一种水平结构3D打印系统的制作方法

本发明属于建筑3d打印技术领域，特别涉及一种水平结构3d打印系统。

背景技术：

传统建筑业的机械化和自动化程度较低，其发展迫切需要转型升级。随着3d打印技术的发展并逐渐成熟，该技术将给劳动力密集型的建筑业带来技术革新。建筑3d打印技术具有机械化自动化程度高、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，其研究已成为建筑业的发展趋势。

大跨度水平结构的3d打印建造是建筑3d打印的最大挑战之一，由于材料和装置的限制，以及水平结构无法克服自身的重力，在未经人工架设底部模板的条件很难实现水平构件的自动化建造。以桥梁水平结构为例，采用现有3d打印装置及方法实现桥梁自动化建造尚具有以下局限性：(1)3d打印混凝土桥梁水平结构，需严格设计成全受压构件，打印不易实施，耐久性无法估计且安全不易保障；(2)3d打印钢筋混凝土桥梁水平结构，需人工支撑底部模板，打印不能完全实现自动化；(3)3d打印金属桥梁速度极慢，已打印金属结构表面平整度不能控制，打印装置借助于已打印结构自动爬升，由于表面粗糙无法精确定位使得尚无金属桥梁的成功3d打印建造案例。

因此，提出一种适合大型水平结构的3d打印装置及方法，是本领域亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明旨在发明一种水平结构3d打印系统，通过外部支撑结构为移动3d打印机器人提供支撑受荷机构以便提供与打印结构相适应的打印空间，通过固定于外部支撑结构的自由随动模板装置动态调整移动为水平结构打印提供底部支撑平台，并通过移动3d打印机器人协同打印作业完成水平结构的打印建造，解决现有的3d打印装置和方法无法实现水平结构的整体打印，打印不能完全自动化，水平结构打印受材料打印形状限制等问题，实现水平结构高效安全自动的建造。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种水平结构3d打印系统，包括移动3d打印机器人、自由随动模板装置和外部支撑结构，所述移动3d打印机器人包括若干第一绳索驱动导向机构、动平台、打印头机构以及打印头连接机构，所述打印头机构通过打印头连接机构可拆卸式安装于动平台上，所述动平台通过所述若干第一绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构上，所述第一绳索驱动导向机构包括第一绳索驱动制动机构、第一高强绳索、第一绳索导向机构以及第一固定组件，所述第一绳索驱动制动机构与第一绳索导向机构分别设置于所述动平台上，所述第一高强绳索的一端与对应的第一绳索驱动制动机构连接，另一端经对应的第一绳索导向机构导向后通过第一固定组件固定于外部支撑结构上，通过所述第一绳索驱动制动机构收放对应的第一高强绳索实现对动平台的精确打印定位；所述自由随动模板装置包括若干第二绳索驱动导向机构以及随动平台，所述随动平台通过所述若干第二绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构上，所述第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构、第二高强绳索、第二绳索导向机构以及第二固定组件，所述第二绳索驱动制动机构与第二绳索导向机构分别设置于所述随动模板上，所述第二高强绳索的一端与对应的第二绳索驱动制动机构连接，另一端经对应的第二绳索导向机构导向后通过第二固定组件固定于外部支撑结构上，通过所述第二绳索驱动制动机构收放对应的第二高强绳索实现对随动模板的精确定位。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一绳索驱动制动机构包括节能电机、变速器、编码器、减速器、传感器组件、卷轴、制动器、主轴以及锁定组件；所述节能电机用于驱动主轴转动；所述卷轴固定套设于所述主轴上；所述第一高强绳索的一端固定于卷轴外表面上，第一高强绳索能够随卷轴的转动进行缠绕，实现自身长度的伸缩；变速器与节能电机连接，用于调节节能电机的输出转速；编码器设置于所述节能电机上，用以实现卷轴位置、角度和圈数信息的测量；减速器与节能电机连接，用于降低主轴的转速；传感器组件设置于主轴上，用于实现卷轴拉力和扭矩的测量；制动器与主轴连接，用于实现主轴的快速制动；所述节能电机与制动器分别通过锁定组件固定于动平台上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，第二绳索驱动制动机构包括节能电机、变速器、编码器、减速器、传感器组件、卷轴、制动器、主轴以及锁定组件；所述节能电机用于驱动主轴转动；所述卷轴固定套设于所述主轴上；所述第二高强绳索的一端固定于卷轴外表面上，第二高强绳索能够随卷轴的转动进行缠绕，实现自身长度的伸缩；变速器与节能电机连接，用于调节节能电机的输出转速；编码器设置于所述节能电机上，用以实现卷轴位置、角度和圈数信息的测量；减速器与节能电机连接，用于降低主轴的转速；传感器组件设置于主轴上，用于实现卷轴拉力和扭矩的测量；制动器与主轴连接，用于实现主轴的快速制动；所述节能电机与制动器分别通过锁定组件固定于随动模板上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述打印头机构通过打印头连接机构安装于动平台的中部，所述第一高强绳索的反向延长线垂直穿经动平台的中心轴。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述动平台包括：环形平台、环形连接件一以及环形连接件二，环形连接件一与环形连接件二分别设置于所述环形平台的上表面，且环形连接件一与环形连接件二以及环形平台同轴设置，环形连接件二位于所述环形连接件一的外侧，所述环形连接件一和环形连接件二均能够在环形平台上精确转动及固定，所述第一绳索驱动制动机构均匀设置于环形连接件一上，所述第一绳索导向机构均匀设置于所述环形连接件二上，通过微转动环形连接件一和环形连接件二，分别带动第一绳索驱动制动机构和第一绳索导向机构转动，使得第一高强绳索的反向延长线垂直穿经动平台的中心轴，并将环形连接件一和环形连接件二固定于环形平台上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一固定组件处于同一水平面上，且第一固定组件距待打印水平结构的最低点距离h应大于待打印水平结构高度与移动3d打印机器人100高度的和。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第二固定组件处于同一水平面上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，还包括材料输送连接器，所述材料输送连接器一端与打印头机构连接，另一端通过材料输送管与移动材料泵站连接。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述打印头机构包括：喷嘴、出料系统和储料系统，通过储料系统储存材料，实现不间断打印作业，通过出料系统精确挤出材料，通过喷嘴实现不同宽度和厚度的打印作业，所述材料输送连接器一端与打印头机构的储料系统连接，另一端通过材料输送管与移动材料泵站连接。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述随动模板包括金属模板以及不粘建筑材料涂层，所述不粘建筑材料涂层设置于所述金属模板的上表面，所述金属模板的底部设置若干模板支撑。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一绳索导向机构与第二绳索导向机构均包括滑轮和绳导向器，所述第一高强绳索依次经过绳导向器与滑轮后与第一固定组件连接，所述第二高强绳索依次经过绳导向器与滑轮后与第二固定组件连接。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述随动模板通过四组第二绳索驱动导向机构固定于外部支撑结构上，所述随动模板为矩形结构，所述四组第二绳索驱动导向机构分别设置于所述随动模板的底部四个角部位置，所述四组第二绳索驱动导向机构对称设置，每组第二绳索驱动导向机构的第二高强绳索的反向延长线垂直穿经随动模板的中心轴。

