CN110087884B - 从可固化材料生成式制备成型体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由可固化材料、特别是由矿物粘结剂组合物制备成型体的方法，其中在生成式方法中、特别是在生成式自由空间法中，通过在至少一个空间方向上可移动的打印头分层施加可固化材料，并且其中可固化材料的施加速率和可固化材料的强度随时间的发展彼此协调。

Description

从可固化材料生成式制备成型体
技术领域
本发明涉及由可固化材料(特别是由矿物粘结剂组合物)制备成型体的方法，其中在生成式(generativen)方法中(特别是在生成式自由空间法中)通过在至少一个空间方向上可移动的打印头分层施加可固化材料。本发明的另一方面涉及由可固化材料生成式制备成型体的装置，以及这种装置用于由矿物粘结剂或矿物粘结剂组合物(特别是混凝土组合物和/或砂浆组合物)制备成型体的用途。
背景技术
通过生成式制造方法制备成型体在所有技术领域中变得越来越重要。术语“生成式制造方法”或“生成式制造”在此表示通过材料的有目的地空间沉积、涂覆和/或凝固来生产空间制品或成型体的方法。
材料的沉积、涂覆和/或凝固在此特别根据待生产制品的数据模型并且特别逐层或分层地进行。每种制品在生成式制造方法中通常由一个或多个层制得。通常使用无定形材料(例如液体、粉末、颗粒等)和/或形状中性材料(例如带、丝)制造制品，这些材料特别经受化学和/或物理过程(例如熔化、聚合、烧结、固化)。生成式制造方法也被称为“增材制造方法”、“增材制造”或“3D打印”。
WO 2016/095888 A1(Voxeljet AG)描述了例如借助于层构造技术制备三维成型体的方法。成型体可以例如用作铸模(特别是用于混凝土浇注方法或聚合物浇注方法)或用作雕塑品或嵌入元件。在此，通过涂布机将颗粒状构造材料以一定层厚度施加在构造区域上，并且通过打印头将粘结剂液体选择性地施加在构造材料上，其中粘结剂液体由于引入颗粒的活化剂而聚合。然后使构造区域以所述层厚度降低或者使涂布机以所述层厚度升高，并且以相同方式制备另外的层，直到生产出所需的成型体。尽管这种基于粉末床的打印方法适用于某些应用，但它们通常相对复杂并且限于特定材料。
在建筑领域，一段时间以来同样尝试使用生成式方法制备几何要求严格的部件，例如混凝土元件。虽然这在一定程度上是可能的。但是混凝土混合物的物理性质和化学性质使得由混凝土生成式制备成型体非常困难。由于固化过程中的动力学和混凝土组合物的触变性质，用生成式制备方法制备混凝土元件的速率特别受到强烈限制。
因此还需要一种尽可能克服上述缺点的新颖且改进的方案。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于针对性制备成型体的改进方法。所述方法特别应当能够有效、可靠且尽可能迅速地由可固化材料(特别是矿物粘结剂组合物)制备成型体。如果可能的话，这不会影响成型体的品质或强度。还希望提供能够有效实现该目的的相应装置。
出人意料地发现，通过根据权利要求1所述的由可固化材料制备成型体的方法可以实现根据本发明的方法方面的目的。
因此该解决方案在于：由可固化材料(特别是由矿物粘结剂组合物)制备成型体的方法，其中在生成式方法中(特别是在生成式自由空间法中)通过在至少一个空间方向上可移动的打印头分层施加可固化材料，并且其中可固化材料的施加速率和可固化材料的强度随时间的发展彼此协调。
正如已经发现的，可以通过根据本发明的方法以可靠的方式并且以最少的时间需求从可固化材料制备成型体。所述方法也是普遍适用的，并且可以根据需要使用各种可固化材料(例如热固性塑料或矿物粘结剂组合物)进行。
出人意料地还发现，由于根据本发明的方法，制得的成型体的品质在许多情况下可以得到改进。不希望受理论束缚，认为这归因于根据本发明的可固化材料的施加速率和强度随时间的发展这二者的协调。这使得特别可以整体改进成型体的强度和品质。
根据本发明的施加速率和强度随时间的发展之间的协调或同步还允许尽可能迅速地制备成型体。这是因为在施加彼此叠置的层时可以省去不必要的长等待时间。在传统系统中，通常在每个层之后安排等待时间然后再施加下一个层，或者必须选择减小的施加速率。在此，等待时间或施加速率的减小必须够大并且保持充分的安全余量，因为没有考虑可固化材料的强度取决于环境条件的随时间的发展情况。否则特别存在如下危险：成型体的下层由于上面施加的层的载荷而变形。这一方面造成停机时间并且使方法变慢，另一方面成型体强度或品质降低的风险升高。相反，通过根据本发明的协调可以消除与传统方法相关的停机时间，而不存在层变形或相邻层之间的粘附受损的风险。
