模块化三轴自适应的移动式3D打印装置与方法与流程

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种模块化三轴自适应的移动式3D打印装置与方法。

背景技术：

我国相继出台一系列包括《国家高技术研究发展计划(863计划)》、《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》和《中国制造2025》等纲领性文件，均将3D打印技术作为优先发展的国家战略。目前，建筑业的自动化水平与其他行业相比尚显落后，其发展迫切需要转型升级。建筑工程3D打印技术具有自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少等特点，是实现传统建筑业转型升级的一种重要手段，是解决建筑高效、安全、数字化、自动化、智能化建造的有效途径。

然而，现有的3D打印装置一旦生产，水平面内(X、Y轴方向)不能调节且不能移动，竖向(Z轴方向)爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，只适用于小型、结构简单的建(构)筑物施工，且建(构)筑物的长宽尺寸不能超过现有的打印设备范围，对于城市综合体等大范围大量建筑物且包含异形复杂构筑物施工而言，不仅不适用且其效率十分低下。因此，研发一种能够适用于大范围大量建(构)筑物施工的模块化三轴可扩展的移动式3D打印装置和方法是本领域迫切需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模块化三轴自适应的移动式3D打印装置与方法，能够解决采用现有的3D打印装置和方法在水平面打印范围不能扩展且装置不能移动，竖向爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，只适用于小型、结构简单的建(构)筑物施工，且打印施工效率地下等技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一种模块化三轴自适应的移动式3D打印装置，包括：

包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及与其连接的实体建筑3D打印装置200，其中，

所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100，包括：

可扩展的模块化地面导轨110；

设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；

设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；

所述实体建筑3D打印装置200，包括：

设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；

设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；

设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接。

进一步的，在上述装置中，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置可实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。

进一步的，在上述装置中，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。

进一步的，在上述装置中，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向模块化稳定导轨133、连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，

每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；

每根Z方向稳定导轨顶部150均设置有可实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；

每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和可实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；

每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和可实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。

进一步的，在上述装置中，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；

所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；

所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。

根据本发明的另一面，提供一种采用上述模块化三轴自适应的移动式3D打印装置的打印方法，包括：

通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置200发送控制指令，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制竖向打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制竖向打印头250实现X方向的移动，通过控制竖向打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现建(构)筑物各建筑截面层打印施工，并通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至建(构)筑物上一建筑截面层后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现建(构)筑物自下向上逐层沿Z方向打印。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若已打印施工建(构)筑物400的高度超过Z方向打印范围，与Z方向稳定导轨133高度相同时，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过Z方向稳定导轨扩展连接件163加长Z方向稳定导轨133，启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至超过已打印施工建(构)筑物一定高度后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现打印装置整体向上顶升并逐层打印。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若建(构)筑物500超过Y方向的打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度时，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长Y方向地面导轨112，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长下层Y方向稳定导轨132和上层Y方向稳定导轨132，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向打印区域进一步扩大。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若建(构)筑物超600过X方向打印装置范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度时，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长X方向地面导轨111，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161分别加长下层X方向稳定导轨131和上层X方向稳定导轨131，调节XY方向驱动车轮120沿着加长后的X方向稳定导轨131行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

与现有技术相比，本发明通过模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及与其连接的实体建筑3D打印装置200，解决传统建筑施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，竖向爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，打印装置采用模块化导轨，可三轴自适应扩展且可移动，适用于大范围大量异形复杂建(构)筑物建造施工。

