CN105479760B - 一种高层建筑3d增材建造施工方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，包括液压爬升装置，驱动装置，打印装置，泵送装置及控制系统；液压爬架设置在附墙爬轨上，伸臂桁架设置在液压爬架的顶部，活动挂头设置在伸臂桁架的顶部；打印装置上的基座固定在活动挂头上，打印装置与驱动装置连接，泵送装置与打印装置连接，控制系统控制液压爬升装置、驱动装置、泵送装置的开启；所述的活动挂头固定在伸臂桁架上，X轴传动装置固定在Y轴传动装置上，Y轴传动装置与Z轴传动装置上的移动板连接。一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，采用模块化设计，方便拆装，提高了打印设备的组装效率；采用对分式锥形打印头，提高了打印头的稳定性，提高了建筑施工效率。

Description

一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备

技术领域

本发明涉及一种3D打印设备，尤其涉及一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备。

背景技术

3D 打印，又称增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其已经成为一种潮流，尤其在工业设计领域得到广泛应用。目前基于计算机控制的快速成型技术日臻成熟，在全世界不同的国家和地区3D打印技术在建筑领域也开始出现并得到关注。

3D 打印技术具有独特的优点：

（一）可以大幅节约成本，并且具有低碳、绿色、环保的特点；

（二）不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率；

（三）可以打印出强度更高、质量更轻的混凝土建筑物。

现有的建筑用3D打印设备，结构复杂，安装繁琐，不适用施工人员的现场施工；且打印头工作稳定性差，其更换频次高。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，采用模块化设计，方便拆装，提高了打印设备的组装效率；采用对分式锥形打印头，提高了打印头的稳定性，提高了建筑施工效率，节约了施工成本。

本发明的技术方案：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高层建筑3D增材建造施工设备，其包括液压爬升装置，驱动装置，打印装置，泵送装置及控制系统。

其中，液压爬升装置包括设置在建筑物墙体上附墙爬轨、液压爬架、伸臂桁架、活动挂头及液压油缸，液压油缸与附墙爬轨连接，液压爬架设置在附墙爬轨上，伸臂桁架设置在液压爬架的顶部，活动挂头设置在伸臂桁架的顶部；打印装置上的基座固定在活动挂头上，打印装置与驱动装置连接，泵送装置与打印装置连接，控制系统控制驱动装置、泵送装置的开启；所述的驱动装置包括活动挂头驱动装置、X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置，活动挂头驱动装置固定在伸臂桁架上，X轴传动装置固定在Y轴传动装置上，Y轴传动装置与Z轴传动装置上的移动板连接；打印装置包括旋转装置及打印头，打印头设置在旋转装置上，至少一套打印装置设置在X轴传动装置上。

进一步地，所述的打印头为水泥基复合材料，打印头采用对分式锥形结构，其进料口的直径大于出料口的直径；当打印头堵塞后，可将其一分为二拆卸，从而提高了打印头的稳定性。

进一步地，所述的旋转装置包括旋转电机，连接块，传动杆；连接块固定在旋转电机的传动轴上，传动杆设置在连接块上，传动杆可沿连接块左、右移动；打印头固定在传动杆的端部。

进一步地，所述活动挂头包括挂头本体及设于挂头本体上的滚轮组件，所述滚轮组件滚动于所述伸臂桁架上工字梁的上翼板的上、下表面上；所述挂头本体上还设有活动挂头制动电机，控制对应所述滚轮组件的行走和停止；所述的活动挂头驱动装置包括活动挂头制动电机，活动挂头制动电机固定在活动挂头上，其与活动挂头上的滚轮组件连接。

进一步地，所述的X轴传动装置包括横向驱动电机、传动皮带、横向滚珠式滑块、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在X向龙骨上，横向滚珠式滑块固定在传动皮带上，横向驱动电机驱动传动皮带移动，带动横向滚珠式滑块沿滚珠式滑槽左、右移动；

进一步地，所述的Y轴传动装置包括纵向驱动电机、传动皮带、纵向滚珠式滑块、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Y向龙骨上，纵向滚珠式滑块固定在传动皮带上，纵向驱动电机驱动传动皮带运动，带动纵向滚珠式滑块沿滚珠式滑槽前、后移动。

进一步地，所述的Z轴传动装置还包括竖向驱动电机、滚珠丝杠、竖向滚珠式滑块、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Z向龙骨上；竖向驱动电机固定在打印装置支架上的顶板上，其通过联轴器与滚珠丝杠连接；移动板一侧面与滚珠丝杠上的滑块连接，其另一侧面与Y向龙骨连接；竖向滚珠式滑块固定在移动板上，其沿Z向龙骨上的滚珠式滑槽上、下移动。