本发明的其它方面为其它独立权利要求的主题。本发明的特别优选的实施方案为从属权利要求的主题。
具体实施方式
在第一方面，本发明涉及由可固化材料(特别是由矿物粘结剂组合物)制备成型体的方法，其中在生成式方法中(特别是在生成式自由空间法中)通过在至少一个空间方向上可移动的打印头分层施加可固化材料，并且其中可固化材料的施加速率和可固化材料的强度随时间的发展彼此协调。
在生成式方法中，特别通过有目的地沉积、涂覆或施加可固化材料来构建单个层，然后在制得的层上以相同方式施加下一层。重复这一过程，直到成型体构建完成。
在本文中，“施加速率”应理解为单位时间施加的可固化材料的高度。高度通常在基本垂直于由各个层形成的平面的方向上进行测量。特别测量竖直方向上的高度。
单个层的高度特别是0.1–10cm，优选0.5–5cm或1–2cm。成型体的总高度或成型体所有单层的厚度合在一起为例如1cm–1000cm，优选10cm–500cm，特别是50cm–300cm或100cm–200cm。可固化材料包含矿物粘结剂组合物(特别是砂浆组合物或混凝土组合物)或由其组成时特别如此。
在本文中，“可固化材料的强度随时间的发展”应理解为方法中具体使用的可固化材料(特别是在本文的环境条件下)的强度发展。可固化材料的强度随时间的发展特别在可固化材料离开打印头之后的0.1–1000分钟，优选0.1–100分钟，特别优选0.1–10分钟的时间内确定。在此确定的强度值特别对应于可固化材料拌和之后和/或可固化材料离开打印头之后可固化材料在一定时间点的强度，特别是抗压强度。所述一定时间点特别是可固化材料拌和之后和/或可固化材料离开打印头之后0.1–1000分钟，优选0.1–100分钟，特别优选0.1–10分钟的范围内。
“可固化材料”表示通常能流动或可液化的材料，其在拌和之后可以例如通过加入拌和水或通过混合组分或通过加热而通过化学反应固化成固体。例如，其为反应树脂、矿物粘结剂、矿物粘结剂组合物或其混合物。
反应树脂特别是液体或可液化的合成树脂，其通过聚合或加聚固化成热固性塑料。例如，可以使用不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和/或硅树脂。
表述“矿物粘结剂”特别被理解为在水的存在下通过水合反应而反应形成固体水合物或水合物相的粘结剂。矿物粘结剂可以例如为水硬性粘结剂(例如水泥或水硬性石灰)、潜在水硬性粘结剂(例如炉渣)、火山灰型粘结剂(例如飞灰)或非水硬性粘结剂(例如石膏或生石灰)。
“矿物粘结剂组合物”相应地是包含至少一种矿物粘结剂的组合物。在本文中，其特别包含粘结剂、集料和任选的一种或多种掺加剂。作为集料，可以存在例如岩粒、砾、沙(天然和/或加工(例如，压碎)形式)和/或填料。矿物粘结剂组合物特别以用拌和水拌和的流体粘结剂组合物的形式存在。
“水泥粘结剂”或“水泥粘结剂组合物”在本文中特别被理解为水泥熟料含量为至少5重量％，特别是至少20重量％，优选至少35重量％，尤其是至少65重量％的粘结剂或粘结剂组合物。水泥熟料优选为波特兰水泥熟料和/或硫铝酸钙水泥熟料，特别是波特兰水泥熟料。水泥熟料在本文中特别意指经研磨的水泥熟料。
矿物粘结剂或粘结剂组合物特别包含水硬性粘结剂，优选水泥。特别优选水泥熟料含量≥35重量％的水泥，特别是CEM I、II、III、IV或V型水泥，优选CEM I型水泥(根据标准EN 197-1)。水硬性粘结剂在整个矿物粘结剂中的含量有利地为至少5重量％，特别是至少20重量％，优选至少35重量％，尤其是至少65重量％。根据另一个有利的实施方案，矿物粘结剂至少95重量％由水硬性粘结剂，特别是由水泥熟料组成。
然而还可能有利的是，粘结剂组合物除了水硬性粘结剂之外或者代替水硬性粘结剂还包含其它粘结剂。其它粘结剂特别是潜在水硬性粘结剂和/或火山灰型粘结剂。合适的潜在水硬性粘结剂和/或火山灰粘结剂为例如炉渣、冶炼砂、飞灰和/或硅尘。粘结剂组合物同样可以包含惰性物质例如石灰石粉、石英粉和/或颜料。在一个有利的实施方案中，矿物粘结剂包含5–95重量％，特别是5–65重量％，尤其是15–35重量％的潜在水硬性粘结剂和/或火山灰型粘结剂。
通过根据本发明的方法制备的成型体可以具有几乎任何形状，并且例如是用于建筑(例如用于建筑物、墙体和/或桥梁)的预制部件。
