CN117021284A - 定轨式混凝土3d打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开定轨式混凝土3D打印机及打印方法，包括定轨和主打印小车，所述定轨固定安装在工作平台上，工作平台通过滑套套装在立柱的外壁上，立柱用于支撑所述工作平台和所述定轨；定轨为所需打印的建筑物墙体的轴线垂直投影重合的固定式轨道；所述定轨固定安装有齿条/链条；所述工作平台通过滑套内侧壁上的滚柱在立柱的垂直Z轴方向运动；主打印小车包括箱体以及在箱体下安装的主打印头；箱体内部设有齿轮和驱动电机，驱动电机的动力输出端与齿轮驱动连接，主打印小车的齿轮与定轨上的齿条/链条啮合；驱动电机通过齿轮与齿条/链条啮合，使得主打印小车沿着定轨运动。定轨代替了现有技术采用的通过多轴协同动作在平面内定位的机构与工作模式。

Description

定轨式混凝土3D打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印混凝土技术领域。具体地说是定轨式混凝土3D打印机及打印方法。

背景技术

现有的混凝土3D打印机根据工作模式分为框架式、机械臂式、回旋式三种类型，其共同特点是：1、为了使打印头定位在需要的位置实施打印，需要通过多轴运动组件(模块)的运动将打印头移动到所需的位置；2、工作时打印头固定在打印臂末端或只能沿打印臂进行有限范围的移动。

现有混凝土3D打印机的工作模式不可避免的导致运动组件沉重而复杂，造成设备造价与系统控制难度的居高不下。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种降低了打印机制造成本和控制难度的定轨式混凝土3D打印机及打印方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

定轨式混凝土3D打印机，包括定轨和主打印小车，所述定轨固定安装在工作平台上，所述工作平台通过滑套套装在立柱的外壁上，立柱用于支撑所述工作平台和所述定轨；所述定轨是相对于X轴和Y轴构成的水平打印工作面固定的轨道，在安装固定后，所述定轨中轴线位于所需打印建筑物墙体沿Z轴在XY平面上的投影范围，即所述定轨为所需打印的建筑物墙体的轴线垂直投影重合的固定式轨道；所述定轨固定安装有齿条/链条；所述工作平台螺栓固定连接在滑套上，所述滑套内侧壁上设有滚柱槽，滚柱在滚柱槽内滚动，实现滑套沿立柱的垂直Z轴方向运动；

所述主打印小车包括箱体以及在箱体下安装的主打印头；箱体内部设有齿轮和驱动电机，驱动电机的动力输出端与齿轮驱动连接，所述主打印小车的齿轮与定轨上的齿条/链条啮合；所述驱动电机通过齿轮与齿条/链条啮合，使得主打印小车沿着定轨运动。

上述定轨式混凝土3D打印机，所述定轨为金属材质、塑料材质和竹木材质之一，或者为上述三种材质复合的材质；所述定轨(1)的截面的形状为工字型，H型，C型，矩形，方形、X型、王字型、L型、I型、O型、椭圆形和三角形中的一种，或者为上述形状的组合；所述定轨与箱体内设置的导轮滑动接触，从而使得所述主打印小车沿着定轨运行；所述导轮的数量为两个以上。定轨材质和形状可以根据定轨设置的形状、体积选择不同材质不同截面形状，从而在确保定轨的强度的情况下，减轻定轨的质量和减小定轨加工难度。特别是定轨的截面的形状可以进行多种选择，仅需保证导轮与定轨之间形成稳定的支撑，防止主打印小车在定轨上运行过程中晃动。

上述定轨式混凝土3D打印机，在箱体和主打印头之间设置有滑轨，所述滑轨顶端的中部固定在所述箱体的下底面上，所述滑轨沿墙体宽度方向设置；所述主打印头滑动连接在所述滑轨的下底面；主打印头沿着滑轨移动实现内外墙体的打印。

