一种用于3D打印的辅助负重装置、系统、打印体及方法与流程

本发明涉及3d打印，特别涉及一种用于3d打印的辅助负重装置、系统、打印体及方法。

背景技术：

1、3d打印混凝土为自下而上逐层打印的受压结构。由于打印过程中打印材料属于塑性膏体，打印过程中结构抵抗荷载能力较差。3d打印应用于工程实物领域时，随着打印体高度的增加，下部打印结构还未形成足够强度，不能承受上部打印体自重带来的荷载，导致打印体压溃、变形甚至倾覆破坏，故不得不采取分批次打印（一般高度达2m需停机等待），待下层材料凝结硬化具备足够强度后，再继续进行上一层结构的打印，严重拖慢了整体打印进度，还制约了3d打印混凝土单次一体打印的高度（一般材料）。另外，对于直立形打印体，打印过程中，结构处于受压状态，即使是结构面外的微小变形，也可能导致打印体发生失稳破坏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中3d打印混凝土受限于问题，提供一种用于3d打印的辅助负重装置、系统、打印体及方法。

2、第一方面，本发明提供一种用于3d打印的辅助负重装置，包括支撑架，所述支撑架上设有支撑臂，所述支撑臂能够沿所述支撑架高度方向移动，所述支撑臂远离所述支撑架的一端可拆卸连接有托板，所述托板的板面沿打印的层间方向布置，所述托板上设有若干供打印材料穿过的通孔，所述支撑臂能够带动所述托板移动，所述托板用于伸入所述3d打印体中，所述托板就位时，所述托板的下表面接触所述3d打印体的已打印区域，所述托板的上方为所述3d打印体的待打印区域。

3、所述支撑臂能够带动所述托板移动，如移动至3d打印体的预设高度处，预设高度可根据打印体的形状构造、打印材料的性能等，综合确定的，如；在没有负重装置情况下需要停机等待已打印部分硬化的高度位置，也可以是根据实际打印情况确定的其他预设布置位置。

4、支撑臂能够沿支撑架高度方向升降或绕支撑架转动，便于调整支撑臂的位置，在托板就位前能够灵活避让打印头作业，不干扰正常打印流程。

5、托板的具体形状和尺寸并不限制，根据想要将上部新增荷载传递给外围支撑架的负载比例情况进行设计。托板的通孔用于保证上下层的打印材料的连续性，形成剪力键的形式，可参考进行通孔尺寸的设计。

6、本发明提供的一种用于3d打印的辅助负重装置，通过在打印过程中的介入，将当前待打印区域新增自重荷载的一部分通过托板经支撑臂传递给外围的支撑架，保留部分自重荷载压力下来，用于层间粘结，避免下方尚未凝结硬化的已打印区域承受全部上部荷载，从根源上解决了底层结构因荷载过大发生压溃变形或失稳的问题，无需分批次停工等待下层结构强度提升，能够有效提升连续打印的高度，更适应异形混凝土构件3d打印可行性，降低打印体因缓凝未形成强度对打印结构形状的限制，加快整体打印进度，保证打印过程的结构稳定性。托板上设置的通孔可保证待打印区域打印时，材料能够正常穿过通孔与下方已打印区域连接，保证打印体的整体性不被破坏，托板与支撑臂可拆卸连接，打印结束后可断开连接撤出支撑臂，将托板留存于打印体内部，不会影响打印体最终成型，托板也能够作为打印体的内部加劲，提高打印体的结构强度和稳定性。

7、可选的，所述支撑臂设有所述托板的端部还连接有支板，所述支板朝向所述3d打印体的侧面形状适配所述3d打印体设计分层高度界面处的外形，所述支板的侧面顶端高于对应的所述托板，底端低于对应的所述托板。

8、增设的支板可用于打印过程中贴合已打印区域和待打印区域的侧面，辅助限制打印过程中结构的侧向变形，进一步提升打印体的抗失稳能力，但不对打印体施加额外作用力，对自由打印结构体形状和打印过程无干涉。

