区块分布式单轴移动多轨并联式3d打印装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型的一种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，涉及建筑施工技术领域，针对现有3D打印装置单打印头工作效率低下且精度不高的问题。它包括爬升装置和打印装置，爬升装置包括固定于已打印建筑体外立面的爬升导轨以及能够沿着爬升导轨相对于已打印建筑体垂直运动的爬升构件；打印装置包括与爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于轨道框架中的打印头横梁，轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根打印头横梁，位于同一网格单元中的所有打印头横梁固定连接在一起，打印头横梁的两端能够沿着轨道横梁滑动，每根打印头横梁上密布打印头。
【专利说明】
区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置。
【背景技术】
[0002]3D打印建筑具有自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少的优势。然而，建筑结构通常体量巨大，现有的3D打印装置采用单打印头，仅仅适用于住宅建筑、小型场馆等小体量建筑的施工，无法较好地适用于体量巨大的建筑物的施工。因此，如何提供一种适用于大体量建筑物施工的性能可靠、打印效率高且打印精度高的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【实用新型内容】
[0003]针对现有3D打印装置的单打印头工作效率低下，打印精度不高，不能满足大体量建筑物的施工需要的问题，本实用新型的目的是提供一种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，该3D打印装置通过将由轨道横梁和连系梁组成的轨道框架划分为若干面积相等的区块，每个区块内设置至少两个打印头横梁，位于相同区块内的所有打印头横梁平行间隔设置，且其两端分别通过一对平行的连接板连为一体结构，每根打印头横梁上均密布打印头，从而使得位于相同区块内的所有打印头横梁同步沿着轨道横梁水平移动，一方面将3D打印装置在水平面内的双向移动变为单轴单向移动，从而可以提高3D打印装置的可靠性，另一方面每根打印头横梁均密布打印头，从而打印头横梁每移动一次即可完成一层建筑横截面层的打印，而且不同区块的打印头横梁的运动各自独立，显著提高了打印效率。而且，通过将轨道框架划分区块，每个区块间隔设置多个连接为一体结构的打印头横梁，能够防止打印头横梁产生竖向位移，而且打印头与打印头横梁同步移动，从而提高了打印精度。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，包括爬升装置和打印装置，所述爬升装置包括固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨以及能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体垂直运动的爬升构件;所述打印装置包括与所述爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于所述轨道框架中的打印头横梁，所述轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，所述网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根所述打印头横梁，位于同一网格单元中的所有所述打印头横梁固定连接在一起，所述打印头横梁的两端能够沿着所述轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上密布打印头。
[0006]进一步地，位于同一网格单元中的所有所述打印头横梁的同侧端分别与同一连接板固定连接，所述轨道横梁上设有与所述连接板滑动配合且横截面呈C形的滑道，使得位于同一所述网格单元中的所有所述打印头横梁能够同步沿着所述轨道横梁移动。
[0007]进一步地，还包括打印头杆，所述打印头通过所述打印头杆与所述打印头横梁固定连接。
[0008]进一步地，所述轨道框架的底部还固接有若干竖杆，所述轨道框架通过所述竖杆与所述爬升构件的顶端刚性连接。
[0009]进一步地，所述爬升导轨通过若干附墙连杆固定于所述已打印建筑体的外立面。