由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种水平结构3d打印系统，采用移动3d打印机器人、自由随动模板装置和外部支撑结构，所述移动3d打印机器人包括若干第一绳索驱动导向机构、动平台、打印头机构以及打印头连接机构，所述打印头机构通过打印头连接机构可拆卸式安装于动平台上，所述动平台通过所述若干第一绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构上，所述第一绳索驱动导向机构包括第一绳索驱动制动机构、第一高强绳索、第一绳索导向机构以及第一固定组件，所述第一绳索驱动制动机构与第一绳索导向机构分别设置于所述动平台上，所述第一高强绳索的一端与对应的第一绳索驱动制动机构连接，另一端经对应的第一绳索导向机构导向后通过第一固定组件固定于外部支撑结构上，通过所述第一绳索驱动制动机构收放对应的第一高强绳索实现对动平台的精确打印定位；所述自由随动模板装置包括若干第二绳索驱动导向机构以及随动平台，所述随动平台通过所述若干第二绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构上，所述第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构、第二高强绳索、第二绳索导向机构以及第二固定组件，所述第二绳索驱动制动机构与第二绳索导向机构分别设置于所述随动模板上，所述第二高强绳索的一端与对应的第二绳索驱动制动机构连接，另一端经对应的第二绳索导向机构导向后通过第二固定组件固定于外部支撑结构上，通过所述第二绳索驱动制动机构收放对应的第二高强绳索实现对随动模板的精确定位，不需要人工支撑底部模板，有利于水平结构的打印自动，解决了传统大型水平结构施工效率及自动化程度低以及现有3d打印技术不能实现水平结构的自动化打印等问题，本发明不受打印材料限制，可实现大型任意复杂水平结构高效安全自动的建造，同时打印系统具有自重轻、体积小巧、方便移动、且便于安装等优点。

