CN105500702B - 一种具有两级轨道框架结构的3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置及方法，涉及建筑施工技术领域，针对现有3D打印装置无法兼顾工作效率和打印精度的问题。它包括一级轨道框架；两端与一级轨道框架滑动配合的轨道横梁；轨道横梁上设有与其滑动配合的二级轨道机构；二级轨道机构包括二级轨道框架，与其滑动配合的打印头横梁，能沿打印头横梁滑动的打印头；方法：使打印头沿打印头横梁移动，同时喷出建筑物料，逐行打印二级轨道框架所覆盖区域；二级轨道机构沿轨道横梁移动并进行下一覆盖区域的打印，如此逐步完成一级轨道框架所覆盖区域的打印施工；待当前横截面层打印结束后，将其顶升至上一层待打印横截面层所在的高度；如此反复自下向上逐层打印建筑体各横截面层。

Description

一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置及其打印方法。

背景技术

众所周知，3D打印建筑可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，减少建筑中的材料和工艺损耗，它能够让未来的建筑工人劳动强度大大降低，工作环境大大改善，工作更高效，它还可以做到让建筑能耗大幅度降低，可有效地改善施工粉尘和噪音的影响，避免对环境造成污染。

虽然，3D打印技术离我们越来越近，早已不再是纸面上的概念，但是，目前的3D打印技术在建筑市场的应用还仅限于住宅建筑、小型场馆等小体量建筑的施工，其原因如下：现有的建筑用3D打印装置体积较小(如全球首批建筑用3D打印装置尺寸：长×宽×高分别为150m×10m×6.6m)，而龙门架式3D打印装置的打印高度又受限，可见，对于大体量建筑物的施工而言，现有的3D打印装置并不适用；实践证明，如果根据施工需要而扩大现有3D打印装置的尺寸，工作效率能够得到明显的提高，但是，打印头运行路线加长，随之而来的弊端是不能兼顾打印精度，无法保证施工质量。

综上所述，如何克服现有3D打印装置结构及施工方法上的局限性，使其能够适应大体量建筑物的施工，使未来的3D打印技术能够在建筑领域真正得以推广、应用具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有3D打印装置的打印尺度有局限，而尺寸扩大的3D打印装置无法兼顾工作效率和打印精度，不能满足大体量建筑物的施工需要的问题，本发明的目的是提供一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置及方法，将大体量建筑体当前横截面层划分为多个小面积区域逐块施工，通过设置两级轨道框架结构实现打印头的二次定位，在保证施工效率的同时提高了打印精度。

本发明解决其技术问题所采用的一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置，包括一闭合的一级轨道框架；设置于所述一级轨道框架内，且两端与所述一级轨道框架滑动配合的至少一根轨道横梁；每根所述轨道横梁上均设有与其滑动配合的二级轨道机构；所述二级轨道机构包括一闭合的二级轨道框架，设置于所述二级轨道框架内且与其滑动配合的至少一根打印头横梁，以及设置于所述打印头横梁上且能够沿所述打印头横梁滑动的至少一个打印头；所述二级轨道框架具有一对对称设置的滑道二，两端设有滑块或滚轮组的所述打印头横梁与所述滑道二滑动配合，使得所述打印头横梁的两端能够沿所述二级轨道框架滑动。

优选的，所述二级轨道框架还包括支撑架和连接杆，所述支撑架由若干杆件组成，每根所述杆件的一端固定于所述二级轨道框架的转角部，其另一端与所述连接杆的底端刚性连接；所述连接杆的顶端设有滑块或滚轮组，且所述连接杆通过所述滑块或滚轮组与设有滑槽的所述轨道横梁滑动配合，使得所述二级轨道框架能够通过所述连接杆沿所述轨道横梁滑动。

优选的，所述二级轨道机构还包括打印头连接架，所述打印头连接架包括能够与所述打印头横梁滑动配合的基座，以及与所述基座固定连接的打印头杆；所述打印头通过所述打印头杆连接在所述基座上，所述基座套设在所述打印头横梁上并能够沿所述打印头横梁滑动，从而带动所述打印头沿所述打印头横梁滑动。

优选的，所述一级轨道框架是由一对平行且对称设置的滑道一，及连接一对所述滑道一的连系梁一构成的闭合框架结构，两端设有滑块或滚轮组的所述轨道横梁与所述滑道一滑动配合，使得所述轨道横梁能够沿所述一级轨道框架滑动。

