本發(fā)明涉及一種建造塔的方法、塔、和三維塔打印設(shè)備。

背景技術(shù)：

塔結(jié)構(gòu)是各種用途所必需的，例如用于支撐風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙，用于電視塔、橋梁支座、高壓線塔等。高塔（如風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架）可以由在裝配塔的地點(diǎn)實(shí)行連接的鋼部件所制成。然而，鋼的價(jià)格昂貴，并且塔節(jié)必須以高精確度制造從而能夠裝配塔。鋼塔結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問題是在塔段不發(fā)生任何變形或橢圓形變的情況下將塔段運(yùn)輸?shù)窖b配地點(diǎn)中的困難。因此，這種塔結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是使用混凝土而建造，因?yàn)榛炷料鄬?duì)較為經(jīng)濟(jì)。已知有各種方法。例如，環(huán)形塔節(jié)可以預(yù)制并且運(yùn)輸?shù)窖b配地點(diǎn)，在該地點(diǎn)通過將塔段堆疊在另一個(gè)塔段的頂部上而裝配塔。此方法的一個(gè)問題是沉重塔節(jié)的運(yùn)輸問題。可由混凝土或鋼所制成的各塔節(jié)的尺寸常常是折中的。大塔節(jié)使非常高的塔的快速建造成為可能，但需要特殊的卡車和寬的道路將寬且沉重的塔節(jié)運(yùn)輸?shù)窖b配地點(diǎn)。另一方面，小塔節(jié)可以用標(biāo)準(zhǔn)卡車在普通道路上運(yùn)輸，并且可以利用標(biāo)準(zhǔn)吊車將其舉起和堆疊。然而，裝配過程要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間因此費(fèi)用更高，并且由小塔節(jié)所制成塔的高度受到了限制。另一個(gè)問題是要求用適當(dāng)?shù)卮蟮牡踯噷⑺?jié)舉起到適當(dāng)位置。尤其是在近海風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，該建造方法會(huì)是非常耗時(shí)且費(fèi)用高的。將沉重的塔節(jié)舉起到適當(dāng)位置進(jìn)行裝配也是非常危險(xiǎn)的過程。因?yàn)樾枰玫踯噥矶询B多個(gè)塔節(jié)，所以塔的高度受到可使用吊車類型的限制。也必須建造適當(dāng)?shù)卮蟮牡鼗?，以便支撐這種大且沉重的吊車。因?yàn)轱L(fēng)速通常隨著在地面或海平面上的高度增加而增大，所以風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架的高度與風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出有直接關(guān)系。因此，至少在風(fēng)能發(fā)電的領(lǐng)域中，期望建造非常高的塔。需要大吊車的施工工藝并非總是可行的，尤其在近海施工場(chǎng)地的情況下，因?yàn)樵诮Ｎ恢脼槌Ｒ姷膹?qiáng)風(fēng)會(huì)限制最大吊車高度。因此，尤其在近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的情況下，上述問題導(dǎo)致了對(duì)用已知工藝可以實(shí)現(xiàn)的最大塔高度的限制，因此這會(huì)限制可以從風(fēng)中所獲取能量的量。

在另一個(gè)方法中，可以通過以下方法現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土塔：將混凝土倒入環(huán)形模具中，使得其硬化，使模具向上移動(dòng)，并重復(fù)該過程直到塔達(dá)到期望的高度。此方法的一個(gè)問題是它相對(duì)較為耗時(shí)因此代價(jià)高，因?yàn)樵诳蓪⒛＞呷コ案鳚仓乃?jié)必須硬化到某種程度。使模具移動(dòng)并調(diào)節(jié)其尺寸（從而允許直徑的減?。┑牟襟E也是耗時(shí)的。而且，大量的人工干預(yù)增加了塔的總成本。

因此，本發(fā)明的目的是提供一種建造非常高的塔同時(shí)克服已知的塔施工工藝的限制的方法。

該目的是通過建造塔的權(quán)利要求1的方法、通過權(quán)利要求8的塔、和通過權(quán)利要求9的三維塔打印設(shè)備而實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明，建造塔的方法包括以下步驟：

A：提供升降裝置，該升降裝置包括實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)與塔表面接合的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)；

