more compensating weights 31, each of which is mounted on the carriage 32 of its own line module 33.
  • the printer 10 contains one compensating weight 31, which is installed on the linear module 33 with the motor 34.
  • Printer 10 may include sensors (not shown):
  • sensors for determining the location in space for example, sensors of the inertial navigation system or markers, with which you can determine the location and spatial orientation of the print unit 3;
  • - orientation sensors of the printing unit 3 relative to the carrier frame 12 for example, linear or angular sensors measuring the position of the printer 10 relative to the carrier frame 12;
  • the print unit 3 is suspended with cables 2 on supports 1, so it cannot be rotated to change the direction of orientation of the printing device 10 with dies 11.
  • a rotation mechanism 13 which consists of a bearing element, a rotary part and a rotation drive.
  • the carrier element in this version is presented in the form of a gear wheel 35 having an internal annular guide along which the rollers 36 move. with a gear wheel 35.
  • the rotation mechanism 13 with its bearing element, i.e. toothed wheel 35 can be installed motionless directly on the carrier frame 12 ( , 3a) or on the precise movement mechanism 14 ( , 3b). In the latter case, the gear wheel 35 will be installed as a movable platform (general technical term used in the Stewart mechanism or similar devices).
  • the rotation mechanism 13 of the printer 10 includes a rotation angle sensor (not shown) of the printer 10 relative to the gear wheel 35.
  • the rotation mechanism 13 of the printing device 10 may have other design solutions that provide a similar result.
  • a gear train instead of a gear train, a chain or belt drive with a toothed belt, etc., can be used.
  • the mechanism 14 of precise movements of the printing device 10 provides up to three degrees of freedom of linear movements and up to three degrees of freedom of rotation of the printing device 10 relative to the carrier frame 12, which allows compensation for errors in the movement of the printing unit 3 using cables 2 and winches 4 along a given trajectory. Deviation from the predetermined trajectory of movement may be due to inaccuracy in the movement of cables 2, insufficient rigidity of supports 1, wind loads, etc. On the other hand, a decrease in the accuracy of movement of the printing unit 3 may be the result of a purposeful development of a lightweight design and power. If the movement of the print unit 3 is sufficiently precise, the 3D construction printer may not include the precise movement mechanism 14 . If the movement of the print unit 3 is sufficiently precise, the 3D construction printer may not include the precise movement mechanism 14 .
  • 6b and 6c show versions of the mechanism 14 for precise movements of the printing device 10.
  • Mechanism of 14 precise movements contains a base 39 and a movable platform in the form of a gear wheel 35, which are interconnected by means of two linear actuators 40 (drives), both ends of which are provided with rotational hinges 41, for example, spherical bearings.
  • Bracket 42 at one end is rigidly connected to the base 39, and the other end through the rotation hinge 37 is connected to the gear wheel 35.
  • Mechanism 14 precise movements contains a base 39 and a movable platform in the form of a gear wheel 35, which are connected to each other by means of three linear actuators 40, two of which have both ends provided with hinges of rotation 41, for example, articulated bearings, and the third linear actuator 40 is rigidly connected at one of its ends with the base 39, and its rod 43 is connected to the gear wheel 35 through the hinge of rotation 41.
  • this mechanism provides two degrees of freedom of rotation and one degree of freedom of linear movement.
  • Mechanism of 14 precise movements is made in the form of a Stewart mechanism, consisting of a base 39 and a movable platform in the form of a gear wheel 35, interconnected by six linear actuators 40, which are equipped with rotation joints 41, for example, swivel bearings.
  • the distance between the installation points of the actuators 40 on the base 39 and the gear wheel 35 are different. That. this mechanism provides six degrees of freedom of movement (three linear degrees of freedom and three degrees of rotational freedom).
  • the base 39 of the mechanism 14 of precise movements may be part of the structure of the supporting frame 12 with the fastening elements of the actuator 40, rotation hinges 41, bracket 42. .
  • the movable platform is made in the form of a gear wheel 35 with external gearing and has an annular guide inside. This gear wheel 35 is simultaneously the bearing element of the mechanism 13 for turning the printing device 10 ( ).
  • the mechanism 14 of precise movements of the printing device 10 contains linear displacement sensors (not shown) of the gear wheel 35 relative to the base in three coordinate axes, as well as three sensors of the angle of rotation (not shown) of the gear wheel 35 relative to the base 39.
  • the fine movement mechanism 14 may have a different design, which should provide up to three degrees of linear movement and up to three degrees of rotational movements of the print unit 10.
  • the magnitudes of the strokes of linear movements and the angles of rotation of rotational movements should compensate for possible errors in the movement and spatial orientation of the print unit 3, caused by inaccuracy in changing the lengths of cables 2, insufficient rigidity of supports 1, wind loads, etc.
  • the print unit 3 contains a sensor (not shown) for the spatial orientation of the print unit 3, for example, a three-axis inclinometer, a location sensor (not shown).
  • print node 3 in space for example, an inertial navigation system sensor, sensors or markers (not shown) to determine the location and spatial orientation of the print node 3 using computer vision cameras, laser trackers, video cameras or laser rangefinders (not shown), allowing to determine the location in space and spatial orientation of the print unit 3.
  • These sensors are installed directly on the carrier frame 12 or in the local control panel 22 if it is installed rigidly on the carrier frame 12.
  • the print unit 3 may also contain other sensors that control the operation of the nodes, working conditions and cut Work execution data, for example, pressure sensors in the mortar supply hose 6, ambient and mortar temperature sensors, sensors for controlling the movements of the executive bodies, video cameras for monitoring the result of mortar application, etc.
  • the printing unit 3 may contain a container 44 for mortar ( ), wherein each mortar supply pump 16 is connected to the mortar tank 44 separately.
  • the mortar tank 44 may have a mortar mixing device (not shown).
  • the pump 20 for supplying the additional mortar component is connected to the inlet of the respective mortar supply pump 16 ( ) or one pump 20 (not shown) for supplying an additional component can be connected to the tank 44 for mortar.
  • the container 44 for mortar can be installed on the printing unit 3 permanently or on an easily removable connection.
  • capacity 44 ( ) can have trunnions 45a for installation on the carrier frame 12 and trunnions 45b for installation on the extraction device (not shown) of the container 44 from the printing unit 3, and on the carrier frame 12 have special supports - catchers 46, on which the trunnions 45a of the container 44 are installed for mortar, as well as the connection unit of the container 44 with the pumps 16 for supplying the mortar
  • such container 44 may include a sensor for determining the amount of mortar present, such as weight sensors (not shown).
  • a construction 3D printer containing a printing unit 3 with a container 44 for mortar can be equipped with at least one filling device 47 ( , 9) containers 44 for mortar of the printing unit 3, made in the form of a separate support 1 with a lift 48, on which a drain pipe 49 is installed, connected to a flexible hose 6 for supplying mortar.
  • the filling devices 47 of the mortar container 44 of the printing unit 3 can be located at different ends of the printing working area. If the construction 3D printer contains one refill unit 47 ( ) container 44 of the mortar, then it is installed in such a place as to optimize the idle movements of the print unit 3 from the print points to the filling device 47.
  • a construction 3D printer containing a printing unit 3 with a container 44 for mortar installed on an easily removable connection can be equipped with at least one device 50 for filling and replacing the container 44 for mortar installed on an easily removable connection of the printing unit 3 ( , 11) and contain one or more additional replaceable containers 44, which are installed on the filling device 50 and changing the container 44 for mortar.
  • the device 50 for filling and replacing the container 44 for mortar contains a support 1, at least two lifts 52 with brackets 53 and supports-catchers 46 for installing pins 45b of the container 44 for mortar, above which a drain pipe 54 is installed to drain the mortar, which is made rotary.
  • the placement of the mortar tank filling and replacement devices 50 is similar to the placement of the mortar tank filling unit 47 ( ).
  • Mortar preparation and supply device 5 contains one or more dispensers 55 of solid components and one or more dispensers 56 of liquid components, a mixer 57, a prepared mortar hopper 58 and a mortar supply pump 59.
  • the mortar supply pump 59 is of a positive displacement type, such as gerotor, peristaltic, rotary vane, etc., provided with a variable drive 60, such as a servomotor, a stepper motor, or an asynchronous motor with a voltage frequency converter.
  • the outlet of the pump is connected to a safety or controlled valve 61, or throttle, which dumps excess mortar back into the hopper 58.
  • Construction 3D printer contains the main control panel 7 ( , 8, 10) and local control panels (not shown) that are installed on the printing unit 3, winches 4, the mortar preparation and supply device 5, the device 47 for filling the container 44 for mortar, the device 48 for filling the container 44 for mortar and on the filling and replacement device of the easily removable container 44 for mortar.
  • the main control panel 7 is placed outside the perimeter of the construction 3D printer and performs the following functions:
  • Local control panels contain drives (drivers) for controlling devices included in this node (servomotors, valves, etc.), secondary converters of sensors and measuring devices included in this node, a controller that provides interaction between these devices and communication with the main control panel 7.
  • Local control panels collect information from located nodes of sensors and measuring instruments, directly control devices (motors, valves, etc.), can perform blocking in order to create the required restrictions and prevent emergencies, and also transmit to the main control panel 7 the necessary information.
  • each die 11 is assigned an index (11a, 11b, 11c, etc.).
  • the side walls 62 and 63 are cylindrical in shape and are connected by a zigzag bond 64.
  • Construction 3D printer works as follows
  • the structure of the printed object is characterized by a plurality of printing levels and a plurality of printing lines at each level.
  • Some print lines define the external forms of the object, others are internal, and others act as links between them. Accordingly, printing lines have a wide variety of shapes: rectilinear, curvilinear, cyclic (zigzag, meander, sinusoid, etc.). Moreover, all these lines can be on the same print level.
  • a control program is loaded into the main control panel 7 of a construction 3D printer and a 3D model of the object being printed (a structure under construction, a building, an architectural form, etc.) is entered. Based on the specified model, the control program divides the printed object into print levels and builds print lines for each level. The control program calculates the trajectory of the printing unit 3, the angle of rotation of the printing device 10 relative to the carrier frame 12 using the rotation mechanism 13, the number of working dies 11 and the movement of each die 11 by linear modules 24.
  • the trajectory of movement of the printing unit 3 is calculated based on the condition of minimizing the inertial loads on the printing unit 3 for which the movement is performed with a minimum change in the direction of movement, which is due to the shape of the printed object.
  • This solution makes it possible to realize the maximum speed of movement of the printing unit 3 and to provide such a trajectory of the movement of the printing unit, which achieves high printing performance.
  • the angle of rotation of the printing device 10 relative to the carrier frame 12 using the rotation mechanism 13 is calculated based on the spatial orientation and direction of movement of the printing unit 3.
  • the required angle of rotation of the printing device 11 provides perpendicularity or other required angle between the linear modules 24 of the dies 11 and the tangent to the trajectory of movement print node 3 at this point.
  • the number of working dies 11 is determined by the number of printed lines. Printing can be done simultaneously on several print levels. If the number of dies 11 exceeds the number of print lines, the individual dies 11 may not be printed. Accordingly, the motors 18 of the pumps 16 that feed these dies must be turned off. The shut-off valves 21 of the respective dies can also be closed.
  • the movement of each die 11 by the linear module 24 is determined by the coordinate of the print point of the die 11 and the location coordinate of the print unit 3.
  • the rotation mechanism 13 keeps the orientation of the print device 10 in such a way that the linear modules 24 are perpendicular to the tangent to the trajectory of the print unit 3 at this point or form with it, another angle and the desired print point is on the line of movement of the die 11 by the linear module 24.
  • the movement plans of each mechanism and device are calculated: the rotation mechanism 13, linear modules 24, mortar supply pumps 16, etc.
  • the operation of the printer lies in the fact that the mortar preparation and supply device 5 prepares and supplies the mortar to the mortar supply pumps 16, which supply it in doses to the dies 11.
  • the mortar extruded from the dies 11 in the form of a bundle of a given section lies on the printing line, forming a layer element whose height is equal to the distance between print levels.
  • the movement of the dies 11 provide movement of the print unit 3 and move them with the help of linear modules 24. After passing through all the print lines of one level, the print unit 3 rises to the next one to continue printing.
  • aqueous mortars based on sand-cement, sand-gypsum, sand-clay, sand-polymer, etc. mixtures with the addition of technological, rheological, strengthening, etc. components can be used.
  • additional components may be added to its composition, changing the rheological properties or the rate of curing of the mortar. Additional components of the mortar from the tank 19 on the printing unit 3 are pumped 20 into the mortar.
  • the printer starts with the location of the node print 3 on the fiducial point with known coordinates (not shown).
  • the pulleys 8a are set to a predetermined height, the winches 4 synchronously change the lengths of the cables 2 in such a way that the print unit 3 moves to a predetermined printing start point.
  • the preparation and supply device 5 prepares the mortar of the required composition, which is supplied by the supply pump 59 through the hose 6 to the flow splitter 15 of the printing unit 3, then by the pumps 16 through the flexible hoses 17 into the dies 11.
  • Each pump 16 provides the required productivity of the supply of the mortar by setting the frequency rotation of the engine 18, set depending on the size of the flow area and the speed of the die 11, the operation of which it provides.
  • the mortar supply pump 59 has a performance slightly higher than the total capacity of all pumps 16, which is ensured by the speed of the variable drive 60.
  • the excess mortar supplied is returned by a safety or controlled valve 61 back to the hopper 59 of the mortar supply device 5.
  • the printing unit 3 is moved in accordance with the calculated trajectory of movement of each level of the printed object.
  • the rotation mechanism 13 rotates the printing device 10 relative to the carrier frame 12 of the printing unit 3 to a given angular position so as to ensure perpendicularity or other required angle between the linear modules 24 of the dies 11 and tangent to the trajectory of the printing unit 3 at this point.
  • the motor 37 rotates the gear 38, which engages with the wheel 35.
  • the gear moves along the surface of the wheel 35 and entrains the base 23 of the printer 10 in rotational motion.
  • the rollers 36 contact and move along the inner annular guide of the gear 35, which provides a rotational movement base 23 relative to the center of the gear wheel 35.
  • Changing the direction of rotation of the motor 37 and the speed of rotation provide rotation of the base 23 to the right and left with a given angular velocity, which allows you to change the direction of orientation of the printer 10 with dies 11.
  • Orientation of the printer 10, in which the linear modules 24 are located perpendicular to the trajectory of movement of the print unit 3, provides the widest print field.
  • the dies 11 of the printing device 10 are moved by the horizontal movement linear modules 24 to a predetermined point in accordance with the location of the print line.
  • the speed and direction of movement of each die 11 are set. linear modules 24. Accordingly, the line of motion of the die 11 will be similar to the trajectory of the printing unit 3, if the die 11 is not moved by the linear module 24, or deviate from it, forming other lines of motion, if the die 11 is moved by the linear module 24.
  • a construction 3D printer can print a line of any complexity of a given trajectory and, accordingly, ensure printing of an object of any complexity.
  • the print unit 3 moves with a minimum amount of change in the direction of movement along the trajectory, which is due to the shape of the printed object, and the dies 11 installed on the printing device 10 of the print unit 3 11 perform lateral and cyclic movements at high speed according to the print line, which makes it possible to obtain high performance work. This is possible due to the fact that the mass of each die 11 is much less than the mass of the printing unit 3. The printer thus consumes less power.
  • the trajectory of movement of the print unit 3 can be selected as the middle line between the two extreme lines, which determine the width of the printed fragment of the object. If this line is cyclic, then the middle line of this cyclic line is selected. Thus, cyclic movements of the print unit 3 are excluded. In this case, the print unit 3 must be on such a line that the dies 11 reach the extreme points of the printed object. A line equidistant to it can also be selected.
  • the choice of the trajectory of movement of the printing unit 3 is smooth with a minimum amount of change in the direction of movement, which is due to the shape of the printed object, allows for high speed printing of lines with frequent changes in the direction of printing and high printing accuracy.
