МОБИЛЬНЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ 3D-ПРИНТЕР
MOBILE CONSTRUCTION 3D PRINTER

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к строительной отрасли. Мобильный строительный 3D-принтер предназначен для изготовления строительных конструкций, в том числе для строительства жилых домов, зданий и сооружений различного назначения, изготовления частей и элементов зданий, деталей строительных конструкций, строительных материалов и прочих изделий простой и сложной геометрической формы по аддитивной технологии, заключающейся в послойном нанесении строительной смеси по цифровой 3D-модели, подготовленной методом компьютерного 3D-моделирования.
Уровень техники
Строительная 3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта, в результате которой объект формируется путем послойной укладки строительного материала на высоту сформированного слоя.
Из уровня техники известно техническое решение по заявке WO 2007050968 (А2), UNIV SOUTHERN CALIFORNIA [US] KHOSHNEVIS BEHROKH, B23K 26/00, опубл. 03.05.2007 г., в котором представлено описание развертываемой крафтинг машины, в состав которой входит блок перемещения, подвесная система, устройство которой позволяет ей складываться на блоке перемещения, переходя в нерабочее состояние, а также развертываться, переходя в рабочее состояние, опираясь, по крайней мере, частично на блок перемещения.
Недостатками представленного изобретения являются большой вес машины, ограничение степеней свободы блока перемещения, невозможность использования оборудования на фундаменте внутри строящегося здания и установки его на межэтажном перекрытии, отсутствие системы позиционирования, что ограничивает использование машины для строительства многоэтажных и высоких зданий.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является свободно перемещающийся робот 3D-печати по патенту CN 104527067 (A), UNIV SHANGHAI, B22F3/115, В29С 67/00, B33Y 30/00, опубл. 22.04.2015 г., включающий полный комплекс механизмов мобильных платформ, подъемный механизм по оси Z, блок 3D-печати и обратную связь /связь/ цепь управления, характеризующийся тем, что подъемный механизм Z-оси жестко соединен с действующим по всем направлениям мобильным механизмом платформы, механизм 3D-печати жестко соединен с подъемным механизмом Z-оси, обратная связь /связь/ цепь управления устанавливается на мобильный механизм платформы одновременно, и мобильный механизм платформы и механизм Z-оси подъема управляются на основании схемы обратной связи /связи/ цепь управления для приведения в действие механизма 3D-печати, чтобы осуществить печать объектов полосообразной формы, таких как стены здания, безразмерного предела в трехмерном пространстве. В данном решении размеры рабочей зоны принтера при его фиксированном положении ограничиваются размерами самого принтера, размерами и пределами перемещения печатающей головки.
Перемещение печатающей головки по осям X и Y во время печати обеспечивается непосредственно перемещением мобильной платформы на колесах, приводимой в движение мотором перемещения, установленном на основании мобильной платформы. Для достижения высокой точности печати требуется практически идеальная поверхность для перемещения платформы, что очень сложно обеспечить в условиях строительства.
В упрощенной схематичной компоновке робота 3D-печати не предусмотрено использование печатающих головок разных типов, а также использование других исполнительных механизмов.
В заявляемом решении размеры рабочей зоны принтера могут быть значительно расширены за счет установки модуля навески числового программного управления (ЧПУ), имеющей три степени свободы перемещения по осям X, Y и Z, что дает возможность увеличения размеров рабочей зоны не только за счет изменения размеров и пределов перемещения печатающей головки, которая прикреплена к навеске ЧПУ, но также и за счет изменения размеров и пределов перемещения навески ЧПУ.
Для достижения высокой точности печати и для исключения зависимости точности печати от ровности поверхности фундаментальной плиты, по которой перемещается шасси, в модуле навески ЧПУ установлен механизм юстировки по горизонтали, обеспечивающий заданное отклонение модуля навески ЧПУ и соответственно самой навески ЧПУ по горизонтали, и механизм юстировки по вертикали, обеспечивающий заданное отклонение модуля навески ЧПУ и соответственно самой навески ЧПУ по вертикали. Использование предполагается только для перестановки принтера между сеансами печати.
