工程结构的3D打印方法技术

本发明专利技术涉及工程结构的3D打印方法，属于工程技术领域。该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术克服了传统工程结构制作方法需要大量的模板、人力和工时，并且制作精度和质量往往难以满足要求的缺点，实属一大创新，对3D打印在工程领域的应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
工程结构的3D打印方法
本专利技术涉及工程结构的3D打印方法，应用于工程领域中各种工程结构的三维快速制作。
技术介绍
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。工程结构包括土木工程结构、水利工程结构、港口和海岸工程结构、特种工程结构、机场跑道、地下和空间结构等。但传统的3D打印在工程结构领域的应用显然遇到了很高的门槛，这主要是由于工程结构多为混凝土结构，如预应力混凝土结构、钢-混组合结构等，在工程结构中还可能有钢筋、钢梁、钢筒等，显然要把这些都以粉末的形式分层打印具有相当大的难度，且成本也会增加很多。因而需要找到一种更加实际可行的方式，即在已有骨架如钢筋、钢梁、钢筒等的基础上直接喷射混凝土，来实现工程结构的3D打印，也即实现工程结构的三维快速制作。有鉴于此，专利技术人根据理论分析和实际经验，研究、开发并经试验验证，最终产生本专利技术。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供工程结构的3D打印方法，该方法可以实现工程领域中各种工程结构的三维快速制作。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：工程结构的3D打印方法，该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作。工程结构的3D打印方法，其特征是所述的三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际工程结构进行三维扫描，获得该工程结构的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。工程结构的3D打印方法，其特征是所述的骨架可以是钢筋骨架，或是钢梁骨架，或是钢筒骨架，或是它们的组合体；在以上骨架中可以包含孔道、预埋件等。骨架根据工程结构的设计要求事先预制并拼装在一起。工程结构的3D打印方法，其特征是所述的3D打印机是针对工程结构领域的要求设计的。按该工程结构的实际形状、尺寸和构造要求，设计打印架的形状、尺寸和布置形式。在计算机的控制下，起布料机作用的打印喷头可以前后、左右、上下来回地喷射每一层所需要的混凝土。打印喷头的数量可以是一个，也可以是N个，N=1～100。待新喷射层混凝土干硬达到设计要求后，再喷射下一层混凝土，最终完成混凝土结构体的浇筑。工程结构的3D打印方法，其特征是所述的喷射混凝土打印时需考虑其初凝和终凝的时间因素，并考虑其流动性、粘结性，早期强度和骨料粒径，以满足喷射要求。工程结构的3D打印方法，其特征是所述的计算机系统根据工程结构的三维模型、混凝土拌合系统、上料系统、现场监控系统、自动感应系统、机械控制系统，自动完成对水泥、骨料、水、外加剂等原材料的配制和输送或者自动完成对预拌混凝土的输送；通过现场监控系统、自动感应系统和机械控制系统，完成对打印喷头的定位、喷射、旋转和移动。最后，通过计算机系统完成对3D打印机的精确控制和工程结构的三维快速制作。本专利技术的有益效果是：经检索，在工程结构的3D打印方法研究上国内外基本处于空白状态，没有发现公开文献报道。随着3D打印技术的不断发展，3D打印在工程结构领域的应用乃是大势所趋，对于工程结构的三维快速制作至关重要。因此，专利技术人从3D打印在工程结构的应用前景考虑，经过长期实践和研究，独立专利技术了工程结构的3D打印方法。本专利技术克服了传统工程结构制作方法需要大量的模板、人力和工时，并且制作精度和质量往往难以满足要求的缺点。根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作，实属一大创新，对3D打印在工程领域的应用具有重要意义。