一种3D建筑打印头及其移动3D建筑打印装置的制作方法

本发明属于增材造型技术领域，具体涉及一种3D建筑打印头及其移动3D建筑打印装置。

背景技术：

3D打印是通过堆叠材料来直接形成最终产品的一种增材制造技术。

目前，公知的3D建筑打印机是由打印机主体、打印头、3D运动机构、送料装置、工作台、控制系统、辅助机械、电器装置等构造而成。主要分为如下几种结构形式：

1.龙门框架结构：用2-4个立柱布置，水平安装x、y轴，打印头安装在x轴上，立柱作为z轴，打印头在3D空间移动打印出建筑构件。它有两种生产方式，第一种方式是龙门3D打印机固定安装在工厂内，首先打印出建筑构件，然后运送到现场组装成建筑物，缺陷是打印、装配、运输等环节较多，增加了生产成本和周期。第二种方式是龙门3D打印机在工地现场安装、调试、打印和拆卸，缺陷是设备笨重、运输麻烦、安装调试技术复杂、生产成本高、周期长。

2.平行组合结构：由两台机械臂3D打印机组成，平行的两台3D打印机机械臂上分别连接水平x轴两端，共用的打印头安装在x轴上，2台3D打印机沿着地面y轴同步移动，依靠机械臂摆动调节z轴变化，打印头在3D空间移动完成打印。缺陷是要求两台组合的3D打印机底座同步移动的道路非常平整，甚至需要采用履带移动或者铺设轨道，增加了道路、设备或轨道建设、安装、调试的时间和成本。其对同步移动的精确度要求非常高，打印质量控制受到影响。这种结构的两台打印机的机械臂都朝着同一方向悬空，所以机械臂不能承受较大负荷，打印头送料装置质量不能太大，打印效率受影响。而且机械臂做得不能太长，打印空间受限制。另外，其不能克服两个同一方向的机械臂在移动时产生的加速度冲击的机械误差，打印头重复定位精度低，打印质量受影响。

3.单个机械臂结构：可以移动的机械臂3D打印机，通过机械臂上安装的打印头在3D空间移动完成打印。缺陷是不能克服单个机械臂移动产生的加速度冲击的机械误差，打印头不能移动太快，打印速度受影响，打印头重复定位精度低，打印质量受影响，同时悬空的单个机械臂，不能承受太大负荷，打印头送料装置质量不能太大，打印效率受影响，而且机械臂不能做得太长，打印空间受限制。

4.三角并联臂结构：用3组并联臂三角形连接一个打印头，通过并联臂的变化，打印头在3D空间移动完成打印。缺陷是并联臂3D打印机需要在工地现场装配、调试、打印和拆卸，设备笨重、运输麻烦、安装调试技术复杂和生产周期较长，被打印的建筑物处于并联三角臂的中间，打印空间受限制，打印的建筑面积较小，并联三角臂运行时震动大，打印精度低。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种移动方便、便于安装调试、设备稳定性好、打印速度快、打印质量高的3D建筑打印头及其移动3D建筑打印装置。

本发明解决问题的技术方案是：一种3D建筑打印头，包括中空的打印头本体、安装在打印头本体顶部且可将物料送入打印头本体的中空腔内的进料装置、安装在打印头本体底部且与打印头本体的中空腔对接的喷嘴；