优选的，每根所述轨道横梁上部均设置对称的格构式支撑框架一，所述格构式支撑框架一是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构，所述格构式支撑框架一的对称轴与所述轨道横梁的纵轴线重合，且所述格构式支撑框架一的高度从中部到端部逐渐变小。

优选的，所述格构式支撑框架一由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元一中，中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元一通过侧翼缘与所述轨道横梁的两端连接，形成位于两侧的框架单元二，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线；所述格构式支撑框架一的各杆件之间均为铰接，所述轨道横梁上固接有若干转接板，所述格构式支撑框架一的杆件与所述转接板铰接。

优选的，所述滑道一上部设置对称的格构式支撑框架二，所述格构式支撑框架二的对称轴与所述滑道一的纵轴线重合，所述格构式支撑框架二由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元A中，中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元A通过侧翼缘与所述滑道一的两端连接，形成位于两侧的框架单元B，所述中心翼缘与侧翼缘构成连续的折线或弧线。

优选的，还包括连接于所述一级轨道框架底部的爬升装置，所述爬升装置包括两组框架式连系梁，两组所述框架式连系梁通过若干液压顶升机构连接成一个整体框架结构，且每组所述框架式连系梁通过附着装置连接在已打印建筑体的外立面；

所述液压顶升机构包括液压油缸一及其驱动单元一，所述液压油缸一的缸体和活塞分别固定在两组所述框架式连系梁上，所述驱动单元一能够控制所述液压顶升机构同步顶升或下降，进而带动所述框架式连系梁做相应的运动，使得所述爬升装置能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降；

所述附着装置包括横向液压机构和扩展板，所述横向液压机构包括液压油缸二及其驱动单元二，所述液压油缸二的一端连接在所述框架式连系梁上，所述液压油缸二的另一端固接所述扩展板，且与所述已打印建筑体的外立面相抵，所述驱动单元二能够控制连接在同一框架式连系梁上的所述液压油缸二同步伸长或收缩，进而使得相应的所述框架式连系梁附着或脱离所述已打印建筑体的外立面。

另外，本发明还提供了一种3D打印方法，步骤如下：

一、安装所述3D打印装置，使所述一级轨道框架稳定支撑于待打印建筑体的地坪，所述打印头位于所述地坪上方适当高度；

二、使所述打印头沿所述打印头横梁移动，同时喷出建筑物料，所述打印头每打印一行，所述打印头横梁沿所述二级轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成当前所述二级轨道框架所覆盖区域的打印施工；

三、当前所述二级轨道框架所覆盖区域打印结束后，使所述二级轨道机构沿所述轨道横梁水平移动并进行下一覆盖区域的打印施工，所述二级轨道机构每打印一行，所述二级轨道机构沿所述一级轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成所述一级轨道框架所覆盖区域的打印施工；

四、待建筑体当前横截面层打印结束后，使所述一级轨道框架向上移动一设定距离，将所述3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度；

五、反复上述步骤二至步骤四，自下向上逐层打印建筑体各横截面层。

优选的，所述步骤五之后还包括步骤六，待已打印建筑体具有一定高度后，安装所述爬升装置，使两组所述框架式连系梁均稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，并将权利要求1至7任一项所述的3D打印装置刚性连接在所述爬升装置的上方；在当前横截面层打印结束后，使一组所述框架式连系梁脱离所述已打印建筑体的外立面，通过所述液压顶升机构的同步伸长或收缩，使该组所述框架式连系梁向上移动一设定距离并稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，然后，使另一组所述框架式连系梁脱离所述已打印建筑体的外立面，通过所述液压顶升机构的同步伸长或收缩，使该组所述框架式连系梁向上移动相同的设定距离，从而将所述3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度，如此循环往复，自下向上逐层打印各横截面层直至完成建筑体整体的打印施工。

