CN116060647A

CN116060647A - 一种多层建筑3d打印系统及其使用方法

Info

Publication number: CN116060647A
Application number: CN202111287309.XA
Authority: CN
Inventors: 赖建中; 吴凯; 周捷航; 邱士扬; 张成芹
Original assignee: Nanjing Boke New Materials Industry Research Institute Co ltd; Nanjing Gouchunni Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Boke New Materials Industry Research Institute Co ltd; Nanjing Gouchunni Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-05-05

Abstract

本发明公开了一种多层建筑3D打印系统，包括升降系统、机器人系统和送料系统；所述升降系统包括多台液压升降机、框架和轨道；其中液压升降机均匀设置在框架底部，框架内部固定设置有轨道；所述机器人系统由多个工业机器人组成，工业机器人与所述轨道之间活动连接，机器人包括机架、传动机构和3D打印部；3D打印部包括可移动的打印头连接臂、混凝土打印端和金属打印端组成；所述混凝土打印端和金属打印端通过打印头连接臂固定到机架的一侧。

Description

一种多层建筑3D打印系统及其使用方法

技术领域

本发明属于建筑3D打印装备领域，更具体地说，本发明涉及一种多层建筑3D打印系统及其使用方法。

背景技术

长期以来，传统的建造工具、制造技术和建筑材料等因素限制了建筑工程建造方式，一则建筑工程人员对复杂施工技术难以付诸实践，二则由于传统的建造技术不够完善，技术的使用不仅给环境带来了较为严重的破坏，还极大浪费了人力资源和社会资源。而随着时代的发展进步，人们对于新型建筑技术的要求越来越迫切，3D打印建筑技术可以利用其优势，不再仅仅局限于使用功能，可实现建筑物结构的复杂化、多元化、个性化需求，以满足人们对建筑结构的更高层次的要求，3D打印被誉为第三次工业革命的重要标识，其作为一种新型建筑技术，被众多学者认为在建筑业上有颠覆性的创新。近年来，对3D打印建筑技术和材料的研究越来越多，3D打印建筑也随之蓬勃发展，其必将在未来建筑行业中有广阔的发展前景。

目前建筑3D打印行业所采用的打印机械主要有龙门结构、框架结构等，建筑3D打印受到打印机械设备大小的限制，均为单层或双层建筑结构打印系统，同时打印出的建筑建构简单，形式单一，无法满足现代社会人口密集的高层建筑需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现多层建筑3D打印建造的打印系统。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多层建筑3D打印系统，其特征在于：包括混凝土泵、升降系统、机器人系统和控制系统；

所述升降系统包括多台液压升降机、框架和轨道；其中液压升降机均匀的设置在框架底部，框架内部固定设置有轨道；

所述机器人系统由多个工业机器人组成，工业机器人与所述轨道之间活动连接，机器人包括机架、传动机构和3D打印部；3D打印部包括可移动的打印头连接臂、混凝土打印端和金属打印端组成；所述混凝土打印端和金属打印端通过打印头连接臂固定到机架的一侧(机器人的传动机构已经是一个成熟的技术，在各行各业都有使用，作为现有技术，不加以赘述)。

通过上述设置，多个机器人均匀分布在升降系统的升降系统的轨道上，从建筑底层开始进行打印，通过升降系统的上升，进行高层建筑的打印。

进一步的，所述的液压升降机为剪叉式液压升降机。

进一步的，所述混凝土打印端包括进料口、料筒、破碎叶片、挤出螺杆、螺杆电机、挤出口，其中破碎叶片固定设置在挤出螺杆外侧，挤出螺杆的一端与螺杆电机通过联轴器固定连接，进料口和挤出口设置于料筒的两端。

进一步的，所述金属打印机构包括伺服电机、焊丝送丝机、金属打印出料口，其中电弧接打印头伺服电机固定在机器人一侧，焊丝送丝机与金属打印出料口连接置于伺服电机前端。

进一步的，所述控制系统采用PLC控制系统，PLC控制系统与混凝土泵、升降系统和机器人系统之间均为信号连接。

一种多层建筑3D打印系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所要打印建造的建筑规模选用合适的水平机械框架系统规格并完成整个多层建筑3D打印机械系统的安装；

