CN105604327A - 一种区块分布式3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种区块分布式3D打印装置及其打印方法，涉及建筑施工技术领域，针对现有3D打印装置的单打印头工作效率低下且精度不高，不能满足大体量建筑物的施工需要的问题。它包括能够逐步相对于已打印建筑体爬升或下降的爬升构件，及与爬升构件连接的打印装置；打印头横梁的两端能够沿轨道框架滑动，打印头沿打印头横梁移动，同时喷出建筑物料，每打印一行则打印头横梁沿轨道框架移动一设定距离，如此逐行完成当前横截面层的打印施工；加长爬升导轨至预定高度，通过控制爬升构件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

一种区块分布式3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种区块分布式3D打印装置及其打印方法。

背景技术

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势。然而，现有的3D打印装置采用单打印头，其本身体积较小，仅限于住宅建筑、小型场馆等小体量建筑的施工，对于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，如何提供一种打印效率高、打印精度高且能够适应大体量建筑物的施工的区块分布式3D打印装置及其打印方法，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，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区块分布式3D打印装置及其打印方法，打印装置通过增加轨道横梁，缩短了单个打印头横梁的长度，从而减小了打印头横梁的挠度，减小了单个打印头的打印范围，从而提高了打印精度，而且通过设置多个打印头横梁，增加了打印头的数量，从而提高了工作效率。此外，通过增加连系梁，减小了轨道横梁的挠度，从而进一步减小了打印头横梁的挠度，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：

一种区块分布式3D打印装置，包括：固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨，能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体爬升或下降的爬升构件，以及位于所述已打印建筑体的顶部，且与所述爬升构件刚性连接的打印装置；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打印头横梁，所述轨道框架包括若干相交固接的轨道横梁和连系梁组成的网格，所述轨道横梁和所述连系梁分别平行且等间距，所述打印头横梁两端能够沿着轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上设置一个能够沿所述打印头横梁滑动的打印头。

进一步地，所述打印头横梁的两端设有滑块或滚轮组，所述轨道横梁上设有与所述滑块或滚轮组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所述轨道横梁的滑道滑动。

进一步地，所述打印装置还包括连接架，所述连接架包括基座以及与所述基座固定连接的打印头杆，所述打印头连接在所述打印头杆上，所述基座与所述打印头横梁滑动配合，使得所述打印头能够沿所述打印头横梁滑动。

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，所述打印头横梁两端还设有连接板，所述连接板与所述打印头横梁垂直固接，所述连接板位于所述轨道横梁内且能够沿着所述轨道横梁滑动。

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。

本发明还公开了一种3D打印方法，步骤如下：

一、安装所述区块分布式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轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐行完成建筑体当前横截面层的打印施工；

三、所述当前横截面层打印结束后，加长所述爬升导轨至预定高度，使所述轨道框架脱离所述已打印建筑体的外立面，并通过所述爬升构件的爬升带动所述轨道框架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，从而将所述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；

四、反复上述步骤二和步骤三，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。

进一步地，所述步骤四后还包括步骤五，拆除所述区块分布式3D打印装置，待所述建筑体打印完成后，断开所述爬升构件与所述轨道框架之间的连接，使得所述打印装置脱离所述已打印建筑体，整体拆除区块分布式3D打印装置或分别拆除所述打印装置和所述件爬升构件。

本发明的效果在于：

一、本发明的区块分布式3D打印装置，在打印装置的轨道框架上设置若干平行间隔设置的轨道横梁，也就是说，常规的轨道框架为一对平行设置的轨道横梁以及一对平行设置的连系梁组成的框架结构，而本发明在轨道框架内增设若干平行且等间距设置的轨道横梁，在轨道框架的另外两侧的连系梁内增设若干平行且等间距设置的连系梁，形成网格结构，从而将打印装置划分为若干个等面积的打印区块。每个打印区块内的相邻的两个轨道横梁之间设置打印头横梁，打印头上配合设置独立控制的打印头，从而每个打印区块内的打印头横梁能够沿着所在区块的轨道横梁沿作业面x轴方向移动，每个打印头能够沿着打印头横梁沿作业面y轴方向移动，从而实现本打印区块内xy平面的全覆盖。而每个打印区块内的打印头横梁以及打印头的运动完全独立，因此，本发明的多个打印区块的区块分布式3D打印装置提高了打印效率。此外，将打印装置划分为若干个等面积的打印区块，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，而且减小了单个打印头的打印范围，从而提高了打印精度。

