一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统

摘要

本发明涉及一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其中，支撑框架(1)与地面基础固接，移动轨道(3)通过安装在支撑框架(1)两边的支撑柱导轨能够上下移动；操作平台(4)能沿移动轨道(3)水平移动；结构打印组件(6)通过第二滑轨(52)固定在操作平台(4)上，并能沿着操作平台(4)横移；机械臂群(8)通过可伸缩旋转柱(81)与连接在操作平台(4)下方的第三滑轨(53)连接，其通过机械臂对实验对象进行开挖，开挖过程中由出渣通道集渣，开挖之后启动打印臂，在开挖处的上方打印衬砌。本发明通过结构打印组件和机械臂组同时协作，能实现高质量、高效率和高精度三高并存的复杂大尺度结构模型的精细加工。

权利要求

1.一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述的3D打印系统包括：支撑框架(1)、移动轨道(3)、操作平台(4)、第二滑轨(52)、第三滑轨(53)、结构打印组件(6)、机械臂群(8)；

支撑框架(1)与地面基础固接；移动轨道(3)通过安装在支撑框架(1)两边的支撑柱导轨能够上下移动；操作平台(4)连接移动轨道(3)上，能沿移动轨道(3)水平移动；

结构打印组件(6)位于操作平台(4)上方，并且结构打印组件(6)能通过第二滑轨(52)在操作平台(4)横移；结构打印组件(6)包括用于结构打印的第一打印喷头(61)、为第一打印喷头(61供给墨水的集料筒(62)和为机械臂群(8)供给墨水的供料管(63)；

机械臂群(8)通过可伸缩旋转柱(81)与连接在操作平台(4)下方的第三滑轨(53)连接，其包括打印臂、机械臂和出渣通道，从上至下间隔固定在可伸缩旋转柱(81)上；通过机械臂对实验对象进行开挖，开挖过程中由出渣通道集渣，开挖之后启动打印臂，在开挖处的上方打印衬砌。

2.根据权利要求1所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述3D打印系统还包括：第一机械手(7)和固定在操作平台(4)上的第一滑轨(51)；

所述第一机械手(7)位于操作平台(4)上方，所述第一机械手(7)能够通过第一滑轨(51)移动在操作平台上(4)横移。

3.根据权利要求2所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述第一机械手(7)包括：机械钻头(71)、旋转轴承(72)、第一可伸缩支撑臂(731)、第二可伸缩支撑臂(732)和旋转底座(74)；

机械钻头(71)连接于第一可伸缩支撑臂(731)并通过旋转轴承(72)固定在第二可伸缩支撑臂(732)上，第二可伸缩支撑臂(732)连接在旋转底座(74)上。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述机械臂群(8)包括：三个伸缩臂(82)；

三个所述伸缩臂(82)从上至下间隔固定在可伸缩旋转柱(81)上，分别构成用于打印衬砌的打印臂、用于开挖的机械臂和出渣通道的一部分；可伸缩旋转柱(81)能够带动伸缩臂(82)在垂直方向调节，并且每个伸缩臂(82)在各自高程的平面内独立旋转，每个伸缩臂(82)能够自由地伸缩长度。

5.根据权利要求4所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述打印臂还包括：进料口(86)、第二打印喷头(87)；

所述打印臂通过第一个伸缩臂(82)固定在可伸缩旋转柱(81)上半部，第一个伸缩臂(82)连接第二打印喷头(87)，第二打印喷头(87)上方设有进料口(86)；所述进料口(86)的位置与所述供料管(63)对应。

6.根据权利要求4所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述机械臂还包括：球铰连接件(83)和第二机械手(88)；

所述机械臂通过第二个伸缩臂(82)固定在可伸缩旋转柱(81)的中部，第二个伸缩臂(82)通过球铰连接件(83)连接第二机械手(88)。

7.根据权利要求4所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述出渣通道位于机械臂群(8)的下半部分，所述出渣通道包括中空的第三个伸缩臂(82)与废物集料斗(84)；第三个伸缩臂(82)固定在可伸缩旋转柱(81)的下半部，伸缩臂(82)的一端与废物集料斗(84)连接，另一端与出渣口(85)相通；