[0010]进一步地，所述打印头杆可伸缩，所述打印头杆的伸缩范围为O?200mm。
[0011]本实用新型的效果在于:本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，包括爬升装置和打印装置，爬升装置包括固定于已打印建筑体外立面的爬升导轨，以及能够沿着爬升导轨相对于已打印建筑体垂直运动的爬升构件;打印装置包括与爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于轨道框架中的打印头横梁，轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根打印头横梁，位于同一网格单元中的所有打印头横梁固定连接在一起，打印头横梁的两端能够沿着轨道横梁滑动，每根打印头横梁上密布打印头。该3D打印装置为单向移动打印，有效提高了3D打印装置的可靠性。而且固接设置于同一网格单元内的至少两根打印头横梁42上均密布打印头50，打印头50在水平打印面上与打印头横梁42同步移动，从而固接为一体结构的所有打印头横梁42每次单向水平移动可以进行与打印头横梁42数量相等层数的建筑体横截面层的打印，因此显著提高了打印效率。此外，将打印装置划分为若干个等面积的网格单元，缩短了单根打印头横梁的长度，减小了打印头横梁的挠度，防止打印头横梁产生竖向位移，由于打印头在水平打印面上与打印头横梁同步移动，从而提尚了打印精度。
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型一实施例区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置安装于已打印建筑体上的示意图；
[0013]图2为图1的俯视图；
[0014]图3为本实用新型一实施例中打印头横梁的俯视图；
[0015]图4为本实用新型一实施例中打印头横梁和打印头的连接示意图。
[0016]图中:
[0017]10-已打印建筑体;20-爬升导轨；30-爬升构件;40-打印装置，42-打印头横梁，43-轨道横梁，44-连系梁，45-连接板，46-附墙连杆;50-打印头。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置作进一步详细说明。根据下面的说明，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。
[0019]实施例一
[0020]结合图1至图4说明本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，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10高度延伸方向的xyz直角坐标系。
[0021]请参考图1至图4，上述区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置包括爬升装置(未图示)和打印装置40，爬升装置包括固定于已打印建筑体10的外立面的爬升导轨20以及能够沿着爬升导轨20相对于已打印建筑体10竖向移动的爬升构件30，爬升装置能够带动打印装置40相对于已打印建筑体10爬升或下降；打印装置40包括与爬升构件30顶端刚性连接的轨道框架(未图示)以及打印头横梁42，轨道框架包括若干相交固接的轨道横梁43和连系梁44组成的网格结构，轨道横梁43和连系梁44分别平行间隔设置，为了尽可能防止轨道横梁43产生挠度，使得连系梁44的两端分别与轨道框架边缘的轨道横梁43固定连接，连系梁44的中部固接于轨道框架内部的轨道横梁43的上方，网格结构的网格单元(一对平行间隔设置的轨道横梁43与另外一对平行且间隔设置的连系梁44首尾相接形成的一个水平框架结构)的相邻且平行的两个轨道横梁43之间设置至少两根打印头横梁42，位于同一网格单元中的所有打印头横梁42固定连接在一起，打印头横梁42两端能够沿着轨道横梁43滑动，每根打印头横梁42上密布打印头50。
[0022]前述刚性连接为焊接、螺栓连接等，本实施例优选螺栓连接，可实现打印装置40与爬升构件30的快速组装及拆卸。另外需指出的是，打印装置40和爬升构件30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。由于爬升导轨20附着固定于已打印建筑体10的外立面，从而爬升导轨20可以采用逐步加长升高的方式随着已打印建筑体10的升高而升高，具体方法可以参照起重塔吊施工中塔身标准节的增高原理，此处不做赘述。而且为了保证爬升构件30的正常爬升，该爬升导轨20的高度大于对应的已打印建筑体10横截面层的高度。此外，该爬升导轨20同时作为打印装置40的支撑装置。
