基于3d打印技术的建筑工程施工装置及应用方法[0002]三维打印技术又称为3D打印技术，是一种以数字模型为基础，运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机出现于上世纪90年代，是运用3D打印技术设计的用于构造不同形式物体的机械设备。3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”层层叠加起来，最终把计算机设计的蓝图打印成实物。在3D打印技术的实现过程中，3D打印机运用快速成型技术，集CAD建模、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料技术等于一体，通过计算机中三维建模软件设计并制作三维图纸，并以此创建的数字模型为基础，运用软件分层离散并通过数控技术读取分层文件信息，最终利用激光束、热熔喷嘴等方式将诸如塑料、金属粉末、陶瓷粉末等“打印材料”以物体截面分层堆积、粘结的方式叠加成型。目前，3D打印技术以其特有的优势，在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、家电、轻工、医学、考古、雕刻艺术等领域开始应用并展现出强大的发展潜力。[0003]3D打印技术与传统技术相比，自动化程度高；由于其数字化制造的模式无需复杂的工艺和庞大的机床，同时亦可省去众多的人力，直接从计算机中获取图形数据便制造任意形状零件，这使得其应用范围可以延伸到很多工程制造领域；3D打印技术生成效率相比传统方式有着很大的提闻，具有速度快、精度闻、质量好等特点，可大大降低生广成本，提闻对原材料和能源的利用率。[0004]随着我国经济社会的发展，城市化建设的规模逐年加大，建筑工程存在一些值得关注和改进的方面。人工成本的提高、建筑工程带来的环境污染、管理模式的滞后、建筑材料与能源的浪费等问题开始受到行业和社会的关注。此外传统建筑工程施工工艺也存在劳动力需求量大、受气候环境影响大等问题。基于存在的这些问题，需要考虑新的建筑施工技术来解决，以求达到降低劳动力需求、提高自动化程度、减少建筑材料和能源消耗、减轻建筑工程环境污染等目的。[0005]
本发明利用3D打印技术，将其运用于建筑工程施工领域，旨在提高建筑工程的机械化施工水平和效率、减少建筑材料与能源消耗。该发明所用装置将利用较为成熟的工程塑料作为“打印料”的3D打印机与常规的用于输送和浇筑混凝土的混凝土泵相结合，以求达到保证甚至超过现有传统施工质量要求的目的。[0006]本发明给出的技术方案为: 一种基于3D打印技术的建筑工程施工装置，其特征在于，包括3D打印机系统、与3D打印机系统同步用于混凝土浇筑的混凝土泵浇筑系统、电路设备单元和接口及数据处理单元，其中: 所述的3D打印机系统包括X，Y，Z轴三轴立体控制定位装置、打印挤出头装置；
所述X，Y，Z轴三轴立体控制定位装置用于实现对模板三维打印，设计成X，Y，Z轴三个坐标轴移动定位装置，每个坐标轴移动定位装置包括相应的导轨、轮轴和步进电机，导轨与轮轴咬合，步进电机固定于步进电机输出轴。其中:X轴方向的移动通过两个导轨I和两个步进电机7来实现；Y轴方向的移动通过I个导轨4和一个步进电机6来实现；Ζ轴方向的移动通过两个导轨3和两个步进电机5来实现。
[0007]打印挤出头装置包括挤出头8、挤出头控制装置10，两者相连接，且两者共同位于Y轴导轨的平台上；
所述的混凝土泵浇筑系统为混凝土泵装置和混凝土集料箱13，该混凝土泵装置包括混凝土出料泵11、出料管、出料喷头9 (即出料口 9)和振捣设备，所述混凝土出料泵能精确控制混凝土出料量与出料速率。出料口 9和混凝土出料泵11、混凝土集料箱13都位于Y轴导轨的平台上。
[0008]所述的电路设备元件包括电源供电装置、控制电路板、挤出头定位传感器、材料测定传感器；所述的电源供电装置分别与控制电路板、挤出头定位传感器、材料测定传感器、X，Y，Z轴三轴的步进电机、打印挤出头控制装置10、和混凝土泵装置连接，为它们提供工作电源；所述材料测定传感器用于测定混凝土振捣密实度和凝结情况；控制电路板采用单片机实现。
