非平面3D建筑打印方法.pdf

非平面3D建筑打印方法。假设3D打印建筑的施工地点为一处山地，其中包含随机分布的障碍物6，无法承受3D打印建筑墙体的非建筑地基8。其余草坪地表拥有不规则自然形状，其力学性能及地质基础能够满足在其表面直接打印建筑墙体并长期保存的要求。XY地表面导轨7的形状由建筑地点的山体表面形状、障碍物6的形状及分布、非建筑地基8的形状及分布来决定,XY地表面导轨7在保证基本贴合山体地表的情况下，避开了障碍物6的位置，同时避开非建筑地基8的位置。由打印头1、Z方向导轨2、耗材桶3、驱动小车4、打印头导轨5组成的3D打印建筑的运动部件沿着XY地表面导轨7运动，从而打印出对应打印的建筑9。打印的建筑9的外部形状由XY地表面导轨7的形状来决定，与XY地表面导轨7的形状基本年相同，因此同样避开了障碍物6的位置，同时在非建筑地基8的位置暂停打印。

1.  一种非平面3D建筑打印方法，建筑墙体利用3D打印技术（增材制造技术）实现，其形状根据施工地点的地表形状、障碍物及非建筑地基的随机分布情况来设计，从而达到保护障碍物、避开非建筑地基、进行非平面建筑的目的，并可将障碍物作为建筑内一部分。

2.  非平面3D建筑打印方法的打印头运动路径不与施工地点的障碍物重合，由于打印头运动路径在XY地表面导轨附近，因此XY地表面导轨的形状根据施工地点的实际地标形状、障碍物及非建筑地基的随机分布情况进行设计，从而使得XY地表面导轨避开障碍物、越过非建筑地基。

3.  非平面3D建筑打印方法的墙体整体及内部填充结构为根据施工地点实际地表情况、地质情况设计的优化结构，使其满足实际施工地点地形要求。

4.  非平面3D建筑打印方法的墙体无需传统建筑的地基作为支撑，可直接从地表开始进行建筑打印。

5.  非平面3D建筑打印方法的打印头、耗材桶与Z方向导轨一起由驱动小车连接于权利要求2中所述的XY地表面导轨，并沿XY地表面导轨在XY地表面运动，从而进行墙体打印。

6.  非平面3D建筑打印方法的打印床为施工地点的实际地表。

7.  非平面3D建筑打印方法的打印头可沿Z方向导轨在Z方向上运动。

8.  非平面3D建筑打印方法的打印头可沿打印头导轨在XY地表面方向作短距离的延伸运动，其运动范围在XY地表面导轨的径向靠近打印的建筑一侧的打印头导轨长度范围以内。