附图说明

图1是本发明一实施例的模块化三轴自适应的移动式3D打印装置的结构图；

图2是本发明一实施例的建筑400打印施工及Z方向打印范围扩展示意图；

图3是本发明一实施例的Z方向打印范围扩展后建筑400继续打印施工示意图；

图4是本发明一实施例的建筑500打印施工及Y方向打印范围扩展示意图；

图5是本发明一实施例的Y方向打印范围扩展后建筑600打印施工示意图；

图6是本发明一实施例的建筑600X方向打印范围扩展示意图；

图7是本发明一实施例的X方向打印范围扩展后建筑600继续打印施工示意图；

100-模块化三轴驱动导向自适应扩展装置：

110-模块化地面导轨，111-X方向地面导轨，112-Y方向地面导轨，113-X方向地面导轨扩展连接件，114-Y方向地面导轨扩展连接件；120-XY方向驱动车轮，130-XYZ方向模块化稳定导轨，131-X方向稳定导轨，132-Y方向稳定导轨，133-Z方向稳定导轨；140-转动顶升驱动；150-Z方向顶升制动驱动；160-XYZ方向稳定导轨扩展连接件，161-X方向稳定导轨扩展连接件，162-Y方向稳定导轨扩展连接件，163-Z方向稳定导轨扩展连接件；170-XY方向驱动制动，171-X方向驱动制动，172-Y方向驱动制动；

200-实体建筑3D打印装置：

210-打印头导轨横梁；220-Y方向打印头导轨驱动；230-打印头横梁制动；240-打印头导轨横梁扩展连接件；250-打印头；260-X方向打印头驱动制动；

300-建筑材料。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种模块化三轴自适应的移动式3D打印装置，包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及与其连接的实体建筑3D打印装置200，其中，

所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100，包括：

可扩展的模块化地面导轨110；

设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；

设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；

所述实体建筑3D打印装置200，包括：

设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；

设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；

设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接。

优选的，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置可实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。

优选的，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。

优选的，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向模块化稳定导轨133、连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，

每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；

每根Z方向稳定导轨顶部150均设置有可实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；

每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和可实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；

每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和可实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。

优选的，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；

所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；

所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。

如图1所示，根据本发明的另一面，还提供一种采用上述模块化三轴自适应的移动式3D打印装置的打印方法，所述方法包括：

通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置200发送控制指令，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制竖向打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制竖向打印头250实现X方向的移动，通过控制竖向打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现建(构)筑物各建筑截面层打印施工，并通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至建(构)筑物上一建筑截面层后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现建(构)筑物自下向上逐层沿Z方向打印。

优选的，如图2和3所示，所述方法还包括：

若已打印施工建(构)筑物400的高度超过Z方向打印范围，与Z方向稳定导轨133高度相同时，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过Z方向稳定导轨扩展连接件163加长Z方向稳定导轨133，启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至超过已打印施工建(构)筑物一定高度后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现打印装置整体向上顶升并逐层打印。

如图4和5所示，优选的，所述方法还包括：

若建(构)筑物500超过Y方向的打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度时，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长Y方向地面导轨112，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长下层Y方向稳定导轨132和上层Y方向稳定导轨132，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

如图6和7所示，优选的，所述方法还包括：

若建(构)筑物600超过X方向打印装置范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度时，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长X方向地面导轨111，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161分别加长下层X方向稳定导轨131和上层X方向稳定导轨131，调节XY方向驱动车轮120沿着加长后的X方向稳定导轨131行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

需要说明的是，模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及实体建筑3D打印装置200均与动力控制系统(图中未画出)通信连接，且动力控制系统均可向XY方向驱动车轮120、转动顶升驱动140、Z方向顶升制动驱动150、X方向驱动制动171、Y方向驱动制动172、Y方向打印头导轨驱动220、X方向打印头驱动制动260发送控制指令，因动力控制系统不在本发明的保护范围内，故对其结构及连接关系不作具体阐述。

本发明的主要优势在于解决传统建筑施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，竖向爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，打印装置采用模块化导轨，可三轴自适应扩展且可移动，适用于大范围大量异形复杂建(构)筑物建造施工。

一具体应用实施例中，某城市综合体施工，拟采用所开发的系统。其打印建造流程如述方法，如此循环逐层向上顶升打印，逐步自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围，实现打印范围的三轴自适应扩展，完成大范围大量异形复杂实体建(构)筑物的打印施工。Z方向打印范围扩展如图2和图3所示；Y方向打印范围扩展如图4和图5所示；X方向打印范围扩展如图6和图7所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。