[0023]针对目前建筑体结构体量巨大，而现有3D打印装置不仅打印尺度有局限，打印精度不高，而且只有一个打印头，无法应用于大体量建筑物施工的缺陷，本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，在打印装置40的轨道框架上设置若干平行间隔设置的轨道横梁43，在轨道框架的另外两侧的连系梁44内增设若干平行且等间距设置的连系梁44，从而将打印装置40划分为若干个等面积的网格单元(打印区块)。与常规的仅由一对平行设置的轨道横梁43与一对平行设置的连系梁44组成的框架结构式轨道框架相比，本实用新型在轨道框架内增设若干平行且等间距设置的轨道横梁43，本实用新型的打印装置40中每个网格单元内的相邻的两个轨道横梁43之间设置至少两根打印头横梁42，打印头横梁42上密布能够独立控制是否喷涂建筑物料的打印头50，从而将打印装置40的每个网格单元中XY平面内由双向移动打印变为单向移动打印，有效提高了 3D打印装置40的可靠性。而且位于同一网格单元内且固接设置于同一对轨道横梁43之间的至少两根打印头横梁42的每次单向水平移动可以进行至少两层的打印，有几根打印头横梁42就可以实现与打印头横梁42相应数量的层数的打印，因此显著提高了打印效率。此外，由于每根打印头横梁42上均密布打印头50，故无需移动打印头50，而仅需在XY水平打印面上移动一次多个固接为一体的打印头横梁42即可完成连续多层建筑横截面层的打印，进一步提高了打印效率。较佳地，将打印装置40划分为若干个等面积的打印区块，缩短了单根打印头横梁42的长度，减小了打印头横梁42的挠度，防止打印头横梁42产生竖向位移，而且打印头50与打印头横梁42同步移动，也就是说，打印头50在打印头杆51的作用下，仅能够改变垂直方向的伸长量，而不可沿着打印头横梁42滑动，从而提高了打印精度。当然，通过在已打印建筑体10外立面设置爬升导轨20，爬升构件30在动力控制系统的控制下沿着爬升导轨20进行爬升和下降运动，而爬升构件30与轨道框架固定连接，从而使得爬升构件30能够带动打印装置40逐步相对于已打印建筑体10逐步地相对于已打印建筑体I沿z轴向上移动，进而使得打印装置40由下至上逐步完成建筑体各横截面层的打印施工。
[0024]可见，与传统打印头横梁42移动一遍，只能完成一个建筑体横截面层相比，本实用新型中将一个网格单元内的多个打印头横梁42的相对位置固定，而每个打印头横梁42上密布能够独立控制的打印头50，从而每个网格单元内的所有打印头50与相应的打印头横梁42能够同步沿着所在网格单元的轨道横梁43沿作业面X轴方向移动，各打印头横梁42上的打印头50的高度沿打印头横梁42的前进方向逐个降低。也就是说，在同一网格单元内，每根打印头横梁42上的所有打印头50的高度一致，顺次相邻的各打印头横梁42上的打印头50呈阶梯状位于所述已打印建筑10上方的待打印高度处，位于第一位的打印头横梁42上的打印头50位置最低，位于最后一位的打印头横梁42上的打印头50的位置最高，从而位于第一位的打印头横梁42上的打印头50在X轴水平移动中喷出的建筑物料硬化后形成的建筑体横截面层可以作为位于第二位的打印头横梁42上的打印头50打印的基础，如此即可实现多层同步打印，有效提高了打印效率。
[0025]此外，将打印装置40划分为若干个等面积的网格单元，缩短了单个打印头横梁42的长度，减小了打印头横梁42的挠度，防止打印头横梁42产生竖向位移，而且减小了单个打印头50的打印范围，从而提高了打印精度。当然，通过在已打印建筑体10外立面设置爬升导轨20，爬升构件30在动力控制系统的控制下沿着爬升导轨20进行爬升和下降运动，而爬升构件30与轨道框架固定连接，从而使得爬升构件30能够带动打印装置40逐步相对于已打印建筑体10逐步地相对于已打印建筑体I沿z轴向上移动，进而使得打印装置40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。
[0026]较佳地，本实施例中位于同一网格单元中的所有打印头横梁42的同侧端分别与同一连接板45固定连接，轨道横梁43上设有与连接板45滑动配合且横截面呈C形的滑道。即一个网格单元中平行设置一对连接板45，两个连接板45分别设位于平行设置的一对轨道横梁43内，连接板45能够沿着轨道横梁43滑动，位于同一网格单元中的至少两根打印头横梁42的两端分别与同侧的连接板45垂直固接，也就是说，打印头横梁42横跨网格单元分别与两个不同的连接板45固定连接，从而位于同一网格单元中的所有打印头横梁42平行间隔固定于一对平行的连接板45上，使得位于同一网格单元中的至少两根打印头横梁42能够同步沿着轨道横梁43的滑道(S卩X轴方向)自由滑动。由于连接板45能够安全可靠地嵌装在滑道的C形开口腔内，因此，上述结构能够保证打印头横梁42在轨道框架上稳定运行。
