一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机论文和设计-钱元弟

全文摘要

本实用新型公开了一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，属于3D建筑打印机制造技术领域。本实用新型的3D打印机，其提升机构包括导轨、上固定器、下固定器、电力液压推动器和立柱，所述导轨固定于建筑墙体的相对两侧面，上固定器、下固定器及电力液压推动器的固定底座可滑动安装于导轨上，立柱的下端与上固定器、下固定器固定相连，移动支撑架固定支撑于立柱的顶部；所述电力液压推动器的活塞杆与上固定器固定相连，且上固定器、下固定器及固定底座上均设有制动器。本实用新型通过对3D打印机的结构进行优化设计，从而可实现高层建筑墙体的自提升打印，打印体系稳定性较好，能够有效保证所得建筑墙体的打印质量及打印施工安全性。

主设计要求

1.一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：包括提升机构、移动支撑架和打印机构，其中移动支撑架支撑安装于提升机构的顶部，打印机构可滑动安装于移动支撑架上，上述提升机构包括导轨(1)、上固定器(2)、下固定器(3)、电力液压推动器(4)和立柱(6)，所述导轨(1)固定于建筑墙体的相对两侧面，上固定器(2)、下固定器(3)及电力液压推动器(4)的固定底座(5)可滑动安装于导轨(1)上，立柱(6)的下端与上固定器(2)、下固定器(3)固定相连，移动支撑架固定支撑于立柱(6)的顶部；所述电力液压推动器(4)的活塞杆与上固定器(2)固定相连，且上固定器(2)、下固定器(3)及固定底座(5)上均设有制动器。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述提升机构上设有无线控制接收器I(7)，该无线控制接收器I(7)与控制装置(19)无线相连，用于控制上固定器(2)、下固定器(3)及固定底座(5)上制动器的制动动作。

3.根据权利要求1所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述建筑墙体相对两侧侧面均设有至少三组间隔分布的提升机构，其中相邻三组提升机构的上固定器(2)、下固定器(3)及固定底座(5)均上下对称错落分布形成三角形结构。

4.根据权利要求3所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述相邻立柱(6)之间的间距为4-6米，且相邻上固定器(2)、下固定器(3)及固定底座(5)之间在高度上同步错开0.5-1米。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述的移动支撑架包括滑轨框架(8)和滑杆(9)，其中滑轨框架(8)为由两X轴滑轨和两Y轴滑轨围绕形成的矩形结构，所述的滑杆(9)平行于Y轴滑轨，且其两端可滑动安装于两X轴滑轨上。

6.根据权利要求5所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述打印机构包括打印机械臂、打印喷头(12)、泵送机(16)和搅拌装置(18)，其中打印机械臂可滑动安装于滑杆(9)上，打印喷头(12)安装于打印机械臂底部，并通过泵送管(17)及泵送机(16)与搅拌装置(18)相连。

7.根据权利要求6所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述打印机械臂为由上臂(10)和下臂(11)组成的上下伸缩式结构，上臂(10)通过行走装置安装于滑杆(9)下端，打印喷头(12)安装于下臂(11)下端。

8.根据权利要求7所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述下臂(11)与上臂(10)之间通过波纹连接管(21)相连，且上臂(10)的一侧设有折角液压固定支架(20)，液压伸缩杆安装于折角液压固定支架(20)上并与下臂(11)相连；所述波纹连接管(21)采用超高分子量聚乙烯材质。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其特征在于：所述打印机械臂上设有无线控制接收器II(15)，该无线控制接收器II(15)与控制装置(19)无线相连；所述打印喷头(12)底部一侧设有抹刀(13)，其上部另一侧设有陀螺平衡器(14)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及3D建筑打印机制造技术领域，尤其是涉及一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机。

背景技术

3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，并对传统社会生产造成了巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。以3D打印为基础的3D打印混凝土技术作为一种新型技术，必将成为混凝土发展史上的重大转折点，3D打印墙体由于具有墙体质量好、施工速度快、节约工期、造价适中、整体性好等优点而得到快速发展。

目前，国内高层建筑如春笋般拔地而起，俨然已成为一个城市建设的标志和象征。高层建筑特别是超高层建筑又以核心筒+外框架结构居多，常用于超高层主体建筑的爬模、滑模、提模等体系由于种种局限性已无法适应现代建筑工期紧、结构复杂多变、施工标准高等的要求。而以3D建筑打印为代表的建筑工业4.0正如火如荼，在这种现状下，一种新型的适用于3D建筑打印的塔基与模架一体智能化顶升作业系统应运而生。