B：將三維打印設(shè)備布置在升降裝置上；

C：致動(dòng)動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)升降裝置的大體上豎直的升降；

D：致動(dòng)三維打印設(shè)備以使至少包括塔體區(qū)的大體上為水平的材料層沉積；

E：重復(fù)步驟C和D而獲得塔結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的上下文中，在增材制造工藝中，三維打印設(shè)備添加各層的材料（優(yōu)選混凝土）從而使塔“長(zhǎng)高”。當(dāng)塔“長(zhǎng)高”時(shí)，升降裝置可以與以前打印的塔表面接合以便使三維打印設(shè)備升高或降低。在本發(fā)明的上下文中，材料層不要求側(cè)向防漏，即三維打印設(shè)備使無粘結(jié)的或非包容性的層的材料沉積。被打印材料的一致性是使得它具備足夠的流態(tài)性質(zhì)以便打印，但也具有足夠的粘度以保持其打印形狀。優(yōu)選地，三維打印設(shè)備被實(shí)現(xiàn)為包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械臂和相應(yīng)的控制裝置，例如工業(yè)機(jī)械臂裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)（尤其是當(dāng)把混凝土用作建筑材料時(shí)）是可以在基本上沒有任何中斷的情況下建造塔。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，升降裝置和三維打印設(shè)備大體上自由地相對(duì)于塔而懸掛，即，并不借助于腳手架、吊車、構(gòu)架、吊鉤、螺栓、或任何其它永久性或半永久性附接手段將升降裝置附接或固定到塔。不同于常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆注工藝，無需建造滑模來容納大體積流態(tài)混凝土；也無需暫緩建造過程直到澆筑的塔節(jié)已硬化。在已知的工藝中所必需的且當(dāng)澆筑塔的高度增加時(shí)必須使其反復(fù)移動(dòng)的其它模具在這里是不需要的。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法非常有利地降低制造成本，因?yàn)樵摲椒ù俪闪擞萌S混凝土打印設(shè)備來打印混凝土塔的非常簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的手段。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，按照特定的圖案施加連續(xù)層的材料（優(yōu)選混凝土）從而形成期望的結(jié)構(gòu)。可以假設(shè)：三維打印設(shè)備包括給料頭，該給料頭具有用于以受控制的速度使受控制量的材料沉積的噴嘴或分配器；以及可以以受控制的方式使給料頭移動(dòng)。例如，如果正在使用混凝土建造環(huán)形塔節(jié)，那么可以對(duì)給料頭進(jìn)行控制以確定大體上為圓形的路徑，使大體上為水平的層的混凝土沉積從而提供期望的層深度，同時(shí)形成塔體區(qū)和任何其它所需的區(qū)域。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“大體上為水平的層”不排除打印層具有不平和/或略微傾斜的表面的可能性。而且，通過以螺旋形或螺旋狀的方式施加連續(xù)層，可以以大體上無縫的方式使各層沉積?！八w區(qū)”應(yīng)被理解為大體上限定塔體形狀的區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明，利用上述的方法來建造塔。根據(jù)本發(fā)明的塔的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與已知的施工工藝相比可以非常迅速地完成塔的建造。而且，本發(fā)明的“塔打印過程”可以連續(xù)地并且基本上獨(dú)立于天氣條件或日時(shí)間而實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明的塔可以非?？焖俚亟ㄔ欤虼丝梢耘c采用現(xiàn)有技術(shù)工藝所建造的塔相比明顯地更加廉價(jià)，因?yàn)閻毫拥奶鞖鈼l件（如大風(fēng)）并不會(huì)造成問題，這不同于當(dāng)大風(fēng)導(dǎo)致大吊車的操作是危險(xiǎn)時(shí)會(huì)需要中斷的已知施工程序。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以從地基高度到最高高度打印整個(gè)塔?？商娲?，可以利用根據(jù)本發(fā)明的方法通過以前打印好的塔節(jié)的堆疊而裝配塔。

根據(jù)本發(fā)明，三維塔打印設(shè)備包括：包括實(shí)現(xiàn)為與塔表面接合的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)的升降裝置；用于致動(dòng)動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)升降裝置的豎直位移的升降控制器；被布置在升降裝置上的三維打印設(shè)備；和用于致動(dòng)三維打印設(shè)備以便將材料沉積在一系列大體上為水平的層（各層包括至少塔體區(qū)）中以獲得塔結(jié)構(gòu)的打印控制器。

根據(jù)本發(fā)明的三維塔打印設(shè)備的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：該打印裝置可以用于在快速建造過程中建造塔節(jié)、或者甚至是完整的塔。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備易于使用，并且當(dāng)正在建造塔節(jié)或塔時(shí)無需額外的吊車或構(gòu)架來固定該設(shè)備，該設(shè)備也無需模具來容納流體材料直到它硬化。

本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例和特征是由從屬權(quán)利要求提供，正如在以下的描述中揭示。視情況可將不同權(quán)利要求類別的特征加以組合，從而提供本文中未描述的其它實(shí)施例。

術(shù)語“三維打印”與“增材制造”具有相同的含義，并且可互換地使用。在本發(fā)明的上下文中所使用的三維打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)為打印或沉積適合于建造塔的一層的任何材料。在下文中，可假設(shè)該三維打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)為用于以受控制的速度沉積或施加受控制量的流態(tài)混凝土。

基于混凝土拌合物組成、層厚度、環(huán)境溫度、濕度等，在一定時(shí)間之后流態(tài)大體積混凝土將硬化。優(yōu)選地，利用三維混凝土打印設(shè)備打印或沉積混凝土的速度是使得以前沉積的層已硬化到仍然允許該層與隨后所施加的層粘結(jié)的程度。該三維混凝土打印設(shè)備可以包括用于分配流態(tài)混凝土的一個(gè)或多個(gè)給料頭或噴嘴。例如，可用三個(gè)等距離布置的打印頭同時(shí)地使混凝土層沉積，以便三個(gè)嵌套螺旋大體上地組成塔節(jié)。在具有相對(duì)較大直徑且需要相應(yīng)地大量混凝土的下塔區(qū)中使用數(shù)個(gè)打印頭會(huì)是有利的。在具有較小直徑的較高塔區(qū)中，單個(gè)打印頭可足夠了。多個(gè)給料頭可共用一條共同的供給管路，或者可各自具有單獨(dú)的供給管路。優(yōu)選地，該三維混凝土打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)為工業(yè)機(jī)器人，并且可以將給料頭安裝到具有數(shù)個(gè)自由度的關(guān)節(jié)機(jī)械臂，可以致動(dòng)該機(jī)械臂從而以受控制的方式使給料頭移動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，打印控制器是用于控制工業(yè)機(jī)械臂及其給料頭，以便打印出預(yù)定順序的層，從而獲得具有特定形狀的塔。在該通常的三維打印方法中，一層的形狀可僅略微不同于以前所沉積的層的形狀。

