CN105563835A - 单轴移动多轨并联独立式3d打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法，涉及建筑施工技术领域，针对现有3D打印装置打印效率低且精度不高、灵活性差的问题。它包括能够相对于已打印建筑体垂直运动的爬升装置以及与爬升构件连接的打印装置；打印装置包括轨道框架和打印头横梁，轨道框架含多个网格单元，每个网格单元中设置多个独立设置且两端能够沿轨道框架滑动的打印头横梁，打印头横梁密布能够与其在水平打印面上同步移动的打印头，打印头喷出建筑物料，打印头横梁移动一次即可完成当前横截面层的打印施工；通过控制爬升装置使得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，从而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。

Description

单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法。

背景技术

目前，3D打印技术发展迅速，其中，3D打印建筑具有自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少的优点。然而，现有的3D打印装置采用单打印头，仅仅适用于住宅建筑、小型场馆等小体量建筑的施工，对于建筑结构体量巨大的建筑物的施工而言，不仅不适用，而且工作效率低下。因此，如何提供一种适用于大体量建筑物施工的打印效率、精度高且灵活性高的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有3D打印装置的单打印头工作效率低下、打印精度不高，且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单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法，该单轴移动多轨并联独立式3D打印装置将由轨道横梁和连系梁组成的轨道框架划分为若干面积相等的网格单元，每个网格单元内设置至少两个打印头横梁，位于同一网格单元内的所有打印头横梁平行间隔设置，每根打印头横梁的两端均能够沿着轨道横梁滑动，每根打印头横梁上均密布打印头，打印头与打印头横梁在水平打印面上同步单向移动，一方面将3D打印装置在水平面内的双向移动变为单轴单向移动，从而可以提高3D打印装置的可靠性；另一方面每根打印头横梁均密布打印头，从而打印头横梁每移动一次即可完成一层建筑横截面层的打印，而且不同区块的打印头横梁的运动各自独立，显著提高了打印效率。此外，通过将轨道框架划分多个网格单元，每个网格单元设置多个打印头横梁，减小了打印头横梁的竖向位移，从而提高了打印精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，包括爬升装置和打印装置，所述爬升装置包括固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨以及能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体垂直运动的爬升构件；所述打印装置包括与所述爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于所述轨道框架中的打印头横梁，所述轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，所述网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根所述打印头横梁，所述打印头横梁两端能够沿着所述轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上密布打印头。

进一步地，所述打印头横梁两端设有连接板，所述轨道横梁上设有与所述连接板滑动配合且横截面呈C形的滑道，使得所述打印头横梁的两端能够沿着所述轨道横梁的滑道滑动。

进一步地，还包括打印头杆，所述打印头通过所述打印头杆与所述打印头横梁固定连接。

进一步地，所述打印头杆可伸缩，所述打印头杆的伸缩范围为0～200mm。

进一步地，所述轨道框架的底部还固接有若干竖杆，所述轨道框架通过所述竖杆与所述爬升构件的顶端刚性连接。

进一步地，所述爬升导轨通过若干附墙连杆固定于所述已打印建筑体的外立面。

本发明还提供了一种3D打印方法，步骤如下：

一、安装所述单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，使所述轨道框架稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，所述打印装置的打印头位于所述已打印建筑体上方适当高度；

二、使所述打印头横梁沿着所述轨道横梁移动，同时使得所述打印头喷出建筑物料，所述打印头横梁每移动一次，即完成一层建筑体横截面层的打印施工；

三、加长所述爬升导轨至上一层待打印建筑体横截面层，使所述轨道框架脱离所述已打印建筑体的外立面，通过所述爬升构件的爬升，使所述轨道框架向上移动至上一层待打印建筑体横截面层并稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，从而将所述打印装置顶升至建筑体上一层待打印建筑体横截面层高度处；