现有的3D建筑设备主要适用于3-6层的低层建筑，这种设备的移动龙门载重能力有限，同时高度也有限制。一般三层以上，如果没有额外的支撑或者提升装置，就无法再进行作业，即使有支撑，稳定性也非常差，存在巨大的安全隐患；另外额外的支撑或提升装置，进行工作时比较费时费力。而现有的高层3D建筑打印机，爬墙时其轨道没有足够的地方支撑，架设轨道时，需要局部地方集中有很多附着点，对墙体结构稳定性有较大的影响，拆装程序复杂繁琐，而且承重能力和提升能力都较差，柱状龙门支撑的高度有限制，且与模架分离，配合度较差；同时对于复杂平面结构，其打印范围有限。

在以上现状的基础上，目前已有研究者研究通过采用自提升模块化装置来提高高层建筑3D打印的高效性和稳定性。如，中国专利申请号为201610071981.8的申请案公开了一种高层建筑3D增材建造施工方法及设备，该申请案包括液压爬升装置、驱动装置、打印装置、泵送装置及控制系统，液压爬架设置在附墙爬轨上，伸臂桁架设置在液压爬架的顶部，打印装置上的基座固定在活动挂头上，打印装置与驱动装置连接，泵送装置与打印装置连接，控制系统控制控制液压爬升装置、驱动装置、泵送装置的开启，活动挂头包括挂头本体和滚轮组件，滚轮组件滚动于伸，臂桁架上。该申请案采用模块设计，方便拆装，打印体系稳定性较好，但对高层建筑平面结构要求较高，需具备较长的轨道墙面，附墙面受力线性集中，超出范围的墙体不能打印，使用局限性较大，不能广泛推广应用；另外打印头设计简单，打印墙体容易不平整，影响整体强度和美观度。

又如，中国专利申请号为201610885931.3的申请案公开了一种3D建筑打印作业平台，包括3D建筑打印机构和爬升机构，爬升机构设置于建筑内部，包括支撑柱，和交替与墙体固定连接已爬升的第二爬升腿和第一爬升腿，支撑柱与3D建筑打印机构连接，该申请案结构简单，施工效率较高，适应复杂的高层建筑，但其爬升机构与两侧内墙固定，更容易受力集中，内墙本身强度偏低，更加承受不了，同时爬升机构只有两根支撑柱来保持打印机构的稳定平衡，很容易在打印过程出现微动，影响打印墙体质量，且存在极大的安全隐患；另外爬升机构位于打印机构中间下方，会干扰Y轴横梁和升降杆的移动，且其移动中支撑柱的稳定性将受到极大的考验，存在很大的施工安全隐患。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有高层建筑墙体用3D打印机存在的以上不足，提供了一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机。本实用新型通过对3D打印机的结构进行优化设计，从而可实现高层建筑墙体的自提升打印，打印体系稳定性较好，能够有效保证所得建筑墙体的打印质量及打印施工安全性。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，包括提升机构、移动支撑架和打印机构，其中移动支撑架支撑安装于提升机构的顶部，打印机构可滑动安装于移动支撑架上，上述提升机构包括导轨、上固定器、下固定器、电力液压推动器和立柱，所述导轨固定于建筑墙体的相对两侧面，上固定器、下固定器及电力液压推动器的固定底座可滑动安装于导轨上，立柱的下端与上固定器、下固定器固定相连，移动支撑架固定支撑于立柱的顶部；所述电力液压推动器的活塞杆与上固定器固定相连，且上固定器、下固定器及固定底座上均设有制动器。

更进一步的，所述提升机构上设有无线控制接收器I，该无线控制接收器I与控制装置无线相连，用于控制上固定器、下固定器及固定底座上制动器的制动动作。

更进一步的，所述建筑墙体相对两侧侧面均设有至少三组间隔分布的提升机构，其中相邻三组提升机构的上固定器、下固定器及固定底座均上下对称错落分布形成三角形结构。

更进一步的，所述相邻立柱之间的间距为4-6米，且相邻上固定器、下固定器及固定底座之间在高度上同步错开0.5-1米。

更进一步的，所述的移动支撑架包括滑轨框架和滑杆，其中滑轨框架为由两X轴滑轨和两Y轴滑轨围绕形成的矩形结构，所述的滑杆平行于Y轴滑轨，且其两端可滑动安装于两X轴滑轨上。

