一种水平结构3D打印方法

摘要

本发明提供了一种水平结构3D打印方法，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，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、打印头机构及打印头连接机构，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、第一绳索导向机构及第一固定组件，通过第一绳索驱动制动机构收放第一高强绳索实现对动平台的精确打印定位；自由随动模板装置包括若干第二绳索驱动导向机构及随动模板，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、第二绳索导向机构及第二固定组件，通过第二绳索驱动制动机构收放第二高强绳索实现对随动模板的精确定位，具有自重轻、体积小、便于安装以及自动化高的优点。

权利要求

1.一种水平结构3D打印方法，其特征在于，包括：步骤1，安装移动3D打印机器人，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，所述第一绳索驱动导向机构包括第一绳索驱动制动机构、第一绳索、第一绳索导向机构以及第一固定组件；

步骤1.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状及大小，确定第一绳索驱动导向机构的数量；

步骤1.2，安装第一绳索驱动制动机构及第一绳索导向机构于动平台上，所述动平台为环形结构，所述第一绳索驱动制动机构围绕动平台圆心均匀布置于所述动平台上，所述第一绳索导向机构围绕动平台圆心均匀布置于所述动平台上，且第一绳索导向机构位于对应第一绳索驱动制动机构的外侧；

步骤1.3，将所述第一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与外部支撑结构连接，使得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大于待打印水平结构高度与移动3D打印机器人高度的和，且所述第一绳索的反向延长线通过动平台圆心；

步骤1.4，根据待打印水平结构的类型选择合适的喷嘴，并将喷嘴安装在打印头机构上；

步骤1.5，通过打印头连接机构将打印头机构与动平台连接；

步骤1.6，通过材料输送管将移动材料泵站与材料输送连接器连接；

步骤2，安装自由随动模板装置，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模板；

步骤2.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状，确定第二绳索驱动导向机构的数量；

步骤2.2，安装第二绳索驱动导向机构，第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构、第二绳索、第二绳索导向机构以及第二固定组件，将各第二绳索穿过对应的第二绳索导向机构，并将各第二绳索导向机构的一端分别安装于随动模板的底部，通过若干第二固定组件将第二绳索的自由端分别固定于外部支撑结构上，使得所述第二固定组件处于同一水平面上，且使随动模板中的上表面与待打印水平结构的最低点齐平；

步骤3，水平结构3D打印建造；

步骤3.1，测量第一固定组件距待打印水平结构的最低点距离H，测量每个第一固定组件与打印头机构轴心的水平距离分别为R1，R2，…Rn，其中，n为第一绳索驱动导向机构的数量，将测量值输入打印控制软件系统，确定3D打印系统的可打印范围；

步骤3.2，通过控制系统向第一绳索驱动制动机构、打印头机构和移动材料泵站发送控制指令，通过控制第一绳索驱动制动机构，使得第一绳索伸缩，带动打印头机构进行移动；

通过控制系统向第二绳索驱动制动机构发送控制指令，通过控制第二绳索驱动制动机构，使得第二绳索伸缩，将随动模板移动至设定的位置；同时控制打印头机构的出料系统，通过喷挤材料进行层层打印，完成当前打印区域水平结构打印；

步骤3.3，通过控制系统向自由随动模板装置中的第二绳索驱动制动机构发送控制指令，通过控制第二绳索驱动制动机构，使得第二绳索伸缩，将随动模板移动至后一打印区域；同时控制移动3D打印机器人，继续喷挤材料进行层层打印，完成后一打印区域水平结构打印；

步骤3.4，重复步骤3.2和步骤3.3，进行层层打印施工，实现水平结构的打印建造；

步骤4，待水平结构打印完成，通过控制第一绳索驱动制动机构以及第二绳索驱动制动机构分别使得移动3D打印机器人和自由随动模板装置移动指定位置，进行拆除作业。

2.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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；所述第一绳索的一端固定于卷轴外表面上，第一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。