[0027]另外，轨道框架的底部还固接有若干竖杆(未图示)，轨道框架通过竖杆与所述爬升构件30的顶端刚性连接，竖杆不但是轨道框架与爬升构件30的连接构件，而且还调整了两者的间距，以保证打印装置40与作业面保持适当的工作距离。
[0028]较佳地，为了取材方便，方便爬升导轨20的安装和拆卸，提高爬升导轨20与已打印建筑体10的连接牢固性，爬升导轨20通过若干附墙连杆46固定于已打印建筑体10的外立面。也就是说，附墙连杆46将爬升导轨20的荷载传递至已打印建筑10标高相等且相邻的两面墙上，从而防止爬升导轨20倾覆。为了进一步增加爬升导轨20的安装稳定性，爬升导轨20的底端固定于地面上。
[0029]请继续参阅图1至图4，本实施例还提供了本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置的打印方法，本实施例是以标高±0.000以上的建筑物的施工为例，具体步骤如下:
[0030]SOOl:安装区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，使轨道框架稳定附着在已打印建筑体10的外立面，使打印装置40的打印头50位于已打印建筑体10上方适当高度，并位于初始位置。
[0031]S002:通过动力控制系统向打印装置40发送控制指令，使各打印头横梁42沿着轨道横梁43移动，同时使得打印头50喷出建筑物料，打印头横梁50每移动一次，即完成与打印头横梁42数量相等的一段建筑体横截面层的打印施工，该段建筑体横截面层的打印层数与打印头横梁42的根数相等。
[0032]S003:加长爬升导轨20至预定高度，并通过动力控制系统向爬升构件30发送控制指令，使轨道框架脱离已打印建筑体10的外立面，并使该轨道框架向上移动一设定距离至下一段待打印高度处并稳定附着于已打印建筑体10的外立面，从而将打印装置40顶升至下一段待打印高度处；
[0033]S004:反复上述步骤S002和S003，自下向上在已打印完成的一端建筑体横截面层的上方逐步完成与打印头横梁数量相等的建筑体横截面层的打印，直至完成建筑体整体的打印施工。
[0034]该区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置的打印方法，首先通过控制打印头横梁42移动，打印头横梁42每移动一次，即完成与打印头横梁42数量相等层数的一段建筑体横截面层的打印施工，然后加长爬升导轨20至预定高度处，启动控制装置使得爬升构件30能够相对于已打印建筑体10逐步向上爬升，进而使得轨道框架带动打印装置40顶升至下一段待打印高度处，如此循环，实现打印装置40自下向上逐步分段打印并整体爬升;该打印方法利用每个网格单元内固接为一体能够同步移动的多个打印头横梁42，而且每根打印头横梁42上密布与其在水平方向同步移动的打印头50，从而固接为一体结构同步移动的打印头横梁42每移动一次即可实现与打印头横梁42数量相等层数的连续多层建筑体横截面层的打印，显著提高了工作效率，而且爬升导轨20与已打印建筑体10通过附墙连杆40固定连接，保证了打印施工的安全性。
[0035]较佳地，为了实现打印头横梁42移动一次即完成与打印头横梁42数量相等层数的建筑体横截面层的打印，使得不同的打印头横梁42上的打印头50高度呈阶梯式分布，打印头杆51可伸缩，打印头杆51的伸缩范围为O?200mm，从而打印头50的伸长量范围为O?200mmo
[0036]较佳地，本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置的拆除方法为:待建筑物打印完成后，断开爬升构件30与轨道框架之间的连接，使得与轨道框架固定连接的打印装置40脱离已打印建筑体1，整体吊运区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置;或者，松开轨道框架的竖杆与爬升构件30顶端的螺栓连接，并使爬升构件30脱离已打印建筑体10的外立面，分别吊运打印装置40和爬升构件30以及爬升导轨20。
[0037]上述步骤SOOl中，已打印建筑体10的高度需小于爬升导轨20的高度，可直接将打印装置40架设于平整坚固的地坪表面施工所述已打印建筑体10，待已打印建筑体10具有足够的高度，将爬升导轨20稳定附着于其外立面，并将连接有打印装置40的轨道框架连接在与爬升导轨20配合设置的爬升构件30的顶端。