更进一步的，所述打印机构包括打印机械臂、打印喷头、泵送机和搅拌装置，其中打印机械臂可滑动安装于滑杆上，打印喷头安装于打印机械臂底部，并通过泵送管及泵送机与搅拌装置相连。

更进一步的，所述打印机械臂为由上臂和下臂组成的上下伸缩式结构，上臂通过行走装置安装于滑杆下端，打印喷头安装于下臂下端。

更进一步的，所述下臂与上臂之间通过波纹连接管相连，且上臂的一侧设有折角液压固定支架，液压伸缩杆安装于折角液压固定支架上并与下臂相连；所述波纹连接管采用超高分子量聚乙烯材质。

更进一步的，所述打印机械臂上设有无线控制接收器II，该无线控制接收器II与控制装置无线相连；所述打印喷头底部一侧设有抹刀，其上部另一侧设有陀螺平衡器。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，包括提升机构、移动支撑架和打印机构，通过对提升机构的结构进行优化设计，从而可实现高层建筑墙体的自提升打印，解决现有3D建筑设备主要适用于低层建筑打印的不足，且该打印体系的结构简单，稳定性较好，能够有效保证所得建筑墙体的打印质量及打印施工安全性。

(2)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，所述建筑墙体相对两侧侧面均设有至少三组间隔分布的提升机构，其中相邻三组提升机构的上固定器、下固定器及固定底座均上下对称错落分布形成三角形结构，通过上述结构优化可以进一步提高提升机构的结构稳固性，有利于实现提升机构的整体平稳上移，同时还可以避免每侧面外墙受力线集中，使其受力分布呈波浪形，极大降低了外墙受力，减少对墙体强度的考验，保证墙体结构整体强度质量。

(3)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，各组提升机构的上固定器之间、下固定器之间以及固定底座之间均固定相连，从而可以对上固定器、下固定器及固定底座的运动进行有效制约，保证其同步运动，进而有利于保证移动支撑架移动的平稳性及其水平性。另外，通过对相邻立柱之间的间距以及相邻上固定器、下固定器及固定底座之间的错落高度进行优化设计，从而有利于进一步保证三角结构的稳定性。

(4)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其打印机械臂为由上臂和下臂组成的上下伸缩式结构，打印喷头安装于下臂下端且其宽度可调节，从而能够有效实现不同厚度墙体的3D打印。

(5)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，所述下臂与上臂之间通过波纹连接管相连，且上臂的一侧设有折角液压固定支架，液压伸缩杆安装于折角液压固定支架上并与下臂相连，通过折角液压固定支架的作用一方面可以有效保证正常打印工作状态下下臂与上臂之间的垂直度，另一方面通过液压驱动可使下臂围绕上臂下端90度翻转，波纹连接管随着翻转同步折叠伸缩，进而可实现超出移动支撑架范围的局部墙体打印，有效避免打印死角。

(6)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，打印喷头底部一侧设有抹刀，打印过程中通过抹刀可以及时跟进抹平，而通过陀螺平衡器的设置有利于提高墙体的平整性，进而提高墙体的美观度和墙体结构的稳定性。

(7)本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，所用3D打印机结构简单，施工方便，大大提高了打印效率和墙体打印质量，并降低了施工成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机的结构示意图；

图2是本实用新型的滑轨框架的结构示意图；

图3为本实用新型的打印机械臂的结构示意图；

图4为本实用新型的波纹连接管的结构示意图；

图5为本实用新型的提升装置的结构示意图；

图6为本实用新型的打印喷头的结构示意图；

图7为本实用新型的打印喷头的俯视示意图。

附图中的标号说明：

1、导轨；2、上固定器；3、下固定器；4、电力液压推动器；5、固定底座；6、立柱；7、无线控制接收器I；8、滑轨框架；9、滑杆；10、上臂；11、下臂；12、打印喷头；1201、液压底座；1202、液压缸；1203、挡板；1204、楔形滑块；13、抹刀；14、陀螺平衡器；15、无线控制接收器II；16、泵送机；17、泵送管；18、搅拌装置；19、控制装置；20、折角液压固定支架；21、波纹连接管。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，现结合附图和具体实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，包括提升机构、移动支撑架和打印机构，其中移动支撑架支撑安装于提升机构的顶部，打印机构可滑动安装于移动支撑架上，上述提升机构包括导轨1、上固定器2、下固定器3、电力液压推动器4和立柱6，所述导轨1固定于建筑墙体的相对两侧面，上固定器2、下固定器3及电力液压推动器4的固定底座5可滑动安装于导轨1上，立柱6的下端与上固定器2、下固定器3固定相连，移动支撑架固定支撑于立柱6的顶部；所述电力液压推动器4的活塞杆与上固定器2固定相连，其行程为1-3m，缸体直径为10-25cm，且上固定器2、下固定器3及固定底座5上均设有制动器，从而可实现上固定器2、下固定器3及固定底座5的滑动制动。