二、本发明区块分布式3D打印装置的打印方法，首先通过控制打印头和打印头横梁在建筑物当前横截面层逐行打印，待当前横截面层打印完成后，加长爬升导轨至预定高度处，启动控制装置使得爬升构件能够相对于已打印建筑体逐步向上爬升，进而使得轨道框架带动打印装置顶升至上一层待打印横截面层的打印高度，如此循环，实现打印装置逐层打印并整体爬升；该打印方法利用多个打印头在同一横截面层同时打印施工，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为本发明一实施例区块分布式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。

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区块分布式3D打印装置及其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

结合图1至图4说明本发明的区块分布式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，上述区块分布式3D打印装置包括固定于已打印建筑体10的外立面的爬升导轨20，能够沿着爬升导轨20相对于已打印建筑体10爬升或下降的爬升构件30，以及位于已打印建筑体10的顶部，且与爬升构件30刚性连接的打印装置40；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)以及打印头横梁42，轨道框架包括若干相交固接的轨道横梁43和连系梁44组成的网格，轨道横梁43和连系梁44分别平行且等间距，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，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上设置一个能够沿打印头横梁42滑动的打印头50。

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的升高而升高，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。该爬升导轨20同时作为打印装置40的支撑装置。

针对目前建筑体结构体量巨大，而现有区块分布式3D打印装置不仅打印尺度有局限，打印精度不高，而且只有一个打印头，无法应用于大体量建筑物施工的缺陷，本发明的区块分布式3D打印装置，在打印装置40的轨道框架上设置若干平行间隔设置的轨道横梁43，也就是说，常规的轨道框架为一对平行设置的轨道横梁43以及一对平行设置的连系梁44组成的框架结构，而本发明在轨道框架内增设若干平行且等间距设置的轨道横梁43，在轨道框架的另外两侧的连系梁44内增设若干平行且等间距设置的连系梁44，从而将打印装置40划分为若干个等面积的打印区块。每个打印区块内的相邻的两个轨道横梁43之间设置打印头横梁42，打印头横梁42上配合设置独立控制的打印头50，从而每个打印区块内的打印头横梁42能够沿着所在区块的轨道横梁43沿作业面x轴方向移动，每个打印头50能够沿着打印头横梁42沿作业面y轴方向移动，从而实现本打印区块内xy平面的全覆盖。而每个打印区块内的打印头横梁42以及打印头50的运动完全独立，因此，本发明的多个打印区块的区块分布式3D打印装置提高了打印效率。此外，将打印装置40划分为若干个等面积的打印区块，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，而且减小了单个打印头50的打印范围，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的两端设有滑块或滚轮组(未图示)，轨道横梁43上设有与滑块或滚轮组滑动配合且横截面呈C形的滑道(未图示)，使得打印头横梁42的两端能够沿轨道横梁43的滑道(即x轴方向)自由滑动。由于滑块或滚轮组均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还包括连接架(未图示)，连接架包括能够与打印头横梁42滑动配合的基座，及与基座固定连接的打印头杆，打印头50通过打印头杆连接在基座上。具体而言，本实施例中具有C形截面的基座套设在打印头横梁42上，并能够沿打印头横梁42滑动，从而带动打印头50沿打印头横梁42(即y轴方向)自由滑动。

另外，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，请参阅图3，为了保证打印头横梁42沿着位于其两端的轨道横梁43正常匀速滑动，打印头横梁42的两端还设有连接板45，连接板45与打印头横梁42垂直固接，连接板45位于轨道横梁43内且能够沿着轨道横梁43滑动。

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说明本发明的区块分布式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：安装区块分布式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，使各打印头50分别沿对应的打印头横梁42移动，同时喷出建筑物料，打印头50每打印一行，打印头横梁50沿滑道移动一设定距离，如此循环往复，逐行完成当前横截面层的打印施工；

S003：当前横截面层打印结束后，加长爬升导轨20至预定高度，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，并通过爬升构件30的爬升带动轨道框架向上移动一设定距离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顶升至上一层待打印横截面层所在的高度；

