CN103331817A

CN103331817A - 工程结构的3d打印方法

Info

Publication number: CN103331817A
Application number: CN2013102704762A
Authority: CN
Inventors: 朱尔玉; 施明源; 朱力
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103331817B

Abstract

本发明涉及工程结构的3D打印方法，属于工程技术领域。该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作。本发明的有益效果是：本发明克服了传统工程结构制作方法需要大量的模板、人力和工时，并且制作精度和质量往往难以满足要求的缺点，实属一大创新，对3D打印在工程领域的应用具有重要意义。

Description

工程结构的3D打印方法

技术领域

本发明涉及工程结构的3D打印方法，应用于工程领域中各种工程结构的三维快速制作。

背景技术

传统的3D打印技术，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零部件，并且精度和质量很高，因而3D打印将是生产制造的一次革命。

工程结构包括土木工程结构、水利工程结构、港口和海岸工程结构、特种工程结构、机场跑道、地下和空间结构等。但传统的3D打印在工程结构领域的应用显然遇到了很高的门槛，这主要是由于工程结构多为混凝土结构，如预应力混凝土结构、钢-混组合结构等，在工程结构中还可能有钢筋、钢梁、钢筒等，显然要把这些都以粉末的形式分层打印具有相当大的难度，且成本也会增加很多。因而需要找到一种更加实际可行的方式，即在已有骨架如钢筋、钢梁、钢筒等的基础上直接喷射混凝土，来实现工程结构的3D打印，也即实现工程结构的三维快速制作。

有鉴于此，发明人根据理论分析和实际经验，研究、开发并经试验验证，最终产生本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供工程结构的3D打印方法，该方法可以实现工程领域中各种工程结构的三维快速制作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

工程结构的3D打印方法，该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作。

工程结构的3D打印方法，其特征是所述的三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际工程结构进行三维扫描，获得该工程结构的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

工程结构的3D打印方法，其特征是所述的骨架可以是钢筋骨架，或是钢梁骨架，或是钢筒骨架，或是它们的组合体；在以上骨架中可以包含孔道、预埋件等。骨架根据工程结构的设计要求事先预制并拼装在一起。

工程结构的3D打印方法，其特征是所述的3D打印机是针对工程结构领域的要求设计的。按该工程结构的实际形状、尺寸和构造要求，设计打印架的形状、尺寸和布置形式。在计算机的控制下，起布料机作用的打印喷头可以前后、左右、上下来回地喷射每一层所需要的混凝土。打印喷头的数量可以是一个，也可以是N个，N=1～100。待新喷射层混凝土干硬达到设计要求后，再喷射下一层混凝土，最终完成混凝土结构体的浇筑。

工程结构的3D打印方法，其特征是所述的喷射混凝土打印时需考虑其初凝和终凝的时间因素，并考虑其流动性、粘结性，早期强度和骨料粒径，以满足喷射要求。

工程结构的3D打印方法，其特征是所述的计算机系统根据工程结构的三维模型、混凝土拌合系统、上料系统、现场监控系统、自动感应系统、机械控制系统，自动完成对水泥、骨料、水、外加剂等原材料的配制和输送或者自动完成对预拌混凝土的输送；通过现场监控系统、自动感应系统和机械控制系统，完成对打印喷头的定位、喷射、旋转和移动。最后，通过计算机系统完成对3D打印机的精确控制和工程结构的三维快速制作。

本发明的有益效果是：

经检索，在工程结构的3D打印方法研究上国内外基本处于空白状态，没有发现公开文献报道。随着3D打印技术的不断发展，3D打印在工程结构领域的应用乃是大势所趋，对于工程结构的三维快速制作至关重要。因此，发明人从3D打印在工程结构的应用前景考虑，经过长期实践和研究，独立发明了工程结构的3D打印方法。本发明克服了传统工程结构制作方法需要大量的模板、人力和工时，并且制作精度和质量往往难以满足要求的缺点。根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作，实属一大创新，对3D打印在工程领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1 一种预应力混凝土梁打印前示意图

图2 一种预应力混凝土梁打印中示意图

图3 一种预应力混凝土梁打印完成示意图

图4 一种预应力混凝土梁梁端锚固示意图

图5 一种钢-混组合结构打印前示意图

图6 一种钢-混组合结构打印中示意图

图7 一种钢-混组合结构打印完成示意图

图8 一种预应力钢筒混凝土管打印前示意图

图9 一种预应力钢筒混凝土管打印中示意图

图10 一种预应力钢筒混凝土管打印完成示意图

图11 一种预应力钢筒混凝土管外槽口支撑示意图

图12 一种地下工程厂房结构打印前示意图

图13 一种地下工程厂房结构打印中示意图

图14 一种地下工程厂房结构打印完成示意图

图15 一种预应力混凝土隧洞工程结构打印前示意图

图16 一种预应力混凝土隧洞工程结构打印中示意图

图17 一种预应力混凝土隧洞工程结构打印完成示意图

图18 一种预应力混凝土隧洞工程结构内槽口支撑示意图

图中标号：1为打印机主体，2为横向轨道，3为纵向轨道，4为打印头，5为钢筋骨架，6为混凝土，7为工字钢梁，8-1为内轨道，8-2为外轨道，9-1为内打印机，9-2为外打印机，10为钢筒，11为围岩，12为预应力筋孔道，13为预应力锚具，14为预应力筋，15为剪力键，16为水泥砂浆保护层。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步说明：