S2：根据建筑打印要求完成不同混凝土建筑材料的预搅拌，并将混凝土砂浆装入对应给料罐准备打印；

S3：启动统一控制系统，输入建筑打印程序，混凝土泵将混凝土材料输送至打印头出开始打印；

S4：多组工业机器人进行协同作业，根据不同建筑结构的强度要求使用不同种混凝土材料进行打印，直到整体建筑打印完成；

S5：建筑整体打印完成，将多层建筑3D打印机械系统拆除。

进一步的，所述S3中多层建筑3D打印系统打印作业开始后，自动液压升降系统在建筑高度每提高1米，则将水平机械框架系统升高1m。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、升降系统可根据建筑打印需求定制自动液压升降，自动液压升降机与配套的水平机械框架相结合并固定，可以满足工业机器人在三维空间中移动到特定高度和位置的需求，工业机器人在轨道传动装置上水平位移，扩大了工业机器人的工作范围，实现灵活的多层建筑3D打印。

2、通过将液压升降机与水平机械框架结合使得建筑3D打印的规模极大提高，利用程序控制工业机器人在水平机械框架内进行水平位移并转动机器臂进行任意角度的打印，从而实现多层建筑一体化高效3D打印建造，解决了建筑3D打印的规模受到3D打印机械水平框架大小的限制。

3、同时能够进行多种建筑材料打印满足不同建筑结构性能要求，极大的提高了建筑行业施工效率，节约了人力物力；满足建筑物复杂化、多元化、个性化需求。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的工业机器人正视图。

图2为本发明的工业机器人侧视图。

图3为本发明的工业机器人俯视图。

图4为本发明的工业机器人剖面图。

图5为本发明的系统整体工作图。

图6为本发明的升降系统图。

图中标记为：1、机器人系统；101、机架；102、连接板；103、伺服电机；104、进料口；105、螺杆电机；106、行星减速器；107、打印头；108、焊丝送丝机；109、出料口；110、挤出螺杆；111、破碎叶片；112、料筒；113、传动机构；2、升降系统；3、框架；4、轨道；5、液压升降机。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图5所示的一种多层建筑3D打印系统，包括混凝土泵、升降系统2、机器人系统1和控制系统；

升降系统包括多台液压升降机5、框架3和轨道；其中液压升降机均匀的设置在框架3底部，框架3内部固定设置有轨道4；

机器人系统由多个工业机器人组成，工业机器人与轨道4之间活动连接，机器人包括机架101、传动机构113和3D打印部；3D打印部包括可移动的打印头连接臂、混凝土打印端和金属打印端组成；所述混凝土打印端和金属打印端通过打印头107连接臂固定到机架101的一侧。

图6所示的液压升降机5为剪叉式液压升降机。

图1、图2、图3和图4所示的混凝土打印端包括进料口104、料筒112、破碎叶片111、挤出螺杆110、螺杆电机105、挤出口，其中破碎叶片111固定设置在挤出螺杆110外侧，挤出螺杆110的一端与螺杆电机105通过联轴器固定连接，进料口104和挤出口设置于料筒的两端；金属打印机构包括伺服电机103、焊丝送丝机108、金属打印出料口109，其中电弧接打印头107伺服电机103固定在机器人一侧，焊丝送丝机108与金属打印出料口连接置于伺服电机103前端。

控制系统采用PLC控制系统，PLC控制系统与混凝土泵、升降系统和机器人系统之间均为信号连接。

根据所要打印建造的建筑规模选用合适的水平机械框架系统规格并完成整个多层建筑3D打印机械系统的安装，进行3D打印的准备，在控制台输入预设的打印程序并将打印机械归位，如附图1机器人本体机架101随着框架2系统移动到起始位置，液压升降机5带动机械臂下降至第一层打印高度，机械臂伸缩移动到合适位置，将通过打印头连接板102固定的混凝土打印机置于打印起始点，通过混凝土泵将搅拌好的浆体从混凝土打印机进料口104加入料筒，做好打印的起始准备工作。

