CN205206333U - 3d打印装置的格构式支撑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型的3D打印装置的格构式支撑结构，涉及建筑施工技术领域，针对大体量建筑物的3D打印施工，现有3D打印装置增大跨度会使得打印头的运动精度得不到有效控制，严重影响了施工质量的问题。3D打印装置包括位于待打印建筑物横截面层顶部的打印装置；打印装置包括一闭合的轨道框架，两端能够沿轨道框架滑动的至少两个打印头横梁，每根打印头横梁上设置至少一个能够沿打印头横梁滑动的打印头，轨道框架的底部设有若干能够与待打印建筑物的地坪连接的竖杆；格构式支撑结构包括连接于打印头横梁上部，且竖向设置的格构式支撑框架一，格构式支撑框架一是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。

Description

3D打印装置的格构式支撑结构

技术领域

本实用新型涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种用于建筑施工的3D打印装置的格构式支撑结构。

背景技术

众所周知，3D打印建筑可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，减少建筑中的材料和工艺损耗，它能够让未来的建筑工人劳动强度大大降低，工作环境大大改善，工作更高效，它还可以做到让建筑能耗大幅度降低，可有效地改善施工粉尘和噪音的影响，避免对环境造成污染。

虽然，3D打印技术离我们越来越近，早已不再是纸面上的概念，但是，目前的3D打印技术在建筑市场的应用还仅限于住宅建筑、小型场馆等小体量建筑的施工，其原因是现有的建筑用3D打印装置体积较小(如全球首批建筑用3D打印装置尺寸：长×宽×高分别为150m×10m×6.6m)，不适用于大体量建筑物的施工；而龙门架式3D打印装置的打印高度又受限，也无法满足大体量建筑物的施工需求；因此，为适应大体量建筑物的3D打印施工，需增大打印装置框架结构的覆盖面积，使打印头能够在框架结构的支撑下进行更大范围的打印施工，然而，打印装置在自身重量以及打印头往复运动的影响下，其框架结构杆体中部的挠度变大，而且单位长度挠度差大，使得打印头的运动精度得不到有效控制，严重影响了施工质量。

可见，如何克服现有3D打印装置因跨度大而导致打印头运动精度无法控制的缺陷，使其能够适应大体量建筑物的施工，使未来的3D打印技术能够在建筑领域真正得以推广、应用具有十分重要的意义。

发明内容

针对大体量建筑物的3D打印施工，现有3D打印装置增大跨度会使得打印头的运动精度得不到有效控制，严重影响了施工质量的问题，本实用新型的目的是提供一种3D打印装置的格构式支撑结构，它能够减小大跨度打印头横梁及滑道中部的挠度，以及单位长度的挠度差，保证打印头运行路线平直顺滑，进而有效控制打印精度，提高打印质量。

本实用新型解决其技术问题所采用的3D打印装置的格构式支撑结构，所述3D打印装置包括位于待打印建筑物横截面层顶部的打印装置；所述打印装置包括一闭合的轨道框架，两端能够沿所述轨道框架滑动的至少两个打印头横梁，每根所述打印头横梁上设置至少一个能够沿所述打印头横梁滑动的打印头，所述轨道框架的底部设有若干能够与所述待打印建筑物的地坪连接的竖杆；所述格构式支撑结构包括连接于所述打印头横梁上部，且竖向设置的格构式支撑框架一，所述格构式支撑框架一是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。

优选的，所述格构式支撑框架一沿其轴线对称，且其对称轴与所述打印头横梁的纵轴线重合。

优选的，所述格构式支撑框架一的高度从中部到端部逐渐变小，所述格构式支撑框架一由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元一的中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元一通过侧翼缘与所述打印头横梁的两端连接，形成位于两侧的框架单元二，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线。

优选的，所述格构式支撑框架一的各杆件之间均为铰接，所述打印头横梁上固接有若干竖向设置的转接板一，所述格构式支撑框架一的杆件与所述转接板一铰接。

优选的，所述打印头横梁的两端设有滑块或滚轮组，所述轨道框架具有至少一对对称设置且横截面呈C形的滑道，所述滑块或滚轮组与所述滑道滑动配合，使得所述打印头横梁的两端能够沿所述轨道框架的滑道滑动。

优选的，所述格构式支撑结构还包括连接于所述滑道上部，且竖向设置的格构式支撑框架二，所述格构式支撑框架二是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。