  • Printing an object along the path of movement of the printing unit 3 with a minimum amount of change in the direction of movement, which is due to the shape of the printed object, allows for high printing speed of an object having lines with a frequent change in printing direction, and high printing accuracy.
  • the cyclic movement of the linear modules 24 with the dies 11 leads to the occurrence of a variable amount of movement (momentum), which is transmitted to the printing unit 3, suspended on the cables 2, and is not compensated. This can lead to oscillatory movements of the printing unit 3, which can affect the accuracy of its movement and, as a result, the printing accuracy.
  • compensating weights 31 are set in motion.
  • movable compensating weights 31 avoids the occurrence of oscillatory movements of the printing unit 3, which affects the accuracy of the movement of the print 3 and all its components and, in the final case, the dies 11, and allows you to increase the printing accuracy, as well as prevent the occurrence of parametric self-oscillations, which can be dangerous for the construction 3D printer.
  • Each die 11 can be set to a certain height by moving the carriage 28 of the linear module 27 vertical movements.
  • the speed and direction of movement of the dies 11 in the vertical direction is determined by the direction and speed of rotation of the motors 25 linear modules 27 vertical movement. This allows you to print an object at several heights at once, i.e. on several levels. To do this, the dies 11 are installed at the heights of the levels at which this die 11 prints.
  • the number of simultaneously printed levels can be from one to the total number of installed dies 11.
  • each die 11 The required performance of each die 11 is determined by the cross section of the outlet and the resulting speed of its movement. Mortar supply pumps 16 provide the required performance for each die 11 due to the rotation speed of the servomotor 18. Thus, the performance of each die 11 is set depending on its speed of movement and the cross-sectional area of its outlet. If necessary, it is possible to interrupt the supply of mortar to any of the spinnerets 11 by stopping the corresponding pump 16, as well as additional blocking the flow of mortar by shut-off valve 21, if any. The shut-off valve 21 makes it possible to speed up the mortar cut-off time and reduces the uncontrolled application of mortar when the mortar supply is interrupted.
  • the mortar extruded from the dies 11 in the form of a bundle of a given section lies on the printing line, forming a layer element, the height of which is equal to the distance between the printing levels.
  • Featured on version of the printing device 3 contains three dies 11.
  • Two side dies 11 can be used to apply mortar to the side walls 62, 63 of the printed object ( ), and the middle die 11 for applying a zigzag line 64 connecting the side walls 62 and 63. Accordingly, the movement of this die 11 will contribute to the emergence of a cyclic moment of movement proportional to the weight of the die 11 with mortar passing through it, and the speed of its movement.
  • the linear module 33 drives the carriage 32 with a compensating weight 31, which moves opposite to the movement of the die 11 with the same moment of motion as the die 11 with the mass of mortar passing through it. This makes it possible to compensate for the total amount of movement of the oscillating middle die 11 and to exclude possible oscillatory movements of the printing unit 3.
  • the technical result of the invention is to increase the accuracy of printing by providing compensation for errors in the movement of the printing unit, to increase the productivity of construction work, to reduce the mass of the construction 3D printer and its installed power, to eliminate unwanted oscillatory movements of the printing unit, to ensure printing of an object of any complexity.
  • the technical result is achieved by the fact that the construction 3D printer contains supports, a printing unit suspended on supports by means of cables, winches for controlling the lengths of cables, and a device for preparing and supplying mortar.
  • the printing unit contains a printing device with at least two dies, each of which is installed on its own linear movement mechanism, and the technical result is achieved by printing an object using such a 3D printer.
  • FIG. 1 shows a general view of a construction 3D printer.
  • FIG. 1 shows a general view of the printing unit with a mechanism for precise movements.
  • FIG. 1 shows a general view of the printing unit with a container for mortar.
  • FIG. 1 shows a general view of the printing unit with an easily removable container for mortar.
  • a general view of a construction 3D printer is shown, containing a device for filling a container for mortar for a printing unit.
  • the device for filling the container for the mortar of the printing unit is shown.
  • a general view of a construction 3D printer is shown, containing a device for filling and replacing a container for mortar for a printing unit.
  • the device for filling and replacing the mortar tank of the printing unit is shown.
  • each die 11 is assigned an index (11a, 11b, etc.).
  • the trajectory of movement of the printing unit 3 is selected as an average between print lines 62 and 63 (dash-dot line) and is straight, due to the shape of the printed fragment.
  • the rotation mechanism 13 rotates the printing device 10 relative to the carrier frame 12 around its vertical axis (not shown in the figures) so that the linear modules 24 are perpendicular to the trajectory of the printing unit 3.
  • the dies 11a and 11b do not move during printing and print along the lines of printing the walls 62 and 63 repeating the trajectory of movement of the printing unit 3.
  • the speed of movement of both fillers 11a and 11b is the same, while the performance of the pumps 16 that feed these dies is the same and is set by the rotational speed of the engines 18 that drive these pumps 16.
  • the die 11c during printing performs constant cyclic movement perpendicular to the direction of movement of the printing unit 3 from wall 62 to wall 63 and back.
  • the speed of the die 11c is determined as the vector sum of the speed of movement of its linear modules 24 and the speed of the printing unit 3.
  • the speed of the die 11c is higher than the speed of the die 11a and 11b and varies depending on its location: in the linear sections of the zigzag - the highest and decreases to the speed of movement of the printing unit 3 at the time of the reverse turn at the walls 62 and 63.
  • the performance of the pump 16 is changed using the engine 18.
  • the number of dies 11 is equal to the number of level printing lines and therefore all three dies 11a, 11b and 11c can be on the same level. It is possible to print in which the dies 11a, 11b and 11c will be at different levels of printing.
  • Variant of printed wall object according to can be performed by a printing device 10 containing two dies 11 (11a and 11b). Printing occurs as follows:
  • the trajectory of the movement of the print unit 3 can be selected, which is determined by the shape of the print fragment as:
  • All of these lines are parallel to each other and provide the same rectilinear trajectory of the printing unit 3.
  • the line is selected, passing in the middle between the print lines 62 and 63, which is indicated by a dash-dotted line.
  • the first pass of the printing unit 3. The die 11a is installed above the wall printing line 62, the die 11b is above the zigzag line 64 (not as shown in ). Both dies 11a and 11b are installed at the same height.
  • the die 11a does not make cyclic movements
  • the die 11b makes constant cyclic movements perpendicular to the direction of movement of the print unit 3 from wall 62 to the location of the printed wall 63 and back.
  • a wall 62 and a zigzag line 64 will be printed at this level.
  • the second pass of the printing unit 3. The die 11a is installed above the wall printing line 62, the die 11b is above the wall printing line 63. Moreover, the die 11a is installed at the second level, the die 11b is at the first printing level.
  • the walls of the die 11a and 11b do not move perpendicular to the direction of movement of the print unit 3. As a result, after the second passage, walls 62, 63 and a zigzag line 64 will be printed on the first print level, and wall 63 will be printed on the second level. .
  • the third pass of the printing unit 3. The die 11a is installed above the zigzag line 64, the die 11b is above the wall printing line 63. Both dies are installed at the second printing level at the same height.
  • the die 11a makes constant cyclic movements perpendicular to the direction of movement of the print unit 3 from wall 62 to wall 63 and back, the die 11b does not move.
  • two levels of walls 62, 63 and two levels of a zigzag line 64 will be printed.
  • dies 11a and 11b are installed above the printing line of walls 62 and 63, dies 11c and 11d above the printing line of connections 64 and 65.
  • a rectilinear trajectory of the print unit 3 is selected, which is due to the shape of the print fragment as a straight line and passes as the middle line between the extreme print lines 62 and 63, and which is designated as a dash-dotted line.
  • Print unit 3 moves along a predetermined trajectory along the printed wall object.
  • the rotation mechanism 13 of the printing device 10 rotates it around a vertical axis so that the linear modules 24 are perpendicular to the line of movement of the printing unit 3.
  • the dies 11a and 11b move over the lines of printing of the walls 62 and 63 and do not make cyclic movements.
  • the spinnerets 11c 11d make constant cyclic movements perpendicular to the direction of movement of the printing unit 3 from wall 62 to wall 63 and back.
  • one of the spinnerets 11c or 11d interrupts the supply of mortar. This avoids excessive application of mortar at the intersection of the zigzag lines 64 and 65.
  • the number of dies 11 is equal to the number of level printing lines and therefore all four dies 11a, 11b, 11c and 11d can be at the same level. It is possible to print in which the dies 11a, 11b, 11c and 11d are at different printing levels.
  • the printed object wall of a cylindrical shape consisting of two cylindrical walls 62, 63 and a zigzag line 64, made by three dies.
  • the dies 11a and 11b are installed above the print lines of the walls 62 and 63, respectively, the die 11c is installed above the communication print line 64.
  • the print unit 3 moves smoothly along a curved path due to the shape of the printed object equidistant to the walls 62 and 63 (for example, along a dotted line).
  • the rotation mechanism 13 of the printing device 10 rotates it around a vertical axis (not shown in the figures) so that the linear modules 24 are always perpendicular to the trajectory of the printing unit 3.
  • the dies 11a and 11b move over the printing lines of the walls 62 and 63 without making cyclic movements, and as a result, they move along a trajectory similar to the trajectory of movement of the printing unit 3.
  • the spinneret 11c makes constant cyclic movements perpendicular to the direction of movement of the printing unit 3 from wall 62 to wall 63 and back.
  • the number of dies is equal to the number of printing lines of the level and therefore all three dies 11a, 11b and 11c can be on the same level. It is possible to print in which the dies 11a, 11b and 11c are at several levels.
  • Construction 3D printer with print unit option is characterized by the presence of a mechanism 14 for precise movements of the printing device 10.
  • the presence of a mechanism 14 for precise movements allows accurate printing of an object with low movement accuracy and spatial orientation of the print unit 3 during movement.
  • the low accuracy of movement and spatial orientation of the printing unit 3 during movement can be caused by the low rigidity of the supports 1, the low accuracy of the winches 4, the change in the rigidity of the cables 2, the wind load on the structure during operation, etc.
  • a precise movement mechanism 14 makes it possible to design a construction 3D printer with a low rigidity of the supports 1, that is, a lightweight structure. Precise positioning of the printing unit 3, and especially its precise spatial orientation, requires high efforts on the cables and sufficient power of the winches 4. The presence of a precise movement mechanism 14 reduces the load on the structure and the installed power of the winches 4, which also facilitates and simplifies the construction of a construction 3D printer.
  • the spatial orientation sensor (not shown) of the print unit 3 determines the true location and spatial orientation of the print unit 3 in space, the data is sent to the control panel 7.
  • the control panel 7 determines the magnitude of the error in the position and spatial orientation of the print unit 3 relative to that specified by the control program.
  • the operation of the precise movement mechanism 14 lies in the fact that, despite errors in the location and spatial orientation of the print unit 3, the print device 10 has the required spatial position and orientation in space and, ultimately, the dies 11 move along the given print lines with the required accuracy.
  • 6b and 6c versions of the fine movement mechanism 14 have different complexity of execution and, accordingly, can compensate for the inaccuracy of the movement of the printing unit 3 to varying degrees.
  • Mechanism version 14 fine movements version compensates for the angular deviations of the print unit 3 relative to two mutually perpendicular horizontal axes, that is, the horizontal position of the print unit 3.
  • Mechanism version 14 precise movement version compensates for the angular deviations of the printing unit 3 relative to two mutually perpendicular horizontal axes, and the inaccuracy of its location in height.
  • version 6c compensates both for deviations in the location of the print unit in space and its spatial orientation.
  • the rotation mechanism 13 included in the print unit 3 can additionally correct the error in the orientation of the print unit 3 relative to the vertical axis of rotation, which is relevant for versions of the print unit 3 using the mechanism 14 for precise movement of the execution and 6b.
  • the linear module 24 of horizontal movements during the movement of the die 11 can additionally compensate for the inaccuracy in the location of the printing unit 3.
  • Linear module 27 vertical movements can compensate for the inaccuracy of the location of the print unit 3 in height.
  • Mechanism 14 fine movements execution moves the gear wheel 35 by coordinated movement of the two linear actuators 40 included in it.
  • the displacements of each linear actuator 40 are calculated based on the required value of the angular velocity and the angle of rotation of the gear wheel 35.
  • the gear wheel 35 receives rotational movements in two degrees of freedom along horizontal relative to the carrier frame 12 ( ), that is, it corrects the error in the spatial orientation of the printing device 10 associated with the inaccuracy of the orientation of the print unit 3 along two horizontal mutually perpendicular axes of rotation.
  • Mechanism 14 fine movements execution moves the gear wheel 35 by coordinated movement of all three linear actuators 40 included in it.
  • the displacements of each linear actuator 40 are calculated based on the required value of the angular velocity and the angle of rotation of the gear wheel 35.
  • the gear wheel 35 receives linear movement along the vertical axis and rotational movements along two horizontal axes relative to the carrier frame 12 ( ), corrects the error in the spatial orientation of the printing device 10 associated with the inaccuracy of the orientation of the print unit 3 along the vertical coordinate axis and relative to two horizontal mutually perpendicular axes of rotation.
  • Mechanism 14 fine movements execution moves the gear wheel 35 by coordinated movement of all six linear actuators 40 included in it.
  • the magnitude of the movements of each linear actuator 40 is calculated based on the required value of the angular velocity and the angle of rotation of the gear wheel 35.
  • the gear wheel 35 receives linear movements along three axes and rotational movements in three degrees of freedom, stands at a given point in space and acquires the required spatial orientation in space, that is, corrects the error in the spatial orientation of the printing device 10 associated with the inaccuracy of the orientation of the printing unit 3.
  • Mechanisms 13 for precise movements pos. 6a and 6b provide, respectively, adjustments to the spatial orientation along two axes, except for the vertical axis ( ) and along the vertical axis and spatial orientation along two axes other than around the vertical axis. ( ).
  • Differences in the work of a construction 3D printer from version is the need for periodic refilling of the container 44 for the mortar of the printing unit 3 ( ).
  • the control program brings the printing unit 3 to the filling device 47 of the container 44 of the mortar.
  • the filling device 47 of the mortar container 44 exposes the drain pipe 49 ( ) above the level of the container 44 mortar.
  • the device 5 preparation and supply of mortar supplies the mortar.
  • the supply is completed when the mortar container 44 is full, as detected by the weight sensors (not shown) of the container 44.
  • the print unit 3 then moves to the point where printing was interrupted to continue operation.
  • the control program brings the print unit 3 to the device 50 for filling and replacing the easily removable container 44 of mortar.
  • Lift 52 (right to ) with the help of brackets 53 with supports-catchers 46 installed on them, grabs the easily removable container 44 by the trunnions 45 and raises it to the upper position.
  • the inaccuracy of the relative position of the container 44 and the lift 52 is compensated by the work of the support-catchers 46.
  • the print unit 3 is transferred under another lift 52 (on the left of ), which lowers the refilled replaceable easily removable container 44 of the mortar onto the support-catchers 46 located on the printing unit 3.
  • the trolley goes down so that the trunnions 45b are released from the support-catchers 46 located on the brackets 53. Then the printing unit 3 goes to the point, in which printing was interrupted to continue printing.
  • the design of the printer makes it possible to implement a printing method in which the print unit 3 moves along a line that is determined by the shape of the printed object, while the dies 11 move in the print unit 3.
  • the placement of the dies 11 at different heights allows you to print simultaneously at several levels.
  • the cut-off of the mortar during printing allows you to interrupt the printing process for a given time of one of the dies 11, that is, it allows you to print with a smaller number of dies 11.
  • the invention can be applied in the field of printing objects, such as buildings, small architectural forms, fences, etc., from mortar and in the method of printing on a 3D printer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)