工業(yè)混凝土打印機(jī)器人可以具有：被安裝在升降裝置的平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)支承基面、和可以徑向移動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)械臂。由于這種實(shí)現(xiàn)方式，打印機(jī)器人可以到達(dá)沿塔圓周的任意點(diǎn)。平臺(tái)相對(duì)于升降裝置是靜止的，并且當(dāng)升降裝置被致動(dòng)時(shí)利用升降裝置使該平臺(tái)豎直地位移?？商娲?，可將打印機(jī)器人安裝到由升降裝置所承載的可旋轉(zhuǎn)基座或平臺(tái)。

在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，所述方法包括致動(dòng)三維打印設(shè)備以使若干爬升結(jié)構(gòu)區(qū)沉積的步驟，其中爬升結(jié)構(gòu)區(qū)的形狀被設(shè)計(jì)成與升降裝置的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)互補(bǔ)，從而獲得包括與升降裝置的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)接合的爬升結(jié)構(gòu)的塔結(jié)構(gòu)。爬升結(jié)構(gòu)與升降裝置接合，使得在塔向上“生長(zhǎng)”時(shí)，當(dāng)致動(dòng)升降裝置時(shí)，三維打印設(shè)備可以向上行進(jìn)達(dá)相應(yīng)的距離。

當(dāng)利用根據(jù)本發(fā)明的增材制造方法建造塔時(shí)，可以在塔的內(nèi)和/或外表面上形成爬升結(jié)構(gòu)。其中形成爬升結(jié)構(gòu)的方式可以取決于正在使用的升降裝置的類型。同樣地，可以根據(jù)可以形成的爬升結(jié)構(gòu)的類型來建造升降裝置。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，爬升結(jié)構(gòu)形成為延伸超過塔體，在空心塔的情況下優(yōu)選地延伸進(jìn)入塔內(nèi)部。例如，爬升結(jié)構(gòu)可以包括徑向延伸進(jìn)入塔內(nèi)部的大體上豎直的肋部或突出部。這種肋部或突出部的內(nèi)豎直表面可以形成為與升降裝置的相應(yīng)部分接合，正如將在下面說明的。此類型爬升結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是肋部或突出部與塔體整體地形成，因此可以顯著地增加塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該方面可以用于增加具有某個(gè)壁和塔體厚度的塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。可替代地，由這種爬升結(jié)構(gòu)所提供的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以允許在不折中其強(qiáng)度的情況下減小塔的壁或塔體厚度，由此有利地保持較低的材料成本。

高塔（如風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架）通常具有在底部比在頂部更寬的圓錐形形狀，并且可以形成實(shí)現(xiàn)為豎直的肋部或突出部的爬升結(jié)構(gòu)，使得其內(nèi)豎直表面是在與塔的中心豎直軸線的大體恒定的距離處。在這種實(shí)現(xiàn)方式中，肋部突出進(jìn)入塔內(nèi)部的量將隨著塔高度的增加而減小。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，爬升結(jié)構(gòu)形成為至少部分地延伸進(jìn)入塔體中。根據(jù)本發(fā)明的方法可以將上述兩個(gè)原理加以組合，使得例如爬升結(jié)構(gòu)在下塔區(qū)中從塔體向外延伸，并且形成為在上塔區(qū)中至少部分地延伸進(jìn)入塔體中。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過施加具有適當(dāng)形狀的爬升結(jié)構(gòu)區(qū)的一系列層，而獲得包括用于與升降裝置的帶齒的輪接合的至少一個(gè)帶齒齒條的爬升結(jié)構(gòu)。換句話說，打印或沉積混凝土層使得連續(xù)層形成爬升結(jié)構(gòu)，各爬升結(jié)構(gòu)具有與帶齒的輪的突起部相匹配的一系列凹槽。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，升降裝置包括多個(gè)豎直布置的帶齒或脊形的輪，并且爬升結(jié)構(gòu)包括相對(duì)應(yīng)數(shù)量的豎直的帶齒或脊形的齒條。例如，升降裝置可以包括等距離地布置在大體上為水平的平面中的三個(gè)豎直的帶齒的輪，并且爬升結(jié)構(gòu)可以包括三個(gè)豎直帶齒齒條的相應(yīng)布置。齒條的“齒”是通過打印適當(dāng)?shù)膶有螤疃纬桑赐ㄟ^使混凝土沉積以便在當(dāng)前高度獲得所期望的水平的截面形狀（凹進(jìn)或凸起）。為了使平臺(tái)升高或降低，優(yōu)選地使帶齒的輪同步地轉(zhuǎn)動(dòng)，并且當(dāng)輪的齒與齒條接合時(shí)將帶齒的輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成平臺(tái)的相應(yīng)的豎直位移。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，爬升結(jié)構(gòu)形成為包括至少一個(gè)螺旋狀螺紋，用以容納升降裝置的爬升輪。例如，升降裝置可以具有三個(gè)或更多的爬升輪，由此爬升輪布置為確定沿塔壁的螺旋狀行進(jìn)路徑。爬升結(jié)構(gòu)可以形成為包括凹進(jìn)塔體內(nèi)部的三個(gè)相對(duì)應(yīng)的螺旋狀螺紋?！奥菁y”是通過打印適當(dāng)?shù)膶有螤疃纬桑赐ㄟ^使混凝土沉積從而在當(dāng)前高度獲得所期望的水平的截面形狀。為了使平臺(tái)升高或降低，優(yōu)選地使爬升輪同步地轉(zhuǎn)動(dòng)，并且將輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成平臺(tái)的相應(yīng)的豎直位移。爬升輪可以包括具有適當(dāng)?shù)馗吣Σ料禂?shù)的外表面，使得爬升輪不抵靠在混凝土表面上滑動(dòng)?？商娲?，通過在至少一個(gè)螺旋狀螺紋中形成與在爬升輪外表面上的齒或脊部相對(duì)應(yīng)的一系列脊部，可以將該原理與上述帶齒的輪與齒條原理加以組合。