优选的，所述格构式支撑框架二沿其轴线对称，且其对称轴与所述滑道的纵轴线重合。

优选的，所述格构式支撑框架二的高度从中部到端部逐渐变小，所述格构式支撑框架二由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元A的中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元A通过侧翼缘与所述滑道的两端连接，形成位于两侧的框架单元B，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线。

优选的，所述格构式支撑框架二的各杆件之间均为铰接，所述滑道上固接有若干竖向设置的转接板二，所述格构式支撑框架二的杆件与所述转接板二铰接。

优选的，所述3D打印装置还包括附着在已打印建筑体的外立面，并能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降的爬升装置，所述爬升装置包括两组框架式连系梁，且两组所述框架式连系梁通过若干液压顶升机构连接成一个整体框架结构，每组所述框架式连系梁通过附着装置连接在所述已打印建筑体的外立面；

所述液压顶升机构包括液压顶升油缸及其驱动单元，所述液压顶升油缸的缸体和活塞分别固定在两组所述框架式连系梁上，所述驱动单元能够控制所述液压顶升机构同步顶升或下降，进而带动所述框架式连系梁做相应的运动，使得所述爬升装置能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降；

所述附着装置包括横向液压机构和扩展板，所述横向液压机构包括液压油缸及其驱动单元，所述液压油缸的一端连接在所述框架式连系梁上，所述液压油缸的另一端固接所述扩展板后与所述已打印建筑体的外立面相抵，所述驱动单元能够控制连接在同一框架式连系梁上的所述液压油缸同步伸长或收缩，进而使得相应的所述框架式连系梁附着或脱离所述已打印建筑体的外立面。

本实用新型的效果在于：本实用新型格构式支撑结构的格构式支撑框架一是连接于打印装置的打印头横梁上方的杆系结构，它能够减小大跨度打印头横梁中部的挠度，以及单位长度的挠度差，保证打印头运行路线平直顺滑，进而有效控制打印精度，提高打印质量；格构式支撑框架一采用杆系结构使得组装及拆卸更为方便，不但提高了施工效率，而且可反复利用，降低了工程成本。

附图说明

图1为本实用新型一实施例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为本实用新型一实施例中打印装置的结构示意图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为本实用新型一实施例的格构式支撑框架一安装于打印头横梁上的结构示意图；

图6为图5的A部分的局部放大图；

图7为图5的B部分的局部放大图；

图8为本实用新型一实施例的格构式支撑框架二安装于滑道上的结构示意图。

图9为本实用新型一实施例中爬升装置安装于已打印建筑体上的结构示意图；

图10为图9的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的3D打印装置的格构式支撑结构作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本实用新型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，详细说明本实用新型的技术内容及特征。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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本实用新型技术方案的限制。

实施例一：结合图1～图10说明本实用新型的3D打印装置的格构式支撑结构，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1高度延伸方向的xyz直角坐标系。上述3D打印装置包括位于待打印建筑物横截面层顶部的打印装置10；打印装置10包括一矩形且闭合的轨道框架11，两端能够沿轨道框架11滑动的至少两个打印头横梁13，且每根打印头横梁13上设置至少一个能够沿打印头横梁13滑动的打印头16，轨道框架11的底部设有若干能够与待打印建筑物的地坪连接的竖杆12；如图5至图7所示，所述格构式支撑结构包括连接于每个打印头横梁13上部，且竖向设置的格构式支撑框架一30，所述格构式支撑框架一30是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构，具体各部分杆件的高度需要根据打印头横梁13的跨度计算确定。

本实用新型的格构式支撑框架一30是连接于打印装置10的打印头横梁13上方的杆系结构，它能够减小大跨度打印头横梁13中部的挠度，以及单位长度的挠度差，保证打印头16运行路线平直顺滑，进而有效控制打印精度，提高打印质量；格构式支撑框架一30采用杆系结构使得组装及拆卸更为方便，不但提高了施工效率，而且可反复利用，降低了工程成本。

更优的，如图5所示，格构式支撑框架一30沿其轴线对称，且其对称轴ax与打印头横梁13的纵轴线重合，更有利于避免打印头横梁13中部的弯曲变形。

具体而言，格构式支撑框架一30中部高度最大，两端高度最小，高度从中部到端部逐渐变小；本实施例的格构式支撑框架一30由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴ax对称的两个框架单元一中，中心翼缘30a和相邻两根腹杆30b之间连接有斜杆30c，上述两个框架单元一通过侧翼缘30d与打印头横梁13的两端连接，由此形成位于两侧的框架单元二，上述中心翼缘30a与侧翼缘30d构成连续的折线或弧线。由于格构式支撑框架一30覆盖打印头横梁13全长，且中心翼缘30a和侧翼缘30d构成的连续折线或弧线与打印头横梁13的弧形挠度曲线形状吻合较好，因此，能够有效避免打印头横梁13因尺寸较大而导致的弯曲变形，使得打印头16运行稳定，以确保横截面层y轴方向的打印质量。