Abstract

Изобретение относится к конструкции строительных 3D принтеров для печати объектов, таких как здания, малые архитектурные формы, ограждения и т.п., из строительного раствора и к способу печати на 3D принтере. Технический результат изобретения заключается в повышении точности печати за счет обеспечения компенсации ошибок движения узла печати, повышении производительности выполнения строительных работ, снижении массы конструкции строительного 3D принтера и его установленной мощности, устранении нежелательных колебательных движений узла печати, обеспечении печати объекта любой сложности. Технический результат достигается тем, что строительный 3D принтер содержит опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора. А узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения, а также технический результат достигается способом печати объекта с помощью такого 3D принтера.

Description

Строительный 3D принтер
Настоящая заявка испрашивает конвенционный приоритет по патенту на изобретение RU2753324 полное раскрытие, которого включено в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме.
Изобретение относится к конструкции строительных 3D принтеров для печати объектов, таких как здания, малые архитектурные формы, ограждения и т.п. из строительного раствора и к способу печати на 3D принтере, и может быть использовано при разработке 3D принтеров и технологий печати.
Известно устройство и способ для послойного изготовления конструкций больших размеров (RU 2690436). Устройство для послойного нанесения пастообразного материала при изготовлении трехмерной конструкции больших размеров, содержащее: по меньшей мере три первых опоры (Р1, Р2, Р3), которые находятся на расстоянии от земли и не на одной линии и на которых установлены три первых устройства (М1, М2, М3) для натяжения кабеля; по меньшей мере одну вторую опору (5b), находящуюся на расстоянии от земли (10) и поддерживающую второе устройство (4) для обеспечения натяжения; трубку (2b) для подвода материала, подвешенную над землей (10) и выполненную с возможностью перемещения по меньшей мере над областью между тремя первыми опорами; головку (2а) для нанесения материала, закрепленную на нижнем конце трубки (2b) для подвода материала и подвешенную ко второму устройству (4) для обеспечения натяжения посредством кабеля (4а) для подвески, и три позиционирующих кабеля (7-1, 7-2, 7-3) с длинами (L1, L2, L3) соответственно, каждый из которых присоединен одним концом к головке для нанесения материала через направляющую деталь (6) и связан другим своим концом с одним из трех первых устройств (М1, М2, М3) для обеспечения натяжения, причем позиционирующие кабели выполнены с возможностью поддерживаться натянутыми при различных регулируемых длинах посредством изменения настройки трех первых устройств (М1, М2, М3) и второго устройства (4) для обеспечения натяжения и с возможностью задавать, посредством регулировки их длин, перевернутую пирамиду с треугольным основанием, расположенным сверху, и с расположенной снизу вершиной, задающей в трехмерном пространстве точку нанесения, которая находится, по существу, на головке для нанесения материала, закрепленной на нижнем конце трубки (2b) для подвода материала, и которая имеет возможность перемещения по трем координатам X, Y, Z трехмерного пространства между тремя первыми устройствами для обеспечения натяжения при изменении настройки по меньшей мере одного из трех первых устройств (М1, М2, М3) для обеспечения натяжения. Способ изготовления трехмерной конструкции из пастообразных материалов, наносимых посредством указанного устройства, заключается в том, что указанную конструкцию изготавливают путем нанесения пастообразного материала в виде последовательных тонких слоев при перемещении головки для нанесения материала, при этом осуществляют натяжение трех позиционирующих кабелей с длинами (L1, L2, L3), регулируемыми посредством изменения настройки трех первых устройств (М1, М2, М3) для обеспечения натяжения таким образом, чтобы задать перевернутую пирамиду с треугольным основанием и с вершиной, задающей референтную точку в трехмерном пространстве, расположенную, по существу, на головке для нанесения материала, находящейся на нижнем конце трубки для подвода материала, при этом указанную точку нанесения перемещают по трем координатам трехмерного пространства XYZ, заданного тремя первыми опорами (Р1, Р2, Р3), посредством изменения настройки по меньшей мере одного из трех первых устройств (М1, М2, М3) для обеспечения натяжения и посредством перемещения первой каретки (3), поддерживающей головку (2а) для нанесения материала и удерживающей трубку (2b) для подвода материала, по существу, в вертикальном положении.
Известен параллельный роботизированный манипулятор US 2017/0095973 A1 для создания трехмерных структур который включает устройство для формирования аддитивных структур, содержащее: экструдер, прикрепленный по меньшей мере к одному кабелю и приспособленный для перемещения по области рендеринга при поддержке кабеля; множество опор для кабеля, расположенных рядом с областью рендеринга, причем каждая из опор приспособлена для поддержки соответствующего кабеля; по меньшей мере, один тросовый привод, сообщающийся по меньшей мере с одним из кабелей и сконфигурированный для размещения экструдера над областью визуализации; а также подающий резервуар, соединенный с экструдером и сконфигурированный для транспортировки экструдируемого материала в экструдер для контролируемого нанесения на зону обработки. Способ формирования аддитивных структур, включающий: прикрепляют экструдер к множеству кабелей для перемещения и поддержки над областью визуализации при поддержке кабеля; поддержание кабелей от множества опор для кабелей, расположенных рядом с областью рендеринга, каждая из опор приспособлена для поддержки соответствующего кабеля; позиционирование экструдера в заранее определенных положениях над областью рендеринга путем вытягивания и втягивания кабелей; а также выпуск экструдата из подающего резервуара, соединенного с экструдером и сконфигурированного для транспортировки экструдата в экструдер для контролируемого осаждения на зону обработки.
Прототипом изобретения является строительный принтер, представленный в статье «On the Improvements of a Cable-Driven Parallel Robot for Achieving Additive Manufacturing for Construction, (https://www.researchgate.net/publication/ 318274439_On_the_Improvements_of_a_CableDriven_Parallel_Robot_for_Achieving_Additive _Manufacturing_for_Construction) который содержит вышки, на которые с помощью тросов подвешен узел печати и лебедки управления длинами тросов. Узел печати выполнен в виде несущей рамы (куб) на которую установлена фильера.
Все указанные устройства реализуют способ печати, при котором в каждый момент местоположение и движение экструдера определяется длинами тросов, на которые подвешен экструдер (экструзионная головка). Недостатками указанных устройств и способа нанесения строительного раствора являются невысокая точность движения экструдера (экструзионной головки) и, как следствие этого, невысокая точность печатаемых изделии и неровность построенных стен, невысокая скорость нанесения слоев материала особенно при выполнении печати с многочисленными сменами направления движения узла печати, большой вес конструкции и большая установленная мощность оборудования.
Указанные недостатки обусловлены невысокой жесткостью элементов конструкции строительного принтера и подвесом узла печати на гибкие тросы, что не исключает их неконтролируемую вытяжку, различие свойств троса по длине, а также раскачивание элементов конструкции от ветровой нагрузки и динамических нагрузок от движущихся элементов конструкции. Данное устройство, как правило, работает согласно заданной математической модели от исходной реперной точки. В процессе работы устройства накапливается ошибка координат местоположения узла печати.
На периферийных зонах печати несущая рама может терять правильную ориентацию в пространстве. Для компенсации данного эффекта приходится увеличивать натяжение тросов, что вынуждает усиливать конструкцию строительного принтера и увеличивать его установленную мощность.
Работа прототипа изобретения заключается в том, что экструдер, который подвешен и перемещается с помощью тросов, длины которых управляются лебедками, проходит последовательно на каждом уровне каждую линию печати. Прямые линии печати могут выполняться на высокой скорости, но при изменении направления линии печати, например, при поворотах необходимо снижать скорость, чтобы исключить раскачивание экструдера на тросах и не допускать колебательного движения экструдера, которое может не только снизить точность печати, но и быть опасным для работы принтера.
Техническим результатом является повышение точности печати за счет обеспечения компенсации ошибок движения узла печати.
Повышение производительности выполнения строительных работ.
Снижение массы конструкции строительного 3D принтера и его установленной мощности.
Устранение нежелательных колебательных движений узла печати.
Обеспечение печати объекта любой сложности.
Технический результат достигается тем, что строительный 3D принтер содержит опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора согласно предложенному решению узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения.
Строительный 3D принтер содержит печатающее устройство, который может быть установлен на механизм поворота.
Строительный 3D принтер содержит печатающее устройство, которое может быть установлено на несущую раму с помощью механизма точных перемещений.
Строительный 3D принтер содержит печатающее устройство, которое может быть оснащено датчиками местоположения и ориентации в пространстве.
Строительный 3D принтер может содержать установленные на собственный привод линейного перемещения компенсирующие грузы.
Строительный 3D принтер может содержать фильеры, выполненные легкосъемными.
Строительный 3D принтер содержит узел печати с по меньшей мере одной емкостью.
Строительный 3D принтер содержит узел печати с по меньшей мере одной емкостью для строительного раствора, которая может быть легкосъемной.
Строительный 3D принтер содержит устройство заправки емкости для строительного раствора узла печати.
Строительный 3D принтер содержит устройство заправки и замены емкости для строительного раствора узла печати.
Строительный 3D принтер содержит устройство подачи строительного раствора и насос подачи строительного раствора, выход которого соединен с предохранительным или управляемым клапаном для сбрасывания излишков строительного раствора обратно в бункер.
Строительный 3D принтер содержит насосы подачи строительного раствора, которые могут быть соединены непосредственно с фильерами.
Строительный 3D принтер содержит насосы строительного раствора, которые выполнены объемными и снабжены индивидуальными регулируемыми приводами.
Другой технический результат обеспечивает способ печати объекта с помощью строительного 3D принтера, в котором узел печати движется с помощью тросов, длины которых управляются лебедками, согласно предложенному решению объект печатают по уровням печати и линиям печати, определенным для каждого уровня, при этом узел печати движется с минимальным изменением направления движения по траектории, которая обусловлена формой печатаемого объекта, а установленные на печатающем устройстве узла печати фильеры совершают движения согласно линий печати.
Возможен способ печати объекта, где одновременно производится печать на нескольких уровнях.
Возможен способ печати объекта, где производительность каждой фильеры задается в зависимости от скорости ее перемещения и площади поперечного сечения ее выходного отверстия.
Возможен способ печати объекта, где по меньшей мере часть фильер могут прерывать подачу строительного раствора..
Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатков и обеспечение компенсации ошибок движения узла печати.
Строительный 3D принтер ( ) содержит не менее трех опор 1, на которые с помощью тросов 2 подвешен узел печати 3, лебедки 4 управления длинами тросов 2, устройство 5 подготовки и подачи строительного раствора, рукав 6 подачи строительного раствора и основной пульт 7 управления. Точки расположения опор 1 образуют геометрическую фигуру, внутри которой происходит печать.
Тросы 2 соединены с одной стороны с узлом печати 3, с другой стороны через промежуточные шкивы 8, установленные на вершинах опор 1, и/или через промежуточные шкивы 8а, установленные на заданных постоянных или изменяемых высотах опор 1, с лебедками 4 либо непосредственно с лебедками 4, которые располагают на опорах 1 аналогично промежуточным шкивам 8 и 8а. При этом тросы 2, соединенные со шкивами 8 или установленными на их места лебедками 4, соединены с нижними элементами 9 крепления узла печати 3, соответственно, тросы 2, соединенные со шкивами 8а или установленными на их места лебедками 4, соединены с верхними элементами 9 крепления узла печати 3.
Узел печати 3 (структурная схема ) содержит следующую последовательность установленных механизмов и устройств: несущая рама 12, механизм 13 поворота, печатающее устройство 10. Печатающее устройство 10 содержит не менее двух фильер 11. Несущая рама 12 узла печати 3 содержит элементы 9 крепления тросов 2.