本发明的效果在于：

一、针对目前大体量建筑物的打印施工无法兼顾工作效率及打印精度的问题，本发明的具有两级轨道框架结构的3D打印装置由两级轨道框架结构组成；一级轨道框架围合于已打印建筑体外侧并稳定附着于其外壁，轨道横梁设置于一级轨道框架内并与其滑动配合，使得轨道横梁能够在一级轨道框架内沿x轴方向上、下移动；二级轨道机构与轨道横梁滑动配合，使得二级轨道机构能够沿轨道横梁(即y轴方向)左、右移动，进而使得二级轨道机构能够在一级轨道框架所覆盖的平面内自由移动；更进一步，本发明在二级轨道机构的二级轨道框架内设置能够与其滑动配合的打印头横梁，用于输出建筑物料的打印头则与打印头横梁滑动配合；打印头首先在二级轨道框架所覆盖的较小范围内自由滑动并实施打印施工，再通过二级轨道机构在一级轨道框架所覆盖的较大范围内的自由滑动实现逐块逐行打印施工，从而使得打印头能够在已打印建筑体当前横截面层内基于xy平面灵活运动并打印建筑物料。可见，本发明的3D打印装置设置两级轨道框架结构，将大体量建筑体当前横截面层划分为多个小面积区域逐块施工，通过二级轨道机构实现打印头的二次定位，进而在保证施工效率的同时提高了打印精度。

二、本发明的利用具有两级轨道框架结构的3D打印装置的打印方法，首先，通过控制打印头在二级轨道框架所覆盖区域进行逐行打印，再通过二级轨道机构沿轨道横梁的相对运动，及二级轨道机构沿一级轨道框架的相对运动，完成当前横截面层的打印施工，待当前横截面层打印完成后，将3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度，并再次控制打印头在当前横截面层逐行打印，如此循环往复，使3D打印装置逐层顶升，实现了打印施工的连续作业，缩短了施工工期。

附图说明

图1为本发明一实施例3D打印装置安装于已打印建筑体上的示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明一实施例中二级轨道机构的结构示意图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为图4的B-B剖面图；

图6为本发明一实施例格构式支撑框架一安装于轨道横梁上的结构示意图；

图7为图6的C部分的局部放大图；

图8为图6的D部分的局部放大图；

图9为本发明一实施例格构式支撑框架二安装于一级轨道框架上的结构示意图；

图10为本发明一实施例中爬升装置安装于已打印建筑体上的结构示意图；

图11为图10的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置及方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

实施例一：结合图1～图11说明本发明的一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置，本实施例以大体量建筑物的3D打印施工为例，为了明确方向关系，按需要设置了将z轴方向作为已打印建筑体1高度延伸方向的xyz直角坐标系。

如图1和图2所示，上述3D打印装置包括一闭合的一级轨道框架10；设置于一级轨道框架10内且两端与一级轨道框架10滑动配合的至少一根轨道横梁20；每根轨道横梁20上均设有与其滑动配合的二级轨道机构30；如图3和图4所示，所述二级轨道机构30包括一闭合的二级轨道框架31，设置于二级轨道框架31内且与其滑动配合的至少一根打印头横梁32，以及设置于打印头横梁32上且能够沿打印头横梁32滑动的至少一个打印头33，上述打印头33能够输出建筑物料从而实施建筑体当前横截面层的打印施工。具体而言，上述二级轨道框架31是由一对平行且对称设置的滑道二31a，及连接一对滑道二31a的连系梁二31b构成的闭合的矩形框架结构，两端设有滑块或滚轮组(图中未示出)的打印头横梁32与滑道二31a滑动配合，使得打印头横梁32的两端能够沿二级轨道框架31滑动，由于滑块或滚轮组均能够安全可靠地嵌装在滑道二31a的C形开口腔内，因此，上述结构能够保证打印头横梁32在二级轨道框架31上稳定运行。

针对目前大体量建筑物的打印施工无法兼顾工作效率及打印精度的问题，本发明的3D打印装置由两级轨道框架结构组成；如图2所示，一级轨道框架10围合于已打印建筑体1外侧并稳定附着于其外壁，轨道横梁20设置于一级轨道框架10内并与其滑动配合，使得轨道横梁20能够在一级轨道框架10内沿x轴方向上、下移动；二级轨道机构30与轨道横梁20滑动配合，使得二级轨道机构30能够沿轨道横梁20(即y轴方向)左、右移动，进而使得二级轨道机构30能够在一级轨道框架10所覆盖的平面内自由移动；更进一步，如图3和图4所示，本发明在二级轨道机构30的二级轨道框架31内设置能够与其滑动配合的打印头横梁32，用于输出建筑物料的打印头33则与打印头横梁32滑动配合；打印头33首先在二级轨道框架31所覆盖的较小范围内自由滑动并实施打印施工，再通过二级轨道机构30在一级轨道框架10所覆盖的较大范围内的自由滑动实现逐块逐行打印施工，从而使得打印头33能够在已打印建筑体1当前横截面层内基于xy平面灵活运动并打印建筑物料。可见，本发明的3D打印装置设置两级轨道框架结构，将大体量建筑体当前横截面层划分为多个小面积区域逐块施工，通过二级轨道机构30实现打印头33的二次定位，进而在保证施工效率的同时提高了打印精度。