上述定轨式混凝土3D打印机，当所述定轨的横截面为工字型结构时：所述箱体为前后开口、顶板半封口结构，在箱体顶板螺栓连接有顶导轮；箱体的左侧壁内螺栓连接有左一导轮和左二导轮，箱体的右侧壁内螺栓连接有右一导轮和右二导轮；顶导轮滑动接触所述定轨的工字型的连接梁的左侧中部；左一导轮和左二导轮分别滑动接触所述定轨的工字型的下梁左侧的上底面和下底面；右一导轮和右二导轮分别滑动接触所述定轨的工字型的下梁右侧的上底面和下底面；齿条/链条安装在所述定轨的工字型的连接梁的右侧上部；所述箱体的右侧壁上固定安装有支撑块，支撑块上固定连接所述驱动电机。工字型钢材较为常见，利用价格便宜，易于加工的工字型钢材可以加工成所需形状的定轨，通过在箱体内设置多个相互支撑配合的导轮，使得导轮与定轨之间形成稳定的支撑，主打印小车可以在定轨上稳定的滑动，防止主打印小车因晃动导致的打印精度下降的问题。

上述定轨式混凝土3D打印机，混凝土3D打印机还包括副轨与副打印小车；工作平台中心位置设有中轴，所述副轨为直线型结构，所述副轨的一端与所述中轴连接，所述副轨的另一端与所述主打印小车通过铰链连接；所述副打印小车的结构与所述主打印小车相同，所述副轨的结构与所述定轨相同。通过主打印小车与副打印小车的组合运动可以将打印头定位在建筑物平面内任意一点，从而实现对楼盖、屋盖等平面类型构件的打印。

上述定轨式混凝土3D打印机，在副打印小车下部安装副打印头，或者将主打印头安装在副打印小车下部。

利用上述定轨式混凝土3D打印机的打印方法，

(1)当需要打印建筑物墙体时：利用定轨和主打印小车进行建筑物墙体的打印；

(2)当需要打印平面构件时：利用定轨、主打印小车、副轨和副打印小车进行建筑物墙体的打印。平面构件包括楼板、屋盖等。

上述定轨式混凝土3D打印机的打印方法，当需要打印建筑物墙体时，首先根据所打印的建筑墙体轴线垂直投影的形状设置定轨的形状，使定轨与所需打印的建筑墙体轴线垂直投影重合；然后将定轨固定在工作平台上，通过滑套在立柱上垂直运动调整工作平台的在Z轴上的位置；之后打开主打印小车的主打印头进行混凝土3D打印；在打印的过程中，主打印小车上的驱动电机启动，驱动齿轮转动，齿轮与定轨上的齿条/链条啮合，从而使的主打印小车沿着定轨运动，实现建筑物墙体的打印；一层打印完成后，通过调整滑套在立柱上垂直运动调整工作平台的在Z轴上的位置，再进行下一层的打印。

上述定轨式混凝土3D打印机的打印方法，打印过程中，主打印头沿着滑轨移动，实现建筑物墙体的内墙打印或者外墙打印。

上述定轨式混凝土3D打印机的打印方法，当需要打印平面构件时，副轨的一端与工作平台中心位置的中轴铰接，副轨的另一端与所述主打印小车通过铰链连接；定轨的形状与平面构件的外轮廓相同，定轨固定在工作平台上；

打印时，主打印小车沿着外侧定轨进行周向运动，副打印小车沿着副轨轨道做直线运动；主打印小车牵引副轨轨道绕着中轴旋转，副打印小车的副打印头的打印模式为回旋式打印模式，主打印头不进行打印。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1、本发明提出了一种定轨式混凝土3D打印机工作模式，定轨式打印机整体结构型式为框架式，但只有Z轴一个运动轴，其工作平台沿着Z轴进行上下升降滑动，工作平台上安装有与建筑物墙体轴线垂直投影重合的固定式轨道——定轨，定轨上安装了齿条或链条，主打印小车自带驱动机构，驱动机构通过啮合定轨上安装的齿条或链条牵引打印小车沿着定轨运动，打印头安装在打印小车上。