Дополнительно узел печати 3 может быть снабжен механизмом 14 точных перемещений (структурная схема ). В этом случае узел печати 3 имеет следующую последовательность установленных механизмов и устройств: несущая рама 12, механизм 14 точных перемещений, механизм 13 поворота, печатающее устройство 10.
Узел печати 3 (гидравлическая схема , вариант исполнения структурной схемы вариант ) содержит разветвитель потока строительного раствора 15, насосы 16 подачи строительного раствора, гибкие рукава 17 для подачи строительного раствора и фильеры 11, установленные на устройство печати 10. Насосы 16 подачи строительного раствора объемного типа, например, героторный, перистальтический, роторный лопастной и т. п. Каждый насос 16 подачи строительного раствора снабжен регулируемым приводом, например, сервомотором 18, шаговым двигателем или асинхронным двигателем с частотным преобразователем напряжения. Насосы 16 подачи строительного раствора могут быть соединены непосредственно с фильерами 11, которые они питают. В нижней части несущей рамы 12 установлены последовательно механизм 13 поворота и устройство печати 10.
Узел печати 3 вариант исполнения (гидравлическая схема , вариант исполнения структурной схемы вариант ) отличается от варианта исполнения наличием механизма 14 точных перемещений.
Узел печати 3 также может содержать по меньшей мере одну емкость 19 и насосы 20 для дозированной подачи в строительный раствор дополнительных компонентов строительного раствора. При этом дополнительный компонент подается одним насосом 20 до разветвителя 15 потока или индивидуальными насосами 20 в каждый поток после разветвителя 15 потока ( ).
Узел печати 3 может дополнительно содержать отсечной клапан 21, который расположен после насоса 16 подачи строительного раствора или непосредственно перед фильерой 11 ( ).
Узел печати 3 может содержать локальный пульт 22 управления, который содержит блоки питания, драйверы управления всех входящих его состав двигателей, актуаторов, клапанов и другого оборудования, вторичных преобразователей датчиков (на фигурах не показаны), которые объединены единым контроллером, а также устройства связи с основным пультом 7 управления строительным 3D принтером.
Печатающее устройство 10 содержит ( ) основание 23, на котором установлены механизмы линейного перемещения, например, линейные модули 24 горизонтального перемещения с двигателем 25, на каретках 26 установлены линейные модули 27 вертикального перемещения. На каретках 28 линейных модулей 27 вертикального перемещения установлены легкосъемные соединения для крепления фильер 11, например, в виде накидных хомутов 29, закрепляемых винтами 30. Такое решение позволяет перемещать фильеру 11 линейно по одной оси в горизонтальной плоскости и вертикально.
Устройство печати 10 может содержать два линейных модуля 24 горизонтального перемещения, которые установлены один на другой перпендикулярно друг другу (на фиг. не показано). Это обеспечивает перемещение фильеры 11 в двух направлениях координатных осей в горизонтальной плоскости.
Таким образом каждая фильера 11 установлена на печатающее устройство 10 на собственный механизм линейного перемещения и может иметь до трех степеней свободы линейных перемещений.
Вариант исполнения печатающего устройства 10 содержит три фильеры 11. Причем две фильеры 11 движутся по одной горизонтальной линии и установлены на более короткие линейные модули 24 горизонтального перемещения, чем третья фильера 11. В зависимости от назначения строительного 3D принтера и уровня сложности печатаемых объектов печатающее устройство 10 может содержать две и более фильеры 11. При этом для решения конкретной поставленной задачи может быть задействованы как все имеющиеся фильеры 11, так и их часть. Незадействованные фильеры 11 могут быть сняты со своих позиций и не участвовать в работе или отключены с помощью отсечного клапана 21 или остановом насоса 16 подачи строительного раствора на данную фильеру 11.
Печатающее устройство 10 может комплектоваться фильерами 11 различного профиля и размеров проходного сечения.
Печатающее устройство 10 может содержать один или более компенсирующий груз 31, каждый из которых установлен на каретку 32 своего собственного линейного модуля 33.
На печатающее устройство 10 содержит один компенсирующий груз 31, который установлен на линейный модуль 33 с двигателем 34.
Печатающее устройство 10 может содержать датчики (не показаны):
- ориентации в пространстве, например, инклинометр, магнитный компас и т.п;
- датчики определения местоположения в пространстве, например, датчики инерционной навигационной системы или маркеры, с помощью которых можно определить местоположение и пространственную ориентацию узла печати 3;
- датчики ориентации узла печати 3 относительно несущей рамы 12, например, линейные или угловые датчики измерений положения устройства печати 10 относительно несущей рамы 12;
- датчики определения местоположения каждой фильеры 11 в системе координат самого печатающего устройства 10, например, электронные линейки различного типа (не показаны).
Узел печати 3 подвешен с помощью тросов 2 на опорах 1, поэтому он не может поворачиваться для изменения направления ориентации печатающего устройства 10 с фильерами 11. Для обеспечения поворота печатающего устройства 10 относительно несущей рамы 12 ( , 3а) введен механизм 13 поворота ( ), который состоит из несущего элемента, поворотной части и привода вращения. Несущий элемент в данном исполнении представлена в виде зубчатого колеса 35, имеющего внутреннюю кольцевую направляющую, по которой перемещаются ролики 36. Поворотная часть представляет собой основание 23 печатающего устройства 10. На основании 23 установлен привод вращения содержащий двигатель 37 с шестерней 38, который входит в зацепление с зубчатым колесом 35. Механизм 13 поворота своим несущим элементом, т.е. зубчатым колесом 35, может быт установлен неподвижно непосредственно на несущую раму 12 ( , 3а) или на механизм 14 точного перемещения ( , 3б). В последнем случае зубчатое колесо 35 будет установлено в качестве подвижной платформы (общетехнический термин, применяемый в механизме Стюарта или подобных устройствах).
Механизм 13 поворота печатающего устройства 10 содержит датчик угла поворота (не показан) печатающего устройства 10 относительно зубчатого колеса 35.
Механизм 13 поворота печатающего устройства 10 может иметь другие конструктивные решения, обеспечивающие аналогичный результат. Например, вместо зубчатой передачи может быть использована цепная или ременная передача с зубчатым ремнем и т.д.
Механизм 14 точных перемещений печатающего устройства 10 обеспечивает до трех степеней свободы линейных перемещений и до трех степеней свободы вращения печатающего устройства 10 относительно несущей рамы 12, что позволяет обеспечить компенсацию ошибок движения узла печати 3 с помощью тросов 2 и лебедок 4 по заданной траектории. Отклонение от заданной траектории движения может быть связана с неточностью движения тросов 2, недостаточной жесткостью опор 1, ветровыми нагрузками и т. п. С другой стороны, снижение точности движения узла печати 3 может быть результатом целенаправленной разработки облегченной конструкции и мощности. Если движение узла печати 3 обеспечивается достаточно точно, строительный 3D принтер может не содержать механизма 14 точных перемещений. Если движение узла печати 3 обеспечивается достаточно точно, строительный 3D принтер может не содержать механизма 14 точных перемещений.
На , 6б и 6в представлены варианты исполнения механизма 14 точных перемещений печатающего устройства 10.
Механизм 14 точных перемещений (вариант исполнения ) содержит основание 39 и подвижную платформу в виде зубчатого колеса 35, которые соединены между собой с помощью двух линейных актуаторов 40 (приводы), оба конца которых снабжены шарнирами вращения 41, например, шарнирными подшипниками. Кронштейн 42 одним концом жестко соединен с основанием 39, а другим концом через шарнир вращения 37 соединен с зубчатым колесом 35. Т.о. данный механизм обеспечивает две степени свободы вращения.
Механизма 14 точных перемещений (вариант исполнения ) содержит основание 39 и подвижную платформу в виде зубчатого колеса 35, которые соединены между собой с помощью трех линейных актуаторов 40, у двух из которых оба конца снабжены шарнирами вращения 41, например, шарнирными подшипниками, а третий линейный актуатор 40 одним своим концом жестко соединен с основанием 39, а его шток 43 соединен с зубчатым колесом 35 через шарнир вращения 41. При этом расстояние между точками установки актуаторов 40 на основании 39 и зубчатом колесе 35 различны. Т.о. данный механизм обеспечивает две степени свободы вращения и одну степень свободы линейного перемещения.
Механизм 14 точных перемещений (вариант исполнения ) выполнен виде механизма Стюарта, состоящего из основания 39 и подвижной платформы в виде зубчатого колеса 35, соединенных между собой с помощью шести линейных актуаторов 40, которые снабжены шарнирами вращения 41, например, шарнирными подшипниками. При этом расстояние между точками установки актуаторов 40 на основании 39 и зубчатом колесе 35 различны. Т.о. данный механизм обеспечивает шесть степеней свободы движения (три линейных степени свободы и три степени свободы вращения).
Основание 39 механизма 14 точных перемещений может представлять собой часть конструкции несущей рамы 12 с элементами крепления актуатора 40, шарниров вращения 41, кронштейна 42. Подвижная платформа, представленная в виде зубчатого колеса 35 может быть выполнена в виде другой конструкции, на которую устанавливаются элементы последующих механизмов. На , 6б, 6в подвижная платформа выполнена в виде зубчатого колеса 35 внешнего зацепления и имеет внутри кольцевую направляющую. Данное зубчатое колесо 35 является одновременно несущим элементом механизма 13 поворота печатающего устройства 10 ( ).
Механизм 14 точных перемещений устройства печати 10 содержит датчики линейных перемещений (не показаны) зубчатого колеса 35 относительно основания в трех осях координат, а также три датчика угла поворота (не показаны) зубчатого колеса 35 относительно основания 39.
Механизм 14 точных перемещений может иметь другую конструкцию, которая должна обеспечить до трех степеней линейных перемещений и до трех степеней вращательных движений узла печати 10. При этом величины ходов линейных перемещений и углов поворота вращательных движений должны компенсировать возможные ошибки движения и пространственной ориентации узла печати 3, вызванные неточностью изменения длин тросов 2, недостаточной жесткостью опор 1, ветровыми нагрузками и т. п.
Помимо датчиков, установленных на печатающем устройстве 10, механизме 13 поворота печатающего устройства 10 и механизме 14 точных перемещений печатающего устройства 10 узел печати 3 содержит датчик (не показан) пространственной ориентации узла печати 3, например, трехосевой инклинометр, датчик (не показан) определения местоположения узла печати 3 в пространстве, например, датчик инерционной навигационной системы, датчики или маркеры (не показаны) для определения местоположения и пространственной ориентации узла печати 3 с помощью видеокамер компьютерного зрения, лазерных трекеров, видеокамер или лазерных дальномеров (не показаны), позволяющих определить местоположение в пространстве и пространственную ориентацию узла печати 3. Указанные датчики устанавливаются непосредственно на несущую раму 12 или в локальный пульт 22 управления, если он установлен жестко на несущей раме 12. Узел печати 3 может также содержать другие датчики, обеспечивающие контроль работы узлов, условия работы и результат выполнения работ, например, датчики давления в рукаве 6 подачи строительного раствора, датчики температуры окружающей среды и строительного раствора, датчики контроля перемещений исполнительных органов, видеокамеры для контроля результата нанесения строительного раствора и т.п.
Узел печати 3 может содержать емкость 44 для строительного раствора ( ), при этом каждый насос 16 подачи строительного раствора соединен с емкостью 44 для строительного раствора отдельно. Емкость 44 для строительного раствора может иметь устройство перемешивания (не показано) строительного раствора.
Насос 20 подачи дополнительного компонента строительного раствора соединен со входом соответствующего насоса 16 подачи строительного раствора ( ) или один насос 20 (не показано) подачи дополнительного компонента может быть соединен с емкостью 44 для строительного раствора.
Емкость 44 для строительного раствора может быть установлена на узле печати 3 стационарно или на легкосъемное соединение. Например, емкость 44 ( ) может иметь цапфы 45а для установки на несущую раму 12 и цапфы 45б для установки на устройство извлечения (не показано) емкости 44 из узла печати 3, а на несущей раме 12 иметь специальные опоры – ловители 46, на которые устанавливаются цапфы 45а емкости 44 для строительного раствора, а также узел соединения емкости 44 с насосами 16 подачи строительного раствора