本实施例中将移动支撑架固定安装于提升机构上，在打印过程中通过提升机构将移动支撑架进行提升，从而能够实现高层建筑的自提升打印，解决现有3D建筑设备主要适用于低层建筑打印的不足。具体的，将导轨1沿下一层导轨1方向固定安装于刚打印完成的一层建筑的相对两侧墙体的预埋件上，固定底座5保持制动，而上固定器2、下固定器3解除制动，通过电力液压推动器4推动上固定器2和下固定器3沿导轨1向上滑动，从而带动立柱6及移动支撑架向上移动，实现打印机构的整体提升，而后上固定器2和下固定器3保持制动，固定底座5解除制动，其伸缩杆伸缩即带动固定底座5沿导轨1向上滑动，重复固定器与固定底座5的交替制动-解除制动动作，直至提升至设定高度(以满足下一层建筑墙体的打印要求为准)，从而实现打印机构的自提升操作，该提升机构及打印体系的结构简单，稳定性较好，能够有效保证所得建筑墙体的打印质量及打印施工安全性。

实施例2

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例的提升机构上设有无线控制接收器I7，该无线控制接收器I7与控制装置19无线相连，无线控制接收器I7通过模型数据化控制装置19无线连接发布指令，从而控制上固定器2、下固定器3及固定底座5上制动器的制动动作。

实施例3

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其结构基本同实施例2，其区别主要在于：如图5所示，所述建筑墙体相对两侧侧面均设有至少三组间隔分布的提升机构，其中相邻立柱6之间的间距为4-6米，且相邻三组提升机构的上固定器2、下固定器3及固定底座5均上下对称错落分布(在高度上同步错开0.5-1米)形成三角形结构，同时各组提升机构上对应高度处的上固定器2之间、下固定器3之间及固定底座5之间均固定相连，每侧墙体提升机构的个数具体由待打印墙体的宽度决定，立柱6的分散布置还可以避免受力集中。由于打印成型后的墙体承载能力相对较低，外力作用会对墙体整体质量产生一定的影响，本实施例通过上述结构优化可以进一步提高提升机构的结构稳固性，有利于实现提升机构的整体平稳上移和同步上移，同时还可以避免每侧面外墙受力线集中，使其受力分布呈波浪形，极大降低了外墙受力，减少对墙体强度的考验，保证墙体结构整体强度质量。

实施例4

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其结构基本同实施例3，其区别主要在于：如图2所示，所述的移动支撑架包括滑轨框架8和滑杆9，其中滑轨框架8为由两X轴滑轨和两Y轴滑轨围绕形成的矩形结构，所述的滑杆9平行于Y轴滑轨，且其两端可滑动(通过行走装置，比如行走轮)安装于两X轴滑轨上。所述的打印机构包括打印机械臂、打印喷头12、泵送机16和搅拌装置18，其中打印机械臂可滑动安装于滑杆9上，打印喷头12安装于打印机械臂底部，并通过泵送管17(沿墙面、滑轨框架8、滑杆9穿入打印机械臂的上臂10、下臂11，固定于打印喷头12的上端)及泵送机16与搅拌装置18相连，泵送机16也设有无线控制接收器，该无线控制接收器与模型数据化控制装置19无线相连。本实施例的打印机械臂为由上臂10和下臂11组成的上下伸缩式结构，上臂10通过行走装置安装于滑杆9下端，打印喷头12安装于下臂11下端，打印机械臂可相对于滑杆360度水平转动或者下臂11可相对于上臂10360度水平转动。调节滑杆9在滑轨框架8上的位置从而调节打印喷头12的X轴方向位置，调节打印机械臂在滑杆9上的位置从而调节打印喷头12的Y轴方向位置，而通过打印机械臂的伸缩则可以调节打印喷头12的Z轴方向位置。具体的，上述X轴及Y轴方向的滑动调节结构可直接采用现有技术，只要能实现打印喷头12的X轴与Y轴方向调节即可。