2、定轨代替了现有技术采用的通过多轴协同动作在平面内定位的机构与工作模式；提出的定轨式混凝土打印机工作原理极大地简化了混凝土3D打印机的结构，降低了打印机制造成本和控制难度。

3、对于不同墙体布置形式(例如圆形、矩形轮廓)的建筑，通过更换与之墙体布置匹配的定轨即可实施不同布局的建筑物墙体打印建造。

4、通过主打印小车与副打印小车的组合运动可以将打印头定位在建筑物平面内任意一点，从而实现对楼盖、屋盖等平面类型构件的打印。

5、主打印小车下部设置了滑轨，打印头通过沿着主打印小车上安装的沿墙体宽度方向的滑轨移动来实现内外层墙体的打印。

6、在主打印小车内，根据定轨的结构，设置多个导轮，顶导轮与支撑块和驱动电机分别抵顶定轨工字型的连接梁的左右两侧，工字型的下梁两侧分别被左一导轮和左二导轮与右一导轮和右二导轮滑动夹持，既可以实现主打印小车在定轨上移动，有可以防止主打印小车在定轨上晃动，保持稳定，确保打印质量。

附图说明

图1定轨式混凝土3D打印机俯视图；

图2定轨式混凝土3D打印机平视图；

图3立柱的结构示意图，即图1圆圈处的放大图；

图4定轨、打印小车、打印头组合图；

图5打印小车运行到滑轨的左侧的示意图；

图6打印小车运行到滑轨的右侧的示意图。

图中附图标记表示为：1-定轨；2-主打印小车；2-1-齿轮；2-2-驱动电机；2-3-箱体；3-齿条/链条；4-工作平台；5-立柱；6-中轴；7-滑轨；8-副轨；9-副打印小车；10-导轮；10-1-顶导轮；10-2-左一导轮；10-3-左二导轮；10-4-右一导轮；10-5-右二导轮；11-主打印头；12-滑套；13-滚柱；14-输料软管。

具体实施方式

实施例1、定轨式混凝土3D打印机

本实施例中的定轨式混凝土3D打印机，既可以实现墙体的打印，也可以实现楼盖、屋盖等平面构件的打印，本实施例提供了一种定轨式混凝土3D打印机工作模式，定轨式打印机整体结构型式为框架式。

具体包括定轨1和主打印小车2，所述定轨1固定安装在工作平台4上，所述工作平台4通过滑套12套装在立柱5的外壁上，立柱5用于支撑所述工作平台4和所述定轨1；

定轨是一种相对于XY轴构成的水平打印工作面固定的轨道，通常定轨在安装固定后其中轴线位于所需打印建筑物墙体沿Z轴在XY平面上的投影范围内。所述定轨1为所需打印的建筑物墙体的轴线垂直投影重合的固定式轨道；对于不同墙体布置形式的建筑，如图1中所示圆形和矩形轮廓，通过更换与之墙体布置匹配的定轨即可实施不同布局的建筑物墙体打印建造。

所述定轨1固定安装有齿条/链条3；所述主打印小车2包括箱体2-3以及在箱体2-3下安装的主打印头11；箱体2-3内部设有齿轮2-1和驱动电机2-2，驱动电机2-2的动力输出端与齿轮2-1驱动连接，所述主打印小车2的齿轮2-1与定轨1上的齿条/链条3啮合；所述驱动电机2-2通过齿轮2-1与齿条/链条3啮合，使得主打印小车2沿着定轨1运动。

定轨1上安装了齿条/链条3，主打印小车2自带驱动电机2-2，驱动电机通过啮合定轨上安装的齿条/链条牵引打印小车沿着定轨运动，打印头安装在打印小车的下部。

所述工作平台4栓固定连接在四个滑套12上，所述滑套12内侧壁上设有滚柱槽，滚柱13在滚柱槽内滚动，实现四个滑套12沿四根立柱5的垂直Z轴方向运动；使得工作平台4沿着立柱5进行Z轴垂直方向上下升降滑动。