附图说明

图1本发明实施例水平结构3d打印系统示意图。

图2本发明实施例移动3d打印机器人示意图。

图3本发明实施例自由随动模板装置示意图。

图4本发明实施例随动模板示意图。

图5本发明实施例水平结构3d打印过程中自由随动模板装置移动轨迹。

图中：100-移动3d打印机器人；110-第一绳索驱动制动机构；110’-第二绳索驱动制动机构；111-节能电机；112-变速器；113-编码器；114-减速器；115-传感器组件；116-卷轴；117-制动器；118-主轴；119-锁定组件；120-动平台；121-环形平台；122-环形连接件一；123-环形连接件二；130-第一高强绳索；130’-第二高强绳索；140-第一绳索导向机构；140’-第二绳索导向机构；141-滑轮；142-绳导向器；150-第一固定组件；151-绳索连接头；152-绳导向件；150’-第二固定组件；160-打印头机构；161-喷嘴；162-出料系统；163-储料系统；170-打印头连接机构；180-材料输送连接器；190-移动材料泵站；200-自由随动模板装置；300-外部支撑结构；400-待打印水平结构；220-随动模板；221-金属模板；222-不粘建筑材料涂层；223-模板支撑223。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。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、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

请参阅图1至图5，本实施例公开了一种水平结构3d打印系统，包括移动3d打印机器人100、自由随动模板装置200和外部支撑结构300，所述移动3d打印机器人100包括若干第一绳索驱动导向机构、动平台120、打印头机构160以及打印头连接机构170，所述打印头机构160通过打印头连接机构170可拆卸式安装于动平台120上，所述动平台120通过所述若干第一绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构300上，即所述第一绳索驱动导向机构的一端设置于所述动平台120上，另一端固定于外部支撑结构300上，所述第一绳索驱动导向机构包括第一绳索驱动制动机构110、第一高强绳索130、第一绳索导向机构140以及第一固定组件150，所述第一绳索驱动制动机构110与第一绳索导向机构140分别设置于所述动平台120上，所述第一高强绳索130的一端与对应的第一绳索驱动制动机构110连接，另一端经对应的第一绳索导向机构140导向后通过第一固定组件150固定于外部支撑结构300上，通过所述第一绳索驱动制动机构110收放对应的第一高强绳索130实现对动平台120的精确打印定位；所述自由随动模板装置200包括若干第二绳索驱动导向机构以及随动平台220，所述随动平台220通过所述若干第二绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构300上，即所述第二绳索驱动导向机构的一端均匀设置于所述随动模板220上，另一端固定于外部支撑结构300上，所述第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构110’、第二高强绳索130’、第二绳索导向机构140’以及第二固定组件150’，所述第二绳索驱动制动机构110’与第二绳索导向机构140’分别设置于所述随动模板220上，所述第二高强绳索130’的一端与对应的第二绳索驱动制动机构110’连接，另一端经对应的第二绳索导向机构140’导向后通过第二固定组件150’固定于外部支撑结构300上，通过所述第二绳索驱动制动机构110’收放对应的第二高强绳索130’实现对随动模板220的精确定位。

