CN109594777A - 砌块式建筑3d打印方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砌块式建筑3D打印方法及设备，方法包括步骤：将待打印墙体按砌体结构划分成多个单元区块；于现场原址打印墙体的单元区块，于水平方向上在墙体的宽度空间范围内逐个打印单元区块；待完成所述墙体第一层的所述单元区块的打印后，于第一层所述单元区块上逐个打印墙体第二层的单元区块，逐层循环打印，完成整面墙体的砌块式3D打印。本发明改变了现有建筑3D打印的工艺工序，采用现场原址打印建筑物模块单元，但无需吊装和现场装配，实现边打印边成型的模式，局部小范围内打印模块，减少打印设备整体运行的时间及轨迹，降低设备运行能耗，同时在打印设备出料端部设置自动机械手，实现多维度、多角度打印，方便各种构件的成型。

Description

砌块式建筑3D打印方法及设备

技术领域

本发明涉及建筑3D打印技术领域，尤其涉及一种砌块式建筑3D打印方法及设备。

背景技术

目前市场上的建筑3D打印工艺及建筑物品装配工序大致两种：一、进行建筑小品、建筑构件等建筑物打印，打印单品完成后，对其进行吊装，拼接成型；二、大型建筑物现场直接打印常规打印工艺为从下往上层层叠加式，同一平层的打印完成后进入下一平层区域打印。

现有的两种工艺工序各有弊端，第一种方式，吊装和拼接施工周期长；第二种方式，对于大型建筑物的现场打印来说，打印装置需在平层内进行往复运动，耗能很大，要实现高精度打印，设备动力、传动装置的配置要求也很高。常常因打印精度、设备稳定性、设备传动性能、设备可制造性等因素限制了设备的尺寸，从而局限了所打印建筑物的大小。

发明内容

针对上述存在问题，本发明旨在提供一种砌块式建筑3D打印方法及设备，采用多级传动控制打印的概念，改变现有建筑打印工艺工序，实现超大尺寸高精度建筑自动打印。

本发明的第一方面提供了一种砌块式建筑3D打印方法，其包括步骤：

将待打印墙体按砌体结构划分成多个单元区块；

于现场原址打印所述墙体的单元区块，于水平方向上在所述墙体的宽度空间范围内逐个打印所述单元区块；

待完成所述墙体第一层的所述单元区块的打印后，于第一层所述单元区块上逐个打印墙体第二层的单元区块，逐层循环打印，完成整面墙体的砌块式3D打印。

在一些实施例中，所述墙体为一建筑物中的一单面墙体，所述建筑物由多面所述单面墙体合围形成；在完成所述单面墙体的所述砌块石3D打印后，还包括步骤：

回到基础地面，从基础地面开始逐面进行其它面单面墙体的所述砌块式3D打印，完成整个所述建筑物的砌块式3D打印。

在一些实施例中，所述墙体为一建筑物中的多面墙体单元的组合，并且，在完成所述墙体的砌块式3D打印后，即完成整个所述建筑物的砌块式3D打印。

在一些实施例中，所述单元区块的厚度等于所述墙体的设计厚度。

在一些实施例中，所述单元区块包括侧面形状相契合的正梯形块和倒梯形块，且在打印所述单元区块时，每一层上的所述正梯形块和所述倒梯形块交替设置。

在一些实施例中，在高度方向上，所述正梯形块与所述倒梯形块分别对齐。

在一些实施例中，采用机械手打印所述单元区块。

在一些实施例中，待完成所述墙体第一层的所述单元区块的打印后，采用自爬升顶升平台机构将打印机喷头进行顶升，进行上一层单元区块的打印。

本发明的第二方面还提供了一种砌块式建筑3D打印设备，其包括：

打印机喷头，所述打印机喷头通过供料管连接至供料装置；

用于抓持所述打印机喷头的机械手；

自爬升顶升平台机构，包括横跨于待打印墙体上方的顶升平台和可伸缩地支撑于所述顶升平台底部的自爬式支撑柱，所述自爬式支撑柱的顶部设有滑轨，所述顶升平台滑设于所述滑轨，所述机械手安装于所述顶升平台的底部。