所述定轨1为金属材质、塑料材质和竹木材质之一，或者为上述三种材质复合的材质；所述定轨1的截面的形状为工字型，H型，C型，矩形，方形、X型、王字型、L型、I型、O型、椭圆形和三角形中的一种，或者为上述形状的组合；所述定轨1与箱体2-3内设置的导轮10滑动接触，从而使得所述主打印小车2沿着定轨1运行；所述导轮10的数量为两个以上。

为了实现在打印过程，保持打印小车不晃动，在主打印小车2的箱体2-3内设置了多个导轮，导轮的设置位置是根据定轨的结构进行设计的。

本实施例中，定轨选择工字型钢材，工字型钢材价格便宜，易于根据定轨的形状要求进行加工，并根据工字型钢材的结构特点，在箱体2-3内设置了5个导轮。

具体为：所述箱体2-3为前后开口、顶板半封口结构，在箱体2-3顶板螺栓连接有顶导轮10-1；箱体2-3的左侧壁内螺栓连接有左一导轮10-2和左二导轮10-3，箱体2-3的右侧壁内螺栓连接有右一导轮10-4和右二导轮10-5；所述箱体2-3的右侧壁上固定安装有支撑块，支撑块上固定连接所述驱动电机2-2。

由于定轨1的横截面为工字型结构；为了防止打印过程中，主打印小车晃动，让顶导轮10-1滑动接触所述定轨1的工字型的连接梁的左侧中部；工字型的连接梁的右侧设有齿条/链条3和与其啮合的齿轮2-1，使得连接梁的两侧被稳定的夹持，防止晃动。

左一导轮10-2和左二导轮10-3分别滑动接触所述定轨1的工字型的下梁左侧的上底面和下底面；右一导轮10-4和右二导轮10-5分别滑动接触所述定轨1的工字型的下梁右侧的上底面和下底面；工字型的下梁两侧分别被左一导轮10-2和左二导轮10-3与右一导轮10-4和右二导轮10-5滑动夹持，既可以实现主打印小车在定轨上移动，有可以防止主打印小车在定轨上晃动，保持稳定，确保打印质量。

打印墙体具有一定的厚度，为了实现内外墙体的打印，在主打印小车2的箱体2-3的下部沿墙体宽度方向设置了滑轨7；在箱体2-3和主打印头11之间设置有滑轨7，所述滑轨7顶端的中部固定在所述箱体2-3的下底面上，所述滑轨7沿墙体宽度方向设置；所述主打印头11滑动连接在所述滑轨7的下底面；主打印头11沿着滑轨7移动实现内外墙体的打印。

为了实现楼盖、屋盖等平面构件的打印，在定轨式混凝土3D打印机上，还需要设置副轨8与副打印小车9，工作平台4中心位置设有中轴6，所述副轨8为直线型结构，所述副轨8的一端与所述中轴6连接，所述副轨8的另一端与所述主打印小车2通过铰链连接；主打印小车2沿着外侧定轨1进行周向运动，副打印小车9沿着副轨8轨道运动，打印头安装在副打印小车上，此时主打印小车牵引副轨道绕着中轴6旋转，打印模式为回旋式打印模式，通过主打印小车2与副打印小车9的组合运动可以将打印头定位在建筑物平面内任意一点，从而实现对楼盖、屋盖等平面类型构件的打印。主打印小车和副打印小车的驱动原理与结构相同。输料软管14从上向下穿过中轴，不严格固定，只限制活动范围。

实际中，可以将主打印小车2下部的主打印头11按照在副打印小车9下部作为副打印头使用，也可以单独在副打印小车9下部按照副打印头。

实施例2、打印方法。

1、当需要打印建筑物墙体时，首先根据所打印的建筑墙体轴线垂直投影的形状设置定轨1的形状，使定轨1与所需打印的建筑墙体轴线垂直投影重合。对于不同墙体布置形式例如圆形、矩形轮廓的建筑，通过更换与之墙体布置匹配的定轨即可实施不同布局的建筑物墙体打印建造。