[0009]所述的接口及数据处理单元作为上位机，该上位机采用工业计算机实现，对整个系统分析控制，对周围环境测定的传感器接口。计算机分别与挤出头定位传感器、材料测定传感器连接，挤出头定位传感器采集数据返回计算机用于设备初始化阶段定位坐标原点；材料测定传感器采集数据返回计算机用于监测挤出材料的温度、压强数据，打印过程中材料的温度、压强数据监控以确保整个过程顺利进行，并实时返回测定值以供控制人员观测。计算机与控制电路板连接，通过计算机分别控制混凝土泵装置、X，Y，Z轴三轴立体控制定位装置、打印挤出头装置的工作。计算机中包括软件模块，该软件模块功能表征为:对于运用CAD文件绘制的图形，转换为DXF格式文件，获得所绘制的图纸文件中各个关键节点的三维坐标信息数据，将三维坐标数据转化成为能过为单片机识别的信号数据，计算机将数据信号输入单片机的控制组件，通过单片机控制电机的步进步长、速度来完成喷头的移动动作，同时依据坐标数据可以计算出工程塑料等喷出物料的体积，再依据喷头移动的速率来控制喷出物料的单位时间喷出量，以实现整套设备的协同工作。
[0010]进一步优化，本发明技术方案还可以包括功能拓展装置12，可以为:无线操控和信号发射接收装置、模板制作精度监控装置等，它们分别与计算机连接，安装于Y轴的导轨平台上。
[0011]本发明应用方法，其特征在于，适用于建造的房屋上部主体结构，实施步骤:
O安装搭建好3D打印建筑施工装置。
[0012]2)通过三维建模设计和不同打印材料色彩的调配进行必要的预设定建筑结构模板的结构和颜色。
[0013]3)计算机读取三维模型图形参数，采用3D打印技术用以进行建筑结构施工中模板的制作打印，即用3D打印机制作出一体化模板，一体化打印制作无需拆卸。
[0014]4)通过计算机控制在已打印好的模板区域内，当形成一定深度的闭合体后，通过混凝土泵同步添加轻骨料纤维混凝土并振捣密实。
[0015]5)监测确保混凝土凝结时间和结构强度后，浇筑成品用于房屋上部主体结构，而模板直接用作结构外墙的装饰材料，该模板在结构中不考虑其受力作用。
[0016]该发明的技术特点在于:3D打印技术的三轴精确定位移动技术可保证建筑工程施工模板制作的实现与高精度的控制；三维图形建模与数控技术可使得建筑结构通过打印设备实现空间布局与造型的多样化，并可使打印的模板直接作为结构外立面装饰材料使用；纤维混凝土同步浇筑与精确控制技术可大大减少劳动力，提高施工效率与精度，并维持现有混凝土材料作为结构柱体承载材料，运用推广简便。此外整套装置可通过加入一些相关新技术以进一步提高效率和施工精度，如:可采用多打印喷头技术实现复杂结构模板施工；采用无线控制传输技术可以在室内远程控制施工过程。
[0017]与现有建筑施工技术相比，本发明具有以下优势:
1、将3D打印技术运用于建筑工程施工中，可大幅减少人工成本的投入，机械化控制于施工可以保证施工质量与精度。
[0018]2、采用3D打印技术进行的模板一体化打印和纤维混凝土作为承载材料的同步浇筑可整体提升施工效率，由于无需模板的拼装与拆卸、结构外表面的装饰等工作，可以大幅减少劳动力投入和控制施工质量。



[0019]图1为本发明整体结构框图。
[0020]图2为本发明控制部分的模块示意图。
[0021]图3本发明信息流示意图。
[0022]图4为本发明装置外观构造。
[0023]数字标记:1-X轴底座与导轨，2-X轴移动控制轮轴，7-X轴移动步进电机装置，3-Z轴支架与导轨，5-Z轴移动步进电机装置，4-Y轴支架与导轨，6-Y轴移动步进电机装置，8-3D打印机材料挤出头，10-挤出头步进装置，9-混凝土同步浇筑出料装置，11-混凝土泵与出料控制装置，13-混凝土集料箱。12-功能拓展装置。

[0024]下面结合附图对发明技术方案作进一步说明。