请继续参考图3和图4，本实施例的二级轨道框架31还包括支撑架31c和连接杆31d，上述支撑架31c由四根呈放射状布置的杆件组成，四根杆件的一端分别固定于二级轨道框架31的四个转角部，四根杆件的另一端均与连接杆31d的底端刚性连接；上述连接杆31d的顶端设有滑块或滚轮组，其与具有C型截面滑槽的轨道横梁20滑动配合，使得二级轨道框架31能够通过连接杆31d沿上述轨道横梁20滑动；上述支撑架31c的设置，使得矩形的二级轨道框架31结构更为稳定，此处支撑架31c的具体结构仅为一个示例，并不局限于此。较佳的，如图4所示，为使二级轨道框架31运行更为稳定，连接杆31d的轴线ax与二级轨道框架31的中心重合，避免运行中的二级轨道框架31因受力不均衡而出现倾斜，以保障施工安全。

如图5所示，为实现打印头33与打印头横梁32的稳定连接，上述二级轨道机构30还包括打印头连接架，所述打印头连接架包括能够与打印头横梁32滑动配合的基座34，以及与基座34固定连接的打印头杆35；打印头33通过打印头杆35连接在基座34上，本实施例具有C型截面的基座34套设在打印头横梁32上并能够沿打印头横梁32滑动，从而带动打印头33沿打印头横梁32自由滑动。

请继续参考图1和图2，本实施例所述一级轨道框架10是由一对平行且对称设置的滑道一10a，及连接一对滑道一10a的连系梁一10b构成的闭合的矩形框架结构，两端设有滑块或滚轮组的轨道横梁20与滑道一10a滑动配合，使得轨道横梁20能够沿一级轨道框架10滑动。

另外，本实施例的3D打印装置还包括与轨道横梁20电连接的驱动装置一，与连接杆31d电连接的驱动装置二，与打印头横梁32电连接的的驱动装置三，以及与打印头连接架电连接的驱动装置四(上述驱动装置图中均未示出)，上述驱动装置及打印头33均与动力控制系统通信连接。当动力控制系统向上述驱动装置四和打印头33发送控制指令时，使得打印头33能够沿打印头横梁32做往复移动，同时打印头33输出建筑物料进行打印施工，每一行打印结束后，动力控制系统向驱动装置三发送控制指令，使得打印头横梁32沿二级轨道框架31移动，以进行下一行的打印，如此循环往复，逐步完成二级轨道框架31所覆盖范围内的打印施工；类似的，动力控制系统向驱动装置二发送控制指令，使二级轨道机构30沿轨道横梁20运动，进而逐块实施打印施工，每一行打印结束后，动力控制系统向驱动装置一发送控制指令，使得二级轨道机构30沿一级轨道框架10移动，以进行下一行的打印施工，如此循环往复，从而逐行完成建筑体当前横截面层的打印施工。因上述驱动装置及动力控制系统不在本发明权利要求的保护范围内，故对其结构及连接关系不作具体阐述。

由于建筑物体量巨大，本实施例中一级轨道框架10和轨道横梁20的尺寸相对也较大，在一级轨道框架10和轨道横梁20自身重量以及打印头运动的影响下，一级轨道框架10和轨道横梁20杆体中部的挠度大，而且单位长度挠度差大，打印头33的运动精度得不到有效控制。请参阅图6至图9，为解决上述问题，本实施例在每个轨道横梁20上部均独立设置对称的格构式支撑框架一40，格构式支撑框架一40是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构；如图6所示，格构式支撑框架一40的对称轴ax与轨道横梁20的纵轴线重合，格构式支撑框架一40中部高度最大，两端高度最小，高度从中部到端部逐渐变小，具体各部分杆件的高度需要根据轨道横梁20的跨度计算确定。格构式支撑框架一40的设置能够减小轨道横梁20中部的挠度以及单位长度挠度差，进而有效控制打印精度，提高打印质量。

