CN112814385A - 一种3d建筑打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑构件生产技术领域，涉及一种3D建筑打印设备，包括主体框架、材料提供系统和控制系统；其中，主体框架包括安装有打印喷头的X轴横梁，打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴横梁左右移动以及出料打印，打印喷头安装有检测器且检测器能对打印建筑的宽度进行检测，打印喷头的下方设有可移动的承载车，X轴横梁的两端安装在Z轴横梁且可沿Z轴横梁上下移动，Z轴横梁的底端安装在底盘且可前后移动；还包括管道横梁，管道横梁安装有管道支架且管道支架可沿管道横梁左右移动，管道支架内的材料运输管道通过材料接收管与打印喷头连接。本发明具有可实现以混凝土为材料的建筑构件的高精度、高速度打印的优点。

Description

一种3D建筑打印设备

技术领域

本发明属于建筑构件生产技术领域，涉及一种3D建筑打印设备，尤其涉及双喷头双轨道3D建筑打印设备。

背景技术

上世纪90年代中期提出3D打印技术，其实质是利用光固化和层叠等技术实现的快速成型，目前随着3D打印使用材料的不断扩展以及3D打印技术的日益完善，其应用领域已涵盖至海军舰艇、航天科技、医学、建筑、汽车、电子等。其中，在建筑领域使用混凝土做3D打印的材料，可直接打印出建筑构件，与传统的使用模具向模具内浇筑混凝土来生产建筑构件相比，省去了加工模具以及成型后脱模的麻烦，可提高建筑构件的生产效率，因而得到了较多的关注与研究。然而，目前提出的3D建筑打印设备在打印建筑构件的精度以及速度上均存在不足，为此，如何对3D建筑打印技术进行改进优化，使其能实现建筑构件的高精度、高速度打印成为需要解决的问题。

发明内容

本发明提供的一种3D建筑打印设备，可实现以混凝土为材料的建筑构件的高精度、高速度打印。

本发明的技术方案包括：一种3D建筑打印设备，包括主体框架、材料提供系统和控制系统；

所述主体框架包括安装有打印喷头的X轴横梁，所述打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴横梁左右移动以及出料打印，所述打印喷头安装有检测器且所述检测器能对打印建筑的宽度进行检测，打印喷头的下方设有可移动的承载车，所述X轴横梁的两端安装在Z轴横梁且可沿Z轴横梁上下移动，所述Z轴横梁的底端安装在底盘且可前后移动；

所述主体框架还包括管道横梁，所述管道横梁安装有管道支架且所述管道支架可沿管道横梁左右移动，管道支架内的材料运输管道通过材料接收管与打印喷头连接；

所述材料提供系统包括搅拌机，所述搅拌机的出口通过材料运输管道与管道支架内的材料运输管道相连；

所述控制系统包括控制装置，所述控制装置与动力装置连接且控制动力装置的动作。

本发明的技术方案还包括：所述X轴横梁安装有两个以上打印喷头，不同的打印喷头共用同一动力装置，或者，不同的打印喷头分别与不同的动力装置连接。

本发明的技术方案还包括：所述动力装置包括驱动打印喷头沿X轴横梁左右移动的X轴伺服电机以及驱动打印喷头出料打印的旋转伺服电机。

本发明的技术方案还包括：所述管道横梁安装有与打印喷头数量一致的管道支架；

或者，所述管道横梁安装的管道支架数量少于打印喷头的数量，至少一个管道支架内的材料运输管道通过管道分接头与至少两个打印喷头的材料接收管连接；

或者，所述管道横梁安装的管道支架数量多于打印喷头的数量，至少两个管道支架内的材料运输管道通过管道合接头与至少一个打印喷头的材料接收管连接。

本发明的技术方案还包括：所述管道横梁安装在Z轴横梁的顶端，管道横梁的末端安装有管道升降机且所述管道升降机连接有升降伺服电机，所述管道支架连接有支架伺服电机。

本发明的技术方案还包括：所述打印喷头安装有舵机，所述舵机与检测器连接且可控制检测器与打印喷头齿轮咬合旋转。

本发明的技术方案还包括：所述X轴横梁、Z轴横梁、管道横梁以及底盘中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。

