一种塔式3d打印机及其打印方法

一种塔式3d打印机及其打印方法
【专利摘要】本发明适用于建筑行业，提供了一种塔式3D打印机，包括塔吊、物料添加系统、控制系统、机动系统、物料导管和打印系统；所述控制系统分别与所述物料添加系统、所述机动系统相连接，用于建立3D模型、控制打印系统按3D模型进行打印和向机动系统发送控制指令；所述物料添加系统通过物料导管与打印系统相连接，用于存储建筑物料和向打印系统传送建筑物料；所述打印系统固定在所述塔吊上，分别与机动系统、物料添加系统和控制系统电连接，用于打印3D建筑；所述机动系统安装在所述塔吊上，用于控制所述塔吊和所述打印系统的运动。所述的塔式3D打印机，可以省略大部分手动施工作业，节约了大量劳动力、物力和施工成本。
【专利说明】一种塔式3D打印机及其打印方法
【技术领域】
[0001]本发明属于3D打印【技术领域】，尤其涉及一种塔式3D打印机及其打印方法。
【背景技术】
[0002]塔吊是一种重要的起重设备，在工程建设方面应用广泛，根据塔吊使用情况、受力结构和起重大小，塔吊可以分为很多种类和型号，如平臂塔吊、动臂塔吊等。平臂塔吊一定范围内沿着塔架竖直爬升，从而增加塔吊吊装高度，同时，其平臂可以在操作人员的控制下在水平面上平臂半径范围内旋转，从而实现平臂半径范围内及起重范围内的构件吊装。
[0003]随着3D打印技术的发展并逐渐成熟，3D打印技术给制造业带来技术革新。在劳动力密集型的建筑行业，如能引入3D打印技术进行工程施工生产，在施工效率，生产成本，工程工期，机械化自动化水平提高等方面均能有很大程度的提高。因此，如何设计一款适用于建造施工用的3D打印设备是值得研究的问题。

【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可进行3D打印的塔式3D打印机及塔式3D打印机的打印方法。
[0005]本发明是这样实现的，一种塔式3D打印机，包括塔吊、物料添加系统、控制系统、机动系统、物料导管和打印系统；
[0006]所述控制系统分别与所述物料添加系统、所述机动系统相连接，用于建立3D模型、控制打印系统按所述3D模型进行打印，还用于向所述机动系统发送控制指令；
[0007]所述物料添加系统通过所述物料导管与所述打印系统相连接，用于存储建筑物料并通过所述物料导管向所述打印系统传送所述建筑物料；
[0008]所述打印系统固定在所述塔吊上，分别与所述机动系统、所述物料添加系统和所述控制系统电连接，用于打印3D建筑；
[0009]所述机动系统安装在所述塔吊上，用于控制所述塔吊和所述打印系统的运动，使打印系统精确定位到需要打印的位置上。
[0010]进一步地，所述打印系统包括打印机头和激光控制头；所述激光控制头安装在所述打印机头的下方，用于将物料熔化、凝固和成型；所述打印机头根据所述控制系统的控制进行精确定位打印位置。
[0011]进一步地，所述塔吊包括塔架、升降架、塔吊平臂、滑动架和缆绳；
[0012]所述升降架安装在所述塔架上，用于调整塔吊的上下运动；所述塔吊平臂转动连接在所述塔架上，在所述机动系统的控制下能以塔架为轴心转动；所述滑动架可滑动地连接在所述塔吊平臂上，且通过所述缆绳固定所述打印系统。
[0013]进一步地，所述机动系统包括发动机、数控模块和单片机；所述单片机分别与所述发动机和所述数控模块相连接，用于接收所述控制系统的指令并向所述数控模块和所述发动机发送控制指令；所述数据模块通过控制所述发动机的转动来控制所述塔吊平臂、所述滑动架和所述升降架的运动。
[0014]进一步地，所述控制系统安装有3D建模软件，所述3D建模软件用于制作需要打印的3D建筑模型；所述控制系统还安装有控制软件，所述控制软件用于向所述机动系统发送控制指令、控制物料的流动速度和控制所述激光控制头的参数及温度。
[0015]本发明还提供一种塔式3D打印机的打印方法，该打印方法采用如上任一所述的塔式3D打印机，包括以下步骤:
[0016]加入3D打印所需要的建筑物料；
[0017]建立需要打印的3D模型，并根据所述3D模型的坐标位置向机动系统发送控制指令；
[0018]所述机动系统根据所述控制指令控制塔吊的运动，使打印系统精确定位到需要打印的坐标位置上；
[0019]定好坐标位置后，控制建筑物料通过物料导管向打印系统输送建筑物料并进行3D打印。
[0020]进一步地，在加入打印所需的建筑物料时还需要按一定比例增加粘合剂。
[0021]进一步地，所述打印系统定位打印位置时，先由控制系统发出总控制指令给所述机动系统，再由所述机动系统控制塔吊的上下运动、水平运动和控制打印系统的位置滑动，从而达到需要打印的精确位置。
[0022]进一步地，在进行3D打印时，所述控制系统控制物料的流动速度和控制所述打印系统的参数与温度。
