CN107000247A - 用于制备以连续层形式形成的三维结构的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制备极大尺寸的工业元件(1)(特别是建筑物)的设备。所述设备通过缆线(L1、L2、L3)进行螺旋定位，并且使用挤出头(2a)以薄层形式连续沉积糊状材料，例如包含水泥物质或热塑性化合物、热固性化合物或可交联化合物的砂浆。本发明还涉及使用所述设备制备三维结构的方法。

Description

用于制备以连续层形式形成的三维结构的设备和方法
技术领域
本发明涉及由以薄层形式(优选以重叠平面层形式)铺展的糊状物质或塑性物质制造三维结构的设备和方法。
背景技术
这种设备更特别地被统称为“3D打印机”。
本发明更具体地旨在制造极大尺寸的三维结构，特别是在建筑物的砖石建筑领域，即使用包含水硬性粘结剂(例如任选的轻质石灰或水泥)的砂浆(优选为绝缘且牢固并且优选为纤维增强的砂浆)的建筑。
在3D打印机的领域中，术语“结构”用于表示原型或小批量零件，例如泵元件、小雕像、瓶或任何其它零件，这些零件过去曾经要通过模塑制成或完全手工制成，现在借助于这些机器通过计算机以数字3D模型的形式设计，并且以完全自动的方式通过所述3D打印机逐层制成。
在建筑领域中，其包括建造建筑物，例如房屋、公寓楼或办公楼、仓库或需要可以迅速建造的结实结构的任何其它类型的建筑。
施工技术在过去的几十年内发生巨大变化，并且始终希望简化施工技术使其自动化，从而增加成品的品质同时降低成本和建造时间。
已知3D打印机的原理在于在三个维度上设计物体然后逐层制造。为此，以具有恒定厚度的平行切片的形式铸造3D数字模型，机器在每个平面上相继地逐层沉积糊状材料或液体材料，该步骤以准连续方式进行。取决于相关技术，以液滴的形式或者以熔融塑料材料的珠的形式在上一层上沉积材料并且通过注射头进行分布，或者实际上通过使用激光束熔融预先沉积的热熔粉末的薄层，或者通过使用激光束使液体膜聚合。
通常希望获得良好的成品品质，造成需要形成多个薄层，在一些情况下可能是约百分之一毫米厚的薄层，这需要较长时间才能制备具有几立方分米体积的零件。
近年来使用所述技术尝试通过使用机器人设备以相同的逐层方式制备建筑元件和小型建筑物，所述机器人设备为龙门式或选择性顺从铰接机械臂(SCARA)式机器人，或实际上是本领域技术人员已知的昆虫式机器人。
所有这些设备通过数字控制的控制器自动操作，所述控制器是机器人领域技术人员已知的，因此在制备结构时需要较少劳力。
这些技术非常适合于在车间中预制元件或进行小型工件，但是一旦尺寸变大，即大于5米(m)或10m，设备变得极大，因为设备需要非常精确并且非常具有刚性。
已知本发明人名下的专利FR 2 739 887，所述专利公开的设备使用缆线从而在两个维度上将工具定位至巨大墙壁上，更具体地定位至平面或略微弯曲的工件表面上。
已知在体育场中在运动员或选手的上方移动摄像机从而密切追踪体育赛事的设备已经使用了数十多。所述设备由四个索塔构成，所述索塔通常位于体育场的拐角处，快速绞盘安装在其顶端并且以已知的方式进行数字控制，所述绞盘通过通常由凯夫拉尔纤维制成的细缆线连接至摄像机，其中调节每个缆线的长度从而在平面中合适地定位摄像机，从而获得追寻的图像。通过实时控制一组绞盘，能够使摄像机在几乎覆盖全部体育场的区域上方行驶，这可以以超高速度进行。
以这种方式进行的摄像机定位不是很精确，因为缆线受到极大张力以便保证摄像机维持在运动员的上方。所述摄像机的高度通常不能得到很好控制，并且媒体已经报道了多起事故，特别是与运动员碰撞。在所述申请中，精确度不是很重要，因为目的是合适地定位摄像机从而获得追求的醒目图像。
已知专利US 2013/0292039描述了与上述摄像机相似的用于制备3D结构的设备，用于缆线的马达驱动器和喷射头连同材料供应器全部设置在移动头中。在所述申请中，缆线中的张力巨大，或者如果希望制造大尺寸元件时缆线中的张力甚至不可接受，因为所有竖直力由连接至固定索塔的缆线承担。
还已知专利WO 2005/097476和EP 1 872 928描述了用于制备大尺寸三维结构的三维矩形龙门。在所述申请中，三维制造龙门的水平梁需要非常坚固因此具有非常大的截面惯性矩以便限制负载下的下垂，从而保证移动精确并且可重复。这些设备被更具体地描述成用于在工厂预制结构元件。在所述情况下，各种元件的模块性和巨大重量不适合在建造建筑物的场地直接使用，因为设施必须能够从一个建筑场地容易地移动至另一个建筑场地。