所述打印头本体的外壁套装有至少两套上下错开布置的轴承组件，每一套轴承组件外壁上均对应连接有用于与打印设备连接的打印头连接架；

打印头连接架与其相邻的另一打印头连接架之间可以以打印头本体为轴相对旋转，二者的交角可变。

上述方案中，在一个打印头本体上安装多套可连接打印设备的接口，可以连接多台打印设备，即多台打印设备共用一个打印头，喷嘴始终处于中心位置。

具体的，所述轴承组件包括轴承、紧箍在轴承上的轴承盖，所述轴承盖通过轴承盖支架与打印头连接架固定连接；

在打印头本体的外壁上间隔设有用于套装轴承的凹槽。

进一步的，所述轴承组件有两套，分别为第一套轴承组件和第二套轴承组件，每一套轴承组件包括两个轴承及两个轴承盖；

每一个完整的轴承由两个半圆轴承对接构成；每一个完整的轴承盖由两个可拆卸的半圆轴承盖拼接构成；

所述轴承盖支架与位于同一侧的两个半圆轴承盖固定连接；

所述打印头本体的外壁上间隔设有四圈凹槽，自上而下分别为第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽；所述第一套轴承组件的两个轴承分别安装于第二凹槽和第四凹槽中，第二套轴承组件的两个轴承分别安装于第一凹槽和第三凹槽中，从而使得第一套轴承组件与第二套轴承组件交错布置。

具体的，所述打印头连接架包括打印头支架、用于与轴承盖支架连接的夹板，夹板与打印头支架可拆卸连接；所述打印头支架与夹板之间设有拉压力传感器。

拉压力传感器用于监测打印头支架和夹板之间的压力变化，拉压力传感器输出的信号在超过额定值时，控制器停止机械臂的移动，以保护打印装置的安全。

优选的，所述打印头连接架上安装有定位终端，用于校准打印头的空间位置。

优选的，所述打印头本体上安装有调温器。调温器是建筑行业中对水泥温度进行控制的常用设备。

具体的，所述进料装置包括输送泵、驱动输送泵运行的电机、安装在输送泵顶部的进料管。

相应的，本发明还提供一种移动3D建筑打印装置，包括可移动的建筑打印车，所述打印车包括机械臂，还包括上述方案所述的3D建筑打印头，所述打印车的数量与打印头连接架的数量相同，所述机械臂与打印头连接架可拆卸的连接，且打印头始终处于竖直状态。

上述方案中，多台打印车上的机械臂对置连接共用3D打印头，共用一个3D打印工作坐标点，机械臂在同步移动时，交角发生变化，打印头本体能够在轴承结构内垂直转动，始终保持打印头喷嘴处于中心位置，通过机械臂在3D空间移动，输出打印工质，完成3D建筑打印。

3D打印头由原来一个机械臂单独支撑变为至少两个机械臂共同支撑，增加了支撑力和稳定性，对置安装的机械臂形成对立的拱形结构，提高了组合机械臂的负荷强度，能够负荷质量更大的3D打印头和送料装置，可以加大进料管直径，增加送料量，提高打印效率。而且，机械臂能够做得更长，使3D打印的空间更大，能够打印更大的建筑物。共用打印头水平移动时，对置安装的组合机械臂能够消除一部分机械臂水平移动产生的加速度冲击的机械误差，可以提高移动速度，打印头重复定位精度高，提高了设备稳定性、打印质量和打印效率。

具体的，所述打印车还包括车体、控制箱、固定于车体上的旋转底座、设置于车体四角的可伸缩支腿，所述机械臂固定于旋转底座上。

优选的，所述打印头连接架上安装有定位终端，所述定位终端为GPS，或北斗系统，或激光，或红外，或射频，或WiFi，定位终端与控制箱电连接。

本发明的显著效果是：便于移动到工地现场直接打印3D建筑物，移动、组装和调试方便。通过至少两个移动3D打印车对置连接共用打印头，增加了组合机械臂的负荷力和稳定性，送料量可以更大，移动速度可以更快，重复定位精度高，提高了打印速度和打印质量，机械臂可以做得更长，能够打印出更大的建筑物，能够缩短生产周期和降低生产成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明3D建筑打印头结构图。

图2为本发明3D建筑打印头结构分解图。

图3为本发明移动3D建筑打印装置结构图。

图中：1-进料装置，2-轴承组件，3-打印头连接架,4-打印头本体,5-喷嘴,6-拉压力传感器,7-定位终端，8-调温器,9-打印车，11-输送泵，12-电机，13-进料管,21-轴承,22-轴承盖，23-轴承盖支架,24-第一套轴承组件，25-第二套轴承组件，31-打印头支架，32-夹板，41-第一凹槽，42-第二凹槽，43-第三凹槽，44-第四凹槽，91-机械臂，92-车体，93-控制箱,94-旋转底座，95-可伸缩支腿，96-平衡杆机构。

