CN104234426B - 一种基于3d打印的房屋制造系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于3D打印的房屋制造系统及方法，系统包括：充气模具，具有充气口及用于开闭所述充气口的开闭气装置，所述充气模具充气以形成对应所需打印房屋形状的模具；机械臂，设置成可相对所述充气模具作自由活动，所述机械臂设有至少一个喷头；所述喷头通过管道连接于有至少一种结构材料喷涂物；所述喷头用于在充气模具外或内对所述充气模具外表面或内表面按预设次序喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印，进而安装其它必要组件即可完成房屋建造，简单方便，且可自动化实现，相较于传统制造方式大大提升工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种基于3D打印的房屋制造系统及方法。
背景技术
自古以来房屋的建造多采用自然材料进行搭建，或者采用建造磨具，灌注浇注的方法，由于技术的限制，无法在一个封闭的房间内进行施工，施工周期长，效率低下。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于3D打印的房屋制造系统及方法，解决上述现有技术中传统房屋建造方式效率低下的问题。
为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种基于3D打印的房屋制造系统，包括：充气模具，具有充气口及用于开闭所述充气口的开闭气装置，所述充气模具充气以形成对应所需打印房屋形状的空间；机械臂，设置成可相对所述充气模具作自由活动，所述机械臂设有至少一喷头；所述喷头通过管道连通有至少一种结构材料喷涂物；所述机械臂设置的位置包括如下中的一种：(1)所述机械臂设于所述充气模具外；所述机械臂通过喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；(2)所述机械臂设于所述充气模具内；所述机械臂通过喷头对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；(3)所述机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具外及内，所述充气模具外的机械臂的喷头用于对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，而所述充气模具内的机械臂的喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以形成房屋架构。
可选的，所述打印的房屋架构包括：建筑结构构件及建筑装饰构件；所述建筑结构构件打印成实心结构体或空心结构体，其中，所述空心结构体是指在结构体内部设置井格梁支撑的构造；所述建筑装饰构件是打印成实心结构体。
可选的，所述建筑结构构件包括柱、梁、楼地面、屋面、墙体及基础；所述建筑装饰构件包括门框、窗框、雨篷、台阶、天花线及踢脚线。
可选的，所述建筑结构构件打印时在结构体内预留管线和设备空间以及相应的接口。
可选的，所述机械臂为遥控机械臂；所述机械臂还设有切割打磨部件，用于对所述打印的房屋架构中的多余部分进行切割及打磨。
可选的，所述打印的房屋架构通过后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：设置门、窗、管线、及设备。
可选的，所述基于3D打印的房屋制造系统，还包括：设于所述喷头连接管道的切换装置；所述结构材料喷涂物有多种，所述切换装置用以于切换连通喷头的结构材料喷涂物以进行喷涂作业。
可选的，所述开闭气装置包括：水气密封拉链和/或气塞。
可选的，所述结构材料喷涂物包括：塑料、橡胶、PLA、ABS、树脂、复合石膏、陶瓷、聚氨酯、及玻纤水泥中的一种或多种。
可选的，所述基于3D打印的房屋制造系统，还包括3D扫描仪，用于对充气后的充气模具进行3D扫描成模板文件，并根据所述模板文件生成打印设计文档以供进行所述打印。
为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供应用于所述的房屋制造系统的基于3D打印的房屋制造方法，所述方法包括如中的下一种：(1)当所述机械臂设于所述充气模具外时，相对所述充气模具移动所述机械臂，并通过所述喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线、及设备的设置；(2)当所述机械臂设于所述充气模具内时，在所述充气模具内移动所述机械臂，并通过所述喷头对所述充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线、及设备的设置；(3)所述机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具外及内，通过所述充气模具外的机械臂的喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，并通过所述充气模具内的机械臂的喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：门、窗、管线、及设备的设置。