下面结合本发明的第二方面描述打印头的有利实施方案以及与特别适用于根据本发明的方法的装置有关的其他特征。
根据本发明的方法特别是生成式自由空间法。这意味着成型体分层形成，更确切说仅在希望产生成型体的位置施加可固化材料。对于突出物和/或空腔，可以任选设置支撑结构。相反，例如在粉末床方法或液体方法的情况下，通常填充整个构造空间然后选择性地实现材料在期望位置处的凝固。
在本文中，在由可固化材料制备成型体方面，自由空间法被证明是特别有利的。
根据一个优选的实施方案，根据可固化材料拌和之后和/或可固化材料离开打印头之后可固化材料在一定时间点的强度(特别是与强度成比例地)调节可固化材料的施加速率。这意味着施加速率与可固化材料在一定时间点可达到的强度直接协调。可固化材料的强度随时间的发展在此可以保持不变。可固化材料在一定时间点的强度越高，可以选择的施加速率越大，并且成型体可以制备得越快。
然而还优选的是，根据预定的施加速率(特别是与预定的施加速率成比例地)调节可固化材料在一定时间点的强度。在该情况下，施加速率可以保持不变或恒定。期望的施加速率越高，在该情况下可固化材料的强度随时间的发展必须调节得越高。
同样有利的是，同时调节和彼此协调可固化材料在一定时间点的强度以及施加速率。
根据另一个有利的实施方案，可固化材料的施加速率可以随着层数的增加(特别是与层数成比例地)而改变，例如增加。由于较高位置的层在固化过程中承受的载荷比位于下方的层承受的载荷小，因此在较高位置处需要较低的强度。因此，在某些情况下通过提高施加速率可以进一步提高成型体的制备速率。
然而原则上也可以独立于层数调节施加速率。
还优选地，在施加两个彼此叠置的可固化材料层之间保持一定的等待时间，其中根据可固化材料的强度随时间的发展来选择等待时间。在此，等待时间特别是在0.1分钟和10分钟之间，特别是在1分钟和10分钟之间，特别是在10分钟和20分钟之间。
等待时间的保持使得可以使构造速率适应可固化材料的强度随时间的发展，同时使打印头的移动速率保持恒定，或者特别独立于构造速率在可固化材料的最合适的施加方面进行调节。
特别地，在此选择等待时间使得等待时间取决于待施加层相对于已施加层的位置。优选地，考虑待制备成型体的几何形状来确定等待时间。例如，等待时间可以随着层数的增加而减少，特别是与层数成比例。例如对于成型体的竖直延伸的壁，后者是有利的。
同样可能有利的是，根据可固化材料的强度随时间的发展调节打印头的移动速率。因此，打印头可以例如以允许基本连续施加可固化材料的速率移动。如果希望，由此可以减少或完全消除相邻层的施加之间的等待时间。这例如可能是有利的，从而实现来自打印头的可固化材料的尽可能恒定的体积流量，这在某些情况下整体有利于相邻层之间的粘附和/或制得的成型体的品质。
在一个优选的实施方案中，根据打印头在成型体的当前层中分配可固化材料时行进的距离的长度(特别是与所述长度成比例地)调节打印头的移动速率。例如，如果相邻层由不同长度的距离组成，则可以以有效的方式实现恒定的施加速率。在此，使用缓慢移动的打印头施加具有短行进距离的层，而使用迅速移动的打印头生产具有长行进距离的层。然而，制备单个层所需的时间可以例如保持恒定。
然而原则上打印头也可以独立于打印头在成型体的当前层中在分配可固化材料时行进的距离的长度而移动。例如当从打印头分配可固化材料需要尽可能恒定的体积流量时，这可能是有利的。
在一个有利的实施方案中，选择移动速率使得移动速率取决于待施加层相对于已施加层的位置。优选地，考虑待制备成型体的几何形状来确定移动速率。例如，移动速率可以随着层数的增加而增加，特别是成比例地增加。例如对于成型体的竖直延伸的壁，后者可能是有利的。
离开打印头的可固化材料的体积流量特别根据打印头的移动速率(特别是与移动速率成比例地)进行选择。
特别地，在生成式制造成型体之前和/或过程中，可固化材料的强度随时间的发展根据具体使用的可固化材料来确定。
特别在成型体的生成制造过程中测量可固化材料的强度随时间的发展，特别是多次和/或以规则时间间隔测量。因此例如可以在施加过程中调节可固化材料的施加速率和/或强度随时间的发展。因此，例如可固化材料的组成的波动和与此相关的强度随时间变化的发展的变化得到校正或补偿。
例如，可以在施加层之后和/或在施加后续层之前测量可固化材料的强度随时间的发展。
特别通过至少一次(特别是多次)测量可固化材料的物理参数来确定强度随时间的发展。在此，在拌和可固化材料之后和/或在可固化材料离开打印头之后，例如在至少一个一定时间点(有利地在多个一定时间点)进行可固化材料的物理参数的测量。