在本發(fā)明的一個(gè)替代的優(yōu)選實(shí)施例中，升降裝置的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)包括大體上為水平的伸縮裝置，該伸縮裝置實(shí)現(xiàn)為將反壓施加到塔內(nèi)表面上以便將升降裝置和三維打印設(shè)備懸掛在塔內(nèi)部中。該伸縮裝置可以包括數(shù)個(gè)伸縮“臂”，例如液壓缸或機(jī)械臂，可以致動(dòng)這些伸縮“臂”從而將向外的側(cè)向力施加到塔內(nèi)壁。伸縮臂可以包括大體上為細(xì)長(zhǎng)或平直的臂。可替代地，伸縮臂可以是鉸接的，即包括用一個(gè)或多個(gè)連接器所連接的細(xì)長(zhǎng)段。在一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式中，可以使用三個(gè)或更多的液壓缸，這些液壓缸被等距離地布置在星形構(gòu)造中并且將三維打印機(jī)支撐在星形構(gòu)造的中心。位于星形構(gòu)造的中心的液壓泵和電機(jī)裝置單獨(dú)地和/或共同地控制伸縮臂的壓力。在一個(gè)更加復(fù)雜的實(shí)施例中，伸縮裝置包括機(jī)械伸縮臂，這些伸縮臂是用于將三維打印設(shè)備保持在適當(dāng)位置并且用于使其向上或向下位移。在各伸縮臂的外端處的墊板可以增加與塔內(nèi)壁的接觸面積。各伸縮臂可以具有一個(gè)或多個(gè)自由度，例如相對(duì)于升降裝置的中心的角自由度。為了實(shí)現(xiàn)豎直位移，可以減小由伸縮臂所施加的壓力從而允許墊板沿塔內(nèi)壁向上滑動(dòng)（或者向下，如果升降裝置正在下降）。一個(gè)或多個(gè)力/扭矩傳感器可以將反饋提供給控制器，該控制器相應(yīng)地調(diào)節(jié)壓力?？梢詫⒘?扭矩傳感器布置在任何適當(dāng)位置，例如在墊板與臂之間、在臂與塔表面之間、在關(guān)節(jié)伸縮臂的連接器處，等?？商娲鼗蛄硗?，通過使用抽吸墊在墊板與塔壁之間形成真空同時(shí)伸縮臂是靜止的，可以改善與塔表面S的接觸。同樣地，可以將高摩擦材料施加到墊板的外表面。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，升降裝置包括伸縮裝置，該伸縮裝置實(shí)現(xiàn)為將反壓施加到塔外表面上從而將升降裝置和三維打印設(shè)備懸掛在塔內(nèi)部。

可將上述原理組合在一個(gè)混合方法中。例如，升降裝置可以配備有：承載帶齒的輪的一個(gè)液壓臂、及兩個(gè)或更多個(gè)的液壓伸縮臂（反之亦然）?？梢詫?duì)三維打印機(jī)進(jìn)行控制從而打印出輪可以與之接合的一個(gè)豎直帶齒齒條?？梢灾聞?dòng)伸縮臂使其跟隨輪沿帶齒齒條的豎直行進(jìn)而向上（或向下）位移。