Дополнительно такая емкость 44 может содержать датчик для определения количества имеющегося строительного раствора, например, датчики веса (не показаны).
Строительный 3D принтер, содержащий узел печати 3 с емкостью 44 для строительного раствора, может быть оборудован не менее чем одним устройством заправки 47 ( , 9) емкости 44 для строительного раствора узла печати 3, выполненным в виде отдельной опоры 1 с подъемником 48, на которой установлен сливной патрубок 49, соединенный с гибким рукавом 6 подачи строительного раствора. Устройства заправки 47 емкости 44 строительного раствора узла печати 3 могут быть расположены в разных концах рабочей зоны печати. Если строительный 3D принтер содержит одно устройство заправки 47 ( ) емкости 44 строительного раствора, то он устанавливается в такое место, чтобы оптимизировать холостые движения узла печати 3 от точек печати до устройства заправки 47.
Строительный 3D принтер, содержащий узел печати 3 с емкостью 44 для строительного раствора, установленной на легкосъемное соединение может быть оборудован не менее чем одним устройством 50 заправки и замены емкости 44 для строительного раствора устанавливаемой на легкосъемное соединение узла печати 3 ( , 11) и содержать одну или более дополнительных сменных емкостей 44, которые установлены на устройство заправки 50 и замены емкости 44 для строительного раствора. Устройство 50 заправки и замены емкости 44 для строительного раствора содержит опору 1, не менее двух подъёмников 52 с кронштейнами 53 и опорами-ловителями 46 для установки цапф 45б емкости 44 для строительного раствора, над которыми установлен сливной патрубок 54 для слива строительного раствора, который выполнен поворотным. Размещение устройств 50 заправки и замены емкости для строительного раствора аналогично размещению узла заправки емкости 47 строительного раствора ( ).
Устройство 5 подготовки и подачи строительного раствора ( ) содержит один или несколько дозаторов 55 твердых компонентов и один или несколько дозаторов 56 жидких компонентов, смеситель 57, бункер 58 готового строительного раствора и насос 59 подачи строительного раствора. Насос 59 подачи строительного раствора объемного типа, например, героторный, перистальтический, роторный лопастной и т. п., снабжен регулируемым приводом 60, например, сервомотором, шаговым двигателем или асинхронным двигателем с частотным преобразователем напряжения. Выход насоса соединен с предохранительным или управляемым клапаном 61, или дросселем, который сбрасывает излишки строительного раствора обратно в бункер 58.
Строительный 3D принтер содержит основной пульт 7 управления ( , 8, 10) и локальные пульты (не показаны) управления, которые установлены на узле печати 3, лебедках 4, устройстве 5 подготовки и подачи строительного раствора, устройстве 47 заполнения емкости 44 для строительного раствора, устройстве 48 заправки емкости 44 для строительного раствора и на устройстве заправки и замены легкосъемной емкости 44 для строительного раствора.
Основной пульт 7 управления вынесен за периметр строительного 3D принтера, и осуществляет следующие функции:
- выработка технологического процесса печати и управление всем процессом печати;
- управлением всеми входящими в состав принтера приводами (драйверами) сервоприводов, актуаторов, заслонок и т. п.;
- взаимодействие с оператором через панель оператора;
- связь основного пульта 7 и локальных пультов осуществляется по беспроводной связи (Wi Fi) или по сети Profinet, Ethernet / IP, и т.п.
Локальные пульты управления содержат приводы (драйверы) управления входящими в данный узел устройств (сервомоторы, клапаны и т.п.) вторичные преобразователи датчиков и измерительных устройств входящих в данный узел, контроллер, обеспечивающий взаимодействие этих устройств и связи с основным пультом 7 управления.
Локальные пульты управления осуществляют сбор информации с расположенных узлах датчиков и средств измерения, непосредственно управление устройствами (двигателями, клапанами и т.п.), могут осуществлять блокировки с целью создания требуемых ограничений и предотвращения аварийных ситуаций, а также передают на основной пульт 7 управления необходимую информацию.
На строительной площадке устанавливаются механические, оптические или лазерные реперы для калибровки строительного 3D принтера до начала и периодический в процессе ведения работ. При этом на узел печати 3 устанавливаются ответные детали (щупы), фотоприемники или дальномеры (не показано).
На -13в представлены варианты нанесения строительного раствора фильерами 11 при возведении одного уровня элемента сооружения типа стены. Для упрощения идентификации каждой фильере 11 присвоен индекс (11а, 11б, 11в и т.п.).
На представлен вариант исполнения части стены, выполненной тремя фильерами: 11а, 11б, 11в. Боковые стенки 62 и 63 связаны зигзагообразной связью 64.
На представлен вариант исполнения части стены, выполненной четырьмя фильерами: 11а, 11б, 11в и 11г. Боковые стенки 62 и 63 связаны зигзагообразными связями 64 и 65.
На представлен вариант исполнения части стены цилиндрической формы, выполненной тремя фильерами: 11а, 11б, 11в. Боковые стенки 62 и 63 имеют цилиндрическую форму и связаны зигзагообразной связью 64.
Строительный 3D принтер работает следующим образом
Конструкция печатаемого объекта характеризуется множеством уровней печати и множеством линий печати на каждом уровне. Одни линии печати определяют внешние формы объекта, другие внутренние, третьи выступают в качестве связей между ними. Соответственно, линии печати имеют самые разнообразные формы: прямолинейные, криволинейные, циклические (зигзаг, меандр, синусоида и т.п.). Причем все эти линии могут быть на одном уровне печати.
В основной пульт 7 управления строительного 3D принтера загружается управляющая программа и вводится 3D модель печатаемого объекта (возводимого сооружения, здания, архитектурной формы и т. п.). На основании указанной модели управляющая программа разделяет печатаемый объект на уровни печати и строит линии печати для каждого уровня. Управляющая программа рассчитывает траекторию движения узла печати 3, угол поворота устройства печати 10 относительно несущей рамы 12 с помощью механизма 13 поворота, количество работающих фильер 11 и перемещение каждой фильеры 11 линейными модулями 24.
Траектория движения узла печати 3 рассчитывается исходя из условия минимизации инерционных нагрузок на узел печати 3 для чего движение производится с минимальным изменением направлений движений, которые обусловлены формой печатаемого объекта. Такое решение позволяет реализовать максимальную скорость движения узла печати 3 и обеспечить такую траекторию движения узла печати, при которой достигается высокая производительность печати. Также учитывается размер хода линейных модулей 24 перемещения фильер 11 на заданном уровне печати. Оптимальным с этой точки зрения может быть линия, проходящая посередине между линиями печати, которые определяют ширину печати на данном участке.
Угол поворота устройства печати 10 относительно несущей рамы 12 с помощью механизма 13 поворота, рассчитывается исходя из пространственной ориентации и направления движения узла печати 3. Требуемый угол поворота устройства печати 11 обеспечивает перпендикулярность или другой требуемый угол между линейными модулями 24 фильер 11 и касательной к траектории движения узла печати 3 в данной точке.
Количество работающих фильер 11 определяется количеством печатаемых линий. Печать может производиться одновременно на нескольких уровнях печати. Если количество фильер 11 превышает количество линий печати отдельные фильеры 11 могут не производить печать. Соответственно должны быть отключены двигатели 18 насосов 16, которые питают эти фильеры. Также могут быть перекрыты отсечные клапаны 21 соответствующих фильер.
Перемещение каждой фильеры 11 линейным модулем 24 определяется координатой точки печати фильеры 11 и координатой местоположения узла печати 3. При этом механизм 13 поворота держит ориентацию устройства печати 10 таким образом, что линейные модули 24 перпендикулярны касательной к траектории движения узла печати 3 в данной точке или образуют с ним другой угол и требуемая точка печати находится на линии перемещения фильеры 11 линейным модулем 24.
До начала работы принтера рассчитываются планы движения каждого механизма и устройства: механизма 13 поворота, линейных модулей 24, насосов 16 подачи строительного раствора и т. д.
Работа принтера заключается в том, что устройство 5 подготовки и подачи строительного раствора готовит и подает строительный раствор на насосы 16 подачи строительного раствора, которые дозировано подают его на фильеры 11. Экструдированный из фильер 11 строительный раствор в виде жгута заданного сечения ложится на линию печати, образуя элемент слоя, высота которого равна расстоянию между уровнями печати. Движение фильер 11 обеспечивают движение узла печати 3 и перемещение их с помощью линейных модулей 24. После прохождения всех линий печати одного уровня узел печати 3 поднимается на следующий, чтобы продолжить печать.
Для печати могут быть использованы водные строительные растворы на основе песчано-цементных, песчано-гипсовых, песчано-глинистых, песчано-полимерных и т. п. смесей с добавлением технологических, реологических, упрочняющих и т. п. компонентов. Непосредственно перед нанесением строительного раствора в его состав могут быть добавлены дополнительные компоненты, изменяющие реологические свойства или скорость отвердения строительного раствора. Дополнительные компоненты строительного раствора из емкости 19 на узле печати 3 подаются насосами 20 в строительный раствор.
Принтер начинает работу с расположения узла печати 3 на реперной точке с известными координатами (не показано). По команде пульта 7 управления шкивы 8а выставляются на заданную высоту, лебедки 4 синхронно изменяют длины тросов 2 таким образом, что узел печати 3 движется на заданную точку начала печати.
Устройство 5 подготовки и подачи готовит строительный раствор требуемого состава, который насосом 59 подачи подают по рукаву 6 в разветвитель 15 потока узла печати 3, затем насосами 16 через гибкие шланги 17 в фильеры 11. Каждый насос 16 обеспечивает требуемую производительность подачи строительного раствора путем задания частоты вращения двигателя 18, установленную в зависимости от размера проходного сечения и скорости движения фильеры 11, работу которой он обеспечивает. Насос 59 подачи строительного раствора имеет производительность несколько выше, чем суммарная производительность всех насосов 16, что обеспечивается частотой вращения регулируемого привода 60. Избыток поданного строительного раствора возвращается предохранительным или управляемым клапаном 61 обратно в бункер 59 устройства 5 подачи строительного раствора.
Изменяя согласованно длины тросов 2 лебедками 4, двигают узел печати 3 в соответствии с рассчитанной траекторией движения каждого уровня печатаемого объекта. Механизм 13 поворота поворачивает печатающее устройство 10 относительно несущей рамы 12 узла печати 3 на заданное угловое расположение так, чтобы обеспечить перпендикулярность или другой требуемый угол между линейными модулями 24 фильер 11 и касательной к траектории движения узла печати 3 в данной точке. Для этого двигатель 37 вращает шестерню 38, которая входит в зацепление с колесом 35. Шестерня перемещается по поверхности колеса 35 и увлекает во вращательное движение основание 23 печатающего устройства 10. Ролики 36 контактируют и движутся по внутренней кольцевой направляющей зубчатого колеса 35, что обеспечивает вращательное движение основания 23 относительно центра зубчатого колеса 35. Изменение направление вращения двигателя 37 и скорость вращения обеспечивают поворот основания 23 вправо-влево с заданной угловой скоростью, что позволяет изменять направление ориентации печатающего устройства 10 с фильерами 11. Вариант ориентации печатающего устройства 10, при котором линейные модули 24 располагаются перпендикулярно траектории движения узла печати 3, обеспечивает наиболее широкое поле печати.
Фильеры 11 печатающего устройства 10 перемещаются линейными модулями 24 горизонтального перемещения на заданную точку в соответствии с расположением линии печати. В зависимости от скорости и направления вращения двигателей 25 линейных модулей 24 горизонтального перемещения задается скорость и направление перемещения каждой фильеры 11. Результирующая скорость и направление движения каждой фильеры 11 складывается как векторная сумма скорости и направления движения узла печати 3 и скорости и направления перемещения каждой фильеры 11 линейными модулями 24. Соответственно, линия движения фильеры 11 будет подобна траектории узла печати 3, если фильера 11 не перемещается линейным модулем 24, или отклоняться от нее, образуя иные линии движения, если фильера 11 перемещается линейным модулем 24. В частности, если линейный модуль 24 совершает циклические движения, то линии движения фильеры 11 также получаются циклическими, например, в виде в виде синусоиды, зигзага, меандра и т.п. Таким образом строительный 3D принтер может печать линии любой сложности заданной траектории и, соответственно, обеспечить печать объекта любой сложности. При этом узел печати 3 движется с минимальным количеством изменения направлений движений по траектории, которая обусловлены формой печатаемого объекта, а установленные на печатающем устройстве 10 узла печати 3 фильеры 11, совершают на большой скорости боковые и циклические движения согласно линии печати, что позволяет получить высокую производительность работы. Это возможно благодаря тому, что масса каждой фильеры 11 намного меньше массы узла печати 3. Принтер при этом потребляет меньшую мощность.