为了确定强度的发展，例如可以通过预先进行的校准将测量的物理参数转换成强度。
特别地，例如可以根据物理参数的测量确定相应的物理参数达到预定目标值的目标值时间点。
然后可以根据目标值时间点调节打印头的移动速率、等待时间和/或施加速率。例如这可以如下进行：
a)与目标值时间点成反比地调节移动速率和/或
b)与目标值时间点成比例地调节等待时间和/或
c)与目标值时间点成反比地调节施加速率。
比例因子可以通过校准以已知的方式预先确定。
因此可以可靠地适应可固化材料的具体的强度发展。
然而例如还可以根据预定的参考时间点的物理参数的测量来确定测量的物理参数的实际值。
然后可以根据测量的物理参数的实际值调节打印头的移动速率、等待时间和/或施加速率。例如这可以如下进行：
a)与测量的物理参数的实际值成比例地调节移动速率和/或
b)与测量的物理参数的实际值成反比地调节等待时间和/或
c)与测量的物理参数的实际值成比例地调节施加速率。
然而原则上还可以设置目标值时间点和/或测量的物理参数的实际值与打印头的移动速率、等待时间和/或施加速率之间的其他依赖关系。
在本文中特别有利的是，作为物理参数，测量可固化材料的温度、导电率、特定物体在预定穿透深度下的穿透力、特定物体在预定穿透力下的穿透深度和/或声波(特别是超声波)的反射。
通过所述参数可以以可靠的方式得出可固化材料的强度发展。但是原则上也可以确定与强度发展有关的其他参数。
特定物体在预定穿透深度下的穿透力或特定物体在预定穿透力下的穿透深度优选通过针入法确定，其中通常使用针作为特定物体。这种方法对于本领域技术人员而言是已知的。更多细节可以参见Oblak等人的文献“Kontinuierliche Messung derFestigkeitsentwicklung von Spritzbeton”(Spritzbeton-Tagung 2012，编者：WolfgangKusterle教授)第1章。
超声波测量的测量原理基于物质中声音传播理论及与其机械性质的相关性。当横波撞击到粘弹性材料上时，振幅显著衰减并且部分波被反射。在传感器处检测到该反射。随着材料固化，振幅的减小变得越来越强烈。然后可以通过相对振幅减小确定剪切模量，剪切模量又是可固化材料强度的量度。
对于超声波测量，优选使用感应器，其产生0.1至10MHz范围内的超声波脉冲。根据要测量压缩模量还是剪切模量，发射纵波或横波。特别通过特定的波导将超声波信号引导至样品界面，超声波信号从样品界面部分地再次反射，第二部分原始波然后还在样品和空气之间的界面反射。然后可以测量和分析振幅和/或从产生波到检测到第一次反射(第一次反射发生在波导和样品的界面处)的持续时间。该振幅和持续时间取决于样品的机械性质。由于波通过波导的传播速率很大程度上取决于波导的温度，因此优选测量温度并且在分析时考虑温度。超声波测量的更多细节同样可以参见Oblak等人的文献“KontinuierlicheMessung der Festigkeitsentwicklung von Spritzbeton”(Spritzbeton-Tagung 2012，编者：Wolfgang Kusterle教授)第3章。这些关系对喷射混凝土领域的技术人员来说是已知的。然而出人意料地发现，关于生成式制造也可以利用这些关系。
特别优选的是，在本文中可固化材料的强度的发展通过针入法和/或通过声音测量(特别是超声波测量)来确定。
还有利的是，用固化促进剂和/或固化延迟剂处理可固化材料。特别地，将促进物质(“固化促进剂”)和/或延迟物质(“固化延迟剂”)混入可固化材料中。这有利地在打印头的区域中进行，特别是尽可能在可固化材料离开打印头之前立即进行。
因此可以针对性地调节可固化材料的强度随时间的发展。特别是，通过添加固化促进剂，可以整体上大大加速成型体的制备过程。此外，可以调整强度随时间的发展而无需改变其他方法参数。
作为固化促进剂，可以使用多种本领域技术人员已知的物质。
特别地，如果可固化材料是矿物粘结剂或矿物粘结剂组合物，则固化促进剂优选包含以下的一个或多个代表：
a)一种或多种氨基醇和/或其盐
b)一种或多种碱金属硝酸盐和/或碱土金属硝酸盐
c)一种或多种碱金属亚硝酸盐和/或碱土金属亚硝酸盐
d)一种或多种碱金属硫氰酸盐和/或碱土金属硫氰酸盐
e)一种或多种碱金属卤化物和/或碱土金属卤化物