[0023]本发明与现有技术相比，有益效果在于:通过塔式3D打印机进行3D打印建筑，可以省略了大部分工人施工现场手动施工作业，在建造时只需要技术人员管理设备运营，材料准备和现场管理，节约了大量劳动力和物力，同时，通过在地上的控制系统控制所述机动系统进行控制塔吊的水平移动和上下高度的调节，避免了需要人员在高空作业带来的危险。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例提供的塔式3D打印机的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]如图1所不,为本发明一较佳的实施例，一种塔式3D打印机,包括塔吊100、物料添加系统300、控制系统400、机动系统200、物料导管106和打印系统500。所述控制系统400分别与物料添加系统300、机动系统200相连接，用于建立3D模型、控制打印系统500按所述3D模型进行打印，还用于向所述机动系统200发送控制指令。物料添加系统300通过物料导管106与所述打印系统500相连接，用于存储建筑物料并通过物料导管106向打印系统500传送所述建筑物料。打印系统500固定在所述塔吊100上，分别与机动系统200、物料添加系统300和控制系统400电连接，用于打印3D建筑。机动系统200安装在所述塔吊100上，用于控制塔吊100和打印系统500的运动，使打印系统500精确定位到需要打印的
位置上。
[0027]塔吊100包括塔架104、升降架103、塔吊平臂101、滑动架102和缆绳105，升降架103安装在塔架104上，用于调整塔吊100的上下运动。所述塔吊平臂101转动连接在塔架104上且可以在机动系统200的控制下以塔架104为轴心转动。滑动架102可滑动地连接在塔吊平臂101上，缆绳105的一端固定在滑动架102上，另一端用于固定打印系统500。
[0028]所述打印系统500包括打印机头501和激光控制头502 ;激光控制头502安装在打印机头501的下方，用于将物料熔化、凝固和成型。打印机头501根据所述控制系统400的控制进行精确定位打印位置。图1中108为3D打印过程中熔化的建筑物料，109为打印好的建筑。打印时，通过控制系统400控制塔吊平臂101在水平面(x，y，O)上移动，找到精确位置进行打印，同时控制系统400也可以控制塔架104进行上升或下降，控制打印机头501上下自由升降，实现打印机头501在三维立体空间内精确定位。在控制系统400控制下，建筑物料通过物料导管106到达打印机头501处，激光控制头502利用激光技术实现建筑物料的速熔速凝作用从而达到快速成型，实现立体建筑工程层层堆积而达到三维建设的效果O
[0029]所述机动系统200包括发动机、数控模块和单片机(未在图中标示出来);所述单片机分别与所述发动机和所述数控模块相连接，用于接收所述控制系统400的指令并向所述数控模块和所述发动机发送控制指令；所述数据模块通过控制所述发动机的转动来控制所述塔吊平臂101、所述滑动架102和所述升降架103的运动。其中从控制系统400向机动系统200和打印系统500传送电源和信号数据的电源线和信号线107的布线与物料导管106的走向一致。通过机构系统200中的电路控制及控制系统400中的软件控制，达到控制塔吊平臂101在水平范围内移动和升降架103在一定范围内升降，从而实现打印机头501能够在三维空间内精确定位进行打印，并且可以实现控制打印机头501移动的速度。
[0030]所述控制系统400可以采用工业电脑加装控制卡、驱动卡的形式控制，且控制系统400安装有3D建模软件，所述3D建模软件用于制作需要打印的3D建筑模型。所安装的3D建模软件，目前比较实用的有开源3D模型设计软件。比如，所安装的3D建模软件可以为=Blender，它是最受欢迎的免费开源3D模型制作软件套装；0penSCAD是一款基于命令行的3D建模软件，可以产生CSG文件，特长是制作实心3D模型；Art of Illusion是开源的3D模型和渲染软件；FreeCAD是来自法国Matra Datavision公司的一款开源免费3D CAD软件，基于CAD/CAM/CAE几何模型核心，是一个功能化、参数化的建模工具；Wings3D是一个开源免费的3D建模软件，适合创建细分曲面模型；BRL-CAD是一款强大的跨平台开源实体几何(CSG)构造和实体模型计算机辅助设计(CAD)系统；SketchUp是谷歌Google的一个免费交互式的3D模型程序，不仅适合高级用户，也适合初学者；AUtodeskl23D是欧特克公司的产品，是一个免费3D模型软件，目前只支持Windows系统；MeshMiXer是一个3D模型工具，也是Autodesk公司的产品。
[0031]所述控制系统400还安装有控制软件，所述控制软件用于向所述机动系统200发送控制指令、用于控制物料的流动速度和控制所述激光控制头502的参数及温度。