При печати нескольких линий одновременно, траектория движения узла печати 3 может быть выбрана как средняя линия между двумя крайними линями, которые определяют ширину печатаемого фрагмента объекта. Если эта линия имеет циклический характер, то выбирается средняя линия данной циклической линии. Таким образом исключаются циклические движения узла печати 3. При этом узел печати 3 должен находиться на такой линии, чтобы фильеры 11 достигали крайних точек печатаемого объекта. Также может быть выбрана линия эквидистантная ей.
Выбор траектории движения узла печати 3 плавной с минимальным количеством изменения направлений движения, которое обусловлено формой печатаемого объекта, позволяет обеспечить высокую скорость печати линий с частым изменением направления печати и высокую точность печати.
Печать объекта по траектории движения узла печати 3 с минимальным количеством изменения направлений движения, которые обусловлены формой печатаемого объекта, позволяет обеспечить высокую скорость печати объекта, имеющих линии с частым изменением направления печати, и высокую точность печати.
Циклическое движение линейных модулей 24 с фильерами 11 приводит к возникновению переменной величины количества движения (импульса движения), которое передается узлу печати 3, подвешенному на тросах 2, и не компенсируется. Это может приводить к возникновению колебательных движений узла печати 3, что может повлиять на точность его перемещения и в итоге на точность печати. Для устранения указанного явления, в периоды совершения фильерами 11 некомпенсированных циклических движений, приводятся в движение компенсирующие грузы 31.
При любом количестве подвижных фильер 11 возможен расчет суммарной величины количества движения, возникающего как реакция на движения фильер 11 и задание параметров движения компенсирующего груза 31.
Применение подвижных компенсирующих грузов 31 позволяет избежать возникновение колебательных движений узла печати 3, которое влияет на точность движения печати 3 и всех входящих в него компонентов и, в конечном случае, фильер 11, и позволяет повысить точность печати, а также не допустить возникновения параметрических автоколебаний, что может оказаться опасным для работы строительного 3D принтера.
Каждая фильера 11 может быть установлена на определенную высоту за счет перемещения каретки 28 линейного модуля 27 вертикальных перемещений. Скорость и направление перемещения фильер 11 в вертикальном направлении определяется направлением и скоростью вращения двигателей 25 линейных модулей 27 вертикального перемещения. Это позволяет производить печать объекта сразу на нескольких высотах одновременно, т.е. на нескольких уровнях. Для этого фильеры 11 устанавливают на высотах расположения тех уровней, на которых производит печать данная фильера 11. Количество одновременно печатаемых уровней может быть от одного до общего количества установленных фильер 11.
Требуемая производительность каждой фильеры 11 определяется поперечным сечением выходного отверстия и результирующей скоростью ее перемещения. Насосы 16 подачи строительного раствора обеспечивают требуемую производительность для каждой фильеры 11 за счет скорости вращения сервомотора 18. Таким образом производительность каждой фильеры 11 задается в зависимости от скорости ее перемещения и площади поперечного сечения ее выходного отверстия. При необходимости возможно прерывание подачи строительного раствора на любую из фильер 11 путем останова соответствующего насоса 16, а также дополнительного перекрытия потока строительного раствора отсечным клапаном 21 при его наличии. Отсечной клапан 21 позволяет ускорить время отсечки строительного раствора и снижает неконтролируемое нанесение строительного раствора при прерывании подачи строительного раствора. Экструдированный из фильер 11 строительный раствор в виде жгута заданного сечения ложится на линию печати, образуя элемент слоя, высота которого равна расстоянию между уровнями печати.
Представленный на вариант исполнения устройства печати 3 содержит три фильеры 11. Две боковые фильеры 11 могут быть использованы для нанесения строительного раствора на боковые стенки 62, 63 печатаемого объекта ( ), а средняя фильера 11 для нанесения зигзагообразной линии 64, связывающую боковые стенки 62 и 63. Соответственно, перемещение этой фильеры 11 будет способствовать появлению циклического момента движения, пропорционального весу фильеры 11 с проходящим через нее строительным раствором, и скорости ее перемещения. Для компенсации этого циклического момента движения линейный модуль 33 приводит в движение каретки 32 с компенсирующим грузом 31, который движется противоположно перемещению фильеры 11 с тем же моментом движения, что и фильера 11 с проходящей через него массой строительного раствора. Это позволяет компенсировать величину суммарного количества движения колеблющейся средней фильеры 11 и исключить возможные колебательные движения узла печати 3.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности печати за счет обеспечения компенсации ошибок движения узла печати, повышении производительности выполнения строительных работ, снижении массы конструкции строительного 3D принтера и его установленной мощности, устранении нежелательных колебательных движений узла печати, обеспечении печати объекта любой сложности. Технический результат достигается тем, что строительный 3D принтер содержит опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора. А узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения, а также технический результат достигается способом печати объекта с помощью такого 3D принтера.
На фигурах введены следующие обозначения: 1 – опора; 2 – трос; 3 – узел печати; 4 – лебедка; 5 – устройство подготовки и подачи строительного раствора; 6 – рукав подачи строительного раствора; 7 – основной пульт управления; 8, 8a – промежуточные шкивы; 9 – элемент крепления; 10 - печатающее устройство; 11 – фильер; 12 - несущая рама; 13 – механизм поворота; 14 - механизмом точных перемещений; 15 - разветвитель потока строительного раствора; 16, 20, 59 – насос; 17 - гибкие рукав; 18 – сервомотор; 19, 44 – емкость; 21- отсечной клапан; 22 - локальный пульт управления; 23 – основание; 24, 33 - линейные модули горизонтального перемещения; 25, 34, 37 – двигатель; 26, 28, 32 – каретка; 27 - линейные модули вертикального перемещения; 29 - накидные хомуты; 30 – винты; 31 – груз; 35 – зубчатое колесо; 36 – ролики; 38 – шестерня; 39 – основание; 40 - линейный актуатор (привод); 41 – шарнир вращения; 42 – кронштейн; 43 – шток; 45а, 45б – цапфа; 46 – ловитель; 47, 50 – устройство заправки; 48 – подъемник; 49 – сливной патрубок; 52 – подъемник; 53 – кронштейн; 54 - сливной патрубок; 55 – дозатор твердых компонентов ; 56 – дозаторов жидких компонентов; 57 – смеситель; 58 – бункер готового строительного раствора; 60 – регулируемый привод; 61 – клапан; 62, 63 – боковые сетки; 64, 65 – зигзагообразные связи.
Фигура.1
изображен общий вид строительного 3D принтера.
изображены варианты структурных схем узла печати строительного 3D принтера.
изображены варианты структурных схем узла печати строительного 3D принтера.
изображен общий вид узла печати.
изображен общий вид узла печати с механизмом точных перемещений.
изображена гидравлическая схема узла печати.
изображено печатающее устройство.
изображен механизм поворота печатающего устройства.
представлены варианты исполнения механизма точных перемещений печатающего устройства.
представлены варианты исполнения механизма точных перемещений печатающего устройства.
представлены варианты исполнения механизма точных перемещений печатающего устройства.
изображен общий вид узла печати с емкостью для строительного раствора.
изображен общий вид узла печати с лёгкосъёмной емкостью для строительного раствора.
изображен общий вид строительного 3D принтера, содержащего устройство заправки емкости для строительного раствора узла печати.
изображено устройство заправки емкости для строительного раствора узла печати.
изображен общий вид строительного 3D принтера, содержащего устройство заправки и замены емкости для строительного раствора узла печати.
изображено устройство заправки и замены емкости для строительного раствора узла печати.
изображена схема устройство подготовки и подачи строительного раствора.
представлен вариант исполнения стены, состоящей из боковых стенок и зигзагообразной связи.
представлен вариант исполнения стены, состоящей из боковых стенок и двух пересекающихся друг с другом зигзагообразных связей.
представлен вариант исполнения стены цилиндрической формы, содержащей выполненные по радиусу боковые стенки и зигзагообразную связь.
Примеры реализации.
на -13в представлены варианты нанесения строительного раствора фильерами 11 при возведении одного уровня печатаемого объекта, например, стены. Для упрощения идентификации каждой фильере 11 присвоен индекс (11а, 11б и т.д.).
На представлен вариант исполнения стены, состоящей из двух боковых стенок 62 и 63 и зигзагообразной линии 64, тремя фильерами: фильеры 11а и 11б печатают стенки 62 и 63, фильера 11в печатает зигзагообразную линию 64, связывающую стенки 62 и 63. Траектория движения узла печати 3 выбрана как среднее между линиями печати 62 и 63 (штрих-пунктирная линия) и является прямой, что обусловлено формой печатаемого фрагмента. Механизм 13 поворота поворачивает печатающее устройство 10 относительно несущей рамы 12 вокруг ее вертикальной оси (на фигурах не показано) так, чтоб линейные модули 24 были перпендикулярны траектории движения узла печати 3. Фильеры 11а и 11б при печати не совершают перемещения и печатают по линиям печати стенок 62 и 63 повторяя траекторию движения узла печати 3. Скорость движение обоих филер 11а и 11б одинакова, при этом производительность насосов 16, питающих эти фильеры одинакова и задается частотой вращения двигателей 18, приводящих во вращение эти насосы 16. Фильера 11в при печати совершает постоянные циклические движения перпендикулярно направлению движения узла печати 3 от стенки 62 к стенке 63 и обратно. Скорость движения фильеры 11в определяется как векторная сумма скорости перемещения ее линейными модулями 24 и скорости движения узла печати 3. Скорость движения фильеры 11в выше скорости движения фильер 11а и 11б и меняется в зависимости от ее местоположения: на линейных участках зигзага - самая высокая и уменьшается до скорости движения узла печати 3 в момент обратного разворота у стенок 62 и 63. Производительность насоса 16 изменяют с помощью двигателя 18.
Количество фильер 11 равно количеству линий печати уровня и поэтому все три фильеры 11а, 11б и 11 в могут находиться на одном уровне. Возможна печать, при которой фильеры 11а, 11б и 11в будут на разных уровнях печати.
Вариант печатаемого объекта стенки по может быть выполнен печатающим устройством 10, содержащем две фильеры 11 (11а и 11б). Печать происходит следующим образом:
При каждом прохождении узла печати 3 могут быть выбрана траектории движения узла печати 3, которая обусловлена формой фрагмента печати как:
прямая линия, которая проходит как средняя линия между крайними линиями печати 62 и 63,
линия, которая находится как средняя линия между точками разворота зигзагообразной линии печати 64 которыми она не касается линии печати 62 и линей печати 62,
линия, которая находится как средняя линия между точками разворота зигзагообразной линии печати 64 которыми она не касается линии печати 63 и линей печати 63.
Все указанные линии параллельны друг другу и обеспечивают одинаково прямолинейную траекторию узла печати 3. В данном случае выбрана линия, проходящая посередине между линиями печати 62 и 63, которая обозначена штрихпунктирной линией.
Первое прохождение узла печати 3. Фильера 11а устанавливается над линией печати стенки 62, фильера 11б – над зигзагообразной линией 64 (не так, как показано на ). Обе фильеры 11а и 11б устанавливаются на одной высоте. При движении узла печати 3 вдоль печатаемого объекта стены фильера 11а не совершает циклических движений, фильера 11б совершает постоянные циклические движения перпендикулярно направлению движения узла печати 3 от стенки 62 до места расположения печатаемой стенки 63 и обратно. В результате после первого прохождения узла печати 3 на данном уровне будут напечатаны стенка 62 и зигзагообразная линия 64.