f)一种或多种碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐
g)甘油和/或甘油衍生物
h)一种或多种二醇和/或二醇衍生物
i)一种或多种铝盐和/或氢氧化铝
j)一种或多种碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物
k)一种或多种碱金属硅酸盐和/或碱土金属硅酸盐
l)一种或多种碱金属氧化物和/或碱土金属氧化物
m)结晶核，特别是细分散形式的硅酸钙水合物化合物。
因此例如能够实现与不同应用的灵活适应。
固化延迟剂例如选自包含羟基羧酸、蔗糖和/或磷酸盐的列表。当可固化材料是矿物粘结剂或矿物粘结剂组合物时，特别是这种情况。
特别地，可固化材料包含矿物粘结剂组合物(特别是水硬性粘结剂组合物，优选砂浆组合物或混凝土组合物)或由其组成。矿物粘结剂组合物特别如上所述组成。
任选地，矿物粘结剂组合物可包含至少一种掺加剂，例如混凝土掺加剂和/或砂浆掺加剂和/或加工化学品。至少一种掺加剂特别包括消泡剂、着色剂、防腐剂、液化剂、延缓剂、促进剂、气孔形成剂、流变助剂、减缩剂和/或腐蚀抑制剂或其组合。
矿物粘结剂组合物有利地与塑化剂或液化剂一起使用或者包含塑化剂或液化剂。作为塑化剂，可以例如考虑木质素磺酸盐，磺化萘-甲醛缩合物，磺化三聚氰胺-甲醛缩合物，磺化乙烯基共聚物，具有膦酸酯基团的聚亚烷基二醇，具有磷酸酯基团的聚亚烷基二醇，多羧酸酯，在聚合物主链中具有聚环氧烷侧链和阴离子基团的梳形聚合物，其中阴离子基团特别选自羧酸酯基团、磺酸酯基团、膦酸酯基团或磷酸酯基团，或所述塑化剂的混合物。
塑化剂尤其包含聚羧酸酯，特别是聚羧酸酯醚。特别地，塑化剂是一种梳状聚合物，其包括具有连接聚环氧烷侧链(特别是聚环氧乙烷侧链)的聚羧酸酯主链。侧链在此特别通过酯基、醚基、酰亚胺基和/或酰胺基结合至聚羧酸酯主链。
有利的塑化剂例如为(甲基)丙烯酸单体和/或马来酸单体以及选自如下的单体的共聚物：聚亚烷基二醇-乙烯基醚(VPEG)、聚亚烷基二醇-烯丙基醚(APEG)、聚亚烷基二醇-甲基烯丙基醚(HPEG)或聚亚烷基二醇-异戊二烯基醚(TPEG或IPEG)。特别合适的例如是马来酸或其衍生物、烯丙基醚特别是聚乙二醇-烯丙基醚和乙酸乙烯酯的共聚物。相应的共聚物及其制备例如描述于EP 2 468 696 A1(Sika Technology AG)。特别合适的例如是如EP2 468 696 A1第0058至0061段和表1中描述的共聚物P-1至P-4。
还合适的例如是马来酸或其衍生物、烯丙基醚特别是聚乙二醇-烯丙基醚和(甲基)丙烯酸的共聚物。这种共聚物及其制备描述于EP 2 522 680 A1(Sika TechnologyAG)。有利的例如是如EP 2 522 680 A1第0063至0070段和表1中描述的共聚物P-1至P-6。
此外，合适的聚羧酸酯醚和制备方法例如公开于EP 1 138 697 B1第7页第20行至第8页第50行及其实施例，或EP 1 061 089 B1第4页第54行至第5页第38行及其实施例。在其一个具体实施方案中，如在EP 1 348 729 A1第3页至第5页及其实施例中所述，梳形聚合物可以以固体聚集体的状态制备。
与提及塑化剂的专利文献相关的公开内容特别以引用方式并入本文。
相应的梳形聚合物也由Sika Schweiz AG以商品名系列
Figure BDA0002099108270000111
商业销售。
本发明的第二方面涉及一种由可固化材料生成制造成型体(特别是用于进行上述方法)的装置。该装置包括可以在至少一个空间方向上移动的打印头以及控制单元，利用该打印头可以在预定位置处分层施加可固化材料，利用该控制单元可以控制所述打印头。控制单元在此被设计成获取强度随时间的发展并且可以使可固化材料的施加速率与可固化材料的强度随时间的发展彼此协调。
控制单元中对强度随时间发展的获取在此特别可以手动进行(例如通过手动输入相应的值)或自动进行(例如通过用合适的测量设备读取)。
如果强度随时间的发展基于可固化材料的物理参数值的测量来进行，则控制单元中对强度随时间的发展的获取还可以包括将物理参数值换算成强度随时间的发展。例如可以根据预先确定的(特别是在控制单元的存储区域中存储的)校准数据进行换算。
特别地，控制单元具有存储器单元，其中可以存储一个或多个获取到的强度随时间的发展和/或校准数据。特别地，控制单元还具有计算单元和输出单元，该计算单元和输出单元被设计成根据获取的强度发展产生用于打印头的控制信号。