所述废物集料斗(84)收集打印臂的掉落材料以及机械臂上的第二机械手(88)钻孔开挖时掉落的碎渣，通过中空的第三个伸缩臂(82)运送，从出渣口(85)排出。

8.根据权利要求1所述的一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其特征在于，所述的

3D打印系统还包括：

打印平台(2)和平衡顶升装置(9)；

所述打印平台(2)与所述支撑框架(1)固接；

所述平衡顶升装置(9)均匀布置在所述打印平台(2)下面。

说明书

一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统

技术领域

[0001] 本发明涉及实验室复杂大尺度结构模型试验领域，尤其涉及一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统。

背景技术

[0002] 工程结构包括土木工程结构、水利工程结构、地下和空间结构等。在现场建造之前，往往需要在实验室尺度下进行相应的模型试验，提供可行性研究的依据。传统结构模型的加工主要依赖于人力，不仅非常耗时，成本较高，且对地质构造的模拟精度方面存在较大误差，不利于模型试验的开展。

[0003] 传统的3D打印技术，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零部件，并且精度和质量很高，因而3D打印将是生产制造的一次革命。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术存在的测量数据不准确的技术问题，本发明提供一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，通过其能够实现结构打印并能够模拟实验过程中的模型开挖和衬砌打印。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0006] 本发明提供一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其包括：

[0007] 支撑框架、移动轨道、操作平台、第二滑轨、第三滑轨、结构打印组件、机械臂群；

[0008] 支撑框架与地面基础固接；移动轨道通过安装在支撑框架两边的支撑柱导轨能够上下移动；操作平台连接移动轨道上，能沿移动轨道水平移动；

[0009] 结构打印组件通过第二滑轨固定在操作平台上，并能沿操作平台横移；结构打印组件包括用于结构打印的第一打印喷头、为第一打印喷头和为机械臂群供给墨水的供料管；

[0010] 机械臂群通过可伸缩旋转柱与连接在操作平台下方的第三滑轨连接，其包括打印臂、机械臂和出渣通道，从上至下间隔固定在可伸缩旋转柱上；通过机械臂对实验对象进行开挖，开挖过程中由出渣通道集渣，开挖之后启动打印臂，在开挖处的上方打印衬砌。

[0011] 更优选地，所述3D打印系统还包括：

[0012] 固定在操作平台上的第一滑轨和第一机械手；

[0013] 所述第一机械手通过所述第一滑轨固定在操作平台上。

[0014] 更优选地，所述第一机械手包括：

[0015] 机械钻头、旋转轴承、第一可伸缩支撑臂、第二可伸缩支撑臂和旋转底座；

[0016] 机械钻头连接于第一可伸缩支撑臂并通过旋转轴承固定在第二可伸缩支撑臂上，第二可伸缩支撑臂连接在旋转底座上。

[0017] 更优选地，所述机械臂群包括：三个伸缩臂；

[0018] 三个所述伸缩臂从上至下间隔固定在可伸缩旋转柱上，分别构成用于打印衬砌的打印臂、用于开挖的机械臂和出渣通道的一部分；可伸缩旋转柱能够带动伸缩臂在垂直方向调节，并且每个伸缩臂在各自高程的平面内独立旋转，每个伸缩臂能够自由地伸缩长度。

[0019] 更优选地，所述打印臂还包括：进料口、第二打印喷头；

[0020] 所述打印臂通过第一个伸缩臂固定在可伸缩旋转柱上半部，第一个伸缩臂连接第二打印喷头，第二打印喷头上方设有进料口；所述进料口的位置与所述供料管对应。

[0021] 更优选地，所述机械臂还包括：球铰连接件和第二机械手；

[0022] 所述机械臂通过第二个伸缩臂固定在可伸缩旋转柱的中部，第二个伸缩臂通过球铰连接件连接第二机械手。

[0023] 更优选地，所述出渣通道位于机械臂群的下半部分，所述出渣通道包括中空的第三个伸缩臂与废物集料斗；第三个伸缩臂固定在可伸缩旋转柱的下半部，伸缩臂的一端与废物集料斗连接，另一端与出渣口相通；