在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，升降裝置的動(dòng)態(tài)接合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)為“跨越”塔壁的一種類型的夾持裝置，該夾持裝置具有一對(duì)或多對(duì)的液壓和/或機(jī)械夾緊臂，例如關(guān)節(jié)臂，如上所述。夾緊臂可以以成對(duì)的方式布置。各臂可以終止于墊板中，該墊板可以位于抵靠在塔壁面上的位置。這樣，夾緊臂對(duì)可以將反壓施加到外側(cè)和內(nèi)側(cè)壁面上。例如，可以對(duì)夾緊臂進(jìn)行控制從而推動(dòng)墊板使其抵靠在塔壁上，使得這些墊板與塔表面接合?？梢詫⒃撊S打印設(shè)備安裝在夾持裝置的頂上，使得該三維打印設(shè)備大體上被懸掛在塔壁的上方。由于三個(gè)夾緊臂對(duì)（類似于襯套）的布置，兩個(gè)夾緊臂對(duì)可以在任一時(shí)間施加反壓同時(shí)第三夾緊臂對(duì)沿塔的圓周行進(jìn)某個(gè)距離。通過交替地夾緊和移動(dòng)，整個(gè)設(shè)備可以在三維打印機(jī)施加一層的流態(tài)混凝土?xí)r圍繞塔圓周移動(dòng)?？商娲兀S打印設(shè)備可以具有關(guān)節(jié)臂，該關(guān)節(jié)臂實(shí)現(xiàn)為在塔的最大直徑上方伸長(zhǎng)，以便該關(guān)節(jié)臂可以打印環(huán)形的環(huán)同時(shí)夾緊裝置仍然保持靜止。隨后，當(dāng)塔長(zhǎng)高時(shí)，升降控制器可以致動(dòng)夾持裝置的液壓臂從而實(shí)現(xiàn)升降裝置和三維打印設(shè)備的豎直位移?？梢詫?duì)夾緊臂進(jìn)行控制，以便根據(jù)三維打印機(jī)的位置和夾緊臂施加在升降裝置上的任何扭矩來調(diào)節(jié)施加到內(nèi)和外塔壁面的力。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地將混凝土持續(xù)地提供給三維混凝土打印設(shè)備。為此目的，可以將混凝土攪拌與泵送裝置用于連續(xù)地制備合適的混凝土拌合物并且將該混凝土拌合物在壓力下泵送至三維混凝土打印設(shè)備的高度。適當(dāng)?shù)厝嵝院?或可伸縮的軟管可以用于輸送流態(tài)混凝土。優(yōu)選地，根據(jù)混凝土的期望的坍落度值和/或待打印混凝土層的厚度和/或混凝土層的期望的硬化時(shí)間和/或在攪拌與泵送裝置上方的三維混凝土打印設(shè)備或平臺(tái)的當(dāng)前高度，由合適的控制器來調(diào)節(jié)混凝土的組成。這種控制器優(yōu)選地也調(diào)節(jié)泵壓以補(bǔ)償在泵與平臺(tái)之間的流態(tài)混凝土柱的高度。由于這些措施，可以在增材制造工藝期間在塔的所有高度上確?；炷两M成的均質(zhì)性。

升降裝置優(yōu)選地包括用于使輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而使平臺(tái)升高的驅(qū)動(dòng)單元。為了致動(dòng)升降裝置，可以利用適當(dāng)?shù)目刂破鱽砜刂乞?qū)動(dòng)單元，該控制器導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)單元使平臺(tái)以期望的速度升高或降低。例如，當(dāng)正在建造塔或塔節(jié)時(shí)，可以以受控制的速度使升降裝置升高，該受控制的速度可以由已沉積混凝土的硬化速度、在該高度上的塔周長(zhǎng)、和所使用打印頭的數(shù)量所決定。這樣，通過以同步的方式控制三維打印頭和升降裝置，能夠連續(xù)地將混凝土打印到當(dāng)前的最高表面上，使得塔結(jié)構(gòu)在不中斷的情況下“生長(zhǎng)”。有利地，快速塔建造可以顯著降低風(fēng)力渦輪機(jī)的總成本。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于控制各種部件的任何控制器被同步化。例如，打印控制器（用于控制三維混凝土打印設(shè)備）、驅(qū)動(dòng)單元（用于使平臺(tái)升高或降低）、和攪拌裝置控制器（用于控制混凝土攪拌與泵送裝置）可以以同步的方式操作。例如，攪拌裝置控制器可以調(diào)節(jié)混凝土組成和泵送壓力，從而確?；炷涟韬衔镏钡綄⑵鋸慕o料頭中噴射出之時(shí)具有正確的一致性，同時(shí)打印控制器可以以基于正在被打印層的表面積的速度而使混凝土沉積，該表面積相應(yīng)地取決于在該水平上的塔高度。類似地，驅(qū)動(dòng)單元可以對(duì)使升降平臺(tái)升高的速度進(jìn)行控制，以便在較低高度較緩慢地使平臺(tái)升高（因?yàn)檫@些層是較大的）并且在較高高度較快速地使平臺(tái)升高（由于它們相對(duì)較小的面積，可以更迅速地沉積）。例如，控制器可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，或者可以合并在系統(tǒng)控制器中?？梢詫⑦m當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)程序產(chǎn)品裝載入這種系統(tǒng)控制器的存儲(chǔ)器中，以便生成用于致動(dòng)三維混凝土打印設(shè)備以使混凝土層沉積、用于致動(dòng)升降裝置的驅(qū)動(dòng)單元、和用于控制攪拌與泵送裝置的一系列指令。

混凝土結(jié)構(gòu)通常需要一些類型的加強(qiáng)元件，從而使其能夠承受載荷力。因此，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，使混凝土層沉積從而在塔體中形成若干豎直的通道，用以容納后應(yīng)力繩索或柔繩?？商娲鼗蛄硗猓?dāng)正在打印塔時(shí)，可以將加強(qiáng)元件（如螺紋鋼筋）埋入混凝土中。與此同時(shí)，可以將避雷線埋入塔體中，正如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是已知的。