具体实施方式

如图1～2所示，一种3D建筑打印头，包括中空的打印头本体4、安装在打印头本体4顶部且可将物料送入打印头本体4的中空腔内的进料装置1、安装在打印头本体4底部且与打印头本体4的中空腔对接的喷嘴5。

所述打印头本体4的外壁套装有至少两套上下错开布置的轴承组件2。每一套轴承组件2外壁上均对应连接有用于与打印设备连接的打印头连接架3。

所述轴承组件2包括轴承21、紧箍在轴承21上的轴承盖22，所述轴承盖22通过轴承盖支架23与打印头连接架3固定连接。在打印头本体4的外壁上间隔设有用于套装轴承21的凹槽。

一种优选的方案中，所述轴承组件2有两套，分别为第一套轴承组件24和第二套轴承组件25，每一套轴承组件包括两个轴承21及两个轴承盖22。每一个完整的轴承21由两个半圆轴承对接构成。每一个完整的轴承盖22由两个可拆卸的半圆轴承盖拼接构成。所述轴承盖支架23与位于同一侧的两个半圆轴承盖固定连接。所述打印头本体4的外壁上间隔设有四圈凹槽，自上而下分别为第一凹槽41、第二凹槽42、第三凹槽43、第四凹槽44。所述第一套轴承组件24的两个轴承21分别安装于第二凹槽42和第四凹槽44中。第二套轴承组件25的两个轴承分别安装于第一凹槽41和第三凹槽43中，从而使得第一套轴承组件24与第二套轴承组件25交错布置。

所述打印头连接架3与其相邻的另一打印头连接架之间可以以打印头本体4为轴相对旋转，二者的交角可变。打印头连接架3包括打印头支架31、用于与轴承盖支架23连接的夹板32。夹板32与打印头支架31可拆卸连接。所述打印头支架31与夹板32之间设有拉压力传感器6。

所述打印头本体4上安装有调温器8。调温器8调节打印工质的工作温度。

所述进料装置1包括输送泵11、驱动输送泵11运行的电机12、安装在输送泵11顶部的进料管13。

如图3所示，本发明还提供一种移动3D建筑打印装置，包括可移动的建筑打印车9，打印车包括机械臂91、车体92、控制箱93、固定于车体92上的旋转底座94、设置于车体92四角的可伸缩支腿95、平衡杆机构96，所述机械臂91固定于旋转底座94上。还包括上述方案所述的3D建筑打印头，所述打印车9的数量与打印头连接架3的数量相同。所述机械臂91与打印头连接架3可拆卸的连接，且打印头始终处于竖直状态。平衡杆机构96保证打印头支架31在3D空间移动中始终保持垂直姿态。

所述打印头连接架3上安装有定位终端7，用于校准打印头的空间位置。所述定位终端7为GPS，或北斗系统，或激光，或红外，或射频，或WiFi，定位终端7与控制箱93电连接。

拉压力传感器6用于监测打印头支架31和夹板32之间的压力变化，拉压力传感器6输出的信号在超过额定值时，控制器停止机械臂91的移动，以保护打印装置的安全。

多台打印车9上的机械臂91对置连接共用3D打印头，共用一个3D打印工作坐标点，机械臂91在同步移动时，交角发生变化，打印头本体4能够在轴承结构内垂直转动，始终保持打印头喷嘴5处于中心位置，通过机械臂91在3D空间移动，输出打印工质，完成3D建筑打印。

3D打印头由原来一个机械臂单独支撑变为至少两个机械臂共同支撑，增加了支撑力和稳定性，对置安装的机械臂91形成对立的拱形结构，提高了组合机械臂的负荷强度，能够负荷质量更大的3D打印头和送料装置1，可以加大进料管13直径，增加送料量，提高打印效率。而且，机械臂91能够做得更长，使3D打印的空间更大，能够打印更大的建筑物。共用打印头水平移动时，对置安装的组合机械臂91能够消除一部分机械臂91水平移动产生的加速度冲击的机械误差，可以提高移动速度，打印头重复定位精度高，提高了设备稳定性、打印质量和打印效率。