然后将定轨1固定在工作平台4上，通过滑套12在立柱5上垂直运动调整工作平台4的在Z轴上的位置；

之后打开主打印小车2的主打印头11进行混凝土3D打印；在打印的过程中，主打印小车2上的驱动电机2-2转动，驱动齿轮2-1转动，齿轮2-1与定轨1上的齿条/链条3啮合，从而使的主打印小车2沿着定轨1运动，实现建筑物墙体的打印；

一层打印完成后，通过调整滑套12在立柱5上垂直运动，使工作平台4的在立柱的Z轴上向上滑动，并固定，再进行下一层的打印。

打印过程中，主打印头11沿着滑轨7移动，实现建筑物墙体的内墙打印或者外墙打印。

2、当需要打印平面构件时，副轨8的一端与工作平台4中心位置的中轴6铰接，副轨8的另一端与所述主打印小车2通过铰链连接；定轨1的形状与平面构件的外轮廓相同，定轨1固定在工作平台4上；

打印时，主打印小车2沿着外侧定轨1进行周向运动，副打印小车9沿着副轨8轨道做直线运动；主打印小车2牵引副轨8轨道绕着中轴6旋转，副打印小车9的副打印头的打印模式为回旋式打印模式，主打印头11不进行打印。通过主打印小车与副打印小车的组合运动可以将打印头定位在建筑物平面内任意一点，从而实现对楼盖、屋盖等平面类型构件的打印。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，包括定轨(1)和主打印小车(2)，所述定轨(1)固定安装在工作平台(4)上，所述工作平台(4)通过滑套(12)套装在立柱(5)的外壁上，立柱(5)用于支撑所述工作平台(4)和所述定轨(1)；所述定轨(1)是相对于X轴和Y轴构成的水平打印工作面固定的轨道，在安装固定后，所述定轨(1)中轴线位于所需打印建筑物墙体沿Z轴在XY平面上的投影范围，即定轨为所需打印的建筑物墙体的轴线垂直投影重合的固定式轨道；所述定轨(1)固定安装有齿条/链条(3)；所述工作平台(4)螺栓固定连接在滑套(12)上，所述滑套(12)内侧壁上设有滚柱槽，滚柱(13)在滚柱槽内滚动，实现滑套(12)沿立柱(5)的垂直Z轴方向运动；

所述主打印小车(2)包括箱体(2-3)以及在箱体(2-3)下安装的主打印头(11)；箱体(2-3)内部设有齿轮(2-1)和驱动电机(2-2)，驱动电机(2-2)的动力输出端与齿轮(2-1)驱动连接，所述主打印小车(2)的齿轮(2-1)与定轨(1)上的齿条/链条(3)啮合；所述驱动电机(2-2)通过齿轮(2-1)与齿条/链条(3)啮合，使得主打印小车(2)沿着定轨(1)运动。

2.根据权利要求1所述的定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，所述定轨(1)为金属材质、塑料材质和竹木材质之一，或者为上述三种材质复合的材质；所述定轨(1)的截面的形状为工字型，H型，C型，矩形，方形、X型、王字型、L型、I型、O型、椭圆形和三角形中的一种，或者为上述形状的组合；所述定轨(1)与箱体(2-3)内设置的导轮(10)滑动接触，从而使得所述主打印小车(2)沿着定轨(1)运行；所述导轮(10)的数量为两个以上。

3.根据权利要求1所述的定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，在箱体(2-3)和主打印头(11)之间设置有滑轨(7)，所述滑轨(7)顶端的中部固定在所述箱体(2-3)的下底面上，所述滑轨(7)沿墙体宽度方向设置；所述主打印头(11)滑动连接在所述滑轨(7)的下底面；主打印头(11)沿着滑轨(7)移动实现内外墙体的打印。