[0024] 所述废物集料斗收集打印臂的掉落材料以及机械臂上的第二机械手钻孔开挖时掉落的碎渣，通过中空的第三个伸缩臂运送，从出渣口排出。

[0025] 更优选地，所述的3D打印系统还包括：打印平台和平衡顶升装置；

[0026] 所述打印平台与所述支撑框架固接；

[0027] 所述平衡顶升装置均匀布置在所述打印平台下面。

[0028] 由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下优点：

[0029] 1、本发明通过结构打印组件和机械臂组同时协作，实现结构打印并在模拟实验过程中的开挖和衬砌打印，从而实现高质量、高效率和高精度三高并存的复杂大尺度结构模型的精细加工。

[0030] 2、本发明通过结构打印组件打印结构组件，同时通过第一机械手对打印的结构组件进行打磨，结构打印组件与第一机械手协同工作，能够实现对复杂大尺度结构模型的精细加工。

[0031] 3、3D打印平台安装有多个可调节、可移动的打印喷头和施工钻头，可以完成岩体结构施工过程模拟、衬砌打印等，同时可以节约打印时间，提高打印效率。

[0032] 4、本发明通过在打印平台的四角对称布置四个平衡顶升装置，通过调节四个平衡顶升装置的相对顶升高度，能够调节打印平台平衡，并且还能够根据试验需要预置成一定的倾斜角度。

[0033] 5、各部件设置安排合理，互相不冲突，并且自由调节范围大，灵活性高。

[0034] 6、专门设有排渣管道系统，使得整个3D打印系统试验平台绿色环保。

附图说明

[0035] 图1为本发明结构的立体图；

[0036] 图2-1为本发明结构的俯视图；

[0037] 图2-2为本发明结构的左视图；

[0038] 图3为本发明中的结构打印组件的结构示意图；

[0039] 图4为本发明中的第一机械手的结构示意图；

[0040] 图5为本发明中的机械臂群的结构示意图。

[0041] 附图中：

[0042] 支撑框架1、打印平台2、移动轨道3、操作平台4、第一滑轨51、第二滑轨52、第三滑轨53、结构打印组件6、第一机械手7、机械臂群8、平衡顶升装置9；第一打印喷头61、集料筒62、供料管63；机械钻头71、旋转轴承72、第一可伸缩支撑臂731、第二可伸缩支撑臂732、旋转底座74；伸缩旋转柱81、伸缩臂82、球铰连接件83、废物集料斗84、出渣口85、进料口86、第二打印喷头87、第二机械手88。

具体实施方式

[0043] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0044] 本发明提供一种复杂大尺度结构模型的3D打印系统，其结构如图1、图2-1和图2-2所示，包括：支撑框架1、打印平台2、移动轨道3、操作平台4、第一滑轨51、第二滑轨52、第三滑轨53、结构打印组件6、第一机械手7、机械臂群8和平衡顶升装置9。

[0045] 支撑框架1与地面基础固接，打印平台2与支撑框架1固接；移动轨道3通过安装在支撑框架1两边的支撑柱导轨能够上下移动；操作平台4连接移动轨道3上，能够沿着移动轨道3水平移动；结构打印组件6和第一机械手7分别通过第二滑轨52和第一滑轨51固定在操作平台4上，并能沿着操作平台4横移；结构打印组件6包括用于实现结构打印的第一打印喷头61、为第一打印喷头61供给墨水的集料筒62和为机械臂群8中的第二打印喷头87供给墨水的供料管63；第一机械手7对结构打印组件6打印完的部分进行打磨；机械臂群8通过可伸缩旋转柱81与连接操作平台4下方的第三滑轨53连接，其包括打印臂、机械臂和出渣通道，从上至下通过三个独立的轴套固定在可伸缩旋转柱81上；位于中间的第二机械手88对结构模型进行钻凿开挖，开挖过程中由废物集料斗84收集并从出渣口85排出，开挖完成后，第二打印喷头87在结构模型被开挖处进行打印衬砌。

[0046] 本发明中各个部件的结构及功能具体如下：

[0047] 支撑框架1与地面基础固接，打印平台2与支撑框架1固接。支撑框架1两边的支撑柱上装有能够竖直移动的导轨，移动轨道3与该导轨铰接，从而通过竖直移动的导轨的上下移动实现移动轨道3在高度的调节；同时移动轨道3提供支撑作用，支撑操作平台4。操作平台4连接移动轨道3上，能够沿着移动轨道3水平移动。至此，操作平台4能够在如图1所示的空间内水平和垂直移动。