[0025]如图1所示，是基于3D打印技术并用于建筑工程施工的装置各部分组件框架图，整个装置考虑的是3D打印机与混凝土控制浇筑设备的结合，其中3D打印机装置主要由X，Y，Z轴三轴立体控制定位装置、打印挤出头装置、电路设备元件、对外接口与数据处理装置共同组成；建筑工程施工配套装置主要由混凝土泵、电路设备元件、对外接口与数据处理装置。上述两大部件通过控制技术进行功能集成，最终形成可用于建筑工程施工的精确高效的设备。
[0026]3D打印机系统中的电路设备元件，涉及包括:保证3D打印机正常工作的电源供电装置、保证计算机对3D打印机控制的交互式装置，所述交互式装置又包括控制电路主板和打印挤出头定位传感器。
[0027]混凝土泵浇筑系统中的电路设备元件，涉及包括:保证整个施工配套装置正常工作的电源供电装置、保证混凝土泵与3D打印机协同工作的控制电路主板、可用于测定混凝土振捣密实度和凝结情况的材料测定传感器。该主板与计算机连接，通过计算机控制混凝土泵的工作。
[0028]3D打印机的机械部件包括常规3D打印机的机械运动部件，即确保被打印物能在X轴、Y轴、Z轴上自由移动的设备；打印挤出头即用以打印出料的装置。
[0029]如图3所示:对于运用CAD文件绘制的图形，可以通过转换为DXF格式文件，获得所绘制的图纸文件中各个关键节点的三维坐标信息数据，将数据通过计算机处理，转化成为能过为单片机识别的信号数据，计算机将数据信号输入单片机的控制组件，通过单片机控制电机的步进步长、速度来完成喷头的移动动作，同时依据坐标数据可以计算出工程塑料等喷出物料的体积，再依据喷头移动的速率来控制喷出物料的单位时间喷出量，以实现整套设备的协同工作。设备工作过程中，通过读取三维模型图形参数，利用步进电机的步长控制实现挤出头在三个坐标轴方向上的精确控制与定位。由挤出头及其控制装置首先对模板进行打印，当形成一定深度的闭合体后，通过混凝土出料装置在打印的模板闭合体中进行混凝土浇筑，如此协同进行下去，在保证混凝土凝结时间和结构强度的前提下控制模板打印速率和混凝土浇筑速率，最终可完成房屋上部主体结构的一体化打印浇筑。打印的模板不作为承载材料，也无需拆卸，可直接作为结构的外墙装饰材料。
实施例
[0030]如图4所示:在建筑工程施工过程中，所需“打印”建造的房屋上部主体结构(梁、板、柱)位于两X轴移动控制轮轴2的中间。进行模板三维打印的过程中，空间物体的打印是通过三个坐标轴的移动定位来实现的，不同轴的移动定位是相应的导轨、轮轴和电机控制装置协同作用的结果。其中，X轴方向的移动通过两个导轨I和两个步进电机7来实现；Y轴方向的移动通过I个导轨4和一个步进电机6来实现；Z轴方向的移动通过两个导轨3和两个步进电机5来实现。用于模板制作的挤出头8与其控制装置10、用于混凝土出料浇筑的出料口 9和混凝土泵11以及混凝土集料箱13两大系统共同位于Y轴导轨的平台上；根据工程需要可以集成的功能拓展装置12同样位于Y轴的导轨平台上。所述的功能拓展装置12，可以为:无线操控和信号发射接收装置、混凝土材料性能测定传感器装置、打印挤出头定位传感器、模板制作精度监控装置等。
[0031]打印耗材为具有热熔性、高强性、易塑形的工程塑料，对于本发明采用开放式打印仓常用的合成塑料。
[0032]混凝土泵装置，包括能精确控制混凝土出料量与出料速率的混凝土出料泵、出料管、出料喷头和振捣设备。轻骨料纤维混凝土指用新型纤维材料(碳纤维或钢纤维)来代替传统钢筋受力的新型混凝土材料。
[0033]本实施例技术方案适用于建筑工程施工领域，主要工作原理如下:3D打印技术用以进行建筑结构施工中模板的制作打印，即用3D打印技术制作一体化模板来代替传统施工工艺上采用的拼装式钢模板；模板的制作与建筑结构的浇筑施工同时进行:在3D打印机制作一体化建筑结构模板的同时，通过计算机控制在已打印好的模板区域内通过混凝土泵同步添加轻骨料纤维混凝土并振捣密实。整个施工过程是模板制作和主体结构浇筑制作同步协调进行的过程，模板制作好的同时主体结构的混凝土浇筑在不考虑其凝结时间的情况下也基本完成。模板在结构中不考虑其受力作用，同时其一体化打印制作无需拆卸，并可通过三维建模设计和不同打印材料色彩的调配来直接用作结构外墙的装饰材料。