实施例一一种预应力混凝土预制结构的3D打印方法

实例说明：某跨度为32m的预应力混凝土梁，采用3D打印方法进行制作，如图1~图4所示。根据设计预先加工制造钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架。把该钢筋骨架移到3D打印平台上，按照计算机内预先建立的预应力混凝土梁三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，形成跨度为32m的钢筋混凝土梁。待混凝土达到设计龄期后，穿入预应力筋，张拉预应力筋，锚固预应力筋并封锚，最后形成跨度为32m的预应力混凝土梁。具体的实施步骤如下：

步骤1 建立预应力混凝土梁的三维模型。3D打印需要输入要打印构件的3D数据，预应力混凝土梁的3D打印需要输入预应力混凝土梁的三维模型。三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际预应力混凝土梁进行三维扫描，获得该预应力混凝土梁的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

步骤2 制作并安放预应力混凝土梁的钢筋骨架。根据预应力混凝土梁的承载和使用要求，对其进行配筋设计，根据设计预先加工制造钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架。然后将钢筋骨架安放在3D打印机的工作台上，如图1所示。

步骤3 进行预应力混凝土梁的3D打印。将三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的三维模型将预应力混凝土梁逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筋骨架的表面或内部逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间。待逐层打印完成后，即形成跨度为32m的钢筋混凝土梁，如图2所示。

步骤4 对钢筋混凝土梁施加预应力。待混凝土达到设计龄期后，穿入预应力筋，张拉预应力筋，锚固预应力筋并封锚，最后形成跨度为32m的预应力混凝土梁，如图3、图4所示。

实施例二一种钢-混组合结构的3D打印方法

实例说明：某跨度为32m的钢-混组合梁，钢梁为工字钢梁，采用3D打印方法进行制作，如图5~图7所示。根据设计预先加工制造钢梁骨架，再把该钢梁骨架移到3D打印平台上，按照计算机内预先建立的钢-混组合结构的三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，最终形成跨度为32m的钢-混组合梁。具体的实施步骤如下：

步骤1 建立钢-混组合结构的三维模型。3D打印需要输入要打印构件的3D数据，钢-混组合结构的3D打印需要输入钢-混组合结构的三维模型。钢-混组合结构的三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际钢-混组合结构进行三维扫描，获得该钢-混组合结构的三维模型，然后处理钢-混组合结构的三维模型使其能够满足三维打印的要求。

步骤2 制作并安放钢-混组合结构的钢梁骨架。根据钢-混组合结构的承载和使用要求，设计钢梁截面，然后制作工字钢梁。为了保证钢梁与混凝土共同承载，在钢梁的顶面布设剪力键。然后将工字钢梁骨架安放在3D打印机的工作台上，如图5所示。

步骤3 进行钢-混组合结构的3D打印。将钢-混组合结构的三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的钢-混组合结构的三维模型将钢-混组合结构逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢梁骨架的顶面逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，如图6所示。待逐层打印完成后，最终形成跨度为32m的钢-混组合梁，如图7所示。

实施例三一种预应力钢筒混凝土管的3D打印方法

实例说明：某内径为3m的预应力钢筒混凝土管，采用3D打印方法进行制作，如图8~图11所示。根据设计预先加工制造钢筒骨架，再把该钢筒骨架移到3D打印平台上，按照计算机内预先建立的预应力钢筒混凝土管的三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筒内、外侧喷射混凝土，分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间。混凝土层成型后，在管芯混凝土外表面缠绕环向预应力筋，张拉环向预应力筋，锚固环向预应力筋并封锚。在施加预应力完成后，喷射水泥砂浆制作水泥砂浆保护层，最后形成内径为3m的预应力钢筒混凝土管。具体的实施步骤如下：

步骤1 建立预应力钢筒混凝土管的三维模型。3D打印需要输入要打印构件的3D数据，预应力钢筒混凝土管的3D打印需要输入预应力钢筒混凝土管的三维模型。三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际预应力钢筒混凝土管进行三维扫描，获得该预应力钢筒混凝土管的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

步骤2 制作并安放预应力钢筒混凝土管的钢筒骨架。根据预应力钢筒混凝土管的承载和使用要求，设计钢筒截面，然后制作钢筒。然后将钢筒骨架安放在3D打印机的工作台上，如图8所示。

步骤3 进行预应力钢筒混凝土管的3D打印。将三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的三维模型将预应力钢筒混凝土管逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筒内、外侧逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间。待逐层打印完成后，形成内径为3m的钢筒混凝土管，如图9所示。