[0048] 结构打印组件6和第一机械手7分别通过第二滑轨52和第一滑轨51固定在操作平台4上，并能够沿着操作平台4横移，且互相独立，协同工作。至此，结构打印组件6和第一机械手7能够在如图1所述空间内实现全覆盖。

[0049] 第一滑轨51和第二滑轨52平行布置，第一机械手7在收缩状态时最远端离滑轨51中心的长度为d1，结构打印组件6最远端离第二滑轨52中心的长度为d2，第一滑轨51和第二滑轨52中心间距为d，满足d1和d2的和小于d，从而实现第一机械手7与结构打印组件6的独立平行移动。

[0050] 打印方式为自下而上、从中间向两边推进的分层打印方式：一对支撑操作平台4沉降到打印平台2的中心位置，进行喷浆打印；然后分别沿两侧向外移动，在第一打印层逐块打印；待第一层打印层完成并凝固成型后，支撑操作平台4提升到第一打印层的中心位置，开始打印第二打印层；直到打印完结构的最后一层，打印完成。

[0051] 结构打印组件6固定在第二滑轨52上，其结构如图3所示，包括第一打印喷头61、集料筒62和供料管63。集料筒62充有打印用墨水，为第一打印喷头61供给墨水。

[0052] 集料筒62通过供料管63从机械臂群8的进料口86输送打印墨水，从而为第二步试验过程中的机械臂群8中的第二打印喷头87提供原料。

[0053] 操作平台4上方的第一机械手7的作用是在建造结构模型过程中，用来打磨刚刚打印成型的大尺度结构的轮廓，使得打印后的结构更加精确和美观。该第一机械手7的结构如图4所示，包括：机械钻头71、旋转轴承72、第一可伸缩支撑臂731、第二可伸缩支撑臂732和旋转底座74。

[0054] 机械钻头71连接于第一可伸缩支撑臂731并通过旋转轴承72固定在第二可伸缩支撑臂732上，该机械钻头71为带有尖端的螺旋冲击钻头，其也可以是别的形式，如机械爪、打磨装置、锤击装置。旋转轴承72可以180°旋转。第二可伸缩支撑臂732通过旋转底座74固定在第一滑轨51上，旋转底座74可以360°旋转，以上描述保证了机械钻头71可以在一定的范围内实现无死角全覆盖。

[0055] 按照上述分层打印方式，当结构打印组件6完成某一打印层某一部位的打印后，通过第二滑轨52移动到下一位置准备进行打印，与此同时，第一机械手7通过第一滑轨51补位，通过电气驱动旋转轴承72、第一可伸缩支撑臂731、第二可伸缩支撑臂732以及旋转底座74，机械钻头71到达结构打印组件6刚刚打印完成的部位，开始进行结构打印部位的打磨工作。

[0056] 机械臂群8的结构如图5所示，包括可伸缩旋转柱81、伸缩臂82、球铰连接件83、废物集料斗84、出渣口85、进料口86、第二打印喷头87、第二机械手88。

[0057] 机械臂群8通过可伸缩旋转柱81与操作平台4连接。伸缩臂82有三个，从上至下通过三个独立的轴套固定在可伸缩旋转柱81上，分别构成打印臂、机械臂和出渣通道的连接部件。可伸缩旋转柱81能够带动伸缩臂82在垂直方向调节，并且由于打印臂、机械臂和出渣通道各自的伸缩臂通过三个独立的轴套连接在可伸缩旋转柱81上，由此打印臂、机械臂和出渣通道能够在各自高程的平面内独立旋转。每个伸缩臂82能够自由地伸缩长度。由此保证了机械臂群8能够遍布整个6m*4m的打印空间内，从而实现复杂、大尺度的3D结构打印。

[0058] 三个伸缩臂82中，其中一个伸缩臂82与进料口86、第二打印喷头87构成打印臂，该打印臂位于机械臂群8的上半部分，该第二打印喷头87的原料来自于集料筒62；第二个伸缩臂82与球铰连接件83、第二机械手88构成机械臂，该机械臂位于机械臂群8的中间位置；第三个伸缩臂82与废物集料斗84构成出渣通道，位于机械臂群8的下半部分，并与出渣口85相通。