如上所述，本发明提供的一种基于3D打印的房屋制造系统及方法，系统包括：充气模具，具有充气口及用于开闭所述充气口的开闭气装置，所述充气模具充气以形成对应所需打印房屋形状的模具；机械臂，设置成可相对所述充气模具作自由活动，所述机械臂设有至少一个喷头；所述喷头通过管道连接于有至少一种结构材料喷涂物；所述喷头用于在充气模具外或内对所述充气模具外表面或内表面按预设次序喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印，进而安装其他必要组件即可完成房屋建造，简单方便，且可自动化实现，相较于传统制造方式大大提升工作效率。
附图说明
图1a至1c显示为本发明一实施例中充气模具应用的立体结构示意图。
图1d显示为本发明一实施例中对充气模具3D扫描的原理示意图。
图2a至图2c显示为本发明一实施例中基于3D打印的房屋制造系统打印房屋架构的应用示意图。
图3a至图3c显示为本发明另一实施例中基于3D打印的房屋制造系统打印房屋架构的应用示意图。
图4a至图4c显示为本发明又一实施例中基于3D打印的房屋制造系统打印房屋架构的应用示意图。
图5显示为图2a至2c实施例中对所打印房屋架构房屋成品的后期加工应用示意图。
图6显示为本发明一实施例中房屋成品的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明所提供的一种基于3D打印的房屋制造系统，其改进特点之一是利用充气模具来作为房屋建造的模具，充气模具简称气模，可通过现有的如PVC材料、硅胶、纤维及其他承压能力较强等材料制成，其可由多块不同裁片拼接而成，以在充气后形成预先需求的形状，如图1a所示，在没有充气之前，所述充气模具1是处于扁平的状态，易于收纳及运输；如图1b所示，可对其进行充气以形成对应所需打印房屋形状的空间，需说明的是，所述充气模具1具有充气口11，如图中箭头所示对所述充气口11进行充气，则所述充气模具1即会进行扩大；当所述充气模具1达到所需形状时，通过设于所述充气口11的用于开闭所述充气口的开闭气装置12来密封以保持如图1c所示状态，所述开闭气装置12包括：气塞和/或水气密封拉链等，可参考现有技术加以实现；在本发明的实施例中，所述气塞和水气密封拉链可以同时使用，在本发明的后续实施例中，所述水气密封拉链可以不仅仅起到开闭气的作用，这将在后文进行详细说明。
需说明的是，优选的，所述基于3D打印的房屋制造系统，还包括3D扫描仪，用于对充气后的充气模具进行3D扫描成模板文件例如CAD格式，在实际设计中，可根据所述模板文件进行内容增加等(例如打印各个结构材料喷涂物层的厚度顺序及其他工序等)修改来生成打印设计文档以供进行所述打印，在打印之前先进行3D扫描的另一好处在于可以有设计文档存储便于后续修改，3D扫描的示意图如图1d所示。
本发明的基于3D打印的房屋制造系统的又一改进点在于利用了机器人技术，通过机械臂在所述充气模具进行操作喷涂打印建筑材料，所述机械臂设置成可相对所述充气模具作自由活动，也即是说机械臂可在XYZ的空间坐标系内自由活动，并且所述机械臂上设有喷头，所述喷头通过管道连通有至少一种结构材料喷涂物；所述结构材料喷涂物包括结构材料、装饰材料以及专用材料，其中，所述结构材料喷涂物包括：工程塑料、高强水泥、混凝土；装饰材料包括：各类涂料、油漆、镀层；专用材料包括：橡胶、PLA、ABS、树脂、复合石膏、陶瓷、聚氨酯、气凝胶，其中，较佳的是采用快速凝固的处理技术或组合物加以配合，从而保证能快速建造，由于快速凝固技术属于现有，例如快干水泥等，因此不再作赘述；所述多种结构材料喷涂物可以液态或气态形式存放于容器内的不同腔室，以供喷涂。
另外，较佳的，所述机械臂可采用无线遥控技术，利用WiFi、2G/3G/4G移动通信网络均可加以实现。
以下即以多个实施例及图示来说明本发明的基于3D打印的房屋制造系统的应用：
如图2a至2c所示，在一实施例中，所述机械臂2可为至少一个，设于所述充气模具1外；所述机械臂2通过喷头21如图示箭头示意方式来回移动对所述充气模具1外表面喷涂打印容器3内所存放的一或多种结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；所述机械臂2可有底座(未图示)，所述底座是可移动(例如轨道方式、滚轮方式滑动等)的，可绕所述充气模具移动，并且通过控制所述机械臂进行伸缩、旋转、平移等动作以对所述充气模具1外表面各个位置进行喷涂，请参阅图2a至图2c的变化，打印完一层之后，所述喷头21的管道22可切换连通其他结构材料喷涂物继续喷涂，其中，优选的，是利用如电控阀门之类的接入所述管道22的切换装置(未图示)加以实现，后续实施例中亦可采用相同的切换装置进行喷涂物切换。