发明内容
本发明旨在获得在三个维度XYZ上(更特别地在竖直方向Z上)具有高精确度的定位，当结构的尺寸较大或甚至巨大时竖直方向Z最难以控制。本发明能够省去常规的脚手架式装置或笨重的龙门式结构，应理解这些设备需要具有极高刚度从而保证精确定位。
本发明的目的是提供用于自动制造大尺寸结构的工业设备。
本发明涉及一种设备，所述设备用于沉积糊状材料从而逐层制造较大尺寸的三维结构，所述设备包括：
·至少三个第一支撑件(P1、P2、P3)，所述第一支撑件(P1、P2、P3)离地面一定距离且不在一条直线上，并支撑着三个相应的第一缆线张紧设备(M1、M2、M3)；和
·至少一个第二支撑件(5b)，所述第二支撑件(5b)离地面(10)保持一定距离，优选位于所述三个第一支撑件的上方，优选适合于至少在所述三个第一支撑件之间的区域上方移动；和
·材料供应管(2b)，所述材料供应管(2b)优选填充有糊状物质并且保持悬挂在地面(10)上方，并且适合于至少在所述三个第一支撑件之间的区域上方移动；和
·沉积头，优选为挤出头(2a)，所述沉积头位于所述供应管(2b)的端部，所述供应管(2b)从第二张紧设备(4)悬挂，优选被悬挂缆线(4a)悬挂，优选固定至第一滑架(3)，所述第一滑架(3)适合于相对于所述第二支撑件(5b)移动；和
·三个被称为“定位”缆线(7、7-1、7-2、7-3)的缆线，所述缆线具有各自的长度(L、L1、L2、L3)，每个缆线的一端连接至所述沉积头，并且每个缆线的另一端连接至所述三个第一张紧设备(M1、M2、M3)中相应的一个，三个所述定位缆线适合于通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)和所述第二张紧设备(4)的不同驱动以不同的可调节长度被张紧，并且适合于通过其可调节长度限定具有三角形上基面的倒金字塔，所述倒金字塔的底部点在三维空间中限定沉积点，所述沉积点基本上位于优选保持基本上竖直的供应管(2b)的底端的沉积头处，所述沉积点适合于通过三个所述第一张紧设备(M1、M2、M3)的至少一者的不同驱动，优选通过所述第一滑架的移动而在三个索塔之间在三维空间的三个维度XYZ上移动。
根据本发明，所述第一支撑件的至少一者为索塔(P)，优选为基本上竖直的索塔，优选锚固在所述地面中，并且支撑第一绞盘(M)。
可以理解，支撑第一绞盘的第一支撑件不一定位于彼此相同的水平，并且可以位于高处，固定至现有建筑物或可以由索塔构成。
在本发明中，所述梁(5b)构成锚固至地面(10)的塔式起重机(5)的吊杆，所述吊杆支撑所述第一滑架并且能够相对于塔以转动方式运动。
在本发明的变体形式中，梁(20b-5b)构成龙门(20)的基本上水平的梁，所述梁沿着水平轴线YY移动，所述水平轴线YY优选垂直于所述梁的轴线XX。
在本发明的优选的变体形式中，驱动三个第一张紧设备，优选驱动所述第二张紧设备，并且更优选地通过控制站(8)以数字方式控制使所述第一滑架移动，从而使所述沉积点移动。
在本发明中，优选通过控制站(8)的数字控制，通过调节第一滑架(3)沿着所述吊杆的移动和/或所述吊杆在水平面中的平移移动和/或旋转移动使悬挂缆线(4a)保持竖直。
在本发明的变体形式中，基于来自固定至所述悬挂缆线(4a)或所述管(2b)的两个倾斜计(11)的信息，通过调节第一滑架(3)在水平面XY中的位置使悬挂缆线(4a)保持竖直，所述倾斜计位于两个优选彼此垂直的竖直参考平面中。
因此，通过调节基本上对应于同一对直角坐标值xy或极坐标值(ρ)的滑架位置和对应于该对值xy的角度将悬挂缆线(4a)保持竖直。
在本发明的另一个变体形式中，供应管(2b)经由支撑件从所述第一悬挂缆线(4a)悬挂，所述支撑件用于引导鹅颈管式设备，并且沉积头包括喷嘴，所述喷嘴被连接至所述定位缆线(7)的支撑引导件(6)支撑。
在本发明中，第一绞盘(4)具有受控张力，并且支撑着基本上竖直悬挂并且填充有糊状物质的供应管(2b)的部分的总重量加上支撑引导件(6)和喷嘴(2a)的重量或许连同鹅颈管(4b)、悬挂缆线(4a)和垂花构造的管部分(2b)的重量的40％至95％，优选70％至85％。
可以理解的是，第一绞盘可以仅支撑供应管2b、支撑引导件6和喷嘴2a，因为在一些变体形式中不存在鹅颈管和悬挂缆线。