在一些实施例中，所述机械手通过一升降体可升降地安装于所述顶升平台上。

本发明改变了现有建筑3D打印的工艺工序，采用现场原址打印建筑物模块单元，但无需吊装和现场装配，实现边打印边成型的模式，局部小范围内打印模块，减少打印设备整体运行的时间及轨迹，降低设备运行能耗，同时在打印设备出料端部设置自动机械手，实现多维度、多角度打印，方便各种构件的成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性工况结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法打印成型的墙体的示例性结构示意图。

图3示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性墙体横截面结构示意图。

图4示出了根据本发明另一实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性墙体纵面结构示意图。

图5示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性正面结构示意图。

图6示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性侧面结构示意图。

图7示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性结构俯视图。

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。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细地说明。

参见图1和图2，其中，图1示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性工况结构示意图，图2示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法打印成型的墙体的示例性结构示意图，图3示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性墙体横截面结构示意图。如图所示，本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法主要包括以下步骤：

步骤1：将待打印墙体按砌体结构划分成多个单元区块11，每个单元区块11的宽度匹配于墙体的设计厚度，单元区块11的长度略大于其宽度，形成横截面呈空心矩形，单元区块11的横截面的内部可具有斜向支撑111。

步骤2：于现场原址打印墙体的单元区块11，具体地，在墙体的设计宽度空间范围内，于水平方向上自墙体设计轨迹的第一端向第二端逐个打印单元区块11。采用机械手灵活控制打印机喷头进行单元区块11的打印，单元区块11采用局部小范围打印，在单个单元区块11的打印区间内，只要通过机械手的活动就能完成打印，无需整体移动打印机，因此，局部小范围打印单元区块可减少打印机整体运行的时间及轨迹，降低设备运行能耗，在打印机出料端，即打印机喷头部位设置自动机械手，机械手为现有技术，采用机械手控制系统操控，可以灵活调节打印机喷头在一定范围内移动，完成单个单元区块11的打印。并且，在完成第一个单元区块11的打印后，可通过将机械手平移至下一个单元区块的打印位置进行下一个单元区块的打印，如此循环，沿着墙体的设计轨迹逐个打印完成单元区块11，直至完成墙体第一层上的所有单元区块的打印。

步骤3：待完成墙体第一层的所有单元区块11的打印后，将机械手和打印机喷头竖向提升一定距离，约一层单元区块的高度，于第一层中最后完成打印的那一块单元区块的上方开始进行墙体第二层的单元区块的打印，打印方式与第一层单元区块完全一样，只是打印方向不同，第一层由左至右打印，第二层由右至左打印。待完成第二层全部单元区块的打印后，在此提升机械手和打印机喷头，按照同样的工序，继续打印墙体上层的单元区块，直至完成整面墙体的砌块式3D打印。

本发明改变了现有建筑3D打印的工艺工序，采用现场原址打印建筑物模块单元，但无需吊装和现场装配，实现边打印边成型的模式，局部小范围内打印模块，减少打印设备整体运行的时间及轨迹，降低设备运行能耗，同时在打印设备出料端部设置自动机械手，实现多维度、多角度打印，方便各种构件的成型。

上述实施例中的墙体为一建筑物中的多面墙体单元的组合，即在打印每一层时，将墙体的四个面一起进行打印，打印完成的每一层单元区块的结构如图3所示。在此种情况下，在完成上述整面墙体的砌块式3D打印后，即相当于完成了整个建筑物的砌块式3D打印。