Для расширения функциональных возможностей принтера в его конструкции предполагается возможность конструктивного исполнения навески ЧПУ в трех разных вариантах: работающая в декартовых координатах, либо угловых координатах, либо иметь конструкцию робота-манипулятора; а также установки других исполнительных механизмов, например, таких как устройство для укладки арматуры, устройство формирования поверхности, устройство нанесения составов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей мобильного строительного принтера, позволяющих повысить его производительность.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является значительное увеличение рабочей зоны принтера, а также достижение высокой точности печати зданий и сооружений. Поставленная задача решается тем, что мобильный строительный 3D-принтер включает шасси, содержащее платформу, на которой установлен двигатель с приводом на движитель, выполненный в виде колес; подъемный механизм по оси Z; печатающую головку, состоящую из экструдера и двигателя с приводом механизма подачи смеси экструдера; аппаратную часть, содержащую блок питания, устройство позиционирования, блок управления ЧПУ; платформа шасси дополнительно содержит кабину с размещенными внутри нее рабочим местом оператора и органами управления шасси; модуль навески ЧПУ, содержащий навеску ЧПУ с установленными на ней механизмами перемещения печатающей головки по осям X, Y, Z, а также двигателями и приводами для каждой оси X,Y, Z, держатель навески ЧПУ, выполненный с возможностью его перемещения посредством подъемного механизма по модулю навески ЧПУ, механическое крепление модуля навески ЧПУ с расположенными на нем механизмом юстировки по вертикали, обеспечивающим заданное отклонение модуля навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по вертикали и механизмом юстировки по горизонтали, обеспечивающим заданное отклонение модуля навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по горизонтали; устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку; аппаратная часть дополнительно содержит блок управления устройством приготовления и подачи смеси.
При этом шасси может использоваться для перемещения принтера вне рабочей зоны навески ЧПУ по осям X, Y, Z и может быть использовано для перемещения принтера в транспортном состоянии.
Количество колес, из которых выполнен движитель, варьируется от 3 до 100. В частном варианте движитель может быть выполнен гусеничным. Навеска ЧПУ может быть конструктивно выполнена в трех разных вариантах: работающая в декартовых координатах, либо угловых координатах, либо иметь конструкцию робота - манипулятора.
На шасси может быть дополнительно смонтированы устройство для укладки арматуры, устройство формирования поверхности, устройство нанесения составов.
Краткое описание чертежей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1-3 представлен общий вид устройства мобильного строительного 3D-принтера, работающего в декартовой системе координат (на фиг. 1 - вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3-вид снизу), на фиг. 4-7 представлен вид модуля навески ЧПУ (на фиг. 4 - вид сбоку, на фиг. 5 - вид сверху, на фиг. 6 - вид снизу, на фиг. 7 - вид спереди), на фиг. 8 представлено изображение печатающей головки, продольный разрез, на фиг. 9 представлен общий вид устройства мобильного строительного 3D-принтера с навеской ЧПУ, работающей в угловой системе координат, на фиг. 10 представлен общий вид устройства мобильного строительного 3D-принтера с навеской ЧПУ типа робот-манипулятор. Позициями на фигурах обозначены:
1 - шасси,
2 - платформа,
3 - двигатель,
4 - привод,
5 - движитель,
6 - колесо,
7 - подъемный механизм по оси Z,
8 - печатающая головка,
9 - экструдер,
10 - двигатель привода механизма подачи смеси экструдера,
11- привод механизма подачи смеси экструдера,
12 - аппаратная часть,
13 - блок питания,
14 - устройство позиционирования,
15 - блок управления ЧПУ,
16 - кабина,
17- рабочее место оператора,
18 - органы управления шасси,
19 - модуль навески ЧПУ,
20 - навеска ЧПУ,
21 - механизм перемещения печатающей головки по оси X,
22 - двигатель с приводом механизма перемещения для оси X
23 - механизм перемещения печатающей головки по оси Y,
24 - двигатель с приводом механизма перемещения для оси Y,
25 - механизм перемещения печатающей головки по оси Z,
26 - двигатель с приводом механизма перемещения для оси Z,
27 - держатель навески ЧПУ,
28 - механическое крепление навески ЧПУ,
29 - механизм юстировки по вертикали,
30 - механизм юстировки по горизонтали
31 - устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку,
32 - блок управления устройством приготовления и подачи смеси,
33 - устройство для укладки арматуры,
34 - устройство формирования поверхности,
35 - устройство нанесения составов.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-3 представлен общий вид мобильного строительного 3D-принтера. На фиг. 4-8 представлены отдельные конструктивные элементы принтера. На фиг. 9-10 представлены общий вид устройства мобильного строительного 3D-принтера с навеской ЧПУ, работающей в угловой системе координат и общий вид устройства мобильного строительного 3D-принтера с навеской ЧПУ типа робот-манипулятор.