实施例5

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其结构基本同实施例4，其区别主要在于：结合图3、图4，所述下臂11与上臂10之间通过波纹连接管21相连，且上臂10的一侧设有折角液压固定支架20，液压伸缩杆安装于折角液压固定支架20上并与下臂11相连，通过折角液压固定支架20的作用一方面可以有效保证正常打印工作状态下下臂11与上臂10之间的垂直度，另一方面通过液压驱动可使下臂11围绕上臂10下端90度翻转，波纹连接管随着翻转同步折叠伸缩，进而可实现超出移动支撑架范围的局部墙体打印，有效避免打印死角。所述波纹连接管21采用超高分子量聚乙烯材质。所述打印机械臂上设有无线控制接收器II15，该无线控制接收器II15与控制装置19无线相连，滑杆9和打印机械臂的各种功能控制于无线控制接收器II15，无线控制接收器II15通过模型数据化控制装置19(主要实现墙体模型数据化，转化成对应的打印参数，主要参数为位置参数，同时接收提升机构置、打印机械臂和泵送装置的无线控制接收器信号，进而实现远程操控3D打印机的提升、打印机械臂的移动以及打印速度调节)无线连接发布指令来控制。所述打印喷头12底部一侧设有抹刀13，其上部另一侧设有陀螺平衡器14，打印过程中通过抹刀13可以及时跟进抹平，而通过陀螺平衡器14的设置使打印喷头上端面保持水平，能够保持抹刀的垂直度，进而有利于提高墙体的平整性、美观度和墙体结构的稳定性。

实施例6

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机，其结构基本同实施例5，其区别主要在于：所述的打印喷头12的打印宽度可调，内侧宽度大小与墙体厚度一致，从而能够有效实现不同厚度墙体的3D打印。

具体的，如图6、图7所示，本实施例的打印喷头12包括楔形滑块1204、液压底座1201、液压缸1202和挡板1203，其中楔形滑块1204包括两个且相对设置，所述楔形滑块1204分别与液压缸1202的伸缩杆固定相连，液压缸1202固定安装于液压底座1201上，且两个液压底座1201的前后两端分别通过挡板1203相连，挡板1203的上部和下部均设有与楔形滑块1204滑动配合的导轨(两个楔形滑块1204及两个挡板1203共同限定形成锥形喷头)，楔形滑块1204上方设有挡片，用于固定泵送管17，泵送管17与楔形滑块1204相连的一端采用弹性材料制成。通过液压缸1202驱动楔形滑块1204沿挡板1205上的导轨进行移动，从而可以对打印喷头的打印厚度进行调节，且泵送管的端头可随楔形滑块滑动而进行扩张或伸缩，以防止打印材料漏泄。另外，还可以将打印喷头12设计为可相对于打印机械臂90度垂直转动，从而能够有效实现墙体转角处墙体的有效衔接，避免常规3D打印墙体转角处出现开裂、掉角、漏水等质量问题。

本实施例的一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机的施工方法，包括以下过程：

步骤一、调整移动支撑架在适当的位置

根据墙体模型位置，通过控制装置19发布指令，控制滑杆9移动到相应X轴位置，打印机械臂再沿滑杆9移动于相应Y轴位置，然后调整打印喷头12的宽度与待打印墙厚一致后使打印喷头12沿Z轴方向移动于打印墙体起始位置开始打印墙体，通过泵送压力控制打印速度，打印过程中抹刀13及时跟进抹平；打印中出现超过框架范围的墙体，可控制打印机械臂下臂11围绕上臂10下端转动，打印喷头12围绕下臂11下端转动，转至相应位置打印即可。

步骤二、本层墙体打印完成后，通过提升机构将打印机构向上提升至上一层

首先将导轨1沿着下层导轨1方向固定于墙体的预埋件上，导轨1安装完成后，固定底座5处于制动紧固状态，控制上固定器2和下固定器3处于可滑动状态，然后通过电力液压推动器4推动上固定器2和下固定器3沿着导轨1向上移动，提升机构、移动支撑架和打印机械臂整体上移，当电力液压推动器4推动至最大行程时，控制上固定器2和下固定器3处于制动紧固状态，固定底座5处于滑动状态，电力液压推动器4开始收缩到最小行程，接着控制上固定器2和下固定器3处于滑动状态，固定底座5处于制动紧固状态，再重复上述操作，直至移动至设定高度位置，同时控制上固定器2、下固定器3和固定底座5均处于制动紧固状态，最后重复步骤一的操作，实现一层一层向上墙体3D打印。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

设计图

一种高层建筑可自提升的墙体3D打印机论文和设计

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