较佳的，如图7所示，上述格构式支撑框架一30的相邻杆件之间均为铰接，如图6所示，打印头横梁13上固接有若干竖向设置的转接板一50，上述转接板一50是矩形且设有螺纹孔的钢板，格构式支撑框架一30的杆件与转接板一50螺栓连接，使格构式支撑框架一30与打印头横梁13铰接为一整体，转接板一50的设置使得格构式支撑框架一30与打印头横梁13之间的连接更方便操作，而且对打印头横梁13的结构损伤更小。

本实施例打印装置10的打印头横梁13的两端设有滑块或滚轮组13a，轨道框架11具有横截面呈C形且对称设置的滑道11a，上述滑块或滚轮组13a与滑道11a滑动配合，使得打印头横梁13的两端能够沿轨道框架11的滑道11a(即x轴方向)自由滑动，由于滑块或滚轮组13a均能够安全可靠地嵌装在滑道11a的C形开口腔内，因此，上述结构能够保证打印头横梁13在轨道框架11上稳定运行；而且，每个打印头16均可独立运行，不受其它打印头16运动的影响，进而在3D打印装置的作业面中引入至少两个打印头16，且每个打印头16均能够沿打印头横梁13滑动，使得打印头16能够反复沿作业面的y轴方向移动并打印建筑物料；上述打印头横梁13与轨道框架11滑动配合，使得打印头横梁13能够带动打印头16沿作业面x轴方向移动，从而实现打印头16在建筑体横截面层内基于xy平面灵活运动。

类似的，如图8所示，轨道框架11的滑道11a上部也设置有结构及组成与格构式支撑框架一30相似的格构式支撑框架二40，格构式支撑框架二40沿其轴线对称，且其对称轴ax'与滑道11a的纵轴线重合，格构式支撑框架二40由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴ax'对称的两个框架单元A中，中心翼缘40a和相邻两根腹杆40b之间连接有斜杆40c，上述两个框架单元A通过侧翼缘40d与滑道11a的两端连接，由此形成位于两侧的框架单元B，上述中心翼缘40a与侧翼缘40d构成连续的折线或弧线。由于格构式支撑框架二40覆盖滑道11a全长，且中心翼缘40a和侧翼缘40d构成的连续折线或弧线与滑道11a的弧形挠度曲线形状吻合较好，因此，能够避免滑道11a因尺寸较大而导致的弯曲变形，保证了滑道11a的平稳和畅通，以确保横截面层x轴方向的打印质量。

类似的，格构式支撑框架二40的相邻杆件之间也均为铰接，滑道11a上固接有若干竖向设置的转接板二(未图示)，格构式支撑框架二40通过转接板二与滑道11a铰接。

另外，为实现打印头16与打印头横梁13的稳定连接，如图4所示，打印装置10还包括打印头连接架，所述打印头连接架包括能够与打印头横梁13滑动配合的基座14，及与基座14固定连接的打印头杆15，打印头16通过打印头杆15连接在基座14上。具体而言，本实施例中具有C形截面的基座14套设在打印头横梁13上，并能够沿打印头横梁13滑动，从而带动打印头16沿打印头横梁13(即y轴方向)自由滑动。打印装置10还包括与打印头横梁13电连接的驱动装置一(图中未示出)，与打印头连接架电连接的驱动装置二(图中未示出)，上述驱动装置一、驱动装置二及打印头16均与动力控制系统通信连接。当动力控制系统分别向驱动装置二和打印头16发送控制指令时，使得打印头16能够沿打印头横梁13做往复移动，同时打印头16输出建筑物料进行打印，待一行打印结束后，动力控制系统向驱动装置一发送控制指令，使得打印头横梁13沿滑道11a移动，以进行下一行的打印，如此循环往复，从而逐行完成建筑体当前横截面层的打印施工。