进一步地，所述的X向龙骨通过转接板固定在纵向滚珠式滑块上；所述的X向龙骨、Y向龙骨、Z向龙骨的端部设置有限位装置，其为激光限位仪。

进一步地，所述的泵送装置为螺旋叶挤出式泵送系统，其通过电机的转动实现对浆料的连续挤出；所述的控制系统包括上位机、PCI、控制软件及电源，其与压爬升装置、驱动装置、打印装置、泵送装置连接。

一种使用上述的高层建筑3D增材建造施工设备的施工方法，包括以下步骤：

S1，将附墙爬轨安装在建筑物墙体上，安装液压爬架、伸臂桁架；

S2，将基座安装在伸臂桁架上的活动挂头上；安装驱动装置、打印装置；

S3，向控制系统输入工程图样，控制系统控制驱动装置、打印装置、泵送装置，完成建筑物打印；

S4，在完成打印的建筑物墙体上开展防水、装饰等处理。

本发明有益效果：

本发明提供的一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，采用模块化设计，方便拆装，提高了打印设备的组装效率；采用对分式锥形打印头，提高了打印头的稳定性，提高了建筑施工效率，节约了施工成本。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明之活动挂头横向剖视图；

图3是本发明之活动挂头纵向剖视图；

图4是本发明之活动挂头结构示意图；

图5是本发明之打印装置结构示意图；

图6是本发明之旋转装置结构示意图；

图7是本发明现场施工示意图。

其中：

1.附墙爬轨；2.液压爬架；3.伸臂桁架；4.活动挂头；5.活动挂头制动电机；6.基座；7.移动板；8打印头；9.旋转电机；10.连接块；11.传动杆；12.横向驱动电机；13.横向滚珠式滑块；14.纵向驱动电机；15.纵向滚珠式滑块；16.X向龙骨；17.Y向龙骨；18.转接板；19.竖向驱动电机；20.竖向滚珠式滑块；21.Z向龙骨；22.滚轮组件。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备进行详细说明：

图1是本发明一种高层建筑3D增材建造施工设备的结构示意图，其包括液压爬升装置，驱动装置，打印装置，泵送装置及控制系统；其中，液压爬升装置包括设置在建筑物墙体上附墙爬轨1、液压爬架2、伸臂桁架3、活动挂头4及液压油缸，液压油缸与附墙爬轨1连接，液压爬架2设置在附墙爬轨1上，伸臂桁架3设置在液压爬架2的顶部，活动挂头4设置在伸臂桁架3的顶部；打印装置上的基座6固定在活动挂头4上，打印装置与驱动装置连接，泵送装置与打印装置连接，控制系统控制驱动装置、泵送装置的开启；所述的驱动装置包括活动挂头驱动装置、X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置，活动挂头驱动装置固定在伸臂桁架3上，X轴传动装置固定在Y轴传动装置上，Y轴传动装置与Z轴传动装置上的移动板7连接；打印装置包括旋转装置及打印头8，打印头8设置在旋转装置上，至少一套打印装置设置在X轴传动装置上。

图2是本发明之活动挂头的横向剖视图，其包括挂头本体及设于挂头本体上的滚轮组件22，所述滚轮组件22滚动于所述伸臂桁架3上工字梁的上翼板的上、下表面上，以防止滚轮组件22滚动过程中与工字梁上翼板之间发生跳动而坠落，保证滚轮组件22与上翼板之间的相对运动。

所述挂头本体上还设有活动挂头制动电机5，控制对应所述滚轮组件22的行走和停止，图3是本发明之活动挂头纵向剖视图。

图4是本发明之活动挂头结构示意图，所述的活动挂头驱动装置包括活动挂头制动电机5，活动挂头制动电机5固定在活动挂头4上，其与活动挂头4上的滚轮组件22连接。

图5是本发明之打印装置结构示意图，其中，X轴传动装置包括横向驱动电机12、传动皮带、横向滚珠式滑块13、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在X向龙骨16上，横向滚珠式滑块13固定在传动皮带上，横向驱动电机12驱动传动皮带移动，带动横向滚珠式滑块13沿滚珠式滑槽左、右移动。

Y轴传动装置包括纵向驱动电机14、传动皮带、纵向滚珠式滑块15、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Y向龙骨17上，纵向滚珠式滑块15固定在传动皮带上，纵向驱动电机14驱动传动皮带运动，带动纵向滚珠式滑块15沿滚珠式滑槽前、后移动。