3.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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；所述第二绳索的一端固定于卷轴外表面上，第二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。

4.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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，所述第一绳索的反向延长线垂直穿经动平台的中心轴。

5.如权利要求3所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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。

6.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，还采用材料输送连接器，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。

7.如权利要求6所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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。

8.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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。

9.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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，所述第二绳索依次经过绳导向器与滑轮后与第二固定组件连接。

10.如权利要求1所述的水平结构3D打印方法，其特征在于，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绳索的反向延长线垂直穿经随动模板的中心轴。

说明书

一种水平结构3D打印方法

技术领域

[0001] 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打印方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

发明内容

[0005] 本发明旨在发明一种水平结构3D打印方法，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。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种水平结构3D打印方法，包括:

[0008] 步骤1，安装移动3D打印机器人，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，所述第一绳索驱动导向机构包括第一
绳索驱动制动机构、第一绳索、第一绳索导向机构以及第一固定组件；

[0009] 步骤1.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状及大小，确定第一绳索驱动导向机构的数量；

[0010] 步骤1.2，安装第一绳索驱动制动机构及第一绳索导向机构于动平台上，所述动平台为环形结构，所述第一绳索驱动制动机构围绕动平台圆心均匀布置于所述动平台上，所
述第一绳索导向机构围绕动平台圆心均匀布置于所述动平台上，且第一绳索导向机构位于
对应第一绳索驱动制动机构的外侧；

[0011] 步骤1.3，将所述第一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与外部支撑结构连接，使得第一固定组
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大于待打印水平
结构高度与移动3D打印机器人高度的和，且所述第一绳索的反向延长线通过动平台圆心；

[0012] 步骤1.4，根据待打印水平结构的类型选择合适的喷嘴，并将喷嘴安装在打印头机构上；

[0013] 步骤1.5，通过打印头连接机构将打印头机构与动平台连接；

[0014] 步骤1.6，通过材料输送管将移动材料泵站与材料输送连接器连接；

[0015] 步骤2，安装自由随动模板装置，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模板；

[0016] 步骤2.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状，确定第二绳索驱动导向机构的数量；

[0017] 步骤2.2，安装第二绳索驱动导向机构，第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构、第二绳索、第二绳索导向机构以及第二固定组件，将各第二绳索穿过对应的第二
绳索导向机构，并将各第二绳索导向机构的一端分别安装于随动模板的底部，通过若干第
二固定组件将第二绳索的自由端分别固定于外部支撑结构上，使得所述第二固定组件处于
同一水平面上，且使随动模板中的上表面与待打印水平结构的最低点齐平；

[0018] 步骤3，水平结构3D打印建造；

[0019] 步骤3.1，测量第一固定组件距待打印水平结构的最低点距离H，测量每个第一固定组件与打印头机构轴心的水平距离分别为R1，R2，…Rn，其中，n为第一绳索驱动导向机构
的数量，将测量值输入打印控制软件系统，确定3D打印系统的可打印范围；

[0020] 步骤3.2，通过控制系统向第一绳索驱动制动机构、打印头机构和移动材料泵站发送控制指令，通过控制第一绳索驱动制动机构，使得第一绳索伸缩，带动打印头机构进行移
动；通过控制系统向第二绳索驱动制动机构发送控制指令，通过控制第二绳索驱动制动机
构，使得第二绳索伸缩，将随动模板移动至设定的位置；同时控制打印头机构的出料系统，
通过喷挤材料进行层层打印，完成当前打印区域水平结构打印；

[0021] 步骤3.3，通过控制系统向自由随动模板装置中的第二绳索驱动制动机构发送控制指令，通过控制第二绳索驱动制动机构，使得第二绳索伸缩，将随动模板移动至后一打印
区域；同时控制移动3D打印机器人，继续喷挤材料进行层层打印，完成后一打印区域水平结
构打印；