本发明的技术方案还包括：所述底盘安装有双轨道滑轮和侧轮，底盘上位于Z轴横梁的至少一侧安装有三脚架，所述底盘连接有Y轴伺服电机且在Y轴伺服电机的驱动下前后移动。

本发明的技术方案还包括：所述Z轴横梁安装有升降杆以及Z轴伺服电机，所述X轴横梁在Z轴伺服电机的驱动下通过升降杆上下移动。

本发明的技术方案还包括：所述搅拌机的上方设有水箱，搅拌机的出口设有泵送机，所述泵送机的出口连接有材料运输管道且所述材料运输管道位于支架内。

本发明的有益效果有：设计双轨道运行3D建筑打印以增加稳定性，以及在打印喷头设计检测器，通过检测打印建筑的宽度来对打印的建筑构件质量进行调整，同时在打印喷头下方安装承载车，以避免由于场地限制和打印的混凝土建筑材料需要凝固时间造成的打印中途停止，且通过控制系统和材料提供系统的配合可实现以混凝土为材料的建筑高精度、高速度的打印。同时，通过3D打印的建筑构件经过组装，可实现远离施工现场，具有建立无人工操作流水线，生产速度快、生产产量高、生产过程无危险、生产基地环境好的优点，以及增加设计的承载车，可实现每个建筑构件打印的无缝衔接，真正实现24小时打印。

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要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例中打印设备主体框架示意图。

图2是实施例中材料提供系统示意图。

图3是实施例中控制系统示意图。

其中，

1、X轴横梁，11、X轴轨道；

2、Z轴横梁，21、升降杆，22、Z轴伺服电机；

3、管道横梁，31、管道支架，32、支架伺服电机，33、升降伺服电机，34、管道升降机；

4、底盘，41、双轨道滑轮，42、侧轮，43、Y轴伺服电机，44、三脚架；

5、打印喷头，51、高速视觉检测器，52、舵机，53、X轴伺服电机，54、旋转伺服电机，55、材料接收管；

6、配电箱；

7、材料运输管道，71、水箱，72、搅拌机，73、泵送机，74、支架；

8、承载车；

9、控制系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，本发明实施例中，“以上”、“以下”等，包括本数。

本发明实施例公开了3D建筑打印设备，尤其是提供了双轨道双喷头的3D建筑打印设备，整套设备为增加稳定性设立双轨道运行，为增加打印速度及打印效率增加为双喷头，为减少因场地被占用打印中途停止增加承载构件的运输小车。以及，通过控制系统对主体框架及其材料提供系统进行控制完成建筑的3D打印，可通过控制系统读取CAD图纸，并可优化打印路线减少打印喷头的空转路线、确定打印层数，可随时控制打印机的移动，也可以直接让其按照规定图案进行移动，能实现建筑构件的高精度、高速度3D打印生产。

如图1至图3所示，包括主体框架、材料提供系统和控制系统9，其中，如图1所示，主体框架包括安装有打印喷头5的X轴横梁1，该打印喷头5连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴横梁1左右移动以及出料打印，以及，在打印喷头5安装有检测器且该检测器能对打印建筑的宽度进行检测，并且，在打印喷头5的下方设有可移动的承载车8。

具体的，X轴横梁1安装的打印喷头5的数量是两个以上，且不同的打印喷头5可共用同一动力装置，或者，不同的打印喷头5分别在不同的动力装置驱动下动作。图1给出的示例中打印喷头5的数量是两个，且两个打印喷头5分别与各自的动力装置连接来驱动其各自动作。详细的，该动力装置包括驱动打印喷头5沿X轴横梁1左右移动的X轴伺服电机53以及驱动打印喷头5出料打印的旋转伺服电机54。

工作时，X轴伺服电机53控制打印喷头5在X轴横梁1的X轴轨道11上左右移动，同时，旋转伺服电机54控制打印喷头5内部螺旋旋转来控制出料，在控制系统9的控制下，判断当前所行走路线是否为所需打印线段，若是，则由控制系统9经旋转伺服电机54分别控制两个打印喷头5内部螺旋柱旋转，控制打印喷头出料；若不是，则打印喷头54内部螺旋柱不旋转，此线段空走不下料。且由于使用双喷头模式，由两个打印喷头5分别打印同一个建筑构件的不同部分，可提高打印效率，减少打印喷头5空走的时间，使打印速度翻倍。

此外，考虑到混凝土材料的不确定性，在打印喷头5处装有高速视觉检测器51，通过控制系统9进行识别与计算当前图形及其前进方向，通过舵机52控制高速视觉检测器51经齿轮与打印喷头5咬合旋转，使其与打印的建筑外侧平行运动，然后按照设定一定的时间间隔来对所打印的构件进行拍照，在将照片传回控制系统9，进而检测打印建筑的宽度。若打印建筑宽度过宽，由高速视觉检测器51传回的照片分析出其宽度，然后通过控制系统9控制旋转伺服电机54控制打印喷头5内部旋转速度下降，减少材料在打印喷头5的喷出量，并控制下次储水箱7的出水量；若打印建筑宽度过窄，由高速视觉检测器51传回的照片分析出其宽度，然后通过控制系统9控制旋转伺服电机54控制打印喷头5内部旋转速度上升，加大材料在打印喷头5的喷出量，并控制下次水箱71的出水量。