Z轴传动装置还包括竖向驱动电机19、滚珠丝杠、竖向滚珠式滑块20、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Z向龙骨21上；竖向驱动电机19固定在打印装置支架上的顶板上，其通过联轴器与滚珠丝杠连接；移动板7一侧面与滚珠丝杠上的滑块连接，其另一侧面与Y向龙骨17连接；竖向滚珠式滑块20固定在移动板7上，其沿Z向龙骨21上的滚珠式滑槽上、下移动；所述的X向龙骨16通过转接板18固定在纵向滚珠式滑块15上。

图6是本发明之旋转装置结构示意图，其包括旋转电机9，连接块10，传动杆11；连接块10固定在旋转电机9的传动轴上，传动杆11设置在连接块10上，传动杆11可沿连接块10左、右移动；打印头8固定在传动杆11的端部。

所述的打印头8为水泥基复合材料，打印头8进料口的直径大于出料口的直径，以保证进料时浆料所受压力最小，出料时浆料受到挤压作用使其浆料密实度更高，所打印出的构件强度更高；打印头8采用对分式锥形结构，当打印头堵塞后，可将其一分为二拆卸，从而提高了打印头的稳定性。

本发明中，所述的X向龙骨16、Y向龙骨17、Z向龙骨21的端部设置有限位装置，其为激光限位仪；所述的泵送装置为螺旋叶挤出式泵送系统，其通过电机的转动实现对浆料的连续挤出。

所述的控制系统包括上位机，PCI，控制软件及电源；其中，电源为驱动装置，打印装置，泵送装置提供动力，并通过控制软件输出操作命令，PCI将电子信号传送给横向驱动电机12、纵向驱动电机14、竖向驱动电机19、旋转电机9、活动挂头制动电机5、泵送装置的电机及位于龙骨端部的激光限位仪，实现打印头8按照控制软件的指令进行移动；同时，横向驱动电机12、纵向驱动电机14、竖向驱动电机19、旋转电机9、泵送装置的电机及位于龙骨端部的激光限位仪也给出反馈信号，当反馈信号为警示信号时，PCI会将信号输送给上位机，控制软件识别后，将进行相应的指令调整，并再次反馈给PCI，以实现随时控制打印头8的方向、行走伸缩速度及泵送速度。

一种使用上述的高层建筑3D增材建造施工设备的施工方法，包括以下步骤：

S1，将附墙爬轨1安装在建筑物墙体上，安装液压爬架2、伸臂桁架3。

具体地，在建筑物第一施工空间墙体外竖向安装附墙导轨1，并将液压爬架2安装在附墙导轨1上；在液压爬架2的顶部安装伸臂桁架3，伸臂桁架3横跨第一施工空间之间的墙体。

S2，将基座6安装在伸臂桁架3上的活动挂头4上；安装驱动装置、打印装置。

具体地，在伸臂桁架3的顶部安装活动挂头4，并在活动挂头4的顶部安装基座6，打印装置支架安装在基座6上；在基座6上安装驱动装置及打印装置，搭建的打印装置的X向龙骨横跨整个建筑物；伸臂桁架3和Y向龙骨可覆盖整个建筑物。

S3，向控制系统输入工程图样，控制系统控制驱动装置、打印装置、泵送装置，完成建筑物打印。

具体地，控制系统控制移动板7沿Z向龙骨21上的滚珠式滑槽上、下移动，从而控制打印头8完成建筑物的打印；随着建筑物施工的进程，移动板7沿Z向龙骨21提升至极限值时，液压爬升装置上的液压爬架2沿附墙爬轨1向上运动，同时移动板7沿Z向龙骨21下降至极限值，并始终保持3D打印头沿Z向上升，以实现不停顿推进建筑物的混凝土铺设。

同时，控制系统控制纵向滚珠式滑块15沿Y向龙骨17上的滚珠式滑槽前、后移动，从而控制打印头8完成建筑物的打印；随着建筑物施工的进程，纵向滚珠式滑块15沿Y向龙骨17上的滚珠式滑槽移动至极限位置，活动挂头驱动装置上的活动挂头制动电机5带动活动挂头4沿伸臂桁架3上的工字梁前后运动，推进建筑物的混凝土铺设。

S4，在完成上部建筑物打印，爬升设备不断爬升的同时，下部分建筑物墙体同步开展防水、装饰等处理。

图7是本发明现场施工示意图，在使用高层建筑3D增材建造施工设备施工时，只需将建筑物工程图样输入高层建筑3D增材建造施工设备的控制系统中，控制系统根据图样信息，控制液压爬架2上下运动，同时控制活动挂头4前后运动，驱动打印头8移动；泵送装置将混凝土材料泵送至打印头8上，打印头8按照设定轨迹运动，堆积材料，完成建筑物墙体的打印；同时打印完成的建筑物墙体可进行防水、装饰等处理工作，有利于提高建筑物的施工效率。