如图3a至3c所示，在另一实施例中，与上一实施例主要差别在于，所述机械臂4可为至少一个，设于所述充气模具5内；所述机械臂4通过喷头41对充气模具5内表面喷涂打印容器6内所存放的各所述有至少一种结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印。
如图4a至4c所示，在又一实施例中，机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具8外及内，所述充气模具8外的第一机械臂7的喷头71用于对所述充气模具8外表面喷涂打印容器9内所存放的一或多种结构材料喷涂物的涂层，而所述充气模具8内的第二机械臂10的喷头101用于对充气模具8内表面喷涂打印所连通的结构材料喷涂物(未图示，例如可存于第二机械臂10内的容器中)的涂层，以形成房屋架构；在本实施例中，虽然所述第二机械臂10仅需打印一层涂层，但是在其他实施例中，亦可如第一机械臂7先后连通多种结构材料喷涂物而打印多层涂层；当然，由于重力的作用，优选的，在充气模具8内可尽量打印较轻较薄或数量较少的涂层，而在充气模具8外则可打印较重或数量较多的涂层。
需说明的是，在图2a至2c及图3a至3c的实施例中，当完成房屋架构打印之后，优选的，可将所述开闭气装置(12及52)设成通气状态，将所述充气模具(1及5)内的气体放掉，而充气模具(1及5)会变瘪，从而可剥离，进而进行后期加工；而在图4a至4c的实施例中，仅需完成通过所述开闭气装置82的放气即可，所述充气模具8可留在房屋架构内。
需说明的是，上述图3a至3c及图4a至4c的实施例中，将所述机械臂(4及10)置于充气模具(5及8)内有多种方法，例如，在所述充气模具(5及8)未充气时，利用拉开充气模具(5及8)上的拉链产生进口，从所述进口处将所述机械臂(4及10)移入至充气模具(5及8)内即可。
可选的，在上述实施例中，所述打印的房屋架构包括：建筑结构构件及建筑装饰构件；所述建筑结构构件优选可打印成空心结构体，其中，所述空心结构体包括在结构体内部设置井格梁支撑的构造；所述建筑装饰构件是打印成实心结构体；其中，所述建筑结构构件包括柱、梁、楼地面、屋面、墙体及基础，但并非限定于此；所述建筑装饰构件包括门框、窗框、雨篷、台阶、天花线及踢脚线，但并非限定于此。
在图4a至4c的实施例中，优选的，所述建筑结构构件打印成预留管道和设备空间以及相应的接口20的结构形式，用以布线或者从外向内放置物品便于内部施工，当然，上述图2a至2c及图3a至3c的实施例中亦可采用类似的设计，并非以此为限。
可选的，所述打印的房屋架构通过后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：设置门、窗、管线、及设备；所述后期加工需要打磨和切割，所述机械臂还设有切割打磨部件，用于对所述打印的房屋架构中的多余部分进行切割及打磨；如图5所示，举例来说，当要设置例如门的时候，所述机械臂2将喷头更换为切割头，在所述打印完成的房屋架构上切割出对应所需安装的门形状的缺口，即可进行安装，其余窗或管道等亦可参考实现，需说明的是，在图3a至3c及图4a至4c的实施例中，当切割开例如门或窗的缺口后，即可将其内部的机械臂(4及10)取出；当然，所述后期加工还可包括其他工序，例如上涂料等等，在完成所有的后期加工后，请参阅图6，例示完工后的房屋成品。
结合上述内容，本发明可提供应用于所述的房屋制造系统的基于3D打印的房屋制造方法，所述方法包括如中的下一种：
方法(1)：当所述机械臂设于所述充气模具外时，相对所述充气模具移动所述机械臂，并通过所述喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线、及设备的设置；
方法(2)：当所述机械臂设于所述充气模具内时，在所述充气模具内移动所述机械臂，并通过所述喷头对所述充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线、及设备的设置；
方法(3)：所述机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具外及内，通过所述充气模具外的机械臂的喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，并通过所述充气模具内的机械臂的喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：门、窗、管线、及设备的设置。
在一实施例中，上述方法中，喷涂打印有至少一种结构材料喷涂物的顺序及后期加工的工序均可通过软件程序设定，从而控制所述机械臂自动完成。