[0059] 打印臂通过第一个伸缩臂82固定在可伸缩旋转柱81上半部，伸缩臂82连接第二打印喷头87，第二打印喷头87上方设有进料口86。其中的第二打印喷头87的结构与结构打印组件6的第一打印喷头61一致，其通过进料口86收集结构打印组件6补充的原料进行打印。第二打印喷头87与第一打印喷头61的打印目的不同，第一打印喷头61的打印主要是将大尺度结构打印出来，第二打印喷头87主要是在试验过程中模拟施工的打印衬砌。

[0060] 机械臂通过第二个伸缩臂82固定在可伸缩旋转柱81的中部，该第二个伸缩臂82通过球铰连接件83连接第二机械手88。第二机械手88的结构与操作平台4上方的第一机械手7一致，但是二者作用不同，其中第二机械手88的作用是模拟施工的开挖过程，采用机械手前端的机械钻头钻孔开挖；操作平台4上方的第一机械手7是在建造结构模型过程中，用来打磨刚刚打印成型的大尺度结构的轮廓，使得结构更加精确和美观。

[0061] 出渣通道通过第三个伸缩臂82固定在可伸缩旋转柱81的下半部，第三个伸缩臂82的一端与废物集料斗84连接，另一端与出渣口85相通。废物集料斗84收集打印臂的掉落材料以及中间机械臂上的第二机械手88钻孔开挖时掉落的碎渣，通过中空的伸缩臂82运送，从出渣口85排出。

[0062] 以上三个机械臂的位次关系不能调换，先中间第二机械手88开挖，开挖过程中由出渣通道中的废物集料斗84集渣，开挖之后随机启动上方的第二打印喷头87，在开挖处的上方打印衬砌。

[0063] 平衡顶升装置9由均匀布置在打印平台2下面的四个千斤顶组成，能够根据需要调节平台的高程和倾斜角度，满足不同实际工况下的地质结构试验条件。主要有两方面的作用：其一，调节平台的平衡；其二，打印出在不同倾斜角度斜坡上的复杂大尺度结构体。

[0064] 本发明的工作原理：

[0065] 第一步，复杂大尺度的结构打印

[0066] 调节平衡顶升装置9中的千斤顶使打印平台2达到指定的平衡或者倾斜状态；将数字三维模型文件导入带有电气驱动功能的工控机中，根据三维点位指定电气驱动结构打印组件6、第一机械手7和伸缩臂群8的运动轨迹；

[0067] 通过移动轨道3调节高度和操作平台4水平位置的调节，使得结构打印组件6到达指定工作区域，再通过第二滑轨52的横向移动，到达精确的打印点。通过泵送混凝土，实现打印喷头的快速打印，并同时伴随着机械手对已经成型的结构进行细部的打磨，以使结构更加精确和美观。

[0068] 第二步，模拟施工开挖和衬砌的实验

[0069] 结构打印成型后，根据施工过程，操作机械臂群8。开挖部分：将操作平台4下方对称布置的两个机械臂群8中的第二机械手88和废物集料斗84旋转伸缩到水平投影相同的位置，通过第二机械手88在指定的部位进行钻孔开挖，废渣调入下方的废物集料斗84收集并排出。接着缩回第二机械手88，伸出第二打印喷头87，对开挖处进行打印衬砌，掉落的打印原料同样进入废物集料斗84收集并排出。以此往复，直到整个施工过程的完成。

[0070] 上述是以电气驱动竖直移动轨道3和第三滑轨53的移动来实现机械臂群8以及结构打印组件6的协同工作，但本发明并不局限于此，也可以通过其他现自动化电气驱动的方法实现机械臂群8以及结构打印组件6的协同工作。

[0071] 上述机械手的定义比较灵活，包括任何具有自动化性质的前置功能性器械，比如钻头、打磨装置、锤击装置、顶推装置、移动抬升装置等。

[0072] 上述平台底部的顶推抬升装置除了千斤顶，也可以是其它顶升装置。

[0073] 上述实施例中也可以不包括第一机械手7，这样的方案能够针对精度要求不是很高的模型结构，通过结构打印组件6打印后不再打磨，而直接送去机械臂群8部分去开挖并进行砌衬打印。

[0074] 由上述本发明的具体实施方式可以看出，本发明中同时结合了结构打印组件6和机械臂群8，功能更加全面。本打印平台的开创性的用途是进行室内结构模型试验，并且能够一边打印一边进行试验操作，例如模拟隧洞开挖与实时衬砌，具有可控性好，操作简单等优点。

[0075] 虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。