Принтер включает шасси 1, основой которого является платформа 2, на которой жестко установлен двигатель 3, который передает усилие через привод 4 на движитель 5. Движитель 5, выполненный в виде колес 6 (или гусениц), обеспечивает перемещение шасси 1 по осям X и Y.
Шасси 1 позволяет оператору перемещать строительный принтер по строительной площадке как внутри зоны застройки (по грунту, фундаменту и межэтажному перекрытию), так и снаружи. Кроме этого шасси 1 позволяет транспортировать принтер до строительной площадки, выгружать и загружать принтер с тралов, автомашин и других средств, предназначенных для перевозки.
На платформе также установлены подъемный механизм по оси Z 7, аппаратная часть 12, кабина 16, модуль навески ЧПУ 19, устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку 31.
Внутри кабины 16 размещены рабочее место оператора 17 и органы управления шасси 18. Шасси 1 является самоходным и управляется с рабочего места оператора 17.
Модуль навески ЧПУ 19 содержит навеску ЧПУ 20, держатель навески ЧПУ 27, механическое крепление узла навески ЧПУ 28, жестко закрепленное на платформе 2. Подъемный механизм по оси Z 7 перемещает во время печати держатель навески ЧПУ 27 по модулю навески ЧПУ 19. Навеска ЧПУ 19, закрепленная на держателе 27, выполнена с возможностью ее перемещения по осям X, Y, Z.
На навеске ЧПУ 19 установлены механизм перемещения печатающей головки по оси X 21 и двигатель с приводом механизма перемещения для оси Y 22, механизм перемещения печатающей головки Y 23 и двигатель с приводом механизма перемещения для оси Y 24, механизм перемещения печатающей головки по оси Z 25 и двигатель с приводом механизма перемещения для оси Y 26, которые обеспечивают перемещение печатающей головки по осям X, Y и Z. Печатающая головка 8 состоит из экструдера 9, обеспечивающего подачу смеси и формирование слоя, и двигателя 10 с приводом механизма подачи смеси экструдера 11.
Механическое крепление модуля навески ЧПУ 28 содержит механизм юстировки по вертикали 29 и механизм юстировки по горизонтали 30, обеспечивающие заданное отклонение модуля навески ЧПУ по вертикали и механизмом юстировки по горизонтали, обеспечивающим заданное отклонение основания узла для навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по вертикали и горизонтали соответственно.
Аппаратная часть 12 состоит из блока питания 13, обеспечивающего питанием все устройства мобильного принтера, устройства позиционирования 14, обеспечивающего юстировку принтера по горизонтали и вертикали, позволяющего определить местоположение принтера относительно печатаемого объекта, блока управления ЧПУ 15, обеспечивающего управление навеской ЧПУ и работой печатающей головки 8, блока управления устройством приготовления и подачи смеси 32.
На шасси 1 может быть дополнительно смонтированы устройство для укладки арматуры 33, устройство формирования поверхности 34, устройство нанесения составов 35.
Устройство работает следующим образом.
Процесс печати осуществляет оператор с рабочего места 17, расположенного внутри кабины 16, управляя мобильным принтером посредством органов управления 18. Для этого он переезжает на исходную позицию для печати, используя тягу двигателя 3, передаваемую движителю 5, выполненному в виде колес 6, через привод 4. При этом он выставляет шасси 1 мобильного принтера с заданной точностью на позицию для печати. Оператор определяет требуемое местоположение принтера с помощью устройства позиционирования 14. Более точное позиционирование навески ЧПУ 20 с печатающей головкой 8, посредством которых и производится сама печать, оператор осуществляет с помощью механизма юстировки по горизонтали 30 и механизма юстировки вертикали 29. Установка мобильного принтера после проведения юстировки считается законченной.