[0038]综上所述，本实用新型的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置具有以下有益效果:
[0039]⑴在轨道框架内分别增设若干平行间隔设置的轨道横梁43和连系梁44，使得轨道横梁43与连系梁44垂直相交固接，形成网格结构，每个网格单元内的相邻的两个轨道横梁43之间设置至少两根打印头横梁42，打印头横梁42上密布能够独立控制是否喷涂建筑物料的打印头50，从而将打印装置40的每个网格单元中xy平面内由双向移动打印变为单向移动打印，有效提高了3D打印装置40的可靠性。而且固接设置于同一网格单元内的至少两根打印头横梁42上均密布打印头50，打印头50在水平打印面上与打印头横梁42同步移动，从而固接为一体结构的所有打印头横梁42每次单向水平移动可以进行与打印头横梁42数量相等层数的建筑体横截面层的打印，因此显著提高了打印效率。
[0040]⑵将打印装置40划分为若干个等面积的网格单元，缩短了单根打印头横梁42的长度，减小了打印头横梁42的挠度，防止打印头横梁42产生竖向位移，而且打印头50与打印头横梁42同步移动，也就是说，打印头50在打印头杆51的作用下，仅能够改变垂直方向的伸长量，而不可沿着打印头横梁42滑动，从而提高了打印精度。
[0041]⑶通过在已打印建筑体10外立面设置爬升导轨20，爬升构件30在动力控制系统的控制下沿着爬升导轨20进行爬升和下降运动，而爬升构件30与轨道框架固定连接，从而使得爬升构件30能够带动打印装置40逐步相对于已打印建筑体10逐步地相对于已打印建筑体10向上爬升，进而使得打印装置40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。
[0042]当然，本实用新型提供的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置也可以应用于其他大体积工业产品的生产中。
[0043]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。
【主权项】
1.一种区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，包括爬升装置和打印装置，所述爬升装置包括固定于已打印建筑体的外立面的爬升导轨以及能够沿着所述爬升导轨相对于所述已打印建筑体垂直运动的爬升构件;所述打印装置包括与所述爬升构件顶端刚性连接的轨道框架以及配合设置于所述轨道框架中的打印头横梁，所述轨道框架为若干平行间隔设置的轨道横梁和连系梁相交固接形成的网格结构，所述网格结构的网格单元中相邻的两个轨道横梁之间设置至少两根所述打印头横梁，位于同一网格单元中的所有所述打印头横梁固定连接在一起，所述打印头横梁的两端能够沿着所述轨道横梁滑动，每根所述打印头横梁上密布打印头。2.根据权利要求1所述的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，位于同一网格单元中的所有所述打印头横梁的同侧端分别与同一连接板固定连接，所述轨道横梁上设有与所述连接板滑动配合且横截面呈C形的滑道，使得位于同一所述网格单元中的所有所述打印头横梁能够同步沿着所述轨道横梁移动。3.根据权利要求1所述的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，还包括打印头杆，所述打印头通过所述打印头杆与所述打印头横梁固定连接。4.根据权利要求1所述的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，所述轨道框架的底部还固接有若干竖杆，所述轨道框架通过所述竖杆与所述爬升构件的顶端刚性连接。5.根据权利要求1所述的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，所述爬升导轨通过若干附墙连杆固定于所述已打印建筑体的外立面。6.根据权利要求1至5任一项所述的区块分布式单轴移动多轨并联式3D打印装置，其特征在于，所述打印头杆可伸缩，所述打印头杆的伸缩范围为O?200_。
【文档编号】E04G21/04GK205476510SQ201620107499
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月2日
【发明人】李荣帅, 王美华, 李林洁, 伍小平, 周锋, 李增辉, 程金蓉
【申请人】上海建工集团股份有限公司, 上海市机械施工集团有限公司