在本发明的优选变体形式中，安装至少四个索塔(P)，所述索塔(P)各自装配有一组四个第一绞盘(M)，所述第一绞盘(M)通过多个缆线分别连接至所述沉积头(2a)，所述多个缆线中的三个缆线顺次执行张紧定位缆线的角色，其它缆线执行未张紧的次级缆线的角色。
在本发明的优选的变体形式中，供应管(2b1)围绕支撑引导件(6-6a)经过，所述支撑引导件具有小直径轴向孔(6a1)，一组定位缆线(7)在所述小直径轴向孔(6a1)上汇聚。
本发明提供由糊状物质制造三维结构的方法，使用本发明的设备沉积所述糊状物质，所述方法的特征在于，通过以连续薄层的形式，优选通过挤出，优选通过移动所述沉积头以重叠水平层的形式沉积所述糊状材料从而制造所述结构，三个所述定位缆线以长度(L1、L2、L3)张紧，通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)的不同驱动调节所述长度(L1、L2、L3)从而限定具有基本上水平的三角形上基面的倒金字塔，所述倒金字塔的底部点在三维空间中限定点，所述点基本上位于材料供应管的底端的沉积头处，所述沉积点通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)的至少一者的不同驱动并且优选通过第一滑架的移动在三个索塔之间的三维空间的三个维度XYZ中移动。
本发明旨在更具体地用于制造在水平面中具有至少5m，优选至少10m的最小尺寸的结构从而建造砖石建筑。
在本发明中，所述糊状材料为惰性物质的混合物，并且优选包含水硬性粘结剂从而形成坚固并且优选绝缘的任选轻质的砂浆，所述惰性物质例如为粘土、砂、稻草、由塑料材料或钢制成的增强纤维，所述水硬性粘结剂例如为水泥。在本发明的变体形式中，所述糊状材料包括包含一种或多种组分的热熔材料或热固性材料。
附图说明
通过参考图1至5的实施方案的如下详细描述从而显现本发明的其它特征和优点：
·图1为使用本发明的设备建造的建筑物的侧视图，所述设备包括塔式起重机，分别安装在三个索塔顶部的三个绞盘，和分别连接至砂浆注射头的三个缆线，以及输送砂浆的柔性软管，所述砂浆注射头由滑架支撑，所述滑架可以沿着起重机吊杆移动；
·图2A为本发明的设备在制备过程中的侧视图，显示了用于稳定索塔、将所述索塔的顶部连接在一起的拉索和拉杆的装置，其中固定至可移动滑架的马达驱动的绞盘支撑注射头连同供应砂浆的柔性软管；
·图2B为图2A的变体形式，其中可移动滑架支撑单组滑轮，围绕所述滑轮的缆线被连接至配重；
·图3为图1的从上方观察的平面图，显示了建造中的建筑物的墙壁和内部隔间，三个缆线7-1、7-2和7-3是活动缆线，即定位缆线，而缆线7-4、7-5、7-6是次级缆线，因此在所涉及的瞬间不活动而不能用于定位目的；
·图4为本发明的设备的侧视图，其中马达沿着索塔移动使得定位缆线基本上保持在水平面中；
·图5为本发明的设备的侧视图，其中塔式起重机被在轨道上行驶的龙门替代；
·图6为本发明的设备的侧视图，其中绞盘安装在现有的建筑物上，供应管从固定点悬挂；
·图7为支撑引导件的侧视图，所述支撑引导件具有用于附接定位缆线的凸耳；并且
·图8A至8D显示了将定位缆线附接至支撑引导件6的装置的变体形式。
具体实施方式
图1为使用本发明的设备处于建造中的建筑物1的侧视图。本发明的设备包括：
·塔式起重机5，所述塔式起重机5包括桅柱5a、吊杆5b、第一可移动滑架3，所述第一可移动滑架3位于所述吊杆5b的下侧并且适合于沿着所述基本上水平的吊杆的轴向方向平移移动；和
·三个索塔P1-P2-P3，所述三个索塔P1-P2-P3接近塔以三角形设置，使得吊杆5b的转动允许将可移动滑架3设置在至少由所述索塔限定的区域的上方；和
·喷嘴2a，所述喷嘴2a通过缆线4a从第一滑架3悬挂，所述缆线4a连接至固定至所述第一滑架3的绞盘4；和
·砂浆供应管2b，所述砂浆供应管2b的底端装配有用于沉积砂浆2的喷嘴2a，所述管连接至鹅颈管式支撑件4b，所述鹅颈管式支撑件4b用于以局部基本上竖直位置支撑砂浆供应管2b，所述管之后以垂花方式悬挂至多个第二滑架2d，所述第二滑架2d可以沿着所述吊杆5b的下侧朝向塔式起重机的索塔5a平移移动，然后所述管优选在所述索塔内下降并且在索塔的连接至所述砂浆泵2c的底部处离开。