如图1所示，3D打印装置还包括附着在已打印建筑体1的外立面，并能够逐步相对于已打印建筑体1沿z轴方向爬升或下降的爬升装置20，此时，所述已打印建筑体1的高度需大于爬升装置20收缩状态下的高度；爬升装置20是由两组围合在已打印建筑体1的外立面，且通过液压顶升机构23连接的框架式连系梁构成的一个整体框架结构，每组框架式连系梁均通过若干附着装置固定于已打印建筑体1的外立面。打印装置10的轨道框架11通过竖杆12与爬升装置20的顶端刚性连接，竖杆12不但是轨道框架11与爬升装置20的连接构件，而且还调整了两者的间距，以保证打印装置10与作业面适当的工作距离；前文所述刚性连接为焊接、螺栓连接等，本实施例优选螺栓连接，可实现打印装置10与爬升装置20的快速组装及拆卸。

如图9和图10所示，为描述方便，下文将位于上方的框架式连系梁称为框架式连系梁一21，位于下方的框架式连系梁称为框架式连系梁二22。两组框架式连系梁21、22通过附着装置固定在已打印建筑体1的外立面，从而为固定于爬升装置20上方的打印装置10提供稳定的支撑；所述液压顶升机构23包括液压顶升油缸及其驱动单元，液压顶升油缸的缸体固定在框架式连系梁二22上，其活塞连接在框架式连系梁一21上，且缸体和活塞具有适当的长度，以保证伸长状态的长度能够满足打印装置10的作业要求；所述驱动单元与动力控制系统通信连接，动力控制系统能够向驱动单元发送控制指令并同步控制液压顶升油缸的顶升和下降，使得框架式连系梁一21能够以框架式连系梁二22为基础逐步相对于已打印建筑体1向上移动，进而带动打印装置10向上移动。另外需指出的是，打印装置10和爬升装置20均与动力控制系统通信连接，因动力控制系统不在本实用新型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。爬升装置20框架式连系梁之间的液压顶升机构23在动力控制系统的控制下进行伸缩运动，使得框架式连系梁能够带动打印装置10逐步地相对于已打印建筑体1沿z轴向上移动，进而使得上述打印装置10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；综上所述，该3D打印装置通过连接多个打印头16在同一作业面同时施工，提高了施工效率，而且，它能够通过自动控制爬升装置20框架式连系梁的交替爬升来实现打印装置10的连续稳定爬升，以适应不同的建筑高度，爬升过程无需人工敷设导轨段，不但减轻了施工人员的劳动强度，而且避免了导轨段的安装对建筑体墙体的破坏，在保证施工安全可靠的同时还提高了工作效率。

上述附着装置包括横向液压机构24和扩展板25，横向液压机构24的一端铰接在框架式连系梁上，其另一端与扩展板25固接后抵靠在已打印建筑体1的外立面，上述横向液压机构24的驱动单元与动力控制系统通信连接，能够同步控制连接在同一框架式连系梁上的横向液压机构24的伸长和收缩，进而使得框架式连系梁附着或脱离已打印建筑体1的外立面。上述横向液压机构24的数量可以根据建筑物体量的大小，及保证打印装置10稳定性的前提下进行相应设置。扩展板25的设置，使得横向液压机构24与已打印建筑体1外立面的接触面积增大，且接触均匀，两者之间具有足够的摩擦力，既保证扩展板25在已打印建筑体1墙体上的附着可靠有效，又能够避免横向液压机构24的端部对已打印建筑体1墙体的破坏。

综上所述，当横向液压机构24全部为伸长状态时，液压力对扩展板25施加压力而使扩展板25与已打印建筑体1的墙体之间产生摩擦力，通过摩擦力使两组框架式连系梁21、22均稳定附着在已打印建筑体1外立面上，从而实现两组框架式连系梁21、22的定位，若此时液压顶升机构23为收缩状态，则同步收缩连接在框架式连系梁一21上的横向液压机构24，使得框架式连系梁一21脱离已打印建筑体1的外立面，同步顶升液压顶升机构23，将框架式连系梁一21顶升至设定的高度，控制连接在框架式连系梁一21上的横向液压机构24伸长，使得框架式连系梁一21能够稳定附着在已打印建筑体1的外立面，然后，使连接在框架式连系梁二22上的横向液压机构24收缩，使框架式连系梁二22脱离已打印建筑体1的外立面，框架式连系梁二22在液压顶升机构23的带动下向上提升至一定高度后，控制连接在框架式连系梁二22上的横向液压机构24伸长，使得框架式连系梁二22稳定附着在已打印建筑体1的外立面，如此往复，通过控制两组框架式连系梁21、22的交替爬升，使爬升装置20相对于已打印建筑体1沿z轴方向逐步爬升，并配合打印装置10实现建筑体各横截面层自下向上的逐层打印施工。