四、反复上述步骤二和步骤三，自下向上在已打印完成的建筑体横截面层的上方逐层进行建筑体横截面层的打印，直至完成建筑体整体的打印施工。

本发明的效果在于：

一、本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，包括爬升装置和打印装置，爬升装置包括固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨以及能够沿着爬升导轨相对于已打印建筑体垂直运动的爬升构件；打印装置包括与爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于轨道框架中的打印头横梁，轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根打印头横梁，打印头横梁两端能够沿着轨道横梁滑动，每根打印头横梁上密布打印头。该单轴移动多轨并联独立式3D打印装置通过将用于支承打印头横梁的轨道框架通过若干平行间隔设置且相交固接的轨道横梁和连系梁分隔为若干网格单元，每个网格单元包括一对平行间隔设置的轨道横梁，至少两个打印头横梁平行间隔设置于前述一对平行的轨道横梁之间，打印头横梁的两端能够沿着轨道横梁滑动，打印头横梁上密布独立控制的打印头，从而每个网格单元内的所有打印头横梁均能够沿着所在网格单元的轨道横梁在水平打印面上单向移动即可完成一层建筑体横截面层的打印，显著提高了打印效率。可以通过控制无需打印部位对应的打印头使其不喷出建筑物料，而仅仅保证需打印部位的打印头喷出建筑物料，并且可以根据设计要求使得不同打印头横梁的打印头杆的伸长量差异化，从而打印头横梁移动一次即可实现打印头杆伸缩范围内不同标高处不同造型建筑体的打印，从而在提高打印效率的同时，实现打印工作的灵活性，还能够防止建筑物料的浪费。而且将打印装置分隔为若干网格单元，缩短了单个打印头横梁的长度，减小了打印头横梁的挠度，防止打印头横梁产生竖向位移，从而提高了打印精度。

二、本发明单轴移动多轨并联独立式3D打印装置的打印方法，首先通过控制密布设置有打印头的打印头横梁移动一次完成当前横截面层打印，然后加长爬升导轨至上一层待打印建筑体横截面层高度处，启动控制装置使得爬升构件带动轨道框架和打印装置顶升至上一层待打印横截面层的打印高度处并开启打印头喷出建筑物料完成上一层建筑体横截面层的打印，如此循环，实现打印装置逐层打印并整体爬升；该打印方法通过控制密布设置打印头且能够与其在水平打印面上同步单向移动的打印头横梁移动一次即可完成一层建筑体横截面层的同时打印施工，提高了工作效率，而且爬升导轨与已打印建筑体通过附墙连杆固定连接，保证了打印施工的安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例单轴移动多轨并联独立式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打印头横梁的俯视图；

图4为本发明一实施例中打印头横梁和打印头的连接示意图。

图中：

10-已打印建筑体；20-爬升导轨；30-爬升构件；40-打印装置，42-打印头横梁，43-轨道横梁，44-连系梁，45-连接板，46-附墙连杆；50-打印头，51-打印头杆。

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单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法作进一步详细说明。根据下面的说明，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

本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置属于区块分布式3D打印装置中的一种。下面结合图1至图4说明本发明的单轴移动多轨并联独立式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10高度延伸方向的xyz直角坐标系。

请参考图1至图4，上述单轴移动多轨并联独立式3D打印装置包括爬升装置(未图示)和打印装置40，爬升装置包括附着固定于已打印建筑体10的外立面的爬升导轨20以及能够沿着爬升导轨20相对于已打印建筑体10垂直运动(爬升或下降)的爬升构件30；打印装置40包括与爬升构件30顶端刚性连接的轨道框架(未图示)以及配合设置于轨道框架上的打印头横梁42，轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁43和连系梁44相交固接形成的网格结构，网格结构的每个网格单元中相邻的两个轨道横梁43之间设置至少两根打印头横梁42，打印头横梁42两端能够沿着轨道横梁43滑动，每根打印头横梁42上密布打印头50。为了尽可能防止轨道横梁43产生挠度，使得连系梁44的两端分别与轨道框架边缘的轨道横梁43固定连接，连系梁44的中部固接于轨道框架内部的轨道横梁43的上方。