9.   非平面3D建筑打印方法的非建筑地基的Z方向上，其打印的建筑不直接与地基接触。

非平面3D建筑打印方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，是一种利用挤出沉积工艺进行3D建筑打印的方法，涉及到机械自动化、软件编程、制造业等领域。
背景技术
目前，快速成型技术领域下的3D打印风靡全球，已渗透到了塑料模型、产品开发、建筑、食品、生物医药、珠宝、航天、机械等各个领域。
本项目将首次提出在尽可能不伤害大自然的情况下，利用现代科学技术，直接利用大自然中景物分布进行建筑3D打印，这将在很大程度上改变人类对大自然的改造方式，具有跨时代的意义。
同时，3D打印建筑也是当下热点。在美国，建筑3D打印是NASA与军方资助项目，并获得奥巴马大力支持；在国内，上海利用24小时完成了10栋房屋的打印建造也震惊了世界。在申请人独家统计的130家国内主要3D打印企业中，仅有2家进行过建筑打印的相关研究，其中有一家正在进行产业化。
这2家企业中，南京宝岩公司起步较早，主要做混凝土打印，目前暂无展示产品。该公司上过央视CCTV2的对话节目，其董事长提到做过雕像打印，建筑方面恐怕仅仅是宣告技术领先，并未产业化，且打印效果较差，表面十分粗糙，精度也很低；另一家是上海盈创装饰设计工程有限公司，该公司产品于2015年1月18日才刚刚上市，目前号称已经产业化，但其宣传上有较多夸大：该公司宣称研发出连续建筑3D打印机，但其打印墙体并不是在施工场地完成的，而是打印完成一面固定形状的墙体后再进行运输组装；该公司打印的房屋设计还完全是目前的传统平板房设计，完全浪费了3D打印技术的优势；3D打印建筑的表面未经过任何处理，极不平整，打印的别墅类建筑也仅仅是在外表面再覆盖一层木板，后续工作繁杂；该公司宣传的6大技术突破，其实在之前全都都已经实现……不过，该公司依旧作出了很多开创性的成就：打印高层建筑；盈恒石材料研发；建筑打印的城市景观应用等。实际上，该技术的实现难度并不大，而该公司目前的产品模式（打印墙体后运输组装）将造成高昂的成本，很难在短期内推广开来。
从上可以看出，目前所有的3D建筑打印技术都仅仅是利用3D打印技术对传统设计的建筑进行打印，而施工地点、施工对象、力学性能等均以传统建筑为参照，还未真正将3D打印技术的优势在建筑打印领域完全发挥出来。
发明内容
为解决上文所述缺陷，本发明提出如下解决方案：
利用3D打印技术对打印件形状无要求的特点，结合拓扑结构优化后的3D打印建筑墙体的填充形状，通过较少的材料消耗，获得较大的建筑强度。
针对某些施工地表面复杂的形状及随机的障碍物分布，利用三维扫描技术对实际地形情况设计打印头在XY二维平面上运动的XY地表面导轨，因此传统3D打印技术的X、Y方向二自由度的运动简化为了沿导轨方向的一自由度的运动。同时，导轨的形状及走向可很好的贴合不规则地表，同时避开障碍物。在某些不适合直接在其上打印建筑的地基，如河流、砂石地等，将采取其他工艺结合，比如架起钢筋拱桥，使得打印的建筑不直接与这一部分非建筑地基接触。
打印头除了在导轨方向上的运动外，必不可少的还有Z方向的运动。如前文所述，由于建筑高度设计较低， Z方向最大长度也较现有的3D建筑打印机大大降低，从而避开了3D打印高层建筑的技术壁垒。除此之外，Z方向也可选择脱离传统的直线坐标系，而采用与建筑设计的Z方向截面形状相对应的曲线来完成；在建筑表面形状非常复杂时，可直接在Z方向加入角自由度θ，使得打印头在XY平面内的延伸更加灵活。
考虑到打印材料入料的连续性，以及打印现场只有XY地表面导轨方向无障碍，其余位置都默认障碍较多，本建筑打印机将采用近端供料，利用渣浆泵将打印材料从材料桶输送到打印头。材料桶内的材料可打印N层。渣浆泵与材料桶随打印头一起运动，在打印完N层后，由人工或机械自动化装置换上新的材料桶。
除了主要起支撑材料的打印头及材料桶外，还可根据需要加入砂浆、膏体等打印材料，以增强建筑的保温隔热性、防潮性、隔音效果。
由于本发明的应用，与现有技术相比将产生以下积极效果：
1. 由于避免了利用长距离传动装置驱动打印头的工作，从而大大提高了打印精度控制，也在很大程度上降低了控制系统的研发成本。
2. 降低了清楚施工场地障碍物的成本，同时保留了某些障碍物的功能性及观赏性，当障碍物是自然景观或植物时，还在很大程度上起到了保护环境的作用。
3. 改变了人类的建筑理念，降低了建筑对于地基力学及地质学性能的依赖，使得建筑地点的包含范围更广，科技与自然的结合更加紧密与完美。
4. 在很大程度上减少了墙体填充材料的消耗，同时获得了更好的抗震性与力学性能。
附图说明
图1为本发明所叙述的建筑3D打印机的运动部件示意图。
图2为本发明所叙述的建筑3D打印机工作示意图。
以上附图中：1. 打印头；2. Z方向导轨；3. 耗材桶；4. 驱动小车；5. 打印头导轨；6. 障碍物；7. XY地表面导轨；8. 非建筑地基；9. 打印的建筑。
具体实施方式
以下将结合附图来说明本发明的实施方式。为便于叙述，本申请附图中的障碍物6用树木来表示，附图1中障碍物6一共有5个，其位置为随机分布，形状相同，在此不一一指明。本申请附图中的非建筑地基8用河流来表示，表面此地不宜在表面直接打印建筑，应越过，或采用拱桥等其他工艺结合建造，使得3D打印建筑墙体不直接与非建筑地基8接触。但障碍物6、非建筑地基8的种类、形状及分布并不局限于该附图所示的障碍物6、非建筑地基8，所有3D建筑打印施工现场的障碍物及不适合在其表面直接打印建筑的地基均在本发明的保护范围之内。同理，本申请附图中的XY地表面导轨7、打印的建筑9形状均为便于叙述的假设，所有根据3D建筑打印施工现场的障碍物而设计的地表面导轨和建筑物形状均在本发明的保护范围之内。Z方向导轨在本附图中的形状为竖直，所有根据本3D建筑打印概念对Z方向导轨2进行的形状改均在本发明的保护范围之内。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述：
参照附图1，打印头1、Z方向导轨2、耗材桶3、驱动小车4、打印头导轨5组成了3D打印建筑的运动部件，这5个部分为一体的机构同时运动。打印建筑时，驱动小车4带动附着于其上的打印头1、Z方向导轨2、耗材桶3、打印头导轨5一起沿着XY地表面导轨7的一个方向运动。耗材桶3内的打印材料由泵直接供给打印头1挤出，层加于打印的建筑9之上，进行3D增材建筑打印。打印头1可以沿着Z方向导轨2在Z方向上运动，以打印不同层高的墙体。打印头1也可以沿着垂直于Z方向的打印头导轨5进行运动，以抵达墙体范围内的所有材料的位置。所有运动均由智能芯片进行控制。
参照附图2，假设3D打印建筑的施工地点为一处山地，其中包含随机分布的5个障碍物6，此处用树木来表示；无法承受3D打印建筑墙体的非建筑地基8，此处用河流来表示。其余草坪地表拥有不规则自然形状，其力学性能及地质基础能够满足在其表面直接打印建筑墙体并长期保存的要求。XY地表面导轨7的形状由建筑地点的山体表面形状、障碍物6的形状及分布、非建筑地基8的形状、类型及分布来决定，XY地表面导轨7在保证基本贴合山体地表的情况下，避开了障碍物6的位置，同时避开非建筑地基8的位置，或采用拱桥等其他工艺结合建造，使得3D打印建筑墙体不直接与非建筑地基8接触。打印的建筑9的外部形状由XY地表面导轨7的形状来决定，打印的建筑9位置范围在XY地表面导轨的径向靠近打印的建筑一侧的打印头导轨5的长度范围以内，与XY地表面导轨7的形状基本相同，因此同样避开了障碍物6的位置，同时使得3D打印建筑墙体不直接与非建筑地基8接触；打印的建筑9的填充形状也为事先设计。由3D打印建筑的运动部件（即附图1所示部件）沿着XY地表面导轨7运动，从而打印出对应打印的建筑9。
上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的是让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能因此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围之内。