一种超大建筑3D打印的工艺方法与流程

本发明涉及3d打印设备技术领域，具体涉及一种超大建筑3d打印的工艺方法。

背景技术：

当前市场上建筑3d打印分为一体式打印和拼装部件打印。一体式打印为通过打印机一次性整体打印出完整的建筑物。拼装式打印则为前期对建筑整体进行分拆设计成多个部件，3d打印设备在工厂内批量打印各个部件后再输送到现场进行拼装成整体建筑。但目前两种方式都有一定的局限性。建筑物一体式打印受限于设备的尺寸，无法打印出超大建筑物。拼装式可以拼装组合出超大建筑，但需要从打印工厂运输到现场，现场还需要大型施工设备和人员进行拼装，对人力、物力、财力是一种多余的消耗。

目前采用移动式打印设备来进行超大建筑的打印，打印小车行走在打印墙体之上进行打印。打印小车打印车不大，可承载的打印物料不多，小车需要频繁来往打印墙体与供料平台之间，效率不高。小车打印一层完成之后，需要等待这层硬化到足够承载小车后才能打下一层，不然刚打印完的墙体无法承载小车的行走。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超大建筑3d打印的工艺方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案来实现的：

一种超大建筑3d打印的工艺方法，包括如下步骤：

步骤一：根据现场环境，在建设场地规划好网格状定位图，划分出多个工作区域，位于定位图外圈的网格为工作区域；

步骤二：在软件中导入定位图，再将建筑模型导入，按定位图的网格将建筑模型分成若干个模块，再将各模块从下至上依次分解为n层与水平面平行的打印单元，n为不小于2的整数；

步骤三：在各工作区域内设置移动打印系统，各移动打印系统负责位于各自工作区域内模块的打印，移动打印系统包括打印车、机械臂、出料喷头、移动机构、定位巡线系统、控制系统，机械臂安装于打印车上，出料喷头安装于机械臂上，机械臂控制出料喷头在一定范围内移动，移动机构用于控制打印车移动，定位巡线系统用于辅助打印车沿定位图的边线行走，控制系统用于控制移动打印系统中的各部件运行；

步骤四：将各模块的n层打印单元的参数通过通讯网络发给打印系统的控制系统；

步骤五：根据第一层打印单元的参数，打印车在各自的工作区域内沿定位图的边线移动，供料系统将打印材料泵送到出料喷头中喷出，在工作区域的指定位置铺设第一层打印材料；

步骤六：根据第二层打印单元的参数，打印车在各自的工作区域内沿定位图的边线移动，供料系统将打印材料泵送到出料喷头中喷出，在第一层打印材料的基础上铺设第二层打印材料；

步骤七：重复步骤六，直至完成第n层打印单元的构建；

步骤八：各层打印单元均固化完成后，即获得目标建筑物。

作为优选，第一层打印单元被打印至网格的交界线处时，出料喷头将打印材料喷出到相邻的工作区域内，使得该层打印单元向相邻工作区域延伸一部分，该部分的长度为10-20cm，打印下一层打印单元时，则由该相邻工作区域的移动打印系统中的出料喷头将打印材料延伸回本工作区域，使得各打印单元在网格的交界线处相互交叠。

作为优选，机械臂包括直线驱动器，直线驱动器内驱动连接有竖向伸缩杆，竖向伸缩杆的上部位置固定有两个限位块，竖向伸缩杆上套设有支撑座，支撑座位于两个限位块之间，支撑座侧面固定有梁架，梁架内设有伸缩式横梁，伸缩式横梁远离梁架的一端设有喷头安装座，出料喷头安装于喷头安装座内，出料喷头上部连接有供料管，供料管另一端连接有快接头，供料管通过快接头与供料系统相连，竖向伸缩杆上部设有导向座，供料管穿过导向座设置。

作为优选，移动机构包括设置于车体两侧的四个车轮，车体内部设有电动机，电动机的转轴与减速器的输入端相连接，减速器的输出端连接有差速器，差速器与其中两个相对的车轮驱动连接。