附图说明图1一种预应力混凝土梁打印前示意图图2一种预应力混凝土梁打印中示意图图3一种预应力混凝土梁打印完成示意图图4一种预应力混凝土梁梁端锚固示意图图5一种钢-混组合结构打印前示意图图6一种钢-混组合结构打印中示意图图7一种钢-混组合结构打印完成示意图图8一种预应力钢筒混凝土管打印前示意图图9一种预应力钢筒混凝土管打印中示意图图10一种预应力钢筒混凝土管打印完成示意图图11一种预应力钢筒混凝土管外槽口支撑示意图图12一种地下工程厂房结构打印前示意图图13一种地下工程厂房结构打印中示意图图14一种地下工程厂房结构打印完成示意图图15一种预应力混凝土隧洞工程结构打印前示意图图16一种预应力混凝土隧洞工程结构打印中示意图图17一种预应力混凝土隧洞工程结构打印完成示意图图18一种预应力混凝土隧洞工程结构内槽口支撑示意图图中标号：1为打印机主体，2为横向轨道，3为纵向轨道，4为打印头，5为钢筋骨架，6为混凝土，7为工字钢梁，8-1为内轨道，8-2为外轨道，9-1为内打印机，9-2为外打印机，10为钢筒，11为围岩，12为预应力筋孔道，13为预应力锚具，14为预应力筋，15为剪力键，16为水泥砂浆保护层。具体实施方式结合附图对本专利技术做进一步说明：实施例一一种预应力混凝土预制结构的3D打印方法实例说明：某跨度为32m的预应力混凝土梁，采用3D打印方法进行制作，如图1~图4所示。根据设计预先加工制造钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架。把该钢筋骨架移到3D打印平台上，按照计算机内预先建立的预应力混凝土梁三维模型，控制可三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，分层进行打印。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间，形成跨度为32m的钢筋混凝土梁。待混凝土达到设计龄期后，穿入预应力筋，张拉预应力筋，锚固预应力筋并封锚，最后形成跨度为32m的预应力混凝土梁。具体的实施步骤如下：步骤1建立预应力混凝土梁的三维模型。3D打印需要输入要打印构件的3D数据，预应力混凝土梁的3D打印需要输入预应力混凝土梁的三维模型。三维模型可以是通过三维软件设计出来的，也可以是通过摄像或对实际预应力混凝土梁进行三维扫描，获得该预应力混凝土梁的三维模型，然后处理三维模型使其能够满足三维打印的要求。步骤2制作并安放预应力混凝土梁的钢筋骨架。根据预应力混凝土梁的承载和使用要求，对其进行配筋设计，根据设计预先加工制造钢筋骨架，在该骨架上定位安装预应力筋孔道、预应力锚具等附件，最后形成一个完整的钢筋骨架。然后将钢筋骨架安放在3D打印机的工作台上，如图1所示。步骤3进行预应力混凝土梁的3D打印。将三维模型输入3D打印机，打印机根据输入的三维模型将预应力混凝土梁逐层分切，针对每一层的分切构建，按层次打印。在计算机系统的精确控制下，通过3D打印机可控制三向移动和转动的打印头，即能控制三向移动和转动的喷射头，在钢筋骨架的表面或内部逐层喷射混凝土。在打印过程中，根据混凝土的初凝和终凝龄期，控制每层的打印时间。待逐层打印完成后，即形成跨度为32m本文档来自技高网...

【技术保护点】
工程结构的3D打印方法，其特征是：工程结构的3D打印方法，该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架如钢筋、钢梁、钢筒等，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作。

【技术特征摘要】
1.工程结构的3D打印方法，其特征是：工程结构的3D打印方法，该方法是根据工程结构的三维模型，先制造安装工程结构的骨架，然后利用3D打印机在骨架的表面或内部逐层喷射混凝土，整个打印过程通过计算机系统进行精确地控制，从而实现工程结构的三维快速制作；所述的计算机系统根据工程结构的三维模型、混凝土拌合系统、上料系统、现场监控系统、自动感应系统、机械控制系统，自动完成对水泥、骨料、水、外加剂的配制和输送或者自动完成对预拌混凝土的输送；通过现场监控系统、自动感应系统和机械控制系统，完成对打印喷头的定位、喷射、旋转和移动，最后，通过计算机系统完成对3D打印机的精确控制和工程结构的三维快速制作。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的三维模型是通过三维软件设计出来的，或者是通过摄像或对实际工程结构进行三维扫描，获得该工程结构三维模型，然后处理三维模型使其能够...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱尔玉，施明源，朱力，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：