具体而言，本实施例的格构式支撑框架一40由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴ax对称的两个框架单元一中，中心翼缘40a和相邻两根腹杆40b之间连接有斜杆40c，上述两个框架单元一通过侧翼缘40d与轨道横梁20的两端连接，由此形成位于两侧的框架单元二，上述中心翼缘40a与侧翼缘40d构成连续的折线或弧线。由于格构式支撑框架一40覆盖轨道横梁20全长，且中心翼缘40a和侧翼缘40d构成的连续折线或弧线与轨道横梁20的弧形挠度曲线形状吻合较好，因此，能够有效避免轨道横梁20因尺寸较大而导致的弯曲变形，使得打印头33运行稳定，以确保横截面层y轴方向的打印质量。

类似的，如图9所示，一级轨道框架10的滑道一10a上部也设置有结构及组成与格构式支撑框架一40相似的格构式支撑框架二60，格构式支撑框架二60的对称轴ax'与滑道一10a的纵轴线重合，格构式支撑框架二60由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴ax'对称的两个框架单元A中，中心翼缘60a和相邻两根腹杆60b之间连接有斜杆60c，上述两个框架单元A通过侧翼缘60d与滑道一10a的两端连接，由此形成位于两侧的框架单元B，上述中心翼缘60a与侧翼缘60d构成连续的折线或弧线。由于格构式支撑框架二60覆盖滑道一10a全长，且中心翼缘60a和侧翼缘60d构成的连续折线或弧线与滑道一10a的弧形挠度曲线形状吻合较好，因此，能够避免滑道一10a因尺寸较大而导致的弯曲变形，保证了滑道一10a的平稳和畅通，以确保横截面层x轴方向的打印质量。

较佳的，如图7和图8所示，上述格构式支撑框架一40中各杆件之间均为铰接，轨道横梁20上固接有若干转接板一50，格构式支撑框架一40通过转接板一50与轨道横梁20铰接；类似的，格构式支撑框架二40中各杆件之间也均为铰接，格构式支撑框架二60与固接于滑道一10a的转接板二(图中未示出)铰接，上述转接板的设置使得格构式支撑框架一40与轨道横梁20、格构式支撑框架二40与滑道一10a的连接更方便操作，而且对一级轨道框架10和轨道横梁20的结构损伤更小。

实施例二：结合图1、图2、图10和图11说明本发明的一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置，与实施例一不同的是，3D打印装置还包括爬升装置70，一级轨道框架10底部连接有若干竖杆12，实施例一所述的3D打印装置通过上述竖杆12与爬升装置70的顶端刚性连接，竖杆12不但是3D打印装置与爬升装置70的连接构件，而且还调整了两者的间距，以保证3D打印装置与作业面适当的工作距离。前文所述刚性连接为焊接、螺栓连接等，本实施例优选螺栓连接，可实现3D打印装置与爬升装置70的快速组装及拆卸。

请参考图10和图11，本实施例的爬升装置70是由两组围合在已打印建筑体1的外立面，且在竖直方向上通过液压顶升机构73连接的框架式连系梁构成的一个整体框架结构，每组框架式连系梁均通过若干附着装置固定于已打印建筑体1的外立面。为描述方便，下文将位于上方的框架式连系梁称为框架式连系梁一71，位于下方的框架式连系梁称为框架式连系梁二72。两组框架式连系梁71、72通过附着装置固定在已打印建筑体1的外立面，从而为固定于爬升装置70上方的如实施例一所描述的3D打印装置提供稳定的支撑。上述液压顶升机构73包括液压油缸一及其驱动单元一，液压油缸一的缸体固定在框架式连系梁二72上，其活塞连接在框架式连系梁一71上，且缸体和活塞具有适当的长度，以保证伸长状态的长度能够满足3D打印装置的作业要求，所述驱动单元一与动力控制系统通信连接，动力控制系统能够向驱动单元一发送控制指令并同步控制液压油缸一的顶升和下降，使得框架式连系梁一71能够以框架式连系梁二72为基础逐步相对于已打印建筑体1沿z轴方向爬升或下降，进而带动3D打印装置爬升或下降。