Второе прохождение узла печати 3. Фильера 11а устанавливается над линией печати стенки 62, фильера 11б – над линией печати стенки 63. Причем фильера 11а устанавливается на втором уровне, фильера 11б находится на первом уровне печати. При движении узла печати 3 вдоль печатаемого объекта стены фильеры 11а и 11б не совершают движения перпендикулярного направлению движения узла печати 3. В результате после второго прохождения на первом уровне печати будут напечатаны стенки 62, 63 и зигзагообразная линия 64, на втором уровне будет напечатана стенка 63.
Третье прохождение узла печати 3. Фильера 11а устанавливается над зигзагообразной линией 64, фильера 11б – над линией печати стенки 63. Обе фильеры устанавливаются на втором уровне печати на одной высоте. При движении узла печати 3 вдоль печатаемого объекта стены, фильера 11а совершает постоянные циклические движения перпендикулярно направлению движения узла печати 3 от стенки 62 к стенке 63 и обратно, фильера 11б не совершает перемещения. В результате после третьего прохождения будут напечатаны два уровня стенок 62, 63 и два уровня зигзагообразной линии 64.
На представлен вариант исполнения стены, выполненной из двух стенок 62, 63 и двух зигзагообразных линий 64, 65, выполненной четырьмя фильерами: фильеры 11а и 11б устанавливается над линией печати стенок 62 и 63, фильеры 11в и 11г над линией печати связей 64 и 65.
Для печати выбрана прямолинейная траектория узла печати 3, которая обусловлена формой фрагмента печати как прямой линии и проходит как средняя линия между крайних линий печати 62 и 63, и которая обозначена как штрихпунктирная линия.
Узел печати 3 движется по заданной траектории вдоль печатаемого объекта стены. Механизм 13 поворота печатающего устройства 10 поворачивает его вокруг вертикальной оси так, чтоб линейные модули 24 были перпендикулярно линии движения узла печати 3. Фильеры 11а и 11б перемещают над линиями печати стенок 62 и 63 и не совершают циклических движений. Фильеры 11в 11г совершает постоянные циклические движения перпендикулярно направлению движения узла печати 3 от стенки 62 к стенке 63 и обратно. В местах пересечения зигзагообразных линий 64 и 65 одна из фильер 11в или 11г прерывает подачу строительного раствора. Это позволяет избежать чрезмерного нанесения строительного раствора в местах пересечения зигзагообразных линий 64 и 65. Количество фильер 11 равно количеству линий печати уровня и поэтому все четыре фильеры 11а, 11б, 11в и 11г и могут находиться на одном уровне. Возможна печать, при котором фильеры 11а, 11б, 11в и 11г находятся на разных уровнях печати.
На представлен вариант исполнения печатаемого объекта стены цилиндрической формы, состоящей из двух цилиндрических стенок 62, 63 и зигзагообразной линии 64, выполненной тремя фильерами. Фильеры 11а и 11б устанавливаются над линиями печати стенок 62 и 63 соответственно, фильера 11в устанавливается над линией печати связи 64. Узел печати 3 совершает плавное движение по криволинейной траектории, обусловленной формой печатаемого объекта эквидистантно стенок 62 и 63 (например, по пунктирной линии). Механизм 13 поворота печатающего устройства 10 поворачивает его вокруг вертикальной оси (на фигурах не показано) так, чтоб линейные модули 24 всегда были перпендикулярно траектории узла печати 3. Фильеры 11а и 11б движутся над линиями печати стенок 62 и 63, не совершая циклических движений, и в результате чего перемещаются по траектории, подобной траектории движения узла печати 3. Фильера 11в совершает постоянные циклические движения перпендикулярно направлению движения узла печати 3 от стенки 62 к стенке 63 и обратно. Количество фильер равно количеству линий печати уровня и поэтому все три фильеры 11а, 11б и 11 в могут находиться на одном уровне. Возможна печать, при котором фильеры 11а, 11б и 11в находятся на нескольких уровнях.
Строительный 3D принтер с вариантом исполнения узла печати (структурная схема ) отличается наличием механизма 14 точных перемещений устройства печати 10. Наличие механизма 14 точных перемещений позволяет выполнять точную печать объекта при невысокой точности движения и пространственной ориентации узла печати 3 во время движения. Невысокая точность движения и пространственная ориентация узла печати 3 во время перемещений может быть вызвана невысокой жесткостью опор 1, невысокой точностью работы лебедок 4, изменением жесткости тросов 2, ветровой нагрузкой на конструкцию во время работы и т. п.
С другой стороны, наличие механизма 14 точных перемещений позволяет проектировать строительный 3D принтер, обладающий невысокой жесткостью опор 1, то есть облегченную конструкцию. Точное позиционирование узла печати 3, а особенно точная пространственная ориентация его требует высоких усилий на тросах и достаточной мощности лебедок 4. Наличие механизма 14 точных перемещений позволяет снизить нагрузки на конструкцию и установленную мощность лебедок 4, что также облегчает и упрощает конструкцию строительного 3D принтера.
При движении узла печати 3 датчик пространственной ориентации (не показан) узла печати 3, датчик определения местоположения (не показан) узла печати 3 в пространстве определяют истинное местоположение и пространственную ориентацию узла печати 3 в пространстве, данные отправляются на пульт 7 управления. Пульт 7 управления определяет величину ошибки положения и пространственной ориентации узла печати 3 относительно заданной программой управления.
Работа механизма 14 точных перемещений заключается в том, чтобы несмотря на ошибки местоположения и пространственной ориентации узла печати 3 устройство печати 10 имело требуемое пространственное положение и ориентацию в пространстве и в конечном счете фильеры 11 двигались по заданным линиям печати с требуемой точностью.
Представленные на , 6б и 6в варианты исполнении механизма 14 точных перемещений имеют различную сложность исполнения и соответственно могут компенсировать неточность движения узла печати 3 в различной степени.
Вариант исполнения механизма 14 точных перемещений вариант исполнения компенсирует угловые отклонения узла печати 3 относительно двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, то есть горизонтальность расположения узла печати 3.
Вариант исполнения механизма 14 точных перемещении вариант исполнения компенсирует угловые отклонения узла печати 3 относительно двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, и неточность его расположения по высоте.
Вариант исполнения механизма 14 точных перемещении вариант исполнения 6в компенсирует как отклонения местоположения узла печати в пространстве, так и его пространственную ориентацию.
Входящий в узел печати 3 механизм 13 поворота может дополнительно исправлять ошибку ориентации узла печати 3 относительно вертикальной оси вращения, что актуально для вариантов исполнения узла печати 3 с применением механизма 14 точных перемещений исполнения и 6б.
Линейный модуль 24 горизонтальных перемещений при движении фильеры 11 может дополнительно компенсировать неточность расположения узла печати 3.
Линейный модуль 27 вертикальных перемещений может компенсировать неточность расположения узла печати 3 по высоте.
Механизм 14 точных перемещений исполнения производит перемещение зубчатого колеса 35 путем согласованного движения двух входящих в него линейных актуаторов 40. Величины перемещений каждого линейного актуатора 40 рассчитываются исходя из требуемой величины угловой скорости и угла поворота зубчатого колеса 35. В результате перемещений зубчатое колесо 35 получает вращательные движения в двух степенях свободы по горизонтали относительно несущей рамы 12 ( ), то есть исправляет ошибку пространственной ориентации устройства печати 10, связанную с неточностью ориентации узла печати 3 по двум горизонтальным взаимно-перпендикулярным осям вращения.
Механизм 14 точных перемещений исполнения производит перемещение зубчатого колеса 35 путем согласованного движения всех трех входящих в него линейных актуаторов 40. Величины перемещений каждого линейного актуатора 40 рассчитываются исходя из требуемой величины угловой скорости и угла поворота зубчатого колеса 35. В результате перемещений зубчатое колесо 35 получает линейное перемещение по вертикальной оси и вращательные движения по двум горизонтальным осям относительно несущей рамы 12 ( ), исправляет ошибку пространственной ориентации устройства печати 10, связанную с неточностью ориентации узла печати 3 по вертикальной оси координат и относительно двух горизонтальных взаимно-перпендикулярных осей вращения.
Механизм 14 точных перемещений исполнения производит перемещение зубчатого колеса 35 путем согласованного движения всех шести входящих в него линейных актуаторов 40. Величины перемещений каждого линейного актуатора 40 рассчитывается исходя из требуемой величины угловой скорости и угла поворота зубчатого колеса 35. В результате перемещений зубчатое колесо 35 получает линейные перемещения по трем осям и вращательные движения в трех степенях свободы, встает на заданную точку в пространстве и приобретает требуемую пространственную ориентацию в пространстве, то есть исправляет ошибку пространственной ориентации устройства печати 10, связанную с неточностью ориентации узла печати 3.
Таким образом, механизм 14 точных перемещений исполнения производит наиболее полную корректировку ошибки позиционирования и пространственной ориентации печатающего устройства 10 узла печати 3. Механизмы 13 точных перемещений поз. 6а и 6б обеспечивают соответственно корректировки пространственную ориентацию по двум осям, кроме вертикальной оси ( ) и по вертикальной оси и пространственной ориентации по двум осям, кроме вокруг вертикальной оси. ( ).
В варианте исполнения строительного 3D принтера с узлом печати 3, содержащем емкость 44 для строительного раствора ( ) подача строительного раствора на фильеры 11 осуществляется аналогично насосами 16, производительность которых для каждой фильеры 11 задается двигателями 18. Также возможно введение дополнительных компонентов строительного раствора из емкости 19 насосами 20.
Отличие работы строительного 3D принтера вариант исполнения от варианта исполнения является необходимость периодической заправки емкости 44 для строительного раствора узла печати 3 ( ). Для этого после израсходования строительного раствора из емкости 44 (определяется датчиками веса (не показаны) или другим способом) управляющая программа подводит узел печати 3 к устройству 47 заправки емкости 44 строительного раствора. Устройство 47 заправки емкости 44 строительного раствора выставляет сливной патрубок 49 ( ) выше уровня емкости 44 строительного раствора. Когда емкость 44 строительного раствора окажется под сливным патрубком 49, устройство 5 подготовки и подачи строительного раствора подает строительный раствор. Подача завершается после заполнения емкости 44 строительного раствора, которое определяется датчиками веса (не показаны) емкости 44. Затем узел печати 3 уходит на точку, в котором была прервана печать для продолжения работы.
В строительном 3D принтере варианта исполнения после израсходования строительного раствора из легкосъемной емкости 44 ( ), определяемого датчиками веса (не показаны) или другим способом емкости 44, управляющая программа подводит узел печати 3 к устройству 50 заправки и замены лёгкосъёмной емкости 44 строительного раствора. Подъемник 52 (правая на ) с помощью кронштейнов 53 с установленными на них опорами-ловителями 46 захватывает легкосъемную емкость 44 за цапфы 45 и поднимает в верхнее положение. Неточность взаимного положения емкости 44 и подъемника 52 компенсируется работой опор-ловителей 46. Узел печати 3 переводится под другой подъемник 52 (слева на ), который опускает заправленную сменную легкосъемную емкость 44 строительного раствора на опоры-ловители 46, расположенные на узле печати 3. Тележка опускается вниз настолько, чтобы цапфы 45б освободились от расположенных на кронштейнах 53 опорах-ловителях 46. Затем узел печати 3 уходит на точку, в которой была прервана печать для продолжения работы.
Таким образом, конструкция принтера позволяет реализовать способ печати, при котором узел печати 3 движется по линии, которая обусловлена формой печатаемого объекта, при этом фильеры 11 совершают движение в узле печати 3.
Размещение фильер 11 на разных высотах позволяет производить печать одновременно на нескольких уровнях.
Отсечка строительного раствора при проведении печати позволяет прерывать процесс печати на заданное время одной из фильер 11, то есть позволяет производить печать меньшим количеством фильер 11.
Представленные технические решения позволяют повысить точность печати, производительность выполнения строительных работ и снижает массу конструкции строительного 3D принтера и его установленную мощность.
Изобретение может применяться в области печати объектов, таких как здания, малые архитектурные формы, ограждения и т.п., из строительного раствора и в способе печати на 3D принтере.
Патентная литература
Патент RU2690436
Патент US20170095973
Непатентная литература
Jean-Baptiste Izard, Alexandre Dubor, Pierre-Elie Herve, Edouard Cabay «On the Improvements of a Cable-Driven Parallel Robot for Achieving Additive Manufacturing for Construction, (https://www.researchgate.net/publication/ 318274439_On_the_Improvements_of_a_CableDriven_Parallel_Robot_for_Achieving_Additive _Manufacturing_for_Construction)