作为优选，竖向伸缩杆上部设有固定齿轮，导向座设置与固定齿轮上，支撑座上部远离梁架的一侧固定设置有驱动电机，驱动电机驱动连接有驱动齿轮，驱动齿轮与固定齿轮相啮合。

作为优选，伸缩式横梁远离梁架的一端设有调节电机，调节电机的转轴与喷头安装座的侧面相连接。

作为优选，定位巡线系统包括安装于车体四周的红外传感器和安装于车体一端的摄像头。

作为优选，喷头安装座上设有激光传感器，激光传感器用于测量出料喷头的喷口与打印面之间的距离。

作为优选，供料系统包括包括搅拌罐和盛料缸，搅拌罐下部设有转动座和支撑架，支撑架的上端与搅拌罐铰接，转动座上铰接有液压缸，液压缸的活塞杆上端与搅拌罐的侧壁铰接，转动座左侧设有支撑块，支撑块上部开设有与搅拌罐外轮毂相匹配的缺口，搅拌罐上部设有进料斗，搅拌罐右侧下部连接有出料管，出料管右端设有阀门，盛料缸上部开设有进料缺口，盛料缸的进料缺口与出料管的出口位置相对应，盛料缸上部设有供料泵，搅拌罐上设有若干固定座，固定座上均设有搅拌机构，搅拌机构包括固定于固定座上的搅拌电机，搅拌电机驱动连接有搅拌轴，搅拌轴上套设有若干固定块，固定块外周连接有第一搅拌叶，搅拌轴底端连接有第二搅拌叶，

作为优选，固定座包括位于搅拌罐后侧上部位置的第一固定座、位于搅拌罐上部中间位置的第二固定座、位于搅拌罐前侧上部位置的第三固定座，第二固定座位于相邻的第一固定座和第三固定座之间。

作为优选，进料斗上部设有密封板，密封板上设有供进料管插入的缺口和用于密封该缺口的盖板。

作为优选，密封板上部设有两个转动支架，两个转动支架之间连接有转动轴，盖板上部右侧连接有转动臂，转动臂套设与转动轴上。

作为优选，密封板上位于盖板前后侧的位置开设有滑槽，滑槽内滑动设置有卡块，卡块底端和滑槽之间连接有弹簧，滑槽上部设有限位块，卡块上部连接有拨杆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：将超大建筑拆分为各个模块，多个移动打印系统联合打印，极大地缩短了打印工期，提高工作效率；打印小车与建筑分离，独立移动，免去了装载物料的时间；打印完一层后，等这层稍固化后即可打印下一层，比原先等待的时间大幅减少，提高了打印的效率；建筑物一体式打印，可节省大量安装的人力物力，有效地节约建造成本。

附图说明

图1为本发明的实施时的结构示意图；

图2为本发明中各层打印单元的叠合状态示意图；

图3为本发明中移动打印系统的结构示意图；

图4为本发明中移动机构的结构示意图；

图5为本发明中供料系统的结构示意图；

图6为本发明中搅拌罐的内部结构示意图；

图7为本发明中盛料缸处的结构示意图；

图8为本发明中盛料缸处的右视图；

图9为本发明中密封板处的俯视图；

图10为图9中a处的放大示意图。

附图标记：1、移动打印系统；101、车体；102、直线驱动器；103、竖向伸缩杆；104、限位块；105、支撑座；106、梁架；107、伸缩式横梁；108、调节电机；109、出料喷头；110、喷头安装座；111、供料管；112、快接头；113、固定齿轮；114、驱动齿轮；115、驱动电机；116、推力球轴承；117、导向座；118、移动机构；119、控制系统；120、红外传感器；121、摄像头；122、车轮；123、差速器；124、减速器；125、电动机；126、激光传感器；2、供料系统；201、搅拌罐；202、进料斗；203、密封板；204、第一固定座；205、第二固定座；206、第三固定座；207、搅拌机构；208、出料管；209、阀门；210、支撑架；211、转动座；212、液压缸；213、活塞杆；214、支撑块；215、盛料缸；216、供料泵；217、搅拌电机；218、搅拌轴；219、固定块；220、第一搅拌叶；221、第二搅拌叶；222、进料缺口；223、转动支座；224、转珠；225、从动齿轮；226、伺服电机；227、主动齿轮；228、转动支架；229、转动轴；230、盖板；231、转动臂；232、把手；233、承载块；234、滑槽；235、卡块；236、限位块；237、弹簧；238、拨杆；3、工作区域；4、定位图；5、建筑物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述。

一种超大建筑3d打印的工艺方法，本方法用于打印建筑的外墙，包括如下步骤：

步骤一：根据现场环境，在建设场地规划好网格状定位图4，划分出多个工作区域3，定位图4外圈的网格处为工作区域3；

步骤二：在电脑主机中的软件中导入建设场地上的网格状定位图4，再将建筑模型导入软件内，并按定位图4的网格切分成若干个模块，再将各模块从下至上依次分解为n层与水平面平行的打印单元，n为不小于2的整数；

步骤三：在各工作区域3内设置移动打印系统1，各移动打印系统1负责位于各自工作区域3内模块的打印，移动打印系统1包括打印车101、机械臂、出料喷头109、移动机构118、定位巡线系统、控制系统119，机械臂安装于打印车101上，出料喷头109安装于机械臂上，机械臂能够控制出料喷头109在一定范围和高度内移动，移动机构118用于控制打印车101移动，定位巡线系统用于辅助打印车101沿定位图的边线行走；