综上所述，本发明提供的一种基于3D打印的房屋制造系统及方法，系统包括：充气模具，具有充气口及用于开闭所述充气口的开闭气装置，所述充气模具充气以形成对应所需打印房屋形状的模具；机械臂，设置成可相对所述充气模具作自由活动，所述机械臂设有至少一个喷头；所述喷头通过管道连接于有至少一种结构材料喷涂物；所述喷头用于在充气模具外或内对所述充气模具外表面或内表面按预设次序喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印，进而安装其他必要组件即可完成房屋建造，简单方便，且可自动化实现，相较于传统制造方式大大提升工作效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，包括：
充气模具，具有充气口及用于开闭所述充气口的开闭气装置，所述充气模具充气以形成对应所需打印房屋形状的空间；
至少一机械臂，设置成可相对所述充气模具作自由活动，所述机械臂设有至少一喷头；所述喷头通过管道连通有至少一种结构材料喷涂物；
所述机械臂设置的位置包括如下中的一种：
(1)所述机械臂设于所述充气模具内；所述喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以形成房屋架构；
(2)所述机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具外及内，所述充气模具外的机械臂的喷头用于对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，而所述充气模具内的机械臂的喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以形成房屋架构。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述打印的房屋架构包括：建筑结构构件及建筑装饰构件；所述建筑结构构件打印成实心结构体或空心结构体，其中，所述空心结构体包括在结构体内部设置井格梁支撑的构造；所述建筑装饰构件是打印成实心结构体。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述建筑结构构件包括柱、梁、楼地面、屋面、墙体及基础；所述建筑装饰构件包括门框、窗框、雨篷、台阶、天花线及踢脚线。
4.根据权利要求2所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述建筑结构构件打印时在结构体内预留管线和设备空间以及相应的接口。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述机械臂为遥控机械臂；所述机械臂还设有切割打磨部件，用于对所述打印的房屋架构进行切割及打磨。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述打印的房屋架构通过后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线、及设备的设置。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，还包括：设于所述喷头连接管道的切换装置；所述结构材料喷涂物有多种，包括结构材料、装饰材料以及专用材料，所述切换装置用以于切换连通喷头的结构材料喷涂物以进行喷涂作业。
8.根据权利要求7所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述结构材料喷涂物包括：工程塑料、高强水泥、混凝土；装饰材料包括：各类涂料、油漆、镀层；专用材料包括：橡胶、PLA、ABS、树脂、复合石膏、陶瓷、聚氨酯、气凝胶。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，所述开闭气装置包括：水气密封拉链和/或气塞。
10.根据权利要求1所述的基于3D打印的房屋制造系统，其特征在于，还包括3D扫描仪，用于对充气后的充气模具进行3D扫描成模板文件，并根据所述模板文件生成打印设计文档以供进行所述打印。
11.一种基于3D打印的房屋制造方法，应用于如权利要求1至10中任一项所述的房屋制造系统，其特征在于，所述方法包括如下中的一种：
(1)当所述机械臂设于所述充气模具内时，在所述充气模具内移动所述机械臂，并通过所述喷头对所述充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：充气模具的剥离；门、窗、管线及设备的设置；
(2)所述机械臂有至少两个，分别设于所述充气模具外及内，通过所述充气模具外的机械臂的喷头对所述充气模具外表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，并通过所述充气模具内的机械臂的喷头用于对充气模具内表面喷涂打印所连通结构材料喷涂物的涂层，以完成房屋架构打印；通过对所述打印的房屋架构后期加工以形成房屋成品，所述后期加工包括：门、窗、管线及设备的设置。
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