当然，上述整面墙体还可以为一建筑物中的一单面墙体，建筑物由多面该单面墙体合围形成。因此，此时上述步骤打印完成的仅仅是建筑物中的一面墙体，在完成这一面墙体的打印后，将机械手和打印机喷头整体往前移动至下一面墙体的设计位置，并整体下移至基础地面处，从基础地面开始进行第二面墙体的砌块式3D打印，完成后再依次进行其他面墙体的打印，直至完成整个建筑物的砌块式3D打印。

进一步地，在逐层打印墙体时，当高度达到楼板高度时，于打印完成的墙体上安装完成楼板之后，再于楼板上继续进行上方墙体的打印。

如图1所示，本实施例中的单元区块11的外形呈长方形形状，每层末端上的单元区块的尺寸小于其他块单元区块的尺寸，上下相邻两层单元区块之间呈现出交错布置的形态，上下层单元区块中的竖向接缝错开，这样成型的墙体结构更为牢固。

参见图4，示出了根据本发明另一实施例的砌块式建筑3D打印方法的示例性墙体纵面结构示意图，如图所示，该成型墙体中的单元区块有两种结构：正梯形块111和倒梯形块112。该正梯形块111和倒梯形块112的侧面形状相互契合，拼接后形成斜缝。并且，在打印每一层的单元区块时，每一层上的正梯形块111和倒梯形块112呈交替布置，即一正一倒，使得在每一层面上，相邻单元区块之间的接缝均斜向设置。进一步地，在高度方向上，正梯形块111与倒梯形块112分别对齐，即正梯形块111与正梯形块111对齐，倒梯形块112与倒梯形块112对齐。

较佳地，在步骤3中，待完成墙体第一层的单元区块的打印后，采用自爬升顶升平台机构将打印机喷头进行顶升，进行上一层单元区块的打印。其中，自爬升顶升平台机构可采用现有的顶升平台机构，如液压顶升平台机构。

参见图5～7所示，图5示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性正面结构示意图，图6示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性侧面结构示意图，图7示出了根据本发明实施例的砌块式建筑3D打印设备的示例性结构俯视图。如图所示，该砌块式建筑3D打印设备主要由打印机喷头12、供料装置13、供料管14、机械手15和自爬升顶升平台机构构成，适用于实施本发明实施例的砌块式建筑3D打印方法。

具体来说，打印机喷头12通过供料管14连接至供料装置13，供料装置13用于供应3D打印材料，供料装置13安置在基础地面上，通过供料管14连接至打印机喷头12，将3D打印材料供给打印机喷头12。机械手15抓持着打印机喷头12，机械手15的活动和带着打印机喷头12一起移动。

本实施例中的自爬升顶升平台机构包括横跨于待打印墙体上方的顶升平台16和可伸缩地支撑于顶升平台16底部的自爬式支撑柱17，该自爬升支撑柱17采用竖向可伸缩结构，可采用液压系统实现伸缩驱动。自爬式支撑柱17的顶部设有滑轨18，顶升平台16的底部两侧滑设于滑轨18上，机械手15安装于顶升平台16的底部。进一步地，机械手15通过一升降体19可升降地安装于顶升平台16上，如图6所示，该升降体19可采用伸缩杆，由液压或小电机控制伸缩，伸缩杆的固定段安装在顶升平台16上的竖向通道161中，伸缩杆的伸缩段连接于机械手15，从而可在较小的高度范围内对机械臂进行升降控制。

目前建筑3D打印机普遍存在打印尺寸与打印精度的矛盾，大尺寸打印机需要投入极大的成本确保稳定性以实现高精度。本发明提出一种多级传动控制打印的概念，改变现有建筑打印工艺工序，实现超大尺寸高精度建筑自动打印，解决这一领域性难题。

具体地，本发明的建筑3D打印设备的主传动主要包含三级控制系统：

第一级为楼层间竖向大跨度提升，采用自爬式支撑柱17，打印完一层的墙体，安装完楼板后打印机整体提升一层楼的高度，再继续完成本层楼的墙体打印，移动次数最少。利用自爬式顶升钢平台将打印平台整体顶升，可利用现有顶升平台技术实现打印平面无限提升。