Приготовление смесей для печати и транспортировка их до печатающей головки осуществляется оператором в устройстве приготовления и подачи смеси в печатающую головку 31. Для этого в устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку 31 засыпается заданное количество сухой смеси и заливается заданное количество воды. Полученная смесь для печати перемешивается и подается в печатающую головку 8.
Далее оператор загружает в блок управления ЧПУ 15 модель печатаемого объекта и с помощью управляющей программы послойно печатает объект. Навеска ЧПУ 20 является исполнительным механизмом команд, поступающих от блока управления ЧПУ 15. Основанием навески ЧПУ 20 является модуль навески ЧПУ 19, на который навеска ЧПУ 20 крепится посредством держателя навески ЧПУ 27. Оператор имеет возможность юстировки модуля навески ЧПУ 19 по вертикали посредством механизма юстировки по вертикали 29. Оператор имеет возможность перемещения модуля навески ЧПУ 19 по вертикали посредством подъемного механизма по оси Z 7. Оператор имеет возможность юстировки модуля навески ЧПУ 19 по горизонтали посредством механизма юстировки по горизонтали 30, расположенным на платформе 2 и отклоняющим модуль навески ЧПУ 19 через механическое крепление навески ЧПУ 28. Все исполнительные механизмы запитаны от блока питания 13, распределение которого осуществляется от аппаратной части 12, с помощью которой оператор получает и обратную связь от исполнительных устройств.
Во время печати перемещение печатающей головки 8, закрепленной на навеске ЧПУ 20, происходит посредством механизма перемещения печатающей головки по оси X 21, приводимого в движение двигателем с приводом механизма перемещения для оси X 22, механизма перемещения печатающей головки по оси Y 23, приводимого в движение двигателем с приводом механизма перемещения для оси Y 24, механизма перемещения печатающей головки по оси Z 25, приводимого в движение двигателем с приводом механизма перемещения для оси Z 26. Перемещение печатающей головки 8 навеской ЧПУ 20 по осям X Y Z позволяет получить высокую точность во время печати. Навеска ЧПУ 20 обеспечивает перемещение печатающей головки 8 по осям X Y Z и может быть конструктивно выполнена в трех вариантах: работающая в декартовых, либо угловых координатах, либо иметь конструкцию робота-манипулятора.
Смесь, подаваемая в печатающую головку 8 устройством приготовления и подачи смеси в печатающую головку 31, выдавливается экструдером 9, приводимым в движение двигателем 10 через привод механизма подачи смеси экструдера 11. Смесь, выдавливаемая экструдером, формируется в один слой печатаемого объекта.
Оператор управляет устройством приготовления и подачи смеси в печатающую головку 31 посредством блока управления устройством приготовления и подачи смеси 32.
Оператор во время печати может укладывать арматуру в печатаемый объект с помощью устройства для укладки арматуры 33, смонтированного на шасси 1 мобильного принтера.
Оператор во время печати может формировать поверхность печатаемого объекта с помощью устройства формирования поверхности 34, смонтированного на печатающей головке 8.
Оператор во время печати может наносить различные составы на печатаемый объект с помощью устройства нанесения составов 35, смонтированного на навеске ЧПУ 20 мобильного принтера.
Преимущества заявляемого изобретения
Мобильный строительный 3D-принтер согласно настоящему изобретению обладает следующими преимуществами:
- увеличение размеров рабочей зоны принтера, что обеспечивается за счет установки модуля навески ЧПУ, а именно за счет изменения размеров и пределов ее перемещения;
- достижение высокой точности печати зданий и сооружений за счет установки механизма юстировки по горизонтали и механизма юстировки по вертикали, обеспечивающих заданное отклонение модуля навески ЧПУ и соответственно самой навески ЧПУ по горизонтали и по вертикали соответственно, что исключает зависимость точности печати от ровности поверхности фундаментальной плиты, по которой перемещается шасси;
- расширение функциональных возможностей принтера за счет применения в конструкции принтера: за счет использования возможности конструктивного исполнения навески ЧПУ в трех разных вариантах: работающая в декартовых координатах, либо угловых координатах, либо иметь конструкцию робота - манипулятора, а также возможности установки других исполнительных механизмов, например, таких как устройство для укладки арматуры, устройство формирования поверхности, устройство нанесения составов.