上述附着装置包括横向液压机构74和扩展板75，横向液压机构74包括液压油缸二及其驱动单元二，液压油缸二的一端铰接在框架式连系梁上，其另一端与扩展板75固接后抵靠在已打印建筑体1的外立面，上述驱动单元二与动力控制系统通信连接，能够同步控制连接在同一框架式连系梁上的液压油缸二的伸长和收缩，进而使得框架式连系梁附着或脱离已打印建筑体1的外立面。上述横向液压机构74的数量可以根据建筑物体量的大小，及保证3D打印装置稳定性的前提下进行相应设置。扩展板75的设置，使得横向液压机构74与已打印建筑体1外立面的接触面积增大，且接触均匀，两者之间具有足够的摩擦力，既保证扩展板75在已打印建筑体1墙体上的附着可靠有效，又能够避免横向液压机构74的端部对已打印建筑体1墙体的破坏。

在施工过程中，当横向液压机构74全部为伸长状态时，液压力对扩展板75施加压力而使扩展板75与已打印建筑体1的墙体之间产生摩擦力，通过摩擦力使两组框架式连系梁71、72均稳定附着在已打印建筑体1外立面上，从而实现两组框架式连系梁71、72的定位，若此时液压顶升机构73为收缩状态，则同步收缩连接在框架式连系梁一71上的横向液压机构74，使得框架式连系梁一71脱离已打印建筑体1的外立面，同步顶升液压顶升机构73，将框架式连系梁一71顶升至设定的高度，控制连接在框架式连系梁一71上的横向液压机构74伸长，使得框架式连系梁一71能够稳定附着在已打印建筑体1的外立面，然后，使连接在框架式连系梁二72上的横向液压机构74收缩，使框架式连系梁二72脱离已打印建筑体1的外立面，框架式连系梁二72在液压顶升机构73的带动下向上提升至一定高度后，控制连接在框架式连系梁二72上的横向液压机构74伸长，使得框架式连系梁二72稳定附着在已打印建筑体1的外立面，如此往复，通过控制两组框架式连系梁71、72的交替爬升，使爬升装置70相对于已打印建筑体1沿z轴方向逐步爬升，并配合3D打印装置实现建筑体各横截面层自下向上的逐层打印施工。综上所述，爬升装置70框架式连系梁之间的液压顶升机构73在动力控制系统的控制下进行伸缩运动，使得框架式连系梁能够带动3D打印装置逐步地相对于已打印建筑体1沿z轴向上移动，进而使得上述3D打印装置在自动化爬升的同时完成建筑体各横截面层自下向上的逐层打印施工；而且，它能够通过自动控制爬升装置70框架式连系梁的交替爬升来实现3D打印装置的连续稳定爬升，以适应不同的建筑高度，爬升过程无需人工敷设导轨段，不但减轻了施工人员的劳动强度，而且避免了导轨段的安装对建筑体墙体的破坏，在保证施工安全可靠的同时还提高了工作效率。

实施例三：结合图1～图11说明本发明的3D打印方法，本实施例是以标高±0.000以上的建筑物的施工为例，具体步骤如下：

S101：安装所述3D打印装置，使一级轨道框架10稳定支撑于待打印建筑体的地坪，打印头33位于地坪上方适当高度，并位于初始位置；

S102：通过动力控制系统向3D打印装置发送控制指令，使打印头33沿打印头横梁32移动，同时喷出建筑物料，打印头33每打印一行，打印头横梁32沿二级轨道框架31移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成当前二级轨道框架31所覆盖区域的打印施工；

S103：当二级轨道框架31所覆盖区域打印结束后，使二级轨道机构30沿轨道横梁20水平移动一设定距离，进行下一覆盖区域的打印施工，二级轨道机构30每打印一行，二级轨道机构30沿一级轨道框架10移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成一级轨道框架10所覆盖区域的打印施工；

S104：待建筑体当前横截面层打印结束后，将一级轨道框架10向上移动一设定距离，使得3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度；

S105：反复上述步骤S102至S104，自下向上逐层打印各横截面层直至完成建筑物整体的打印施工。

本发明的3D打印方法，首先，通过控制打印头33在二级轨道框架31所覆盖区域进行逐行打印，再通过二级轨道机构30沿轨道横梁20的相对运动，及二级轨道机构30沿一级轨道框架10的相对运动，完成当前横截面层的打印施工，待当前横截面层打印完成后，将3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度，并再次控制打印头33在当前横截面层逐行打印，如此循环往复，使3D打印装置逐层顶升，实现了打印施工的连续作业，缩短了施工工期。