在一个特别优选的实施方案中，根据本发明的装置还包括测量单元，利用该测量单元可以测量可固化材料的强度随时间的发展和/或物理参数值。这些物理参数值在此如上文有关方法的描述中那样来定义。
特别地，测量单元被设计成使得可固化材料的样品可以经由打印头引入测量单元中，然后可以根据时间进行物理参数值和/或强度的测量。
特别地，测量单元是用于测量可固化材料的温度、导电率、特定物体在预定穿透深度下的穿透力、特定物体在预定穿透力下的穿透深度和/或声波(特别是超声波)的反射的测量单元。特别地，测量单元是用于执行针入测量法的针入度计和/或超声波测量单元。
超声波测量单元特别如上文结合方法所述或者如Oblak等人的文献“Kontinuierliche Messung der Festigkeitsentwicklung von Spritzbeton”(Spritzbeton-Tagung 2012，编者：Wolfgang Kusterle教授)第3章中所述那样构成。特别地，超声波测量单元包括能够产生0.1至10MHz范围内的超声波脉冲的感应器、波导和/或温度传感器。
根据本发明的装置还特别包括输送装置(特别是泵)，利用该输送装置，可固化材料可以通过管线输送至打印头。控制单元在此有利地设计成使得可以控制输送装置的输送效率。
此外有利的是，根据本发明的装置具有至少一个流量测量装置，利用该流量测量装置可以测量输送通过打印头的体积流量。控制单元在此特别设计成获取测量的体积流量并且特别可以在控制可固化材料的打印头和/或输送装置时考虑所述体积流量。
在一个有利的实施方案中，打印头具有阀门，通过该阀门可以打开和关闭打印头的出口。这特别是连续的。所述阀有利地可通过控制单元控制。这允许精细计量用打印头施加的可固化材料的体积流量。
还有利的是，打印头在出口区域中具有至少一个计量加料装置，特别是两个计量加料装置，用于将至少一种添加剂混入可固化材料中。打印头在此优选地额外具有混合装置，利用所述混合装置使一种或多种添加剂和可固化材料可以在离开打印头之前混合。
所述至少一种添加剂可以例如通过一个或多个另外的输送装置(例如另外的泵)和输送管线输送到计量加料装置。另外的输送装置在此特别可通过控制单元控制，特别是彼此独立地控制。
打印头特别具有至少一个出口喷嘴，通过该出口喷嘴可以施加可固化材料。在一个优选的变体中，打印头可在一个、两个或三个空间方向上移动。特别优选的是可在三个空间方向上移动的打印头。因此可以以特别简单的方式制备几乎任何形状的成型体。
打印头的移动可以例如以如下方式实现：将打印头安装在可以在一个、两个或三个空间方向上移动的传统机器人手臂上。
还可以通过构造空间区域的相应移动实现在一个、两个或三个空间方向上的移动。构造空间区域在此是其上构造成型体的区域，例如表面。
对于可在两个空间方向上移动的打印头，可以例如通过可提升和/或可降低的构造空间区域来实现第三空间方向上可能希望的移动。
在此特别通过控制单元控制机器人手臂和/或构造空间区域。
在另一方面，本发明涉及如上所述的第二方面中的装置用于由矿物粘结剂或矿物粘结剂组合物(特别是混凝土组合物和/或砂浆组合物)制备成型体的用途。成型体在此特别是用于建筑(例如用于建筑物、墙体和/或桥梁)的预制部件。
如下实施例进一步解释本发明。
附图说明
用于解释实施例所使用的附图为：
图1由可固化材料生成式制造成型体的装置的示意图；
图2以不同施加速率制备成型体所需的强度随时间的发展(虚线)以及混入或不混入固化促进剂的矿物粘结剂组合物的所测量的强度随时间的发展(实线)的图；
图3右侧为通过本发明方法制备的成型体，左侧为通过常规方法不考虑强度随时间发展而制备的成型体。
实施例
图1示出了根据本发明的由可固化材料23制备成型件10的装置1在制备过程中的示意图。
可固化材料23(在本文中为常规的水泥砂浆组合物)通过印刷头20施加，所述印刷头20可以通过未显示的机器人手臂在所有三个空间方向上移动。在图1所示的情况下，打印头20向左移动，这由打印头20上的箭头表示。在图1中，已经用打印头20构造了三个完整的叠置层11、12、13。第四层14在图1中仍在构造之中。
通过泵25和输入管线向打印头20供应可固化材料23，该可固化材料23通过打印头20的端部喷嘴开口24排出。在打印头上还设置有用于固化促进剂的计量加料装置21，通过另外的泵22和相关的管线对所述计量加料装置21供料。固化促进剂基本上可以是适用于水泥砂浆组合物的任何物质。