喷嘴2a固定至引导件6，所述引导件6连接至三个缆线7-1、7-2和7-3，所述缆线的另一端分别连接至三个绞盘M1、M2和M3，所述三个绞盘M1、M2和M3分别在三个索塔P1、P2和P3的顶部处优选位于相同的高度，所述三个索塔P1、P2和P3分别在P1a、P2a和P3a处锚固在地面10中。通过图2A所示的控制站8数字控制每个绞盘M1-M2-M3的驱动，绞盘的电源供应(未显示)沿着每个索塔前进，经由屏蔽电缆或光纤或优选如图2A所示通过天线M1a、M2a和M3a以无线电方式传递用于驱动绞盘和用于移动喷嘴2a的指令，从而控制各个绞盘M1、M2和M3，通过控制站8的天线8a传递定位命令。因此，控制站8用于调节支撑引导件6和各个绞盘M1-M2-M3之间的每个缆线7-1、7-2和7-3的长度L，即长度L1-L2-L3。所述三个缆线相交的重合点因此位于支撑引导件6的纵轴上并且明确限定三维坐标空间xyz中的准确点，三个缆线的所述重合点位于所述三个绞盘的平面的下方。因此能够移动引导件6，因此通过从控制站8调节三个缆线7-1、7-2和7-3的每一者各自的长度L1-L2-L3，挤出头或喷嘴2a能够在所有方向上(即在所有三个方向X、Y和Z上)移动。
图3显示了处于建造中的建筑物的俯视平面图。挤出头由于位于起重机5的吊杆5b的下方和第一滑架3的下方因此不可见，通过一组三个缆线7-1、7-2和7-3明确地以三维方式定位挤出头。在该构造中，挤出头或喷嘴2a只能在由三个索塔P1-P2-P3形成的三角形内移动。这解释了为什么加入多个索塔、绞盘和额外缆线，即三个索塔P4-P5-P6，它们以一定方式设置使得由一组索塔限定的多边形包括建造中的整个建筑物。取决于正在建造的结构的区域，只使用所有缆线中的三个缆线对喷嘴2a进行精确定位。
出于该目的，合适的是对于每个缆线考虑两种功能和两种状态：
·首先是被称为“定位”缆线的缆线：例如图3中的缆线7-1、7-2和7-3，其在基本上通过三个索塔P1-P2-P3形成的具有竖直轴线ZZ和三角形截面的棱柱内的限定区域上明确地确定挤出头2a的三维位置；和
·其次是被称为“次级”缆线的缆线，因为其不参与三维定位，例如图3中的缆线7-4、7-5和7-6，因此所述缆线不受张力因此保持略微松弛；
·在建筑物的整个区域上定位喷嘴2a的过程中，每个缆线可以改变状态，应理解在三维建筑空间中的任何点处，通过从一组缆线中相继选择的三个定位缆线对挤出头或喷嘴2a进行定位，其它缆线则暂时具有次级缆线的状态。
术语“次级缆线”在本文中用于表示非张力状态下的缆线，即松弛缆线，因此通过控制站8赋予所述缆线的长度L比所述缆线作为定位缆线型缆线所计算的理论长度Lt略长。例如，缆线的松弛可以被调节至2厘米(cm)至10cm范围内的值，即，因此所述次级缆线的实际长度被调节成L＝Lt+2cm至10cm的值。因此其不受张力，因此在该程序的过程中不参与定位。当同一个缆线改变状态时，即当其恢复成定位缆线时，其长度被调节成L＝Lt的值。缆线则受到张力，因此将变成在新程序的过程中参与定位的三个缆线之一。
在图3中可以观察到索塔的数目限制于四，因为多边形P1-P4-P5-P6包含了建造中的整个建筑物。通过该限制数目的索塔可以到达建筑的任何点。然而在一些情况下，出于定位精确度的原因，有利地加入额外索塔从而便于建造例如具有较大长度的建筑物，即长度是宽度的两倍、三倍或四倍的建筑物。
在图2B中，第一滑架3装配有一组空转滑轮4c，缆线4a经过所述空转滑轮4c，配重4d紧固至所述缆线的左侧底端从而部分抵消鹅颈管4b、砂浆供应管2b和引导件6的重量，例如总重量的70％至85％，所述总重量根据工作平面的高度Z和XY位置而变化。总重量的剩余百分比由所述三个定位缆线中的张力承担，该张力提供所述定位的精确度。
可以有利地通过如图5所示的位于悬挂缆线4a的底端和鹅颈管4b之间的力传感器4e监控张力，因此测量的力值使得能够调节绞盘4的扭矩，因此能够调节所述悬挂缆线4a中的张力。
有利地通过控制站8调节缆线的竖直性。出于该目的，由于挤出头2a的xyz位置已知，有利地调节塔式起重机的参数值，即极坐标ρ和使其非常精确地对应于所述挤出头的xy坐标。出于该目的，通过所述控制站8以已知的方式控制起重机的转动(角度)和第一滑架沿着吊杆5b的定位ρ。