[0022] 步骤3.4，重复步骤3.2和步骤3.3，进行层层打印施工，实现水平结构的打印建造；

[0023] 步骤4，待水平结构打印完成，通过控制第一绳索驱动制动机构以及第二绳索驱动制动机构分别使得移动3D打印机器人和自由随动模板装置移动指定位置，进行拆除作业。

[0024] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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；所述第一绳索的一端固定于卷轴
外表面上，第一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。

[0025] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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；所述第二绳索的一端固定于卷轴外表面
上，第二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。

[0026] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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，所述第一绳索的反向延长线垂直穿经动平台的中心轴。

[0027] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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。

[0028] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，还采用材料输送连接器，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。

[0029] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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。

[0030] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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。

[0031] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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，所述第二绳索依次经过绳导向器与滑轮后与第二固定组件连接。

[0032] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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绳索的反向延长线垂直穿经随动模板的中心轴。

[0033] 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：

[0034] 本发明提供的一种水平结构3D打印方法，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模板，所述随动模板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

[0035] 图1本发明实施例水平结构3D打印系统示意图。

[0036] 图2本发明实施例移动3D打印机器人示意图。

[0037] 图3本发明实施例自由随动模板装置示意图。

[0038] 图4本发明实施例随动模板示意图。

[0039] 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。

[0040] 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‑第一绳索；130’‑第二绳索；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

[0041] 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。

[0042] 请参阅图1至图5，本实施例公开了一种水平结构3D打印方法，包括：

[0043] 步骤1，安装移动3D打印机器人100。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、第一绳索130、第一绳索导向机构140以及第一固
定组件150，所述步骤1包括：

[0044] 步骤1.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状及大小，确定第一绳索驱动导向机构的数量。以图1施工场景为例，为了确保打印的稳定性，确定第一绳索驱
动导向机构的数量为4个。若现有施工场地环境无可以作为外部支撑结构300的已建建筑或
构筑物，可新搭建支撑柱、桁架等外部结构作为外部支撑结构300。

[0045] 步骤1.2，安装第一绳索驱动制动机构110及第一绳索导向机构140于动平台120上，所述动平台120为环形结构，所述第一绳索驱动制动机构110围绕动平台圆心均匀布置
于所述动平台120上，所述第一绳索导向机构140围绕动平台圆心均匀布置于所述动平台
120上，且第一绳索导向机构140位于对应第一绳索驱动制动机构110的外侧；

[0046] 步骤1.3，将所述第一绳索130的一端与对应的第一绳索驱动制动机构110110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与外部支撑结构连
接，使得第一固定组件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400的
最低点距离H大于待打印水平结构400高度与移动3D打印机器人100高度的和，且所述第一
绳索130的反向延长线通过动平台120圆心；

[0047] 步骤1.4，喷嘴161选择。根据待打印水平结构400的类型选择合适的喷嘴161，并将喷嘴161安装在打印头机构160上。

[0048] 步骤1.5，安装打印头机构160。通过打印头连接机构170将打印头机构160与动平台120连接。

[0049] 步骤1.6，连接移动材料泵站190。通过材料输送管将移动材料泵站190与材料输送连接器180连接。

[0050] 步骤2，安装自由随动模板装置200，所述步骤2包括：

[0051] 步骤2.1，根据现有施工场地环境条件和待打印水平建筑的形状，确定第二绳索驱动导向机构的数量。本实施例中为了确保随动模板220移动的稳定性，确定第二绳索驱动导
向机构的数量为4个。

[0052] 步骤2.2，安装第二绳索驱动导向机构，第二绳索驱动导向机构包括第二绳索驱动制动机构110’、第二绳索130’、第二绳索导向机构140’以及第二固定组件150’，将各第二绳
索130’穿过对应的第二绳索导向机构140’，并将各第二绳索导向机构140’的一端分别安装
于随动模板220的底部，通过若干第二固定组件150’将第二绳索130’的自由端分别固定于
外部支撑结构300上，使得所述第二固定组件150’处于同一水平面上，且使随动模板220中
的上表面与待打印水平结构400的最低点齐平，即且使随动模板220中的上表面与待打印水
平结构400的最低点距离为0毫米。