第二级为楼层内小跨度空间移动，采用顶升平台16沿自爬式支撑柱17顶部的滑轨18移动，控制打印头打印路径走向移动，可通过降低移动速度来提高稳定性。可以用行架式传动机构完成该级传动任务。

第三级为大空间内模块化单元的高精度细部打印，采用机械手15及提升体19，在墙体宽度空间范围内移动，可以通过缩小尺寸来提高稳定性，控制打印精度。Z轴终端安装的小型机械臂完成该级打印任务。

本发明提供了一种新型的建筑3D打印工艺、打印方式，即模块式、砌块式打印方式：

将墙体按砌体结构分割成若干单元区块进行打印，三级控制系统完成一个单元区块后由二级控制系统将三级打印头移到下一个单元区块空间位置处，由三级控制系统完成下一个单元区块打印，如此循环，完成墙体打印工作。待一层楼高度墙体全部完成后，由一级控制系统通过顶升平台将打印机整体提升到下一楼层，铺设楼板后继续完成下一层楼的墙体打印工作。

不同立面形式的单元区块可以组成不同的立面图案，满足不同设计需求；

通过端部机械手多维度自由旋转，可实现复杂曲面结构的3D打印；

也可在安置两个或多个移动梁(多个移动梁构成上述顶升平台)，或者一个移动梁上安置两个或多个小型机械手，实现多工作点同时打印；

也可在安置两个或多个移动梁，或者一个移动梁上安置两个或多个小型机械手臂，部分机械手臂控制砂浆出料轨迹，部分机械手可负责钢筋、门窗的抓取、安装等附属部件的安装，事先打印、安装多工序协同工作。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，包括步骤：

将待打印墙体按砌体结构划分成多个单元区块；

于现场原址打印所述墙体的单元区块，于水平方向上在所述墙体的宽度空间范围内逐个打印所述单元区块；

待完成所述墙体第一层的所述单元区块的打印后，于第一层所述单元区块上逐个打印墙体第二层的单元区块，逐层循环打印，完成整面墙体的砌块式3D打印。

2.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，所述墙体为一建筑物中的一单面墙体，所述建筑物由多面所述单面墙体合围形成；在完成所述单面墙体的所述砌块石3D打印后，还包括步骤：

回到基础地面，从基础地面开始逐面进行其它面单面墙体的所述砌块式3D打印，完成整个所述建筑物的砌块式3D打印。

3.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，所述墙体为一建筑物中的多面墙体单元的组合，并且，在完成所述墙体的砌块式3D打印后，即完成整个所述建筑物的砌块式3D打印。

4.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，所述单元区块的厚度等于所述墙体的设计厚度。

5.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，所述单元区块包括侧面形状相契合的正梯形块和倒梯形块，且在打印所述单元区块时，每一层上的所述正梯形块和所述倒梯形块交替设置。

6.如权利要求5所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，在高度方向上，所述正梯形块与所述倒梯形块分别对齐。

7.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，采用机械手打印所述单元区块。

8.如权利要求1所述的砌块式建筑3D打印方法，其特征在于，待完成所述墙体第一层的所述单元区块的打印后，采用自爬升顶升平台机构将打印机喷头进行顶升，进行上一层单元区块的打印。

9.一种砌块式建筑3D打印设备，其特征在于，包括：

打印机喷头，所述打印机喷头通过供料管连接至供料装置；

用于抓持所述打印机喷头的机械手；

自爬升顶升平台机构，包括横跨于待打印墙体上方的顶升平台和可伸缩地支撑于所述顶升平台底部的自爬式支撑柱，所述自爬式支撑柱的顶部设有滑轨，所述顶升平台滑设于所述滑轨，所述机械手安装于所述顶升平台的底部。

10.如权利要求9所述的砌块式建筑3D打印设备，其特征在于，所述机械手通过一升降体可升降地安装于所述顶升平台上。