在本发明的一个优选的变体形式中，通过图2A中所示的双倾斜计11调节缆线4a的竖直性。所述双倾斜计11由以小间隙围绕缆线4a的管11a构成，从而允许所述缆线4a进行竖直移动。所述管11a从第一滑架3悬挂，并且保持在起重机吊杆5b的竖直平面中而不能围绕其竖直轴线ZZ自由转动。第一倾斜计α测量缆线4a相对于包含起重机吊杆5b的竖直平面(即图2A的平面)中的垂线的角度。第二倾斜计β测量缆线4a相对于垂直于包含起重机吊杆5b的竖直平面的平面(即垂直于图2A的平面的竖直平面)中的垂线的角度。通过测量这两个角度，在第一滑架3的极坐标ρ上采取行动从而使角度α的值达到零，即所述第一滑架向前或向后移动。以相同的方式，在起重机吊杆的极坐标上采取行动从而使角度β的值达到零，即起重机吊杆顺时针或逆时针转动。通过根据值α和β连续调节第一滑架3的极坐标，实现了缆线4a连续地处于希望的基本竖直位置。
图4显示了供应管2b，所述供应管2b连接沉积头2a和固定至滑架3的马达驱动的滑轮4e，并且离开所述滑轮4e从而在梁5b的下方形成悬挂垂花。供应管2b通过所述马达驱动的滑轮保持受到张力，并且倾斜计11则直接安装在所述供应管上并且在其上以小间隙滑动。
图4为显示本发明的变体形式的侧视图，其中三个定位缆线基本上位于相同的水平面中。绞盘M1-M2-M3则可以沿着固定至每个索塔P的各个齿条Pb竖直移动。由于所述设备按逐个平面工作，当高度Z改变时，所有绞盘向上移动使得所有缆线(即定位缆线和次级缆线)基本上维持在相同平面中。在所述情况下，合适地考虑三个定位缆线中的两者实际上用于定位目的，而受到张力的第三个缆线用于保证在平面AA中定位；其它缆线则具有次级缆线的状态并且保持松弛，即不受到明显张力。
因此，在参考图4描述的该变体形式中，构造为平面的并且与使用缆线在正面进行二维定位的情况相似，其中鹅颈管4b、砂浆供应管2b和引导件6的整个重量被固定至第一滑架3的绞盘4支撑。调节缆线4a的长度则使得能够将挤出头或喷嘴2a的端部保持在砂浆沉积平面BB中。
本发明的该变体形式需要使用多个索塔-齿条-绞盘组件，所述多个索塔-齿条-绞盘组件可以竖直移动因此构造和控制更为复杂，因此其不构成本发明的优选变体形式。
在图5中，塔式起重机被龙门20替代，所述龙门20由两个基本上竖直的柱20a构成，所述柱20a通过水平梁20b相互连接，所述水平梁20b支撑第一滑架3连同第二滑架2d，所述第二滑架2d以垂花构造支撑砂浆供应管2b。龙门的柱20a在马达驱动的轮20d上沿着垂直于图的XZ平面的轴线YY移动，所述马达驱动的轮20d在轨道20c上行驶。通过以受控的方式调节龙门沿着YY轴线的y位置，以及第一滑架3沿着梁20b的ρ＝x位置，以与上文参考图1至4所述的相同方式，缆线4a维持于基本上竖直的位置。然而，挤出头或喷嘴2a在建造中的建筑物的整个区域上逐层移动需要整个龙门的连续移动。所述龙门的高度和宽度均具有巨大尺寸，并且其需要具有巨大刚度从而能够无危险地移动，尤其是在暴风雨的情况下即使不操作也能够承受强风。因此其具有巨大重量，该重量需要使用具有巨大功率的驱动马达使来不断移动。因此，本发明的该变体形式不构成本发明的优选的变体形式。
有利地并且如图2B和图3所示，通过安装拉索12显著改进一组索塔的刚度，所述拉索12的一端12a锚固至地面并且另一端12b锚固至各个索塔P，优选锚固至所述索塔P的上方三分之一处。同样地，索塔P优选在索塔的顶部处通过拉杆13彼此固定，所述拉杆13以多边形方式安装在每对相邻的索塔之间，所述多边形由该组索塔形成。每个张紧器13在每个端部13a处固定至各个索塔。在这些图中，未显示用于张紧拉索12和拉杆13的装置。在图3中，只显示了用于索塔P3的一个拉索。
为了保证最佳定位效果，即定位缆线的最佳定心效果，如图2B所示，每个定位缆线7相对于水平的角度γ必须在10°至80°的范围内，优选在25°至70°的范围内。特别地，对于约10°的角度，由缆线4a支撑的元件的重量当分解成三个定位缆线的每个定位缆线中的力时，造成每个缆线中的高水平的力，这与追求的目标(即较大的精确度和有限的力)相悖。同样地，对于约80°的角度，在三个定位缆线中分解的力造成较小或甚至极小的力，因此显著降低定心效果，因此降低定位精确度。
在图2A、图2B和图4中，有利地使用起重机5的桅柱5a进行索塔P3的功能。
举例而言，为了建造15m高、15m长和12m宽的建筑物，安装塔式起重机，优选为Manitowoc-Potain(法国)型号IGO 21型自立式起重机，其具有19m的吊钩高度和26m的吊杆长度，或更大型号例如IGO 50型号，其具有23m的吊钩高度和40m的吊杆长度