S004：反复上述步骤S002和S003，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。

优选的，步骤S004后还包括步骤S005，拆除区块分布式3D打印装置：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，整体吊运区块分布式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，所述已打印建筑体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，本发明的区块分布式3D打印装置，在轨道框架内分别增设若干平行间隔设置的轨道横梁43和连系梁44，使得轨道横梁43与连系梁44垂直相交固接，形成网格结构，而相邻的两个轨道横梁之间设置打印头横梁42，打印头横梁42上设有与其滑动配合的打印头50，与传统的由两个平行的轨道横梁43和连系梁44围合形成的轨道框架相比，本发明通过在轨道框架内增加轨道横梁43和连系梁44的数量，从而将打印装置40划分为若干个等面积的打印区块。每个打印区块内的相邻的两个轨道横梁43之间设置打印头横梁42，打印头42上配合设置独立控制的打印头50，从而每个打印区块内的打印头横梁42能够沿着所在区块的轨道横梁43沿作业面x轴方向移动，每个打印头50能够沿着打印头横梁42沿作业面y轴方向移动，从而实现本打印区块内xy平面的全覆盖。而每个打印区块内的打印头横梁42以及打印头50的运动完全独立，因此，本发明的多个打印区块的区块分布式3D打印装置提高了打印效率。而且，将打印装置40划分为若干个等面积的打印区块，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，而且减小了单个打印头50的打印范围，从而提高了打印精度。此外，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。本发明区块分布式3D打印装置的打印方法，首先通过控制打印头50和打印头横梁42在建筑物当前横截面层逐行打印，待当前横截面层打印完成后，加长爬升导轨20至预定高度处，启动控制装置使得爬升构件30能够相对于已打印建筑体10逐步向上爬升，进而使得轨道框架带动打印装置40顶升至上一层待打印横截面层的打印高度，如此循环，实现打印装置40逐层打印并整体爬升；该打印方法利用多个打印头50在同一横截面层同时打印施工，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46固定连接，保证了打印施工的安全性。

当然，本发明提供的区块分布式3D打印装置及其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 (8)

1.一种区块分布式3D打印装置，其特征在于，包括：

固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨，能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体爬升或下降的爬升构件，以及位于所述已打印建筑体的顶部，且与所述爬升构件刚性连接的打印装置；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打印头横梁，所述轨道框架包括若干相交固接的轨道横梁和连系梁组成的网格，所述轨道横梁和所述连系梁分别平行且等间距，所述打印头横梁两端能够沿着轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上设置一个能够沿所述打印头横梁滑动的打印头。

2.根据权利要求1所述的区块分布式3D打印装置，其特征在于：所述打印头横梁的两端设有滑块或滚轮组，所述轨道横梁上设有与所述滑块或滚轮组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所述轨道横梁的滑道滑动。

3.根据权利要求1所述的区块分布式3D打印装置，其特征在于：所述打印装置还包括连接架，所述连接架包括基座以及与所述基座固定连接的打印头杆，所述打印头连接在所述打印头杆上，所述基座与所述打印头横梁滑动配合，使得所述打印头能够沿所述打印头横梁滑动。

4.根据权利要求1所述的区块分布式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。

5.根据权利要求1所述的区块分布式3D打印装置，其特征在于：所述打印头横梁两端还设有连接板，所述连接板与所述打印头横梁垂直固接，所述连接板位于所述轨道横梁内且能够沿着所述轨道横梁滑动。

6.根据权利要求1所述的区块分布式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任一项所述的区块分布式3D打印装置，步骤如下：

一、安装所述区块分布式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轨道框架移动一设定距离，如此循环往复，逐行完成建筑体当前横截面层的打印施工；

三、所述当前横截面层打印结束后，加长所述爬升导轨至预定高度，使所述轨道框架脱离所述已打印建筑体的外立面，并通过所述爬升构件的爬升带动所述轨道框架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，从而将所述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；

四、反复上述步骤二和步骤三，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。

8.根据要求7所述的打印方法，其特征在于：所述步骤四后还包括步骤五，拆除所述区块分布式3D打印装置，待所述建筑体打印完成后，断开所述爬升构件与所述轨道框架之间的连接，使得所述打印装置脱离所述已打印建筑体，整体拆除区块分布式3D打印装置或分别拆除所述打印装置和所述件爬升构件。