上述步骤S105之后还包括步骤S106，待已打印建筑体1具有足够的高度，安装爬升装置70，此时，已打印建筑体1的高度需大于爬升装置70收缩状态下的高度；使两组框架式连系梁71、72均稳定附着于已打印建筑体1的外立面，并将3D打印装置刚性连接在爬升装置70的上方；在当前横截面层打印结束后，通过动力控制系统向爬升装置70发送控制指令，使一组框架式连系梁脱离已打印建筑体1的外立面，通过液压顶升机构73的伸长或收缩，使该组框架式连系梁向上移动一设定距离并稳定附着于已打印建筑体1的外立面，然后，使另一组框架式连系梁脱离已打印建筑体1的外立面，通过液压顶升机构73的伸长或收缩，使该组框架式连系梁也向上移动相同的设定距离，也就是说，通过控制爬升装置70的框架式连系梁71、72的交替爬升，使得3D打印装置能够随着建筑物打印高度的升高而逐步顶升，从而自下向上逐层完成各横截面层的打印，无需人工敷设导轨段，减轻了施工人员的劳动强度，在保证施工安全可靠的同时还提高了工作效率。具体而言，当液压顶升机构73为伸长状态时，使连接在框架式连系梁二72上的横向液压机构74收缩并脱离已打印建筑体1的外立面，通过液压顶升机构73带动框架式连系梁二72上升，待其到达预定高度后，增大连接在框架式连系梁二72上的横向液压机构74的液压力，也就是使横向液压机构74伸长并使其重新稳定附着在已打印建筑体1的外立面，随后，使连接在框架式连系梁一71上的横向液压机构74收缩并脱离已打印建筑体1的外立面，液压顶升机构73推动框架式连系梁一71以及固接于其上部的3D打印装置同步顶升，待框架式连系梁一71到达预定高度后，控制连接在框架式连系梁一71上的横向液压机构74伸长并使其重新稳定附着在已打印建筑体1的外立面。

更进一步，步骤S106后还包括步骤S107，拆除3D打印装置：待建筑物打印完成后，控制两组框架式连系梁71、72的横向液压机构74同时收缩，使其脱离已打印建筑体1，整体吊运3D打印装置；或者，松开3D打印装置的竖杆12与爬升装置70顶端的螺栓连接，并使爬升装置70脱离已打印建筑体1的外立面，分别吊运3D打印装置和爬升装置70；或者，使轨道横梁20靠近一级轨道框架10的一侧，控制两组框架式连系梁71、72交替下降至已打印建筑体1的底部，并使爬升装置70脱离已打印建筑体1，再拆除3D打印装置。

可以理解，本发明提供的具有两级轨道框架结构的3D打印装置及方法也可以应用于其他大体积工业产品的生产中。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有两级轨道框架结构的3D打印装置，其特征在于，包括：

一闭合的一级轨道框架；

设置于所述一级轨道框架内，且两端与所述一级轨道框架滑动配合的至少一根轨道横梁；

每根所述轨道横梁上均设有与其滑动配合的二级轨道机构；

所述二级轨道机构包括一闭合的二级轨道框架，设置于所述二级轨道框架内且与其滑动配合的至少一根打印头横梁，以及设置于所述打印头横梁上且能够沿所述打印头横梁滑动的至少一个打印头；所述二级轨道框架具有一对对称设置的滑道二，两端设有滑块或滚轮组的所述打印头横梁与所述滑道二滑动配合，使得所述打印头横梁的两端能够沿所述二级轨道框架滑动。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述二级轨道框架还包括支撑架和连接杆，所述支撑架由若干杆件组成，每根所述杆件的一端固定于所述二级轨道框架的转角部，其另一端与所述连接杆的底端刚性连接；所述连接杆的顶端设有滑块或滚轮组，且所述连接杆通过所述滑块或滚轮组与设有滑槽的所述轨道横梁滑动配合，使得所述二级轨道框架能够通过所述连接杆沿所述轨道横梁滑动。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于：所述二级轨道机构还包括打印头连接架，所述打印头连接架包括能够与所述打印头横梁滑动配合的基座，以及与所述基座固定连接的打印头杆；所述打印头通过所述打印头杆连接在所述基座上，所述基座套设在所述打印头横梁上并能够沿所述打印头横梁滑动，从而带动所述打印头沿所述打印头横梁滑动。