如图3所示，起重机具有其吊钩支撑滑架，所述吊钩支撑滑架被修改成装配有线性编码器从而能够自动调节距离ρ，并且在所述起重机的桅柱的基本竖直的轴线上装配有旋转编码器，从而调节所述桅柱相对于北方的角度如图3所示设置六个18m高的索塔P1-P6，所述索塔P1-P6装配有数字控制的绞盘，每个绞盘位于索塔的顶部。将挤出头引导件连接至每个所述绞盘的定位缆线具有4mm，优选3mm或甚至是2mm的直径。引导件6和挤出头或喷嘴2a的重量为约5千克(kg)至10kg。悬挂缆线4a是直径为6mm的缆线，其经由鹅颈管4b连接至第一滑架3，所述鹅颈管4b支撑砂浆供应管2b，所述供应管由柔性软管构成，当充满砂浆时所述柔性软管的内径为30mm并且重量基本上为2.5千克/延米(kg/m)。
所述设备然后沿着选定的路径以0.1米/秒(m/s)至0.25m/s的连续速度沉积厚度在1cm至4cm范围内的层。
定位缆线和次级缆线7具有较小直径，因为在建造过程的整个期间内将挤出头或喷嘴2a保持在非常精确位置所需的力极低。同样地，支撑鹅颈管、一部分管、引导件6和挤出头2a的一部分或全部竖直负载的缆线4a具有较小直径，因为所涉及的力极小。
定位缆线7中的数千克或可能数十千克的极小的力向索塔P的顶部施加非常有限的力，因此索塔P很少弯曲，因此保证在三个维度X-Y-Z上定位挤出头2a的较大精确度。此外，由于定位缆线具有极小直径，它们几乎对缠绕不敏感，并且由于其线性重量也极小，它们在绞盘M和挤出头6之间呈现几乎笔直的上行线，因此保证极高的整体刚度和定位挤出头2a的极高精确度，因此所述挤出头2a可以以完全受控的方式移动，从而逐层形成建筑物的墙壁和隔间，如图3可见。
在建造具有较大尺寸的建筑物的背景下描述本发明，然而非常有利的是，由糊状材料或塑性材料建造所有类型的建筑，所述糊状材料或塑性材料在数秒或数分钟之后显示出足够的内聚力从而能够优选以基本上水平的层的形式逐层进行，使得当施加下一层时已经建造的层足够牢固。这避免了结构局部坍塌或完全坍塌，并且可以使用最少劳动自动和连续地建造结构，因此能够显著降低建造成本。
在图6所示的本发明的变体形式中，待建造的结构位于两个建筑物30a和30b之间，有利地使用所述现有建筑物的最高和最远的点用于安装绞盘M的支撑件。相比于上述索塔P，所述锚固点在刚度和简易性方面具有巨大优势。
在同样图6所示的本发明的另一个变体形式中，悬挂缆线4a及其张紧系统4从固定点悬挂，所述固定点优选位于建造中的结构的XY平面中的几何中心的竖直上方的极大高度处，例如所述高度大于所述结构的水平面中的最大尺寸的两倍至五倍加上所述结构的高度。因此，在沉积头2a的移动过程中，缆线4a不再竖直，而是描绘圆锥，所述圆锥的水平截面垂直于其对应于建造中的结构的轮廓的竖直轴线，所述圆锥的尖端的角度根据沉积头2a的位置在δ＝0°至δ＝10°至15°或更多的范围内变化。在该构造中，沉积糊状材料的点不再非常精确地位于倒金字塔的底端的竖直下方，而是略微偏离。该偏离不会明显干扰建造过程，因为仅偏离数毫米或可能偏离一厘米或两厘米，前提是如上所述使用位于极大高度处的固定点。此外，所述偏离逐层相同，并且可以通过在控制设备8内简单地修改所述沉积头2a沿行的路径进行纠正。
对于中等尺寸或较小尺寸的结构，可以仅通过施工升降机替代塔式起重机，所述施工升降机包括索塔5a，所述索塔5a的顶部具有固定至基本上水平的梁5b的轴承。沿着所述梁自由行使的滑架3支撑提升机4，所述提升机4支撑缆线4a。梁5b在索塔的顶部自由转动：沉积头2a的移动带动缆线4a，所述缆线4a不再竖直，并且与所述竖直方向形成角度δ。由提升机中的该角度δ形成的水平分量作用于滑架和相对于北方具有角度的梁，然后所述滑架沿着所述梁5a自然移动，所述角度自动变化使得所述角度基本上恢复至零，即使得缆线基本上竖直。角度δ越大，恢复效果越大。剩余角度(即不造成滑架3或梁5a的任何移动的角度)为约3°至5°，并且不明显降低定位精确度并且极少干扰建造过程。
绞盘M被描述成安装在索塔P的顶部或现有建筑物的结构上，然而它们也可以安装在任何其它位置，例如地面；在所述情况下，将引导件6连接至绞盘的缆线7需要通过安装在索塔顶部或现有建筑物顶部的空转滑轮偏转。