前述刚性连接为焊接、螺栓连接等，本实施例优选螺栓连接，可实现打印装置40与爬升构件30的快速组装及拆卸。另外需指出的是，打印装置40和爬升构件30均与动力控制系统通信连接，因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。由于爬升导轨20附着固定于已打印建筑体10的外立面，从而爬升导轨20可以采用逐步加长升高的方式随着已打印建筑体10的升高而分段加高，具体方法可以参照起重塔吊施工中塔身标准节的增高原理，此处不做赘述。而且为了保证爬升构件30的正常爬升，该爬升导轨20的高度大于对应的已打印建筑体10横截面层的高度。此外，该爬升导轨20同时用作打印装置40的支撑，打印装置40垂直悬设于爬升导轨20的上部且固定于已打印建筑体10横截面层的上方。

具体来说，本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，在原有的轨道框架内增加了若干平行间隔设置的轨道横梁43和连系梁44，从而将轨道框架划分为若干面积相等的网格单元，从而进一步将打印装置40划分为若干个面积相同的网格单元。由于每个网格单元内的相邻的两个轨道横梁43之间设置至少两个打印头横梁42，每个打印头横梁42上密布独立控制的打印头50，从而每个网格单元内的所有打印头横梁42均能够沿着所在网格单元的轨道横梁43在水平打印面上单向移动即可完成一层建筑体横截面层的打印。而且，由于每个打印头50能够独立控制是否喷涂建筑物料，而且每根打印头横梁42上密布的所有打印头50均随着打印头横梁42在水平打印面上同步单向移动，故可以通过控制相应区域的打印头50的喷涂情况来打印不同的造型，实现灵活打印，而且节省了建筑物料。也就是说，当出现待打印建筑体不是常规图形，例如需要打印烟囱等结构时，可以通过控制无需打印部位的打印头50使其不喷出建筑物料，而仅仅保证需打印部位的打印头50喷出建筑物料，从而实现提高打印效率的同时，实现打印工作的灵活性，防止建筑物料的浪费。此外，将打印装置40划分为若干个等面积的网格单元，缩短了单个打印头横梁42的长度，减小了打印头横梁42的挠度，防止打印头横梁42产生竖向位移，从而提高了打印精度。当然，通过在已打印建筑体10外立面设置爬升导轨20，爬升构件30在动力控制系统的控制下沿着爬升导轨20进行爬升和下降运动，而爬升构件30与轨道框架固定连接，从而使得爬升构件30能够带动打印装置40逐步相对于已打印建筑体10逐步地相对于已打印建筑体1沿z轴向上移动，进而使得打印装置40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。

较佳地，本实施例打印装置40的打印头横梁42的两端设有连接板45，轨道横梁43具有横截面呈C形的滑道(未图示)，连接板45与滑道滑动配合，使得打印头横梁42的两端能够沿轨道框架的滑道(即x轴方向)自由滑动。也就是说，相邻且平行间隔设置的一对轨道横梁43各自设有滑道，位于不同轨道横梁43上的两个滑道互相平行，因此，打印装置40中的互相平行间隔且连续设置的轨道横梁43中，位于两端的两根横梁43仅单侧设有滑道，而其余的轨道横梁则双侧设有滑道，以使得所有的打印头横梁42均能够滑行于相应的一对平行间隔设置的轨道横梁43之间。由于连接板45能够安全可靠地嵌装在滑道的C形开口腔内，因此，上述结构能够保证打印头横梁42在轨道横梁43上稳定运行。

较佳地，为实现打印头50与打印头横梁42的稳定连接，打印装置40还包括打印头杆51，打印头杆51的一上部与打印头横梁42的底部固定连接，打印头杆51的下部与打印头50固接。当然，打印头杆51可伸缩，打印头杆51的伸缩范围为0～200mm，打印头50的竖向位移范围为0～200mm，从而可以通过控制打印头杆51的伸缩量来实现一次移动即可满足最大伸缩范围内建筑体不同标高位置处的打印，能够减少打印装置40的爬升次数，从而在保证打印精度的前提下进一步提高打印效率。