4.根据权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于：所述一级轨道框架是由一对平行且对称设置的滑道一，及连接一对所述滑道一的连系梁一构成的闭合框架结构，两端设有滑块或滚轮组的所述轨道横梁与所述滑道一滑动配合，使得所述轨道横梁能够沿所述一级轨道框架滑动。

5.根据权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于：每根所述轨道横梁上部均设置对称的格构式支撑框架一，所述格构式支撑框架一是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构，所述格构式支撑框架一的对称轴与所述轨道横梁的纵轴线重合，且所述格构式支撑框架一的高度从中部到端部逐渐变小。

6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于：所述格构式支撑框架一由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元一中，中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元一通过侧翼缘与所述轨道横梁的两端连接，形成位于两侧的框架单元二，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线；所述格构式支撑框架一的各杆件之间均为铰接，所述轨道横梁上固接有若干转接板，所述格构式支撑框架一的杆件与所述转接板铰接。

7.根据权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于：所述滑道一上部设置对称的格构式支撑框架二，所述格构式支撑框架二的对称轴与所述滑道一的纵轴线重合，所述格构式支撑框架二由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元A中，中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元A通过侧翼缘与所述滑道一的两端连接，形成位于两侧的框架单元B，所述中心翼缘与侧翼缘构成连续的折线或弧线。

8.根据权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于：还包括连接于所述一级轨道框架底部的爬升装置，所述爬升装置包括两组框架式连系梁，两组所述框架式连系梁通过若干液压顶升机构连接成一个整体框架结构，且每组所述框架式连系梁通过附着装置连接在已打印建筑体的外立面；

所述液压顶升机构包括液压油缸一及其驱动单元一，所述液压油缸一的缸体和活塞分别固定在两组所述框架式连系梁上，所述驱动单元一能够控制所述液压顶升机构同步顶升或下降，进而带动所述框架式连系梁做相应的运动，使得所述爬升装置能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降；

所述附着装置包括横向液压机构和扩展板，所述横向液压机构包括液压油缸二及其驱动单元二，所述液压油缸二的一端连接在所述框架式连系梁上，所述液压油缸二的另一端固接所述扩展板，且与所述已打印建筑体的外立面相抵，所述驱动单元二能够控制连接在同一框架式连系梁上的所述液压油缸二同步伸长或收缩，进而使得相应的所述框架式连系梁附着或脱离所述已打印建筑体的外立面。

9.一种3D打印方法，其特征在于：采用如权利要求1至8任一项所述的具有两级轨道框架结构的3D打印装置，步骤如下：

一、安装所述3D打印装置，使所述一级轨道框架稳定支撑于待打印建筑体的地坪，所述打印头位于所述地坪上方适当高度；

二、使所述打印头沿所述打印头横梁移动，同时喷出建筑物料，所述打印头每打印一行，所述打印头横梁沿所述二级轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成当前所述二级轨道框架所覆盖区域的打印施工；

三、当前所述二级轨道框架所覆盖区域打印结束后，使所述二级轨道机构沿所述轨道横梁水平移动并进行下一覆盖区域的打印施工，所述二级轨道机构每打印一行，所述二级轨道机构沿所述一级轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐步完成所述一级轨道框架所覆盖区域的打印施工；

四、待建筑体当前横截面层打印结束后，使所述一级轨道框架向上移动一设定距离，将所述3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度；

五、反复上述步骤二至步骤四，自下向上逐层打印建筑体各横截面层。

10.根据权利要求9所述的3D打印方法，其特征在于：所述步骤五之后还包括步骤六，待已打印建筑体具有一定高度后，安装爬升装置，使两组框架式连系梁均稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，并将所述3D打印装置刚性连接在所述爬升装置的上方；在当前横截面层打印结束后，使一组所述框架式连系梁脱离所述已打印建筑体的外立面，通过液压顶升机构的同步伸长或收缩，使该组所述框架式连系梁向上移动一设定距离并稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，然后，使另一组所述框架式连系梁脱离所述已打印建筑体的外立面，通过所述液压顶升机构的同步伸长或收缩，使该组所述框架式连系梁向上移动相同的设定距离，从而将所述3D打印装置顶升至建筑体上一层待打印横截面层所在的高度，如此循环往复，自下向上逐层打印各横截面层直至完成建筑体整体的打印施工。