如图1所示，在各个元件的重量的作用下，悬挂缆线4a、供应管2b1、支撑引导件6和喷嘴2a设置在相同的基本上竖直的轴线ZZ上。因此，缆线的附着点需要位于支撑引导件6的外壁上。在图7中可见，所述支撑引导件6经由凸耳6b1和6b2连接至定位缆线7-1和7-2。由于所述支撑引导件的直径较大(例如在60mm至100mm的范围内)，在头的移动过程中，所述张紧缆线的中心线的交叉点相对于所述支撑引导件的轴线ZZ变化。在水平面中的该变化构成定位误差，但是始终小于所述支撑引导件的半径；此外，所述交叉点的高度也相对于喷嘴的实际定位而变化。为了减轻该缺点(所述缺点可能造成25mm至60mm或甚至更大的定位误差)，有利的是使用参考图8A至8D描述的设备。如图8D所示，缆线7-1和7-2和其它定位缆线(如果存在的话)在支撑引导件6a的轴线上汇聚，进入沿轴向穿过所述支撑引导件的小直径孔6a1，然后通过穿孔板6a2，所述缆线在所述穿孔板6a2中通过未显示的设备保持就位。顶面6a3有利地为漏斗形状，所述漏斗形状的曲率半径使得所述定位缆线从不与尖锐边缘接触。由于直径D较小(例如8mm至10mm或甚至更小)，由于交叉点的变化造成的误差相比于图7所示的情况(其中参考直径在60mm至100mm的范围内)明显减小。这些变化特别为约数毫米，因此可以被视为可忽略的。
为了保证悬挂缆线4a、供应管2b1和喷嘴2a在各个元件的重量的作用下一起维持在公共的竖直定位轴线ZZ上，供应管2b1有利地在支撑引导件6处偏转。图8A显示了该偏转，优选在竖直平面中通过与管的笔直部分相关的多个弯头2b2-2b3-2b4-2b5进行该偏转。图8B为图8A的平面BB的截面，并且显示了支撑引导件6的区域中的定位缆线7和管2b1的偏转之间的有限干扰。图8A中显示的旋转接头2b5有利地被安装成使得由弯头2b2-2b5构成的避开设备可以自由转动，无论其何时与两个相邻缆线(即7-2或7-3)中的任一者干扰。
本发明描述使用糊状物质(更具体地为基于水泥或石灰的砂浆)制备结构，然而本发明可以有利地使用局部强大加热器装置(例如等离子体焰炬、钛惰性气体(TIG)焊接或激光)通过局部熔融金属丝(例如铁丝或青铜丝)制备金属结构。出于该目的，加热器装置替代喷嘴2a，并且电力或激光束连同金属通过供应管缆被转移，所述供应管缆代替用于供应糊状物质的管2b。局部加热器装置随着前进就可以熔融先前沉积的层N和额外金属从而形成层N+1，在等待通过下一次形成层N+2的同时所述层N+1迅速凝固。所述设备特别适合于制备艺术品(例如雕像)或任何其它大尺寸构造元件或装饰元件。

Claims (16)

1.一种用于沉积糊状材料从而逐层制造较大尺寸的三维结构的设备，所述设备包括：
·至少三个第一支撑件(P1、P2、P3)，所述第一支撑件(P1、P2、P3)离地面一定距离且不在一条直线上，并支撑着三个相应的第一缆线张紧设备(M1、M2、M3)；和
·至少一个第二支撑件(5b)，所述第二支撑件(5b)离地面(10)保持一定距离，并且支撑着第二张紧设备(4)；和
·材料供应管(2b)，所述材料供应管(2b)保持悬挂在地面(10)上方，并且适合于至少在所述三个第一支撑件之间的区域上方移动；和
·沉积头(2a)，所述沉积头(2a)位于所述供应管(2b)的端部，所述供应管(2b)从所述第二张紧设备(4)悬挂，优选被悬挂缆线(4a)悬挂；和
·三个被称为“定位”缆线(7、7-1、7-2、7-3)的缆线，所述缆线具有各自的长度(L、L1、L2、L3)，每个缆线的一端经由支撑引导件(6)连接至所述沉积头，并且每个缆线的另一端连接至三个第一张紧设备(M1、M2、M3)中相应的一个，所述三个定位缆线适合于通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)和所述第二张紧设备(4)的不同驱动以不同的可调节长度被张紧，并且适合于通过其可调节长度限定具有三角形上基面的倒金字塔，所述倒金字塔的底部点在三维空间中限定沉积点，所述沉积点基本上位于供应管(2b)的底端的沉积头处，所述沉积点适合于通过三个所述第一张紧设备(M1、M2、M3)的至少一者的不同驱动在三个索塔之间在三维空间的三个维度XYZ上移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一支撑件的至少一者为索塔(P)，优选为基本上竖直的索塔，优选锚固在所述地面中，并且支撑第一绞盘(M)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，第一张紧设备(M)的每一者沿着其各自的索塔移动，使得由缆线(7)形成的金字塔的尖端具有角度，使得所述缆线基本上维持在水平面中。