本发明提供的一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，采用模块化设计，方便拆装，提高了打印设备的组装效率；采用对分式锥形打印头，提高了打印头的稳定性，提高了建筑施工效率，节约了施工成本。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，包括液压爬升装置，驱动装置，打印装置，泵送装置及控制系统；其中，液压爬升装置包括设置在建筑物墙体上附墙爬轨（1）、液压爬架（2）、伸臂桁架（3）、活动挂头（4）及液压油缸，液压油缸与附墙爬轨（1）连接，液压爬架（2）设置在附墙爬轨（1）上，伸臂桁架（3）设置在液压爬架（2）的顶部，活动挂头（4）设置在伸臂桁架（3）的顶部；打印装置上的基座（6）固定在活动挂头（4）上，打印装置支架安装在基座（6）上，打印装置与驱动装置连接，泵送装置与打印装置连接，控制系统控制驱动装置、泵送装置的开启；所述的驱动装置包括活动挂头驱动装置、X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置，活动挂头驱动装置固定在伸臂桁架（3）上，X轴传动装置固定在Y轴传动装置上，Y轴传动装置与Z轴传动装置上的移动板（7）连接；打印装置包括旋转装置及打印头（8），打印头（8）设置在旋转装置上，至少一套打印装置设置在X轴传动装置上；所述活动挂头（4）包括挂头本体及设于挂头本体上的滚轮组件（22），所述滚轮组件（22）滚动于所述伸臂桁架（3）上工字梁的上翼板的上、下表面上；所述挂头本体上还设有活动挂头制动电机（5），控制对应所述滚轮组件（22）的行走和停止；所述的活动挂头驱动装置包括活动挂头制动电机（5），活动挂头制动电机（5）固定在活动挂头（4）上，其与活动挂头（4）上的滚轮组件（22）连接。

2.根据权利要求1所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的打印头（8）为水泥基复合材料，打印头（8）采用对分式锥形结构，其进料口的直径大于出料口的直径。

3.根据权利要求1所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的旋转装置包括旋转电机（9），连接块（10），传动杆（11）；连接块（10）固定在旋转电机（9）的传动轴上，传动杆（11）设置在连接块（10）上，传动杆（11）可沿连接块（10）左、右移动；打印头（8）固定在传动杆（11）的端部。

4.根据权利要求1所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的X轴传动装置包括横向驱动电机（12）、传动皮带、横向滚珠式滑块（13）、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在X向龙骨（16）上，横向滚珠式滑块（13）固定在传动皮带上，横向驱动电机（12）驱动传动皮带移动，带动横向滚珠式滑块（13）沿滚珠式滑槽左、右移动。

5.根据权利要求4所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的Y轴传动装置包括纵向驱动电机（14）、传动皮带、纵向滚珠式滑块（15）、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Y向龙骨（17）上，纵向滚珠式滑块（15）固定在传动皮带上，纵向驱动电机（14）驱动传动皮带运动，带动纵向滚珠式滑块（15）沿滚珠式滑槽前、后移动。

6.根据权利要求5所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的Z轴传动装置还包括竖向驱动电机（19）、滚珠丝杠、竖向滚珠式滑块（20）、滚珠式滑槽，其中，滚珠式滑槽固定在Z向龙骨（21）上；竖向驱动电机（19）固定在打印装置支架上的顶板上，其通过联轴器与滚珠丝杠连接；移动板（7）一侧面与滚珠丝杠上的滑块连接，其另一侧面与Y向龙骨（17）连接；竖向滚珠式滑块（20）固定在移动板（7）上，其沿Z向龙骨（21）上的滚珠式滑槽上、下移动。

7.根据权利要求6所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，X向龙骨（16）通过转接板（18）固定在纵向滚珠式滑块（15）上；X向龙骨（16）、Y向龙骨（17）、Z向龙骨（21）的端部设置有限位装置，其为激光限位仪。

8.根据权利要求1所述的高层建筑3D增材建造施工设备，其特征在于，所述的泵送装置为螺旋叶挤出式泵送系统，其通过电机的转动实现对浆料的连续挤出；所述的控制系统包括上位机、PCI、控制软件及电源，其与液压爬升装置、驱动装置、打印装置、泵送装置连接。

9.一种使用权利要求1或2或3或4或5或6或8所述的高层建筑3D增材建造施工设备的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将附墙爬轨（1）安装在建筑物墙体上，安装液压爬架（2）、伸臂桁架（3）；

S2，将基座（6）安装在伸臂桁架（3）上的活动挂头（4）上；安装驱动装置、打印装置；

S3，向控制系统输入工程图样，控制系统控制驱动装置、打印装置、泵送装置，完成建筑物打印；

S4，在完成打印的建筑物墙体上开展防水、装饰处理。