[0053] 步骤3，水平结构3D打印建造，所述步骤3包括：

[0054] 步骤3.1，确定3D打印系统可打印范围。测量第一固定组件150距待打印水平结构400的最低点距离H，测量每个第一固定组件150与打印头机构160轴心的水平距离分别为
R1，R2，…Rn，其中，n为第一绳索驱动导向机构的数量，(图中n＝4)，将测量值输入打印控制
软件系统，确定3D打印系统的可打印范围。

[0055] 步骤3.2，水平结构打印。通过控制系统(图中未画出)向第一绳索驱动制动机构110、打印头机构160和移动材料泵站190发送控制指令，通过控制第一绳索驱动制动机构
110，使得第一绳索130伸缩，带动打印头机构160进行移动；通过控制系统(图中未画出)向
第二绳索驱动制动机构110’发送控制指令，通过控制第二绳索驱动制动机构110’，使得第
二绳索130’伸缩，将随动模板移动至设定的位置(图5中A1位置)；同时控制打印头机构160
的出料系统162，通过喷挤材料进行层层打印，完成当前打印区域水平结构打印，此时当前
打印区域为A1区域。

[0056] 步骤3.3，水平结构扩展打印。待图5中A1区域水平结构打印完毕，通过控制系统(图中未画出)向自由随动模板装置200中的第二绳索驱动制动机构110’发送控制指令，通
过控制第二绳索驱动制动机构110’，使得第二绳索130’伸缩，将随动模板220移动至后一打
印区域(图5中A2区域位置)；同时控制移动3D打印机器人100，继续喷挤材料进行层层打印，
完成后一打印区域即A2区域水平结构打印。

[0057] 步骤3.4，重复步骤3.2和步骤3.3，进行层层打印施工，实现水平结构的打印建造，完成水平结构所有区域的打印施工，如图1所示。

[0058] 步骤4，水平结构3D打印系统拆除，所述步骤4包括：

[0059] 待水平结构打印完成，通过控制第一绳索驱动制动机构110以及第二绳索驱动制动机构110’分别使得移动3D打印机器人100和自由随动模板装置200移动指定位置，进行拆
除作业。

[0060] 本发明提供的一种水平结构3D打印方法，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模板220，所述随动模板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上，所述第二绳索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’收放对应的第二绳索130’实现对随动模板220的精确定位，所述第二绳索驱动制动机
构110’通过第二绳索130’支撑随动模板220，不需要人工支撑带打印水平结构的底部模板，
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，其不受打印材料限制，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。

[0061] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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；所述第一绳索130的一端固定于卷轴116外表面上，第一绳索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。

[0062] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，第二绳索驱动制动机构110’具有与第一绳索驱动制动机构110相同的结构，其也包括节能电机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；所述第二绳索130’的一端
固定于卷轴116外表面上，第二绳索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。

[0063] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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，所述第一绳索130的反向延长线垂直穿经动平台120的中心
轴。

[0064] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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，分别带动第一绳索驱动制动机构130和
第一绳索导向机构140转动，使得第一绳索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140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。

[0065] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，还采用材料输送连接器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。

[0066] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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。

[0067] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，所述随动模板包括金属模板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。

[0068] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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对所述第一绳索130或者第二绳索130’进行转向，利
用绳导向器142对第一绳索130或者第二绳索130’进行导向。

[0069] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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。

[0070] 优选的，在上述的水平结构3D打印方法中，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绳索的反向延长线垂直穿经随动模板
的中心轴。

[0071] 本发明提供的一种水平结构3D打印方法，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。

[0072] 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。