9、可选的，所述支撑臂的端部具有安装端，所述托板和支板设于所述安装端，所述安装端相对于所述支撑臂的平面夹角可调。

10、可选的，所述支板的俯仰角度可调。能够适配不同打印体轮廓的分层界面形态，适配性更强。

11、支板可根据实际打印需要，设置为可拆卸的或保留于3d打印体外形上，即能够随支撑臂一同与托板分离，或能够随托板一起与支撑臂分离。

12、可选的，所述支撑架和支撑臂之间还设有长度可调的拉索，能够对支撑臂形成斜向牵拉，与支臂共同形成受力体系，承担传递的荷载，避免支撑臂受荷变形。随着打印高度的增加，托板所传递的荷载增加，可调节支臂拉索长度使得支撑臂和托板在打印过程中竖向位移在允许范围内。

13、可选的，所述支撑臂能够伸缩。

14、进一步提高装置的适应性。

15、可选的，所述托板的厚度小于8mm，单个所述通孔的面积为3cm2-16cm2，可根据实际打印出料参数调整开孔率，保证材料连通性的同时保证托板的承载能力。

16、第二方面，本发明提供一种3d打印的辅助系统，包括若干个如上所述的用于3d打印的辅助负重装置，若干个所述辅助负重装置围绕3d打印体的设计打印空间周向间隔布置，可从多个方向对打印体中部或上部新增荷载进行分担，进一步提升整体打印的稳定性及适应性。

17、第三方面，本发明提供一种3d打印体，采用上述的辅助负重装置或辅助系统施工成型，所述3d打印体内具有托板。

18、无需额外取出托板，简化了后处理工序，且不影响打印体的整体使用性能，还能提供层间额外抗剪承载力。

19、第四方面，本发明提供一种3d打印方法，采用上述的辅助负重装置或辅助系统，包括如下步骤：

20、s1、在3d打印体的设计打印空间周围布设用于3d打印的辅助负重装置，调节支撑臂使所述支撑臂避让所述3d打印体的成型位置；

21、s2、打印所述3d打印体至预设高度；

22、s3、在打印头离开当前高度的托板预设位置至所述打印头打印到该位置的下一层的时间段内，调整所述托板到预设位置使其放置在所述3d打印体的已打印区域上，调整所述托板期间，所述打印头保持打印；

23、s4、所述3d打印体达到预设强度后，断开所述托板与支撑臂的连接，使所述托板留在所述3d打印体内。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果：

25、1.本发明提供一种用于3d打印的辅助负重装置，通过在打印过程中的介入，将当前待打印区域新增自重荷载的一部分通过托板经支撑臂传递给外围的支撑架，保留部分自重荷载压力下来，用于层间粘结，避免下方尚未凝结硬化的已打印区域承受全部上部荷载，从根源上解决了底层结构因荷载过大发生压溃变形或失稳的问题，无需分批次停工等待下层结构强度提升，能够有效提升连续打印的高度，更适应异形混凝土构件3d打印可行性，降低打印体因缓凝未形成强度对打印结构形状的限制，加快整体打印进度，保证打印过程的结构稳定性。托板上设置的通孔可保证待打印区域打印时，材料能够正常穿过通孔与下方已打印区域连接，保证打印体的整体性不被破坏，托板与支撑臂可拆卸连接，打印结束后可断开连接撤出支撑臂，将托板留存于打印体内部，不会影响打印体最终成型，托板也能够作为打印体的内部加劲，提高打印体的结构强度和稳定性。

26、2. 本发明提供一种3d打印的辅助系统，包括若干个上述辅助负重装置，多个辅助负重装置围绕设计打印空间间隔布置，能够从不同方位分担不同位置的上部荷载，进一步分散受力，适配大尺寸、大截面、异形打印构件的连续打印需求，提升打印过程的整体稳定性，也能根据打印构件的实际形态灵活调整各辅助负重装置的布设位置，灵活适配不同的打印场景。

27、3.本发明提供一种3d打印体，3d打印体内部留存有托板，无需额外取出，简化了施工流程，且托板留在打印体内部还可作为内部加劲构件，提升打印体整体的结构强度与层间抗剪性能，不影响打印体的正常使用性能。

28、4.本发明提供的一种3d打印方法，在调整托板就位的过程中打印头保持连续作业，无需停工等待托板就位，不会干扰原本的打印流程，能够充分利用层间打印间隙完成托板的布设，保证打印的连续性，大幅提升整体打印效率，降低了大高度打印构件对打印材料凝结速度的要求，拓展了3d打印混凝土技术的应用范围。