4.根据权利要求1至3任一项所述的设备，其特征在于，所述第二支撑件(5b)为锚固至地面(10)的塔式起重机(5)的吊杆，所述吊杆支撑所述第一滑架(3)，并且能够相对于塔以转动方式运动。
5.根据权利要求1至3任一项所述的设备，其特征在于，所述第二支撑件(5b)是龙门(20)的基本上水平的梁(20b)，所述龙门(20)能够沿着水平轴线YY移动，所述水平轴线YY优选垂直于梁的轴线XX。
6.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，驱动三个第一张紧设备，优选驱动所述第二张紧设备，并且更优选地通过控制站(8)以数字控制方式使所述第一滑架移动，从而使所述沉积点移动。
7.根据权利要求1至6任一项所述的设备，其特征在于，优选通过控制站(8)的数字控制，通过调节第一滑架(3)沿着所述吊杆的移动和/或所述吊杆在水平面中的平移移动和/或旋转移动使悬挂缆线(4a)保持竖直。
8.根据权利要求1至6任一项所述的设备，其特征在于，基于来自固定至所述悬挂缆线(4a)或所述管(2b)的两个倾斜计(11)的信息，通过调节第一滑架(3)在水平面XY中的位置使悬挂缆线(4a)保持竖直，所述倾斜计位于两个优选彼此垂直的竖直参考平面中。
9.根据权利要求1至8任一项所述的设备，其特征在于，供应管(2b)经由支撑件从所述悬挂缆线(4a)悬挂，所述支撑件用于引导鹅颈管式设备，并且沉积头包括喷嘴，所述喷嘴被连接至所述定位缆线(7)的支撑引导件(6)支撑。
10.根据权利要求1至9任一项所述的设备，其特征在于，第二张紧设备(4)具有受控张力，并且支撑基本上竖直悬挂并且填充有糊状物质的供应管(2b)的部分的总重量加上支撑引导件(6)和沉积头(2a)的重量或许连同鹅颈管(4b)、悬挂缆线(4a)和垂花构造的管部分(2b)的重量的40％至95％，优选70％至85％。
11.根据权利要求1至10任一项所述的设备，其特征在于，安装至少四个索塔(P)，所述索塔(P)各自装配有多个第一缆线张紧设备(M)，所述多个第一缆线张紧设备(M)通过多个缆线(7)分别连接至所述沉积头(2a)，所述多个缆线中的三个缆线顺次执行张紧定位缆线的角色，其它缆线执行优选未张紧的次级缆线的角色。
12.根据权利要求1至11任一项所述的设备，其特征在于，供应管(2b1)围绕支撑引导件(6-6a)经过，所述支撑引导件具有小直径轴向孔(6a1)，一组定位缆线(7)在所述小直径轴向孔(6a1)上汇聚。
13.一种由糊状物质制造三维结构的方法，使用根据权利要求1至12任一项所述的设备沉积所述糊状物质，所述方法的特征在于，通过以连续薄层的形式，优选通过挤出，优选通过移动所述沉积头以重叠水平层的形式沉积所述糊状材料从而制造所述结构，所述三个定位缆线以长度(L1、L2、L3)张紧，通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)的不同驱动调节所述长度(L1、L2、L3)从而优选限定具有三角形基面的倒金字塔，所述金字塔的尖端在三维空间中限定参考点，所述参考点基本上位于材料供应管的底端的沉积头处，所述沉积点通过三个第一张紧设备(M1、M2、M3)的至少一者的不同驱动优选通过第一滑架(3)的移动在由三个索塔(P1、P2、P3)限定的三维空间的三个维度XYZ中移动，所述第一滑架(3)支撑沉积头(2a)并且将材料供应管(2b)保持于基本上竖直的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，制造在水平面中具有至少5m，优选至少10m的最小尺寸的结构从而建造砖石建筑。
15.根据权利要求13和14所述的方法，其特征在于，所述糊状材料为惰性物质的混合物，并且优选包含水硬性粘结剂从而形成坚固并且优选绝缘的任选轻质的砂浆，所述惰性物质例如为粘土、砂、稻草、由塑料材料或钢制成的增强纤维，所述水硬性粘结剂例如为水泥。
16.根据权利要求13和14所述的方法，其特征在于，所述糊状材料为包含一种或多种组分的热熔材料或热固性材料。
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