控制系统协调框架和机器人运动使机器人在二维平面按照程序规划路径行走；与此同时，启动混凝土打印机伺服电机105配合行星减速器106，控制料筒中的挤出螺杆110和破碎叶片111按合适的转速转动，混凝土打印机出料口109开始出料，混凝土浆体按照设计路线打印成型，浆体出料的速度和机器人移动速度之间的协调由控制系统统一规划。

在移动到需要进行金属3D打印的位置时，控制系统启动电弧焊接打印头伺服电机103和焊丝送丝机108，在金属打印出料口109正在出料工作时，其在空间中的移动也由打印连接板102相连另一端的机器人机架101控制，此时的混凝土打印机是否工作取决于工作路径是否重叠。

机器人工作任务由控制系统提前设计，机器人的两个3D打印头可以同时作业，也可以单独使用金属打印头或混凝土打印头，控制另一打印头伺服电机关闭，停止出料。且不同的打印头可按照需求使用不同的混凝土打印材料，几组工业机器人也可以具有不同的工作任务，在同一时间不同地点协同作业，互不干扰，将工作任务分成部分同时进行，节省整体工作时间。共同作业时各自的打印路径通过控制系统统一规划，防止不同的机械臂行走路径出现碰撞摩擦导致事故。整体建筑的打印步骤有着规定的顺序，通过机器人的配合分步完成。当机器人完成某部分打印工作，控制系统操控其伺服电机停转出料口停止出料，水平机械框架带动机器人在该平面做位移，将打印头移动到另一指定地点后，控制系统重新启动电机，继续打印过程，直至该层打印全部完成。在本机器系统中将打印高度以1m分层，完成每层计划的工作任务后，通过升降系统将水平框架带动升高，继续下一层的打印路径，实现多层建筑的3D打印。当完成所有打印任务后，控制系统关闭所有打印头伺服电机，控制所有机器人避开打印好建筑移动到打印区域外等待拆除。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多层建筑3D打印系统，其特征在于：包括混凝土泵、升降系统、机器人系统和控制系统；

所述机器人系统由多个工业机器人组成，工业机器人与所述轨道之间活动连接，机器人包括机架、传动机构和3D打印部；3D打印部包括可移动的打印头连接臂、混凝土打印端和金属打印端组成；所述混凝土打印端和金属打印端通过打印头连接臂固定到机架的一侧。

2.按照权利要求1所述的一种多层建筑3D打印系统，其特征在于，所述的液压升降机为剪叉式液压升降机。

3.按照权利要求1所述的一种多层建筑3D打印系统，其特征在于，所述混凝土打印端包括进料口、料筒、破碎叶片、挤出螺杆、螺杆电机、挤出口，其中破碎叶片固定设置在挤出螺杆外侧，挤出螺杆的一端与螺杆电机通过联轴器固定连接，进料口和挤出口设置于料筒的两端。

4.按照权利要求1所述的一种多层建筑3D打印系统，其特征在于，所述金属打印机构包括伺服电机、焊丝送丝机、金属打印出料口，其中电弧接打印头伺服电机固定在机器人一侧，焊丝送丝机与金属打印出料口连接置于伺服电机前端。

5.按照权利要求1所述的一种多层建筑3D打印系统，其特征在于，所述控制系统采用PLC控制系统，PLC控制系统与混凝土泵、升降系统和机器人系统之间均为信号连接。

6.一种多层建筑3D打印系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5：建筑整体打印完成，将多层建筑3D打印机械系统拆除。

7.根据权利要求6所述的一种多层建筑3D打印系统的适用方法，其特征在于，所述S3中多层建筑3D打印系统打印作业开始后，自动液压升降系统在建筑高度每提高1米，则将水平机械框架系统升高1m。