较佳地，轨道框架的底部还固接有若干竖杆(未图示)，轨道框架通过竖杆与所述爬升构件30的顶端刚性连接，竖杆不但是轨道框架与爬升构件30的连接构件，而且还调整了两者的间距，以保证打印装置40与作业面保持适当的工作距离。

较佳地，为了取材方便，方便爬升导轨20的安装和拆卸，提高爬升导轨20与已打印建筑体10的连接牢固性，爬升导轨20通过若干附墙连杆46固定于已打印建筑体10的外立面。也就是说，附墙连杆46将爬升导轨20的荷载传递至已打印建筑10标高相等且相邻的两面墙上，从而防止爬升导轨20倾覆。为了进一步增加爬升导轨20的安装稳定性，爬升导轨20的底端固定于地面上。

实施例二

结合图1至图4说明本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置的打印方法，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：

S001：安装单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，使轨道框架稳定附着在已打印建筑体10的外立面，使打印装置40的打印头50位于已打印建筑体10上方适当高度，并位于初始位置；

S002：通过动力控制系统向打印装置40发送控制指令，使打印头横梁42沿着轨道横梁43移动，同时使得密布设置于打印头横梁42下端的打印头50喷出建筑物料，打印头横梁42每移动一次，即完成一层建筑体横截面层的打印施工；

S003：加长爬升导轨20至上一层待打印头建筑体横截面层，并通过动力控制系统向爬升构件30发送控制指令，使轨道框架脱离已打印建筑体10的外立面，通过爬升构件30的爬升，使轨道框架向上移动至上一层待打印建筑体横截面层并稳定附着于已打印建筑体10的外立面，从而将打印装置40顶升至建筑体上一层待打印建筑体横截面层高度处

S004：反复上述步骤S002和S003，自下向上在已打印完成的建筑体横截面层的上方逐层进行建筑体横截面层的打印，直至完成建筑体整体的打印施工。较佳地，本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置的拆除方法为：待建筑物打印完成后，断开爬升构件30与轨道框架之间的连接，使得与轨道框架固定连接的打印装置40脱离已打印建筑体10，整体吊运单轴移动多轨并联独立式3D打印装置；或者，松开轨道框架的竖杆与爬升构件30顶端的螺栓连接，并使爬升构件30脱离已打印建筑体10的外立面，分别吊运打印装置40和爬升构件30以及爬升导轨20。

上述步骤S001中，已打印建筑体10的高度需小于爬升导轨20的高度，可直接将打印装置40架设于平整坚固的地坪表面施工所述已打印建筑体10，待已打印建筑体10具有足够的高度，将爬升导轨20稳定附着于其外立面，并将连接有打印装置40的轨道框架连接在与爬升导轨20配合设置的爬升构件30的顶端。

综上所述，本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印方法具有以下有益效果：

⑴本发明的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置中用于支承打印头横梁42的轨道框架通过若干平行间隔设置且相交固接的轨道横梁43和连系梁43分隔为若干网格单元，每个网格单元包括一对平行间隔设置的轨道横梁43，至少两个打印头横梁42平行间隔设置于前述一对平行的轨道横梁43之间，打印头横梁42的两端能够沿着轨道横梁43滑动，打印头横梁42上密布独立控制的打印头50，从而每个网格单元内的所有打印头横梁42均能够沿着所在网格单元的轨道横梁43在水平打印面上单向移动即可完成一层建筑体横截面层的打印，显著提高了打印效率。