本发明提供的一种水平结构3d打印系统，采用移动3d打印机器人100、自由随动模板装置200和外部支撑结构300，所述移动3d打印机器人100包括若干第一绳索驱动导向机构、动平台120、打印头机构160以及打印头连接机构170，所述打印头机构160通过打印头连接机构170可拆卸式安装于动平台120上，所述动平台120通过所述若干第一绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构300上，所述第一绳索驱动导向机构包括第一绳索驱动制动机构110、第一高强绳索130、第一绳索导向机构140以及第一固定组件150，所述第一绳索驱动制动机构110与第一绳索导向机构140分别设置于所述动平台120上，所述第一高强绳索130的一端与对应的第一绳索驱动制动机构110连接，另一端经对应的第一绳索导向机构140导向后通过第一固定组件150固定于外部支撑结构300上，通过所述第一绳索驱动制动机构110收放对应的第一高强绳索130实现对动平台120的精确打印定位；所述自由随动模板装置200包括若干第二绳索驱动导向机构以及随动平台220，所述随动平台220通过所述若干第二绳索驱动导向机构安装于外部支撑结构300上，所述第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构110’、第二高强绳索130’、第二绳索导向机构140’以及第二固定组件150’，所述第二绳索驱动制动机构110’与第二绳索导向机构140’分别设置于所述随动模板220上，所述第二高强绳索130’的一端与对应的第二绳索驱动制动机构110’连接，另一端经对应的第二绳索导向机构140’导向后通过第二固定组件150’固定于外部支撑结构300上，通过所述第二绳索驱动制动机构110’收放对应的第二高强绳索130’实现对随动模板220的精确定位和支撑，不需要人工支撑底部模板，有利于水平结构的打印自动，解决了传统大型水平结构施工效率及自动化程度低以及现有3d打印技术不能实现水平结构的自动化打印等问题，本发明不受打印材料限制，可实现大型任意复杂水平结构高效安全自动的建造，同时打印系统具有自重轻、体积小巧、方便移动、且便于安装等优点。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一绳索驱动制动机构110包括节能电机111、变速器112、编码器113、减速器114、传感器组件115、卷轴116、制动器117、主轴118以及锁定组件119；所述节能电机111用于驱动主轴118转动；所述卷轴116固定套设于所述主轴118上；所述第一高强绳索130的一端固定于卷轴116外表面上，第一高强绳索130能够随卷轴116的转动进行缠绕，实现自身长度的伸缩；变速器112与节能电机111连接，用于调节节能电机111的输出转速；编码器113设置于所述节能电机111上，用以实现卷轴116位置、角度和圈数信息的测量；减速器114与节能电机111连接，用于降低主轴118的转速；传感器组件115设置于主轴118上，用于实现卷轴116拉力和扭矩的测量；制动器117与主轴118连接，用于实现主轴118的快速制动；所述节能电机111与制动器117分别通过锁定组件119固定于动平台120上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，第二绳索驱动制动机构110’包括节能电机111、变速器112、编码器113、减速器114、传感器组件115、卷轴116、制动器117、主轴118以及锁定组件119；所述节能电机111用于驱动主轴118转动；所述卷轴116固定套设于所述主轴118上；所述第二高强绳索130’的一端固定于卷轴116外表面上，第二高强绳索130’能够随卷轴116的转动进行缠绕，实现自身长度的伸缩；变速器112与节能电机111连接，用于调节节能电机111的输出转速；编码器113设置于所述节能电机111上，用以实现卷轴116位置、角度和圈数信息的测量；减速器114与节能电机111连接，用于降低主轴118的转速；传感器组件115设置于主轴118上，用于实现卷轴116拉力和扭矩的测量；制动器117与主轴118连接，用于实现主轴118的快速制动；所述节能电机111与制动器117分别通过锁定组件119固定于随动模板220上。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述打印头机构160通过打印头连接机构170安装于动平台120的中部，第一高强绳索130的反向延长线垂直穿经动平台120的中心轴，即所述第一高强绳索130的反向延长线通过动平台120圆心。通过将所述第一高强绳索130均匀分布于环形连接件一122且将所述第一高强绳索130的反向延长线垂直穿经动平台120的中心轴，使得各第一绳索驱动导向机构受力均匀，可以实现对打印头机构160的稳定支撑和精确移动。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述动平台120包括：环形平台121、环形连接件一122以及环形连接件二123，环形连接件一122与环形连接件二123分别设置于所述环形平台121的上表面，且环形连接件一122与环形连接件二123以及环形平台121同轴设置，环形连接件二123位于所述环形连接件一122的外侧，所述环形连接件一122和环形连接件二123均能够在环形平台121上精确转动及固定，所述第一绳索驱动制动机构110均匀设置于环形连接件一122上，所述第一绳索导向机构140均匀设置于所述环形连接件二123上，通过微转动环形连接件一122和环形连接件二123，分别带动绳索驱动制动机构和第一绳索导向机构140转动，使得第一高强绳索130的反向延长线垂直穿经动平台120的中心轴，并将环形连接件一122和环形连接件二123固定于环形平台121上。通过将所述第一绳索驱动制动机构110均匀设置于环形连接件一122上，所述第一绳索导向机构均匀设置于所述环形连接件二123上，所述环形连接件一122和环形连接件二123均能够在环形平台121上精确转动及固定，不但可以方便调整第一绳索驱动制动机构110与对应第一绳索导向机构140的位置，使得第一高强绳索130的反向延长线垂直穿经动平台120的中心轴，而且可以方便调整环形连接件一122上第一绳索驱动制动机构110的数量和环形连接件二123上第一绳索导向机构140的数量，不需要额外在环形平台121上增设用于设置第一绳索驱动制动机构110和第一绳索导向机构140的连接件，满足各种施工场地环境条件和待打印建筑的形状大小需求。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，为了使得动平台120受力均匀及精确可靠定位，所述第一固定组件150处于同一水平面上，且第一固定组件150距待打印水平结构的最低点距离h应大于待打印水平结构高度与移动3d打印机器人100高度的和，以便将满足打印高度需求。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，为了使得随动模板220受力均匀及精确可靠定位，所述第二固定组件150’处于同一水平面上，且使随动模板220的上表面与待打印水平结构的最低点距离为0毫米，即随动模板220的上表面与待打印水平结构的最低点齐平。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，还包括材料输送连接器180，所述材料输送连接器180一端与打印头机构160连接，另一端通过材料输送管与移动材料泵站190连接。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述打印头机构160包括：喷嘴161、出料系统162和储料系统163，通过储料系统163储存材料，实现不间断打印作业，通过出料系统162精确挤出材料，通过喷嘴161实现不同宽度和厚度的打印作业，所述材料输送连接器180一端与打印头机构160的储料系统163连接，另一端通过材料输送管与移动材料泵站190连接。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述随动模板220包括金属模板221以及不粘建筑材料涂层222，所述不粘建筑材料涂层222设置于所述金属模板221的上表面，所述金属模板221的底部设置若干模板支撑223。随动模板220表层为不粘建筑材料涂层222，可与后续打印的混凝土层材料快速分离，不粘建筑材料涂层222底部的金属模板221，为承受打印水平结构荷载的载体，金属模板221底部设置的模板支撑223，作为金属模板221的加固构件。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一绳索导向机构140与第二绳索导向机构140’均包括滑轮141和绳导向器142，所述第一高强绳索130依次经过绳导向器142与滑轮141后与第一固定组件150连接，所述第二高强绳索130’依次经过绳导向器142与滑轮141后与第二固定组件150’连接。利用滑轮141对所述第一高强绳索130或者第二高强绳索130’进行转向，利用绳导向器142对所述第一高强绳索130或者第二高强绳索130’进行导向。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述第一固定组件150包括绳索连接头151与绳导向件152，所述第一高强绳索130穿经绳导向件152后通过绳索连接头151与外部支撑结构300连接。所述绳导向件152的结构和功能与绳导向器142相同。所述第二固定组件150’的结构和功能与第一固定组件150相同。