[0032]在所述的塔式3D打印机的基础上，一种塔式3D打印机的打印方法，包括以下步骤:加入3D打印所需要的建筑物料；建立需要打印的3D模型，并根据所述3D模型的坐标位置向机动系统200发送控制指令；所述机动系统200根据控制指令控制塔吊的运动，使打印系统500精确定位到需要打印的坐标位置上；定好打印位置后，控制建筑物料通过物料导管106向打印系统500输送建筑物料并进行3D打印。
[0033]在物料准备齐全，并满足相应的粒度要求或尺寸要求时，还需要按一定比例增加粘合剂，并混合均匀。在物料添加系统300处填加物料时，需要时刻注意物料剩余情况和各种配料的匹配比例是否符合要求。
[0034]准备需要打印的3D模型时，在控制系统400的电脑上可以采用3D扫描导入模型、直接导入模块或者在软件上直接建模，并按工程建造要求设置3D打印精度，在物料准备齐全的情况下进行3D打印。
[0035]在进行3D打印时，需要控制系统400控制好物料的流动速度、打印机头501的移动速度、激光控制头502的参数与温度等参数，并刻观察3D打印工程建筑实体，出现问题时及时调整相应的参数。
[0036]优选的，塔式3D打印机的塔吊平臂101大约为50m,实现了全球最大的3D打印机，在打印时不需要通过打印小型零件后再进行组织成大型实体，一步到位的打印不仅可以节省很多中间环节的工作，还可以避免安装过程中产生的误差。
[0037]所述的塔式3D打印机，在建筑施工时可以省略了大部分工人施工现场手动施工作业，只需要技术人员管理设备运营，材料准备和现场管理，节约了大量劳动力、物力和施工成本，同时，提高工程建设信息化、自动化及可视化施工技术水平。
[0038]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种塔式3D打印机，其特征在于，包括塔吊、物料添加系统、控制系统、机动系统、物料导管和打印系统； 所述控制系统分别与所述物料添加系统、所述机动系统相连接，用于建立3D模型、控制打印系统按所述3D模型进行打印，还用于向所述机动系统发送控制指令； 所述物料添加系统通过所述物料导管与所述打印系统相连接，用于存储建筑物料并通过所述物料导管向所述打印系统传送所述建筑物料； 所述打印系统固定在所述塔吊上，分别与所述机动系统、所述物料添加系统和所述控制系统电连接，用于打印3D建筑； 所述机动系统安装在所述塔吊上，用于控制所述塔吊和所述打印系统的运动，使打印系统精确定位到需要打印的位置上。
2.根据权利要求1所述的塔式3D打印机，其特征在于，所述打印系统包括打印机头和激光控制头；所述激光控制头安装在所述打印机头的下方，用于将物料熔化、凝固和成型；所述打印机头根据所述控制系统的控制进行精确定位打印位置。
3.根据权利要求1所述的塔式3D打印机，其特征在于，所述塔吊包括塔架、升降架、塔吊平臂、滑动架和缆绳； 所述升降架安装在所述塔架上，用于调整塔吊的上下运动；所述塔吊平臂转动连接在所述塔架上，在所述机动系统的控制下能以塔架为轴心转动；所述滑动架可滑动地连接在所述塔吊平臂上，且通过所述缆绳固定所述打印系统。
4.根据权利要求3所述的塔式3D打印机，其特征在于，所述机动系统包括发动机、数控模块和单片机；所述单片机分别与所述发动机和所述数控模块相连接，用于接收所述控制系统的指令并向所述数控模块和所述发动机发送控制指令；所述数据模块通过控制所述发动机的转动来控制所述塔吊平臂、所述滑动架和所述升降架的运动。
5.根据权利要求2所述的塔式3D打印机，其特征在于，所述控制系统安装有3D建模软件，所述3D建模软件用于制作需要打印的3D建筑模型；所述控制系统还安装有控制软件，所述控制软件用于向所述机动系统发送控制指令、控制物料的流动速度和控制所述激光控制头的参数及温度。
6.一种塔式3D打印机的打印方法，其特征在于，该打印方法采用权利要求1至5中任一所述的塔式3D打印机，包括以下步骤: 加入3D打印所需要的建筑物料； 建立需要打印的3D模型，并根据所述3D模型的坐标位置向机动系统发送控制指令； 所述机动系统根据所述控制指令控制塔吊的运动，使打印系统精确定位到需要打印的坐标位置上； 定好坐标位置后，控制建筑物料通过物料导管向打印系统输送建筑物料并进行3D打印。
7.根据权利要求6所述的塔式3D打印机的打印方法，其特征在于，在加入打印所需的建筑物料时还需要按一定比例增加粘合剂。
8.根据权利要求6所述的塔式3D打印机的打印方法，其特征在于，所述打印系统定位打印位置时，先由控制系统发出总控制指令给所述机动系统，再由所述机动系统控制塔吊的上下运动、水平运动和控制打印系统的位置滑动，从而达到需要打印的精确位置。
9.根据权利要求6所述的塔式3D打印机的打印方法，其特征在于，在进行3D打印时，所述控制系统控制物料的流动速度和控制所述打印系统的参数与温度。
【文档编号】B28B1/00GK103786235SQ201410009382
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】廖选茂, 戴立先, 马义俊, 李春田, 陈振明, 范彩霞, 廖彪, 温小勇, 孔维拯 申请人:中建钢构有限公司