⑵通过在每个网格单元间隔平行设置多个打印头横梁42，所有打印头横梁42上均密布能够独立控制是否喷涂建筑物料的打印头50，打印头50能够随着相应的打印头横梁42在水平打印面上同步单向移动，因而能够灵活控制该单轴移动多轨并联独立式3D打印装置实现不同造型建筑体的打印，而且能够节省建筑物料。也就是说，当出现待打印建筑体不是常规图形，例如需要打印烟囱等不规则结构时，可以通过控制无需打印部位对应的打印头50使其不喷出建筑物料，而仅仅保证需打印部位的打印头50喷出建筑物料，并且可以根据设计要求使得不同打印头横梁42的打印头杆51的伸长量差异化，从而打印头横梁42移动一次即可实现打印头杆51伸缩范围内不同标高处不同造型建筑体的打印，从而在提高打印效率的同时，实现打印工作的灵活性，还能够防止建筑物料的浪费。

⑶将打印装置40划分为若干个网格单元，缩短了单个打印头横梁42的长度，减小了打印头横梁42的挠度，防止打印头横梁42产生竖向位移，从而提高了打印精度。

⑷通过在已打印建筑体10外立面设置爬升导轨20，爬升构件30在动力控制系统的控制下沿着爬升导轨20进行爬升和下降运动，而爬升构件30与轨道框架固定连接，从而使得爬升构件30能够带动打印装置40逐步相对于已打印建筑体10逐步地相对于已打印建筑体10向上爬升，进而使得打印装置40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。

⑸本发明单轴移动多轨并联独立式3D打印装置的打印方法，首先通过控制密布设置有打印头50的打印头横梁42移动一次完成当前横截面层的打印，然后加长爬升导轨20至上一层待打印建筑体横截面层高度处，启动控制装置使得爬升构件30带动轨道框架以及打印装置40顶升至上一层待打印横截面层的打印高度处进行上一层建筑体横截面层的打印，如此循环，实现打印装置40逐层打印并整体爬升；该打印方法通过控制分别密布设置有能够与其在水平打印面上同步移动的打印头50的打印头横梁42的移动来实现移动一次即可完成一个横截面层的同时打印施工，显著提高了工作效率，而且爬升导轨20与已打印建筑体10通过附墙连杆40固定连接，保证了打印施工的安全性。

当然，本发明提供的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置及打印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 (7)

1.一种单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，包括爬升装置和打印装置，所述爬升装置包括固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨以及能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体垂直运动的爬升构件；所述打印装置包括与所述爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于所述轨道框架中的打印头横梁，所述轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，所述网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根所述打印头横梁，所述打印头横梁两端能够沿着所述轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上密布打印头。

2.根据权利要求1所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，所述打印头横梁两端设有连接板，所述轨道横梁上设有与所述连接板滑动配合且横截面呈C形的滑道，使得所述打印头横梁的两端能够沿着所述轨道横梁的滑道滑动。

3.根据权利要求1所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，还包括打印头杆，所述打印头通过所述打印头杆与所述打印头横梁固定连接。

4.根据要求3所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，所述打印头杆可伸缩，所述打印头杆的伸缩范围为0～200mm。

5.根据权利要求1所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，所述轨道框架的底部还固接有若干竖杆，所述轨道框架通过所述竖杆与所述爬升构件的顶端刚性连接。

6.根据权利要求1所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，其特征在于，所述爬升导轨通过若干附墙连杆固定于所述已打印建筑体的外立面。

7.一种3D打印方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，步骤如下：

一、安装所述单轴移动多轨并联独立式3D打印装置，使所述轨道框架稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，所述打印装置的打印头位于所述已打印建筑体上方适当高度；

二、使所述打印头横梁沿着所述轨道横梁移动，同时使得所述打印头喷出建筑物料，所述打印头横梁每移动一次，即完成一层建筑体横截面层的打印施工；

三、加长所述爬升导轨至上一层待打印建筑体横截面层，使所述轨道框架脱离所述已打印建筑体的外立面，通过所述爬升构件的爬升，使所述轨道框架向上移动至上一层待打印建筑体横截面层并稳定附着于所述已打印建筑体的外立面，从而将所述打印装置顶升至建筑体上一层待打印建筑体横截面层高度处；

四、反复上述步骤二和步骤三，自下向上在已打印完成的建筑体横截面层的上方逐层进行建筑体横截面层的打印，直至完成建筑体整体的打印施工。