因?yàn)樵霾闹圃旃に囀歉叨热嵝缘?，所以在?shí)施根據(jù)本發(fā)明的三維塔打印方法期間可以考慮其它方面。例如，在建造過程期間可以在塔的較低區(qū)留出隨后可以用作進(jìn)入塔內(nèi)部的門道的一個(gè)開口，或者留出電力電纜離開塔所經(jīng)過的一個(gè)開口。與高塔（如風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架，尤其是近海塔）有關(guān)的一個(gè)已知問題是在大風(fēng)狀況期間的塔載荷問題。根據(jù)本發(fā)明的方法將會(huì)允許在塔體中在各種高度上形成狹窄的豎直狹縫的布置，以便風(fēng)可以穿過塔，由此減小載荷力。根據(jù)本發(fā)明的方法也可以用于打印“蜂窩”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基本上對(duì)風(fēng)是開放的，以便風(fēng)進(jìn)入塔的各區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明的方法可以用于從地基高度到最高高度三維打印出整個(gè)混凝土塔。例如，可以從其地基到安裝偏航裝置的最高高度三維打印出混凝土風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架。根據(jù)本發(fā)明的方法尤其適合于近海塔的建造，因?yàn)槿S打印方法無需任何大的吊車設(shè)備并且可以顯著地降低總施工成本?？商娲兀梢匀S打印出混凝土塔節(jié)，然后進(jìn)行堆疊從而建造完整的塔。

一旦塔已完成，便可以將升降裝置拆除。可替代地，升降裝置和驅(qū)動(dòng)單元可以留在塔中，并且可以用于支撐高度可調(diào)節(jié)的維修平臺(tái)，例如以便允許維修技術(shù)人員進(jìn)入在風(fēng)力渦輪機(jī)組塔架的較高高度上的偏航驅(qū)動(dòng)單元。

根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置并不局限于塔的建造，也可以用于建造多種結(jié)構(gòu)。例如，可以利用根據(jù)本發(fā)明的方法來建造建筑物的直壁部。

附圖說明

基于以下的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的和特征將變得顯而易見。然而，應(yīng)該理解的是，附圖是僅僅用于說明的目的而并非定義為用于對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的采用塔打印設(shè)備的第一實(shí)施例的塔建造階段；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的混凝土塔的部分建造的第一實(shí)施例的透視圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的混凝土塔的部分建造的第二實(shí)施例的剖視圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的采用塔打印設(shè)備的第二實(shí)施例的塔建造階段；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的采用塔打印設(shè)備的第二實(shí)施例的塔建造階段。

在所有示意圖中，類似的附圖標(biāo)記指代類似的物體。在各示意圖中的各物體未必按比例繪制。

具體實(shí)施方式

圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的采用三維塔打印設(shè)備1的第一實(shí)施例的塔建造階段。該示意圖示出了部分完成的塔結(jié)構(gòu)2。三維打印設(shè)備1包括工業(yè)機(jī)器人10，該工業(yè)機(jī)器人被實(shí)現(xiàn)為在增材制造工藝中從給料頭11中分配流態(tài)混凝土，在該增材制造工藝中“打印”連續(xù)的混凝土層L以獲得塔結(jié)構(gòu)2。將該三維混凝土打印機(jī)布置在被安裝到升降裝置13的平臺(tái)12上。攪拌與泵送裝置15將混凝土攪拌并且將流態(tài)混凝土泵送至三維混凝土打印機(jī)10。當(dāng)然，可以將流態(tài)混凝土直接地提供至給料頭11。打印控制器14（在示意圖中被圖示為抽象的方框）發(fā)出打印命令140，以便控制待分配混凝土的量、分配速度、給料頭的移動(dòng)，等。打印控制器14可以是總系統(tǒng)控制器（在示意圖中未示出）的一部分?？梢詫⒋蛴∶?40以無線方式或者利用有線通信接口發(fā)送給機(jī)器人10。

在此示例性實(shí)施例中，對(duì)機(jī)器人10進(jìn)行控制以使無粘結(jié)的混凝土層L相繼地沉積從而使塔體及爬升結(jié)構(gòu)S1“長(zhǎng)高”。塔體具有中空的圓錐形形狀（用虛線表示），并且在此實(shí)施例中，爬升結(jié)構(gòu)S1實(shí)現(xiàn)為延伸進(jìn)入塔結(jié)構(gòu)2的內(nèi)部22的若干肋部或突出部，并且脊形外表面與升降裝置13的脊形或帶齒的輪131接合。這里，各爬升結(jié)構(gòu)S1的脊形外表面維持與塔2的中心軸線X大體上恒定的距離D，因此突出部S1或肋部S1在下塔區(qū)最遠(yuǎn)地延伸進(jìn)入塔內(nèi)部22。在最高的塔高度，各爬升結(jié)構(gòu)S1的脊形外表面可以變得與塔壁同高。為了簡(jiǎn)單起見，該示意圖中僅示出了兩個(gè)在直徑方向上相反的爬升結(jié)構(gòu)S1。實(shí)際的布置可以包括以120°間隔等距離布置的三個(gè)這種爬升結(jié)構(gòu)S1，例如或者以90°間隔等距離布置的四個(gè)爬升結(jié)構(gòu)S1。