另外，在打印过程中，混凝土凝固需要一定的时间，由于场地有限，一旦场地过小则不得不停止打印，将影响建筑构架内的打印效率。为此，设计承载车8，具体可设置两个以上的承载车8，本实施例中设置三个构件的承载车8，可实现轮流运送构件，能减少占用场地，并可减少打印设备的移动距离，增加打印效率。

本实施例的其他变型中，在打印喷头5设计有检测装置（图中未示出），用来检测打印喷头5中的混凝土材料是否充足。当混凝土材料下降到一定的程度时，启动材料提供系统向打印喷头5内运输混凝土材料，且为防止检测装置出错，在控制系统9设计第二道保险，预先计算出一定时间内混凝土的需求量，打印期间控制系统9根据该预先计算值控制材料提供系统的泵送机73自动泵送混凝土材料，以避免混凝土材料不足空转，以及避免混凝土材料过多凝固影响3D建筑打印的顺利进行。

如图1所示，X轴横梁1的两端安装在Z轴横梁2且可沿Z轴横梁2上下移动，Z轴横梁2的底端安装在底盘4且可前后移动。

具体的，Z轴横梁2安装有升降杆21以及Z轴伺服电机22，两个Z轴伺服电机22同步控制Z轴螺旋升降杆21来控制X轴横梁的上下移动进行升降。底盘4安装有双轨道滑轮41和侧轮42，且在底盘4上位于Z轴横梁2的至少一侧安装有三脚架44对其进行加固，另外，在底盘4连接有Y轴伺服电机43，两个Y轴伺服电机43同步控制双轨道滑轮41和侧轮42在轨道上移动，进而带动底盘4以及安装在底盘4上的Z轴横梁2前后移动。

为增强打印设备的稳定性，底盘4下设有四个双轨道滑轮41，且在每个双轨道滑轮41的两边均设有侧轮42，以避免在打印的建筑材料较大重力冲击下双轨道滑轮41脱轨。此外，由于设备重量较大，容易出现丢步、偏沉等问题，在底盘4增加设计编码器，以实时监控实际距离，并与控制系统9计算的距离相比较，且可在程序中选择打印设定次数的线段之后自动修正，以此来提高3D建筑打印的精确度。

如图1所示，本实施例的3D建筑打印设备的主体框架还包括管道横梁3，在管道横梁3上安装有管道支架31且该管道支架31可沿管道横梁3左右移动，此外，管道支架31内的材料运输管道7通过材料接收管55与打印喷头5连接，以实现通过材料运输管道7向打印喷头5内提供混凝土材料。

具体的，管道横梁3安装的管道支架31数量与打印喷头5的数量一致，如图1所示，管道支架31的数量也是两个，且每个管道支架31内的材料运输管道7分别与不同的打印喷头5的材料接收管55连接，实现一个管道支架31配合一个打印喷头5动作。当然，在本实施例的其他变型中，可以将管道支架31的数量设计成多于或者少于打印喷头5的数量，使两者呈现一对多的配合动作关系，例如，当管道横梁3安装的管道支架31数量少于打印喷头5的数量时，至少一个管道支架31内的材料运输管道7通过管道分接头与至少两个打印喷头5的材料接收管55连接；当管道横梁3安装的管道支架31数量多于打印喷头5的数量，至少两个管道支架31内的材料运输管道7通过管道合接头与至少一个打印喷头5的材料接收管55连接。具体的，材料接收管55焊接在打印喷头5上，以实现两者连接固定可靠。

本实施例中，管道横梁3安装在Z轴横梁2的顶端，且在管道横梁3的末端安装有管道升降机34，该管道升降机34连接有升降伺服电机33，以控制两个管道升降机34对材料运输管道7进行升降，管道支架31连接有支架伺服电机32，以分别控制两个管道支架31沿管道横梁3左右移动，配合打印喷头5的左右移动，避免过度拖拽材料运输管道7对其造成的损坏，以及因材料运输管道7移动不到位对打印喷头5造成的3D建筑打印影响。具体的，该管道支架31采用双轨滑轮小车的结构形式，以增强其稳定性，避免在移动中脱轨。