4.根据权利要求2所述的定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，当所述定轨(1)的横截面为工字型结构时：所述箱体(2-3)为前后开口、顶板半封口结构，在箱体(2-3)顶板螺栓连接有顶导轮(10-1)；箱体(2-3)的左侧壁内螺栓连接有左一导轮(10-2)和左二导轮(10-3)，箱体(2-3)的右侧壁内螺栓连接有右一导轮(10-4)和右二导轮(10-5)；顶导轮(10-1)滑动接触所述定轨(1)的工字型的连接梁的左侧中部；左一导轮(10-2)和左二导轮(10-3)分别滑动接触所述定轨(1)的工字型的下梁左侧的上底面和下底面；右一导轮(10-4)和右二导轮(10-5)分别滑动接触所述定轨(1)的工字型的下梁右侧的上底面和下底面；齿条/链条(3)安装在所述定轨(1)的工字型的连接梁的右侧上部；所述箱体(2-3)的右侧壁上固定安装有支撑块，支撑块上固定连接所述驱动电机(2-2)。

5.根据权利要求1所述的定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，混凝土3D打印机还包括副轨(8)与副打印小车(9)；工作平台(4)中心位置设有中轴(6)，所述副轨(8)为直线型结构，所述副轨(8)的一端与所述中轴(6)连接，所述副轨(8)的另一端与所述主打印小车(2)通过铰链连接；所述副打印小车(9)的结构与所述主打印小车(2)相同，所述副轨(8)的结构与所述定轨(1)相同。

6.根据权利要求5所述的定轨式混凝土3D打印机，其特征在于，在副打印小车(9)下部安装副打印头，或者将主打印头(11)安装在副打印小车(9)下部。

7.利用权利要求1-6任一所述的定轨式混凝土3D打印机的打印方法，其特征在于，

(1)当需要打印建筑物墙体时：利用定轨(1)和主打印小车(2)进行建筑物墙体的打印；

(2)当需要打印平面构件时：利用定轨(1)、主打印小车(2)、副轨(8)和副打印小车(9)进行建筑物墙体的打印。

8.根据权利要求7所述的定轨式混凝土3D打印机的打印方法，其特征在于，当需要打印建筑物墙体时，首先根据所打印的建筑墙体轴线垂直投影的形状设置定轨(1)的形状，使定轨(1)与所需打印的建筑墙体轴线垂直投影重合；然后将定轨(1)固定在工作平台(4)上，通过滑套(12)在立柱(5)上垂直运动调整工作平台(4)的在Z轴上的位置；之后打开主打印小车(2)的主打印头(11)进行混凝土3D打印；在打印的过程中，主打印小车(2)上的驱动电机(2-2)启动，驱动齿轮(2-1)转动，齿轮(2-1)与定轨(1)上的齿条/链条(3)啮合，从而使的主打印小车(2)沿着定轨(1)运动，实现建筑物墙体的打印；一层打印完成后，通过调整滑套(12)在立柱(5)上垂直运动调整工作平台(4)的在Z轴上的位置，再进行下一层的打印。

9.根据权利要求8所述的定轨式混凝土3D打印机的打印方法，其特征在于，打印过程中，主打印头(11)沿着滑轨(7)移动，实现建筑物墙体的内墙打印或者外墙打印。

10.根据权利要求7所述的定轨式混凝土3D打印机的打印方法，其特征在于，当需要打印平面构件时，副轨(8)的一端与工作平台(4)中心位置的中轴(6)铰接，副轨(8)的另一端与所述主打印小车(2)通过铰链连接；定轨(1)的形状与平面构件的外轮廓相同，定轨(1)固定在工作平台(4)上；

打印时，主打印小车(2)沿着外侧定轨(1)进行周向运动，副打印小车(9)沿着副轨(8)轨道做直线运动；主打印小车(2)牵引副轨(8)轨道绕着中轴(6)旋转，副打印小车(9)的副打印头的打印模式为回旋式打印模式，主打印头(11)不进行打印。