對(duì)機(jī)器人10進(jìn)行控制以使混凝土沉積在塔體區(qū)和爬升結(jié)構(gòu)區(qū)中從而形成在示意圖中所示的整體結(jié)構(gòu)2。最初，在形成較低的高度時(shí)，可以不需要升降裝置。在塔已“長(zhǎng)高”到某個(gè)高度之后，可以將升降裝置13布置為與爬升結(jié)構(gòu)S1接合，并且可以控制升降裝置13的驅(qū)動(dòng)單元130從而致動(dòng)帶齒的輪131，由此使平臺(tái)12向上升高，如由箭頭所表示。驅(qū)動(dòng)單元130可以包括電機(jī)，例如由蓄電池驅(qū)動(dòng)或者連接到發(fā)電機(jī)（未圖示）的電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)控制器可以以同步的方式控制打印機(jī)器人10、攪拌裝置15、和驅(qū)動(dòng)單元130，以便利用進(jìn)料管線150將具有正確的一致性的混凝土連續(xù)地提供給機(jī)器人10，該機(jī)器人10使給料頭11移動(dòng)從而沿預(yù)定的圖案沉積螺旋狀層的混凝土同時(shí)利用升降裝置13使平臺(tái)緩慢地向上升高。這樣，塔結(jié)構(gòu)2可以以基本上不間斷的方式“長(zhǎng)高”。雖然示意圖中僅示出了具有用于一個(gè)給料頭的一個(gè)關(guān)節(jié)臂的機(jī)器人10，但應(yīng)當(dāng)理解的是，設(shè)備1可以包括多個(gè)這種關(guān)節(jié)臂，從而允許多個(gè)給料頭以同步的方式施加各層的混凝土。

本發(fā)明的增材制造工藝是快速且不復(fù)雜的，從而能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)“打印出”非常高的塔，并且無需用于正在使?jié)窕炷脸练e時(shí)容納濕混凝土或者使?jié)窕炷脸尚蔚娜魏文＞呋蚧?。由本發(fā)明所采用的方法允許在使混凝土硬化時(shí)無需用于混凝土的任何容器或模具的情況下沉積或打印具有精確控制的一致性（在濕度、粘度、坍落度值、凝結(jié)時(shí)間等方面）的各層的混凝土。以這種方式施加連續(xù)的無粘結(jié)或非包容性層的混凝土可形成在塔壁上的脊形結(jié)構(gòu)。如果希望獲得平滑的壁（例如平滑的塔外壁），可利用另一個(gè)工具使打印層的外表面變平滑，例如可沿軟質(zhì)混凝土的外表面拉動(dòng)平直的刀片以使混凝土的外表面變平滑。例如，可以由另一個(gè)機(jī)械臂引導(dǎo)這種工具以便跟隨打印機(jī)頭。

該示例性實(shí)施例示出了經(jīng)由進(jìn)料管線150連接到打印機(jī)器人10的攪拌裝置15，并且進(jìn)料管線150穿過在較低塔區(qū)中的開口220。該開口220可以用作以后用于進(jìn)入塔的門道，或者提供用于從電力線到海底電纜的通道。盡管在示意圖中未示出，但當(dāng)把設(shè)備1用于整體地建造整個(gè)塔時(shí)，進(jìn)料管線150可以延伸到達(dá)塔結(jié)構(gòu)2的最高高度。

圖2中示出了混凝土塔結(jié)構(gòu)2的部分建造的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化透視圖。該示意圖中示出了三個(gè)等距離布置的肋部S1的布置，該肋部S1具有用于與升降裝置（未圖示）的帶齒或脊形輪接合的脊形外表面。當(dāng)使升降裝置的輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將使被安裝到升降裝置的平臺(tái)豎直地移動(dòng)。該示意圖中示出了一系列的層L。已通過沿著大體上圓形的路徑引導(dǎo)三維混凝土打印機(jī)器人的給料頭以使混凝土沉積在塔體區(qū)20和爬升結(jié)構(gòu)區(qū)21中，而沉積最高的層L。為了在爬升結(jié)構(gòu)區(qū)21中打印出略微的“懸突”，可以控制給料頭以便更加緩慢地釋放混凝土，使得在使混凝土沉積時(shí)混凝土可以有效地硬化。也可以引導(dǎo)三維混凝土打印機(jī)器人的給料頭從而不使混凝土沉積在空腔區(qū)200中，即避開這種空腔區(qū)200。在各層的高度，利用打印頭“排除”空腔區(qū)200，使得完成的塔結(jié)構(gòu)將具有用于后應(yīng)力繩索或柔繩的若干豎直通道。

圖3中示出了混凝土塔結(jié)構(gòu)2的部分建造的第二實(shí)施例的剖視圖。在此實(shí)施例中，爬升結(jié)構(gòu)S2包括以相對(duì)平直的間距凹進(jìn)塔壁中的三個(gè)“螺旋狀螺紋”S2。具有三個(gè)傾斜的爬升輪的升降裝置可以與這些螺旋狀凹槽接合，并且當(dāng)使輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被安裝到升降裝置的平臺(tái)將豎直地移動(dòng)。這里，在三維混凝土打印過程期間，也可以在塔體中形成用于后應(yīng)力纜線的豎直空腔。同樣地，在任何的這些實(shí)施例中，可以將其它加強(qiáng)元件（如螺紋鋼筋）埋在塔體中。除了用于給料頭的其關(guān)節(jié)臂外，機(jī)器人10還可以具有專用于操縱螺紋鋼筋元件的關(guān)節(jié)臂。

圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的采用三維塔打印設(shè)備1的第二實(shí)施例的塔建造階段。這里，如已在圖1中所示，將機(jī)器人10布置在可以由升降裝置13使其升高的平臺(tái)12上。在此實(shí)施例中，已沿著塔壁形成爬升結(jié)構(gòu)S3，即隨著塔高度的增加從塔軸線X到爬升結(jié)構(gòu)S3的脊形表面的距離減小。升降裝置13包括可調(diào)節(jié)裝置，例如用于使脊形輪131在塔壁的方向上伸展的液壓驅(qū)動(dòng)單元和一組液壓活塞。當(dāng)塔長(zhǎng)高時(shí)，當(dāng)正在使脊形輪131轉(zhuǎn)動(dòng)以使平臺(tái)升高時(shí)，可以將液壓活塞回縮。當(dāng)塔完成時(shí)，通過使輪在相反的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)并且使液壓活塞伸長(zhǎng)使得脊形輪始終與爬升結(jié)構(gòu)接合，可以使平臺(tái)下降。