设计管道横梁3以及管道支架31的原因在于，现有在材料运输管道7与打印设备接触时，由于拖拽原因，会造成材料运输管道7的磨损，耽误工期，并造成一定经济损失。为避免上述麻烦，本实施例中，当管道横梁3上的材料运输管道7需要加长时，经过升降伺服电机33分别控制两个管道升降机34将材料运输管道7向管道横梁3上吊送，当管道横梁3上的材料运输管道7需要收缩时，经过管道升降机34将材料运输管道7往管道横梁3下吊送。以及，为避免材料运输管道7磨损，且考虑到打印时打印喷头5会不停移动，进而会拖拽材料运输管道7，在管道横梁3上安装横梁管道支架31，进行材料运输管道7的拖拽。正式打印时，由于打印喷头5会不停移动，需要材料运输管道7不停的拖拽，此时，通过控制系统9查询当前位置，以中心点为基点，通过计算位置与当前打印喷头5移动方向，利用控制系统9控制支架伺服电机32来控制高空横梁管道支架31的移动，达到材料运输管道7与打印喷头的5动态平衡。

本实施例中，在X轴横梁1、Z轴横梁2、管道横梁3以及底盘4中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。具体的，在打印机运行轨道的两端设有限位开关接触点，其中，起点处设有编码器归零开关接触点及回原点接触点，其他的接触点可根据需要自由设置其位置。以及，在X轴轨道11的两端也设有限位接触点，起点处设有回零点接触点，且起点可根据打印的建筑构件来自由确定，其他接触点也可自由更改其设置位置。另外，由于打印设备整体较为笨重，容易出现丢步，在打印设备的底盘4设有编码器，实时监控当前设备移动数据，与控制系统9预测数据比较，并根据设置自动调节打印机位置。

具体在打印过程中，利用X轴伺服电机53控制打印喷头5在X轴横梁1沿着X轴轨道11移动，在打印喷头5上安装限位开关及X轴原点开关，在X轴横梁1上安装可移动接触点，当与限位开关接触时，不管打印机何种状态均立即停止。同时X轴横梁1上设有原点接触点，打印喷头5上安装接触开关，为防止行进过程中误接触，在控制系统9中设有第二道保险，当控制系统9识别当前运动为回原点运动时，此限位开关才起作用，否则按照无效处理。

类似的，利用两个Y轴伺服电机43同步控制打印机在轨道上移动，该轨道为Y轴轨道，铺设在打印区域，作为打印机整体移动的轨道，其方向为Y轴方向，底盘4限位开关轨道上设有限位接触点，当与限位开关接触时，不管打印机何种状态均立即停止，防止打印机脱轨；以及，在底盘4上装有回原点接触开关，轨道上装有接触点，同样，为防止行进过程中误接触，在控制系统9中设有第二道保险，当控制系统9识别当前运动为回原点运动时，此限位开关才起作用，否则按照无效处理。

同样类似的，利用两个Z轴伺服电机22同步控制X轴横梁1通过Z轴螺旋升降杆21上下移动，每当完成一个图案，控制系统9会自动判断是否到达终点，并且判断插补运动是否完成，若完成则打印设备的X轴Y轴自动回原点，并且其Z轴提高一个高度，准备打印第二次。具体的，该高度可在控制系统9中自主设定，并且回零与升高次数也可根据需要打印的建筑构件来自由选择。

如图2所示，本实施例的3D建筑打印设备的材料提供系统包括搅拌机72，该搅拌机72的出口通过材料运输管道7与管道支架31内的材料运输管道7相连。具体的，搅拌机72的上方设有水箱71，搅拌机72的出口设有泵送机73，该泵送机73的出口连接有材料运输管道7且该材料运输管道7位于支架74内。

工作时，当控制系统9确定打印原点后，通过控制系统9启动搅拌机72动作，并控制水箱71注入相应比例的水，之后由泵送机73经材料运输管道7运至打印设备的主体框架处。其间由于材料提供系统与主体框架之间存在一定距离，为避免材料运输管道7在运输混凝土材料时因移动造成磨损，设计了支架74，将材料运输管道7置于支架74内。具体的，该支架74可同管道横梁3上的管道支架31为一个，以此节省打印设备所需部件，或者，分该支架74与管道横梁3上的管道支架31不同，以便于灵活设置以及加强对材料运输管道7的保护。