Claims (17)

  1. Строительный 3D принтер, содержащий опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора, отличающийся тем, что узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения.
  2. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что печатающее устройство установлено на механизм поворота печатающего устройства.
  3. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что печатающее устройство установлено на несущую раму с помощью механизма точных перемещений печатающего устройства.
  4. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что печатающее устройство оснащено датчиками местоположения и ориентации в пространстве.
  5. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что печатающее устройство может содержать установленные на собственный привод линейного перемещения компенсирующие грузы.
  6. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что фильеры выполнены легкосъемными.
  7. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что узел печати содержит по меньшей мере одну емкость.
  8. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что узел печати содержит емкость для строительного раствора, которая может быть легкосъемной.
  9. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что содержит устройство заправки емкости для строительного раствора узла печати.
  10. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что содержит устройство заправки и замены емкости для строительного раствора узла печати.
  11. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что устройство подачи строительного раствора содержит насос подачи строительного раствора, выход которого соединен с предохранительным или управляемым клапаном для сбрасывания излишков строительного раствора обратно в бункер.
  12. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что насосы подачи строительного раствора могут быть соединены непосредственно с фильерами, которые они питают.
  13. Строительный 3D принтер по п. 1, отличающийся тем, что насосы строительного раствора выполнены объемными и снабжены индивидуальными регулируемыми приводами.
  14. Способ печати объекта с помощью строительного 3D принтера по любому из пп. 1-13, в котором узел печати движется с помощью тросов, длины которых управляются лебедками, характеризующийся тем, что объект печатают по уровням печати и линиям печати, определенным для каждого уровня, при этом узел печати движется с минимальным изменением направления движения по траектории, которая обусловлена формой печатаемого объекта, а установленные на печатающем устройстве узла печати фильеры совершают движения согласно линиям печати.
  15. Способ печати объекта по п. 14, отличающийся тем, что одновременно может производиться печать на нескольких уровнях.
  16. Способ печати объекта по п. 14, отличающийся тем, что производительность каждой фильеры задается в зависимости от скорости ее перемещения и площади поперечного сечения ее выходного отверстия.
  17. Способ печати объекта по п. 14, отличающийся тем, что по меньшей мере часть фильер могут прерывать подачу строительного раствора.
PCT/RU2021/050419 2020-12-10 2021-12-07 Строительный 3d принтер WO2022124943A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140696 2020-12-10
RU2020140696A RU2753324C1 (ru) 2020-12-10 2020-12-10 Строительный 3D принтер

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022124943A1 true WO2022124943A1 (ru) 2022-06-16

Family

ID=77349235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050419 WO2022124943A1 (ru) 2020-12-10 2021-12-07 Строительный 3d принтер

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2753324C1 (ru)
WO (1) WO2022124943A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2333102C1 (ru) * 2007-07-26 2008-09-10 Общество с ограниченной ответственностью "НПО Протэкт" Способ получения сетчатого полимерного материала, технологическая линия для его получения и сетчатый полимерный материал (варианты)
CN104527067A (zh) * 2014-12-24 2015-04-22 上海大学 可自由移动的3d打印机器人
US20170095973A1 (en) * 2015-10-06 2017-04-06 Worcester Polytechnic Institute Cable Driven Manipulator for Additive Manufacturing
US9669586B2 (en) * 2013-10-01 2017-06-06 Autodesk, Inc. Material dispensing system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2583333B1 (fr) * 1985-06-14 1987-08-07 Cilas Alcatel Procede pour realiser un modele de piece industrielle et dispositif de mise en oeuvre de ce procede
JP2597778B2 (ja) * 1991-01-03 1997-04-09 ストラタシイス，インコーポレイテッド 三次元対象物組み立てシステム及び組み立て方法
FR3029811B1 (fr) * 2014-12-16 2019-04-12 Xavier Rocher Dispositif et procede de fabrication de structures tridimensionnelles realisees en couches successives

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2333102C1 (ru) * 2007-07-26 2008-09-10 Общество с ограниченной ответственностью "НПО Протэкт" Способ получения сетчатого полимерного материала, технологическая линия для его получения и сетчатый полимерный материал (варианты)
US9669586B2 (en) * 2013-10-01 2017-06-06 Autodesk, Inc. Material dispensing system
CN104527067A (zh) * 2014-12-24 2015-04-22 上海大学 可自由移动的3d打印机器人
US20170095973A1 (en) * 2015-10-06 2017-04-06 Worcester Polytechnic Institute Cable Driven Manipulator for Additive Manufacturing

Also Published As

Publication number Publication date
RU2753324C1 (ru) 2021-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10875237B2 (en) Device and method for producing three-dimensional structures created in successive layers
DE102014015335B4 (de) Generative Fertigungsvorrichtung und Fertigungsverfahren zm schichtweisen Aufbau von Bauwerken
US20150082740A1 (en) Brick Laying System
CN104057612B (zh) 3d打印机用自动调平装置及3d打印机及调平方法
US5440476A (en) System for positioning a work point in three dimensional space
EP3947861B1 (de) Vorrichtung für das ausbringen eines fluiden prozesswerkstoffs
US20180345533A1 (en) Mobile three-dimensional printer with layer smoothing
JP2019147338A (ja) ３ｄプリンタ用ノズル装置および３ｄプリンタ装置並びにこれを用いた建造物の構築方法、粘性材料の供給方法および製作物構築装置
EP3626420A1 (en) Concrete structure manufacturing apparatus and method
US11359393B2 (en) Systems and methods for additive manufacturing
RU161181U1 (ru) Многофункциональный строительный робот
WO2018193088A1 (de) System umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste vorrichtung und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite vorrichtung zum aufbringen von material
WO2022124943A1 (ru) Строительный 3d принтер
EP0691009A1 (en) System for positioning a workpoint
EA041628B1 (ru) Строительный 3d принтер
CN113500778B (zh) 一种多材料多功能可切换3d打印***及方法
KR101059867B1 (ko) 가변포스트를 이용한 블록 하부 도장장치
US20230302480A1 (en) Robot for coating a vehicle body
KR102409997B1 (ko) 페인팅 드론 시스템 및 페인팅 드론 시스템을 이용한 도장 방법
WO2023043924A1 (en) Articulated structural three-dimensional printing machine
Bulgakov et al. Robot manipulators for plastering work
CN209903475U (zh) 一种升降杆式水泥制品3d打印设备
CN206769402U (zh) 一种基于建筑轮廓施工工艺设计的3d建筑打印喷头
CN112832528B (zh) 泵送控制方法和装置、物料的布料方法和装置及布料设备
UA151814U (uk) Установка для пошарового виготовлення тривимірних конструкцій

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21903945

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21903945

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1