[发明专利]非平面3D建筑打印方法

说明书

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。