此實(shí)施例還示出了具有相同類型升降裝置13的第二平臺(tái)12。該第二平臺(tái)是用于承載攪拌裝置15。該布置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)料管線150無需過分地長(zhǎng)，即使正在建造非常高的塔時(shí)。相對(duì)較短的進(jìn)料管線150可以確?；炷林钡交炷恋竭_(dá)用于打印的給料頭11的時(shí)間仍然充分地處于流態(tài)。系統(tǒng)控制器16發(fā)出打印命令140、攪拌命令150、和驅(qū)動(dòng)命令132，從而以受控制和同步的方式來控制三維塔打印設(shè)備1的元件10、11、13、15。

圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的采用三維塔打印設(shè)備1的第二實(shí)施例的塔建造階段。該示意圖中示出了部分完成的塔結(jié)構(gòu)2。如前面的示意圖中所示，三維打印設(shè)備1包括實(shí)現(xiàn)為從給料頭11中分配出流態(tài)混凝土的工業(yè)機(jī)器人10。在此實(shí)施例中，將三維混凝土打印機(jī)安裝到升降裝置，該升降裝置采用液壓活塞133或伸縮臂133的星形裝置并利用相對(duì)的壓力的原理將三維混凝土打印機(jī)10懸掛在塔內(nèi)部。將墊板或足134安裝在各液壓伸縮臂133的端部。臂133起源于位于星形構(gòu)造中心的中央件。該中央件可以容納用于調(diào)節(jié)各伸縮臂133中的壓力的任何泵、電機(jī)等。各臂133具有相對(duì)于中央件的某個(gè)角自由度，以便墊板134可以向上移動(dòng)到塔壁上的新位置。在此實(shí)施例中，對(duì)三個(gè)等距離的伸縮臂133進(jìn)行控制從而經(jīng)由三個(gè)墊板134施加反壓P。當(dāng)打印頭11使一層的流態(tài)混凝土沉積時(shí)，施加壓力從而將打印機(jī)10保持在期望的高度。系統(tǒng)控制器16可以發(fā)出打印機(jī)控制命令160和提高控制命令161，以使升降裝置13的移動(dòng)與打印過程同步。

一個(gè)替代實(shí)施例（未圖示）可以包括三個(gè)或更多的伸縮臂的兩個(gè)星形構(gòu)造，這些伸縮臂起源于相同的中央件，并且被布置成使得一組的伸縮臂連續(xù)地施加反壓從而將打印設(shè)備懸掛在適當(dāng)位置同時(shí)使其它組的伸縮臂向上位移。重復(fù)該過程，其中各組的活塞交替地固定三維打印機(jī)的位置然后向上移動(dòng)。類似的控制程序允許當(dāng)塔完成時(shí)使打印機(jī)反向地向下降低到地面。

在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，三維塔打印設(shè)備1可以包括用于“跨越”塔壁2的夾持裝置，例如具有用于將反壓施加到外和內(nèi)壁面上的三個(gè)夾緊臂對(duì)的布置?？梢詫⑷S打印設(shè)備10安裝在大體上被懸掛在塔壁2的上方的夾持裝置的頂上。當(dāng)?shù)谌蹖?duì)沿塔的圓周行進(jìn)一定距離時(shí)，兩個(gè)夾緊臂對(duì)可以在任一時(shí)間施加反壓?？商娲兀S打印設(shè)備10可以具有關(guān)節(jié)臂，該關(guān)節(jié)臂實(shí)現(xiàn)為在塔2的最大直徑的上方伸展，以便該打印設(shè)備可以打印出環(huán)形的環(huán)同時(shí)夾緊裝置仍然保持靜止。

類似于圖1，攪拌與泵送裝置（未圖示）將混凝土攪拌并且將流態(tài)混凝土泵送至三維混凝土打印機(jī)10，并且打印控制器（未圖示）發(fā)出打印命令140以便控制待分配混凝土的量、分配的速度、給料頭的移動(dòng)，等。圖1中所圖示說明的控制方法也可以應(yīng)用于此處，例如系統(tǒng)控制器可以控制打印機(jī)器人10、攪拌裝置和驅(qū)動(dòng)單元130，以便經(jīng)由進(jìn)料管線將具有正確的一致性的混凝土繼續(xù)地提供給機(jī)器人10，該機(jī)器人10使給料頭11沿著預(yù)定的圖案移動(dòng)從而使螺旋狀層的混凝土沉積，并且致動(dòng)伸縮臂從而逐漸地升高打印機(jī)10。

盡管上面以優(yōu)選實(shí)施例及其變型的形式公開了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不背離本發(fā)明范圍的前提下，可以對(duì)其做出許多另外的修改和變型。

為了清楚起見，應(yīng)該理解的是在整個(gè)本申請(qǐng)中“一”或“一個(gè)”的使用不排除多個(gè)的情況，并且“包括”并不排除其它的步驟或元件。