步骤四：电脑主机将各模块的n层打印单元的参数通过通讯网络发给移动打印系统1的控制系统119；

步骤五：根据第一层打印单元的参数，打印车101在各自的工作区域3内沿定位图4的边线移动，带动出料喷头109在指定位置平移，供料系统2将打印材料泵送到出料喷头109中喷出，在工作区域3的指定位置铺设第一层打印材料；

步骤六：根据第二层打印单元的参数，机械臂控制出料喷头109上升一个层厚的高度，打印车101在各自的工作区域内沿定位图4的边线移动，带动出料喷头109在指定位置平移，供料系统2将打印材料泵送到出料喷头109中喷出，在第一层打印材料的基础上铺设第二层打印材料；

步骤七：重复步骤六，直至完成第n层打印单元的构建；

步骤八：各层打印单元均固化完成后，即获得目标建筑物5。

第一层打印单元被打印至网格的交界线处，也即是到达工作区域3的交接处时，出料喷头109将打印材料喷出到相邻的工作区域3内，使得该层打印单元向相邻工作区域3延伸一部分，该部分的长度为10-20cm，打印第二层打印单元时，则由该相邻工作区域的移动打印系统中的出料喷头将打印材料延伸回本工作区域，重复至打印完第n层，使得各层打印单元在网格的交界线处相互交叠。

打印小车在打印墙体上移动打印，遇到门窗等有间隔的地方无法通过，则无法继续打印，将移动打印系统1独立于打印墙体外，由打印车101带动出料喷头109在打印墙体上方移动，则不会产生该问题。

如图1-10所示，机械臂包括直线驱动器102，直线驱动器102内驱动连接有竖向伸缩杆103，竖向伸缩杆103的上部位置固定有两个限位块104，竖向伸缩杆103上套设有支撑座105，支撑座105位于两个限位块104之间，支撑座105侧面固定有梁架106，梁架106内设有伸缩式横梁107，伸缩式横梁107远离梁架106的一端设有喷头安装座110，喷头安装座110内固定有出料喷头109，出料喷头109上部连接有供料管111，供料管111另一端连接有快接头112，竖向伸缩杆103上部设有导向座117，供料管111穿过导向座117设置，打印车101上设有移动机构118，移动机构118用于驱动打印车101移动。

直线驱动器102驱动竖向伸缩杆103伸缩，能够带动喷头安装座110上下移动，从而带动出料喷头109升降来逐层打印。

供料管111末端连接快接头112，可快速地与供料系统2相连。

移动机构118包括设置于打印车101四周的车轮122，打印车101内部设有电动机125，电动机125的转轴与减速器124的输入端相连接，减速器124的输出端连接有差速器123，差速器123与其中两个车轮122驱动连接。电动机125配合减速器124提供动力。

同侧的两个车轮122上设置履带，能更好地应对施工场地的复杂的地面环境。

竖向伸缩杆103上部设有固定齿轮113，导向座117设置与固定齿轮113上，支撑座105上部远离梁架106的一侧固定设置有驱动电机115，驱动电机115驱动连接有驱动齿轮114，驱动齿轮114与固定齿轮113相啮合。驱动电机115驱动驱动齿轮114转动，从而带动支撑座105绕竖向伸缩杆103旋转，以此改变喷头安装座110的位置，梁架106通过伸缩式横梁107的伸缩来改变喷头安装座110的位置，两者配合来调节喷头安装座110在该高度时的位置，从而准确地完成打印。

伸缩式横梁107远离梁架106的一端设有调节电机108，调节电机108的转轴与喷头安装座110的侧面相连接。调节电机108驱动喷头安装座110转动，来调节出料喷头109的角度，可以更好地对边角位置进行出料打印。

通过调节出料喷头109的角度，使得打印车101无需移动至相邻工作区域3内出料喷头109即可将打印材料喷到相邻工作区域3。

限位块104和支撑座105之间设有推力球轴承116，推力球轴承116的设置使得支撑座105能更好地在竖向伸缩杆103上旋转。

打印车101的四周设有红外传感器120，红外传感器120用于定位事先布置好的定位图4的边线，使打印车101沿边线移动，保证打印出的建筑物5的平直度，打印车101的前侧设有摄像头121，摄像头121用于实现复杂场地环境的3d扫描、分析和处理。

喷头安装座110上设有激光传感器126，激光传感器126用于测量出料喷头109的喷口与打印区域之间的高度差，使出料喷头109底部与打印区域之间保持合适的距离，使得出料喷头109内喷出的打印材料的厚度达到要求，以确保每层打印单元的厚度符合要求。