优选的，在上述的水平结构3d打印系统中，所述随动模板220通过四组第二绳索驱动导向机构固定于外部支撑结构300上，所述随动模板220为矩形结构，所述四组第二绳索驱动导向机构分别设置于所述随动模板220的底部四个角部位置，所述四组第二绳索驱动导向机构对称设置，每组第二绳索驱动导向机构的第二高强绳索130’的反向延长线垂直穿经随动模板220的中心轴。

本发明提供的一种水平结构3d打印系统，具有自重轻、体积小、便于安装以及自动化高的优点，通过移动3d打印机器人实现混凝土3d打印，具有打印速度快的优点，通过第一绳索驱动制动机构解决了打印的高精度定位问题，其通过外部支撑结构为移动3d打印机器人提供支撑受荷机构以便提供与打印结构相适应的打印空间，可实现任一结构的打印，解决了打印结构受限问题，通过固定于外部支撑结构的自由随动模板装置动态调整移动为水平结构打印提供底部支撑平台，并通过移动3d打印机器人协同打印作业完成水平结构的打印建造，解决现有的3d打印装置和方法无法实现水平结构的整体打印，打印不能完全自动化，水平结构打印受材料打印形状限制等问题，实现水平结构高效安全自动的建造。

本发明提供的一种水平结构3d打印方法，体积小且便于安装，通过移动3d打印机器人实现混凝土3d打印，具有打印速度快的优点，通过第一绳索驱动制动机构解决了打印的高精度定位问题，其通过外部支撑结构为移动3d打印机器人提供支撑受荷机构，以便提供与打印结构相适应的打印空间，可实现任一结构的打印，解决了打印结构受限问题，通过固定于外部支撑结构的自由随动模板装置动态调整移动，为水平结构打印提供底部支撑平台，并通过移动3d打印机器人协同打印作业完成水平结构的打印建造，解决现有的3d打印方法无法实现水平结构的整体打印，打印不能完全自动化，水平结构形状受限的问题，实现水平结构高效安全自动的建造。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明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。

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