打印头20和两个泵22、25通过数据线51、52、53与控制单元30连接。控制单元30可以通过计算和输出单元32输出电信号，用于控制打印头20的移动以及两个泵22、25的输送量。
此外，图1中的根据本发明的装置1的右侧包括三个测量单元40、41、42。所述测量单元构造为超声波测量单元的形式，如Oblak等人的文献“Kontinuierliche Messung derFestigkeitsentwicklung von Spritzbeton”(Spritzbeton-Tagung 2012，编者：WolfgangKusterle教授)第3章所述。
在制备过程中，打印头20可以将可固化材料23的材料样品输送到测量单元40、41、42中，以便确定可固化材料23的强度发展。在此确定的数据或反射性质通过数据线50传输到控制单元30，在控制单元30中可以存储在存储区域31中。
控制单元30在此被设计成可以基于所确定的数据或强度随时间的发展来调整装置1的操作参数，使得例如可以保持可固化材料23的预先选择的施加速率。相应的参数可以存储在存储单元31中(也参见下面图2的描述)。
具体地，在操作中可以例如在可固化材料的恒定输送量下使打印头20的移动速率与强度随时间的发展协调。在此例如可以控制打印头，使得在从右到左移动时施加可固化材料，而在从左到右移动时暂停施加。因此，打印头20可以在平面中从相同的起点构造每个新层。例如在此可以减慢从左到右返回时的速度，或者在用于制备另一层的起点处保持等待时间，以便在施加另一层之前确保可固化材料的必要强度。
可固化材料23的强度随时间的发展在此可以例如在施加第一层11之前在测量单元40中进行。如果要实现一定施加速率，则控制单元30根据强度发展和存储在存储单元31中的可能需要的校准数据自动调节合适的参数，例如打印头20的移动速率和可固化材料的输送量。
在施加第一层11之后，可以例如在测量单元41中重新确定可固化材料23的强度随时间的发展。如果存在偏差，则可以对其进行补偿。
图2示出了对于一定的施加速率所需的可固化材料23的强度随时间的发展101、102、103。“S”在此表示可固化材料的抗压强度，而“t”对应于离开打印头20之后的时间。强度随时间的发展101、102、103可以存储在图1的控制单元30的存储区域31中。第一强度随时间的发展101对应于每5分钟1米的施加速率。第二强度随时间的发展102对应于每2.5分钟1米的施加速率，第三强度随时间的发展103对应于每1分钟1米的施加速率。施加速率在此对应于每单位时间所达到的成型件10的高度。
曲线110表示用超声波测量单元40测量的可固化材料在离开打印头20之后的强度随时间的发展。可以看出，对于每2.5分钟1米的施加速率，强度随时间的发展总是高于所需的强度随时间的发展101。因此，可以无问题地实现这种施加速率。
在对比实验中不加入固化促进剂。可以看出，在这种情况下，在不牺牲成型体的品质的情况下，不能实现每5分钟1米的施加速率(所需的强度发展101)。
图3的右侧示出了用根据本发明的方法由砂浆组合物制得的约1m高的成型体的截面。在此很容易看出，各自具有约1.5厘米高度的所有层都具有恒定的厚度和均匀的形状。
相反，在左侧的不考虑强度随时间的发展而制得的成型体上示出了各个层的强烈变形和不均匀的厚度。在这种情况下，存在过高的施加速率或过低的强度发展。
然而上述实施方案仅被理解为在本发明的范围内可以任意修改的说明性实施例。
因此，例如可以设置进行自动针入法的其他测量单元来代替超声波测量单元40、41、42。还可以设置少于三个或多于三个测量单元。
同样可以设置另外的计量加料装置，通过所述计量加料装置例如可以在打印头20中混入延迟物质以代替或补充固化促进剂。
还可以在打印头上设置用于直接在泵25区域中加入固化促进剂的装置以代替或补充计量加料装置21。在此可以例如用流量传感器测量固化促进剂的加入量。
原则上还可以使用另一种可固化材料，例如含有机粘结剂的可固化材料。

Claims (27)

1.由可固化材料制备成型体的方法，其中在生成式方法中，通过在至少一个空间方向上可移动的打印头分层施加可固化材料，并且其中可固化材料的施加速率和可固化材料的强度随时间的发展彼此协调，