步骤4 对钢筒混凝土管施加预应力。待混凝土层成型后，在管芯混凝土外表面缠绕环向预应力筋，张拉环向预应力筋，锚固环向预应力筋并封锚。在对钢筒混凝土管施加预应力完成后，喷射水泥砂浆制作水泥砂浆保护层，最后形成内径为3m的预应力钢筒混凝土管，如图10、图11所示。

实施例四一种地下工程厂房结构的3D打印方法

实例说明：某地下工程厂房结构，其截面下部为5m×4m的矩形，上部为一半径为2.5m的半圆弧，采用3D打印方法进行制作，如图12~图14所示。根据设计在地下空间的两侧和顶面布设好钢筋，形成钢筋骨架。启动3D打印设备，按照计算机内预先建立的地下工程厂房结构的三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在地下空间的两侧和顶面分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，最后形成地下工程厂房结构。具体的实施步骤如下：

步骤1 建立地下工程厂房结构的三维模型。3D打印需要输入要打印构件的3D数据，地下工程厂房结构的3D打印需要输入地下工程厂房结构的三维模型。三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际地下工程厂房结构进行三维扫描，获得该地下工程厂房结构的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

步骤2 布设钢筋骨架。根据地下工程厂房结构的承载和使用要求，进行配筋，然后在地下工程厂房空间的两侧和顶面布设好钢筋，形成钢筋骨架，如图12所示。

步骤3 进行地下工程厂房结构的3D打印。将三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的三维模型将地下工程厂房结构逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筋骨架的表面或内部逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，如图13所示。待逐层打印完成后，形成地下工程厂房结构，如图14所示。

实施例五一种预应力混凝土隧洞工程结构的3D打印方法

实例说明：某内径为5m的预应力混凝土隧洞工程结构，采用3D打印方法进行制作，如图15~图18所示。根据设计在隧洞工程空间的四周布设好钢筋，形成钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架。启动3D打印设备，按照计算机内预先建立的预应力混凝土隧洞工程结构的三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在隧洞空间的四周分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，形成内径为5m的混凝土隧洞工程结构。待混凝土达到设计龄期后，穿入预应力筋，张拉预应力筋，锚固预应力筋并封锚，最后形成内径5m的预应力混凝土隧洞工程结构。具体的实施步骤如下：

步骤1 建立预应力混凝土隧洞工程结构的三维模型。3D打印需要输入要打印结构的3D数据，预应力混凝土隧洞工程结构的3D打印需要输入预应力混凝土隧洞工程结构的三维模型。三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际预应力混凝土隧洞工程结构进行三维扫描，获得该预应力混凝土隧洞工程结构的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

步骤2 布设钢筋骨架。根据预应力混凝土隧洞工程结构的承载和使用要求，进行配筋，然后在隧洞工程空间的四周布设好钢筋，形成钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架，如图15所示。

步骤3 进行预应力混凝土隧洞工程结构的3D打印。将三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的三维模型将预应力混凝土隧洞工程结构逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筋骨架的表面或内部逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间。待逐层打印完成后，即形成内径为5m的隧洞工程结构，如图16所示。

步骤4 施加预应力。待混凝土达到设计龄期后，穿入预应力筋，张拉预应力筋，锚固预应力筋并封锚，最后形成内径为5m的预应力混凝土隧洞工程结构，如图17、图18所示。

以上所述的具体实施例，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行了说明。所应强调的是，以上所述仅为本发明专利的具体实施例而已，并不能用于限制本发明的范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明提供了工程结构的3D打印方法，根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确控制，从而实现工程结构的三维快速制作。本发明的功效有明显的提升，具有新颖性、实用性，符合发明专利各要件，故依法提出发明专利申请。

Claims

1.工程结构的3D打印方法，其特征是：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

所述的三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际工程结构进行三维扫描，获得该工程结构三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

所述的骨架可以是钢筋骨架，或是钢梁骨架，或是钢筒骨架，或是它们的组合体；在以上骨架中可以包含孔道、预埋件等。骨架根据工程结构的设计要求事先预制并拼装在一起。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

所述的3D打印机是针对工程结构领域的要求设计的。按该工程结构的实际形状、尺寸和构造要求，设计打印架的形状、尺寸和布置形式。在计算机的控制下，起布料机作用的打印喷头可以前后、左右、上下来回地喷射每一层所需要的混凝土。打印喷头的数量可以是一个，也可以是N个，N=1～100。待新喷射层混凝土干硬达到设计要求后，再喷射下一层混凝土，最终完成混凝土结构体的浇筑。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

所述的喷射混凝土打印时需考虑其初凝和终凝的时间因素，并考虑其流动性、粘结性，早期强度和骨料粒径，以满足喷射要求。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

所述的计算机系统根据工程结构的三维模型、混凝土拌合系统、上料系统、现场监控系统、自动感应系统、机械控制系统，自动完成对水泥、骨料、水、外加剂等原材料的配制和输送或者自动完成对预拌混凝土的输送；通过现场监控系统、自动感应系统和机械控制系统，完成对打印喷头的定位、喷射、旋转和移动。最后，通过计算机系统完成对3D打印机的精确控制和工程结构的三维快速制作。