待建筑物打印完成后，控制两组框架式连系梁21、22的横向液压机构24同时收缩，使其脱离已打印建筑体1，整体吊运3D打印装置；或者，松开打印装置10的竖杆12与爬升装置20顶端的螺栓连接，并使爬升装置20脱离已打印建筑体1的外立面，分别吊运打印装置10和爬升装置20；或者，使多个打印头横梁13靠近滑道11a一侧，控制两组框架式连系梁21、22交替下降至已打印建筑体1的底部，并使爬升装置20脱离已打印建筑体1，再拆除该3D打印装置。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型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 (10)

1.3D打印装置的格构式支撑结构，所述3D打印装置包括位于待打印建筑物横截面层顶部的打印装置；所述打印装置包括一闭合的轨道框架，两端能够沿所述轨道框架滑动的至少两个打印头横梁，每根所述打印头横梁上设置至少一个能够沿所述打印头横梁滑动的打印头，所述轨道框架的底部设有若干能够与所述待打印建筑物的地坪连接的竖杆；其特征在于：

所述格构式支撑结构包括连接于所述打印头横梁上部，且竖向设置的格构式支撑框架一，所述格构式支撑框架一是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。

2.根据权利要求1所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架一沿其轴线对称，且其对称轴与所述打印头横梁的纵轴线重合。

3.根据权利要求2所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架一的高度从中部到端部逐渐变小，所述格构式支撑框架一由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元一的中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元一通过侧翼缘与所述打印头横梁的两端连接，形成位于两侧的框架单元二，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线。

4.根据权利要求3所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架一的各杆件之间均为铰接，所述打印头横梁上固接有若干竖向设置的转接板一，所述格构式支撑框架一的杆件与所述转接板一铰接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述打印头横梁的两端设有滑块或滚轮组，所述轨道框架具有至少一对对称设置且横截面呈C形的滑道，所述滑块或滚轮组与所述滑道滑动配合，使得所述打印头横梁的两端能够沿所述轨道框架的滑道滑动。

6.根据权利要求5所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑结构还包括连接于所述滑道上部，且竖向设置的格构式支撑框架二，所述格构式支撑框架二是由型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。

7.根据权利要求6所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架二沿其轴线对称，且其对称轴与所述滑道的纵轴线重合。

8.根据权利要求7所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架二的高度从中部到端部逐渐变小，所述格构式支撑框架二由至少四个框架单元依次连接而成，其中，沿对称轴对称的两个框架单元A的中心翼缘和相邻两根腹杆之间连接有斜杆，两个所述框架单元A通过侧翼缘与所述滑道的两端连接，形成位于两侧的框架单元B，所述中心翼缘与所述侧翼缘构成连续的折线或弧线。

9.根据权利要求8所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述格构式支撑框架二的各杆件之间均为铰接，所述滑道上固接有若干竖向设置的转接板二，所述格构式支撑框架二的杆件与所述转接板二铰接。

10.根据权利要求1至4任一项所述的格构式支撑结构，其特征在于：所述3D打印装置还包括附着在已打印建筑体的外立面，并能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降的爬升装置，所述爬升装置包括两组框架式连系梁，且两组所述框架式连系梁通过若干液压顶升机构连接成一个整体框架结构，每组所述框架式连系梁通过附着装置连接在所述已打印建筑体的外立面；

所述液压顶升机构包括液压顶升油缸及其驱动单元，所述液压顶升油缸的缸体和活塞分别固定在两组所述框架式连系梁上，所述驱动单元能够控制所述液压顶升机构同步顶升或下降，进而带动所述框架式连系梁做相应的运动，使得所述爬升装置能够逐步相对于所述已打印建筑体爬升或下降；

所述附着装置包括横向液压机构和扩展板，所述横向液压机构包括液压油缸及其驱动单元，所述液压油缸的一端连接在所述框架式连系梁上，所述液压油缸的另一端固接所述扩展板后与所述已打印建筑体的外立面相抵，所述驱动单元能够控制连接在同一框架式连系梁上的所述液压油缸同步伸长或收缩，进而使得相应的所述框架式连系梁附着或脱离所述已打印建筑体的外立面。