其中根据打印头在成型体的当前层中分配可固化材料时必须行进的距离的长度调节打印头的移动速率，其中在成型体的生成式制造过程中测量可固化材料的强度随时间的发展。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可固化材料是矿物粘结剂组合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述生成式方法是生成式自由空间法。
4.根据权利要求1所述的方法，其中与所述长度成比例地调节打印头的移动速率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中根据可固化材料拌和之后和/或可固化材料离开打印头之后可固化材料在一定时间点的强度调节可固化材料的施加速率，或者相反。
6.根据权利要求5所述的方法，其中与所述强度成比例地调节可固化材料的施加速率。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中可固化材料的施加速率随着层数的增加而变化。
8.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中在施加两个彼此叠置的可固化材料的层之间保持等待时间，其中根据可固化材料的强度随时间的发展来选择等待时间。
9.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中根据可固化材料的强度随时间的发展调节打印头的移动速率。
10.根据权利要求1所述的方法，其中多次地和/或以规则时间间隔测量可固化材料的强度随时间的发展。
11.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中通过至少一次测量可固化材料的物理参数值来确定强度随时间的发展。
12.根据权利要求11所述的方法，其中多次测量可固化材料的物理参数值。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在拌和可固化材料之后和/或在可固化材料离开打印头之后，在至少一个一定时间点进行可固化材料的物理参数值的测量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在多个一定时间点进行可固化材料的物理参数值的测量。
15.根据权利要求11所述的方法，其中作为物理参数值，测量可固化材料的温度，导电率，特定物体在预定穿透深度下的穿透力，特定物体在预定穿透力下的穿透深度和/或声波的反射。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述声波是超声波。
17.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中通过针入法和/或通过声音测量确定强度随时间的发展。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述声音测量是超声波测量。
19.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中用固化促进剂和/或固化延迟剂处理可固化材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在打印头的区域中将固化促进剂和/或固化延迟剂混入可固化材料中。
21.根据权利要求1–6任一项所述的方法，其中可固化材料包含矿物粘结剂组合物或由其组成。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述矿物粘结剂组合物是水硬性粘结剂组合物。
23.根据权利要求21所述的方法，其中矿物粘结剂组合物是砂浆组合物或混凝土组合物。
24.由可固化材料生成式制造成型体的装置(1)，包括可在至少一个空间方向上移动的打印头(20)以及控制单元(30)，利用所述打印头(20)分层施加可固化材料，和利用所述控制单元(30)控制打印头，其特征在于，控制单元(30)被设计成获取可固化材料的强度随时间的发展并且使可固化材料的施加速率和可固化材料的强度随时间的发展彼此协调。
25.根据权利要求24的装置(1)，其中所述装置(1)用于进行根据权利要求1-23中任一项所述的方法。
26.根据权利要求24的装置的用途，用于由矿物粘结剂组合物制备成型体。
27.根据权利要求26的用途，其中所述矿物粘结剂组合物是混凝土组合物和/或砂浆组合物。
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