打印车101内部设有控制系统119，控制系统119与移动机构118、直线驱动器102、驱动电机115、梁架106、调节电机108、红外传感器120、摄像头121、激光传感器126电性连接，控制系统119用于接收红外传感器120、摄像头121、激光传感器126的数据来进行分析处理，并对移动机构118、直线驱动器102、推力球轴承116、梁架106、调节电机108的动作进行控制。

还配备操作手柄，可通过操作手柄与控制系统119相连，可遥控控制装置移动和打印。

供料系统2包括包括搅拌罐201，搅拌罐201下部设有转动座211和支撑架210，支撑架210的上端与搅拌罐201右侧铰接，转动座211上铰接有液压缸212，液压缸212内部设有活塞杆213，活塞杆213上端与搅拌罐201的侧壁铰接，转动座211左侧设有支撑块214，支撑块214上部开设有与搅拌罐201外轮毂相匹配的缺口，搅拌罐201上部左侧设有进料斗202，搅拌罐1右侧下部连接有出料管208，出料管208右端设有阀门209，液压缸212控制活塞杆213伸长，能够驱动搅拌罐201以与支撑架210相铰接的位置为圆心顺时针转动，搅拌罐201倾斜后，内部的打印材料能更顺利地从出料管208中排出，搅拌罐201内远离出料管208一侧的打印材料不会因无法排出而残留。

搅拌罐201右侧设有盛料缸215，盛料缸215上部左侧开设有进料缺口222，进料缺口222与出料管208右端位置相对应，使从出料管208右端排出的打印材料能通过进料缺口222进入到盛料缸215内，盛料缸215上部右侧设有供料泵216，供料管111上通过快速接头112与供料泵216的出料端相连。搅拌罐1上设有固定座，固定座包括位于搅拌罐1后侧上部位置的第一固定座204、位于搅拌罐1上部中间位置的第二固定座205、位于搅拌罐1前侧上部位置的第三固定座206，第二固定座205位于相邻的第一固定座204和第三固定座206之间，第一固定座204、第二固定座205和第三固定座206上均设有搅拌机构207，搅拌机构207包括固定于第一固定座204、第二固定座205、第三固定座206上的搅拌电机217，搅拌电机217驱动连接有搅拌轴218，搅拌轴218上套设有若干固定块219，固定块219外周连接有第一搅拌叶220，第一搅拌叶220为长条形，搅拌轴218底端连接有第二搅拌叶221，第二搅拌叶221为弧形。

通过交替设置第一固定座204、第二固定座205、第三固定座206，使搅拌机构207能在不同的角度对搅拌罐201内的打印材料进行搅拌，使得搅拌更加充分，打印材料分布更加均匀。第二搅拌叶221为弧形，适配搅拌罐201的内壁形状，从而更好地对搅拌罐201内边缘处的打印材料进行搅拌处理。

作为优选，进料斗202上部设有密封板203，密封板203上设有供进料管插入的缺口和用于密封该缺口的盖板230。盖板230打开时，供料管从缺口处插入向搅拌罐201内部供应打印材料。搅拌时，则将盖板230关上密封缺口，防止搅拌过程中打印材料从缺口处溅出。

作为优选，密封板203上部设有两个转动支架228，两个转动支架228之间连接有转动轴229，盖板230上部右侧连接有转动臂231，转动臂231套设与转动轴229上，转动臂231在转轴229上转动，使得密封板203能自由翻转。

作为优选，盖板230上部左侧连接有把手232，借助把手232能更方便地将盖板230转动打开，密封板203上位于盖板230右侧的位置设有承载块233，承载块233用于在盖板230转动至其所在一侧时进行支撑。

作为优选，密封板203上位于盖板230前后侧的位置开设有滑槽234，滑槽234内滑动设置有卡块235，卡块235底端和滑槽234之间连接有弹簧237，滑槽234上部设有限位块236，限位块236用于将卡块235限制于滑槽234内，防止其从滑槽234中脱出，卡块235上部连接有拨杆238，通过拨杆238拨动卡块235在滑槽234内移动，利用卡块235对盖板230进行固定或解除固定。

作为优选，盛料缸215下部设有转动支座223，转动支座223上部设有若干转珠224，盛料缸215外周设有供转珠224上端卡入的定位槽，使得盛料缸215能在转动支座223上转动且不易发生位移，盛料缸215右端连接有从动齿轮225，盛料缸215右侧设有伺服电机226，伺服电机226驱动连接有主动齿轮227，主动齿轮227与从动齿轮225相啮合，伺服电机226能够驱动主动齿轮227在一定角度内来回转动，从而通过啮合的从动齿轮225驱动盛料缸215在转动支座223上以一定角度来回摆动，使得打印材料保持运动状态，不易凝结。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。