如图3所示，控制系统9包括控制装置，且该控制装置与动力装置连接用来控制动力装置的动作。具体的，控制系统9由工控机、显示器及控制卡组成，分别控制Y轴伺服电机43、X轴伺服电机53、Z轴伺服电机22、升降伺服电机33、支架伺服电机32、旋转伺服电机54、舵机52、搅拌机72和泵送机73等的动作。本实施例的打印设备还包括有配电箱6，如图1所示配电箱6可安装在Z轴横梁2上，用来为各动力装置供电。

本实施例中，控制系统9由工控机及控制卡组成，可通过在控制系统9内编写程序来控制打印设备工作，具体可采用C#编写程序。考虑到设备较大，原点位置如人为确定将会出现误差，为避免误差出现，通过控制系统9启动打印机行驶一段距离然后执行回原点运动，且为增加每次回原点后的准确度，采取一次回零加找回模式进行控制。

打印前，通过控制系统9对DXF文件做读取分析，将其分为多个重要点，并对每个所要打印的线段按路径优化，以降低打印机空走的时间。且在控制系统9中设定各个伺服电机插补速度、旋转速度、打印层数、校正间隔等参数，且该设定的参数可在打印中进行修改调整。

本实施例的3D建筑打印设备，通过双轨运行可提高稳定性，通过双喷头打印可提高打印速度，通过感应器及编码器形成反馈系统，行动中自动调节机器的精度，可极大减少设备调整问题，对于设备的依赖性能极大降低，能实现提高打印速度与精度，减少人力成本，只需打印前简单操作便可以打印出一整套混凝土构件，且通过底部设有的构件承载车可极大提高打印的效率。

在各实施例不相矛盾的情形下，各实施例中的至少部分技术方案可重新组合形成本发明的实质技术方案，当然，各实施例间也可以相互引用或包含。并且，需要说明的是，本领域技术人员在重新组合各实施例记载的技术手段时所做出的适应性调整修改也将落入本发明的保护范围。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D建筑打印设备，其特征在于：包括主体框架、材料提供系统和控制系统；

所述主体框架包括安装有打印喷头的X轴横梁，所述打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴横梁左右移动以及出料打印，所述打印喷头安装有检测器且所述检测器能对打印建筑的宽度进行检测，打印喷头的下方设有可移动的承载车，所述X轴横梁的两端安装在Z轴横梁且可沿Z轴横梁上下移动，所述Z轴横梁的底端安装在底盘且可前后移动；

所述主体框架还包括管道横梁，所述管道横梁安装有管道支架且所述管道支架可沿管道横梁左右移动，管道支架内的材料运输管道通过材料接收管与打印喷头连接；

所述材料提供系统包括搅拌机，所述搅拌机的出口通过材料运输管道与管道支架内的材料运输管道相连；

所述控制系统包括控制装置，所述控制装置与动力装置连接且控制动力装置的动作。

2.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述X轴横梁安装有两个以上打印喷头，不同的打印喷头共用同一动力装置，或者，不同的打印喷头分别与不同的动力装置连接。

3.如权利要求2所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述动力装置包括驱动打印喷头沿X轴横梁左右移动的X轴伺服电机以及驱动打印喷头出料打印的旋转伺服电机。

4.如权利要求1或2所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述管道横梁安装有与打印喷头数量一致的管道支架；

或者，所述管道横梁安装的管道支架数量少于打印喷头的数量，至少一个管道支架内的材料运输管道通过管道分接头与至少两个打印喷头的材料接收管连接；

或者，所述管道横梁安装的管道支架数量多于打印喷头的数量，至少两个管道支架内的材料运输管道通过管道合接头与至少一个打印喷头的材料接收管连接。

5.如权利要求4所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述管道横梁安装在Z轴横梁的顶端，管道横梁的末端安装有管道升降机且所述管道升降机连接有升降伺服电机，所述管道支架连接有支架伺服电机。

6.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述打印喷头安装有舵机，所述舵机与检测器连接且可控制检测器与打印喷头齿轮咬合旋转。

7.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述X轴横梁、Z轴横梁、管道横梁以及底盘中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。

8.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述底盘安装有双轨道滑轮和侧轮，底盘上位于Z轴横梁的至少一侧安装有三脚架，所述底盘连接有Y轴伺服电机且在Y轴伺服电机的驱动下前后移动。

9.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述Z轴横梁安装有升降杆以及Z轴伺服电机，所述X轴横梁在Z轴伺服电机的驱动下通过升降杆上下移动。

10.如权利要求1所述的一种3D建筑打印设备，其特征在于：所述搅拌机的上方设有水箱，搅拌机的出口设有泵送机，所述泵送机的出口连接有材料运输管道且所述材料运输管道位于支架内。

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