CN110740844A - 用于建筑结构增材制造机器人的用于挤出胶结材料条的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于建筑结构的增材制造的机器人的用于挤出胶结材料条的系统，其包括：用于沉积胶结材料条的头部，称为打印头(30)，其包括入口口部(31)和出口喷嘴(34)，该出口喷嘴被构造成形成胶结材料条；用于所述打印头(30)的供应回路(20)，其包括用于储存胶结材料的储罐(10)、将所述储罐(10)连接至所述打印头(30)的供应管道(21)、以及用于所述供应管道(21)的增压泵(22)；其特征在于，所述系统进一步包括传感器(33)，该传感器用于感测在所述打印头(30)中流动的胶结侧料的压力/流量，并且适于将压力/流量测量结果传送至所述增压泵(22)，并且增压泵(22)被构造成基于由传感器(33)传送的测量结果来控制供应管道(21)的增压。

Description

用于建筑结构增材制造机器人的用于挤出胶结材料条的系统
技术领域
本发明涉及胶结材料的增材制造。本发明特别涉及一种用于建筑结构的增材制造的机器人的用于挤出胶结材料股流的系统。本发明还涉及一种设有这种系统的用于建筑结构的增材制造的机器人。
背景技术
胶结材料的3D打印是用于胶结材料的增材制造的一个行业分支，其在建筑和施工领域中的应用看起来是众多且有前途的。
实际上，胶结材料的3D打印显现出能够提供超过传统技术的许多优点，特别是包括通过添加胶结材料的连续层而能够生产复杂形状的可能性、施工操作的速度、降低的成本和人力、改善的施工场所安全性，等等。
对胶结材料的3D打印的掌握需要在流体力学、力学、电子学和土木工程领域中的技能。
贯穿本文，术语“建筑结构”指的是单独的结构元素(桥梁、立柱、墙壁、公共设施等)、完整结构(建筑物、房屋、公寓楼等)和各种建筑部件(艺术作品、雕塑等)。
旨在用于制造建筑结构的胶结材料的挤出涉及：胶结物打印头，其包括用于胶结材料的入口和用于胶结材料的出口的喷嘴；以及用于向打印头供应胶结材料的回路，其包括胶结材料储罐、连接储罐与打印头的入口的管道、以及用于用来自储罐的胶结材料填充管道的泵。
胶结材料的3D打印的困难之一在于以下事实：胶结材料必须以与泵送该材料相兼容的流变状态提供，即材料必须有足够的流动性，以能够从储罐泵送并输送至出口喷嘴，而其状态必须在出口喷嘴的下游非常粘稠(即，较少流动性)，以能够形成能够支撑下一层的自支撑层。
胶结物打印系统已经存在。这样一来，已经发现，所提出的系统尤其不允许在打印的产品(所生产的结构)中存在过多的悬突部，否则打印操作大大减慢(这造成了不连续性)，或者否则需要添加临时加强物(这减慢了打印并使打印复杂化)。先前解决方案的困难的原因之一在于以下事实：胶结材料处于接近其泵送极限的状态同时具有足以使其不松垂的剪切阈值。对材料的这种约束需要通过限制机器人的输出和速度来对制造部件的打印速度进行严格约束，并因此将所生产部件的复杂性限制于挤出材料的强度。
发明内容
因此，发明人寻求提供一种用于挤出胶结材料的系统，该系统使得可以解决现有解决方案的至少一些缺点，目的在于能够提供复杂部件而不影响打印性能。
特别地，发明人寻求提供一种允许使用类似于传统技术背景中浇筑的材料(特别是在强度方面)的胶结材料而不需要存在模具或模板的解决方案。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种用于挤出胶结材料的系统，该系统使得可以制造复杂的建筑部件或结构部件。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种允许连续且均匀地分配材料的挤出系统。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种挤出系统，其允许打印具有悬突部的部件，然而这并不导致打印速度的减慢。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种挤出系统，其允许以精确、稳定和可重复的方式且低成本地制造建筑或结构部件。
本发明还旨在提供一种设置有根据本发明的胶结物挤出系统的机器人。
为此，本发明涉及一种用于建筑结构的增材制造的机器人的用于挤出胶结材料股流的系统，包括：
-用于分配胶结材料股流的头部，称为打印头，其包括用于胶结材料的入口的口部以及设计成形成胶结材料股流的出口喷嘴，
-用于将胶结材料供应到所述打印头的回路，所述回路包括胶结材料储罐、连接所述储罐和所述打印头的管道、以及用于用来自所述储罐的胶结材料填充所述供应管道的泵，
-传感器，其用于检测在所述打印头中流动的所述胶结材料的压力/流量，该传感器适于将压力/流量测量结果传送到所述填充泵，所述填充泵被设计成基于由所述传感器传送的测量结果来控制供应管道的填充。
根据本发明的系统的特征在于，所述分配头进一步包括：
-混合室，其布置在所述出口喷嘴的上游，并且掺合装置引入到所述混合室中，所述掺合装置适于在通过所述出口喷嘴喷射所述胶结材料股流之前注入改变胶结材料的特性的掺合物，
-动态混合器，其设计成能够在所述混合室中混合所述胶结材料和由所述掺合装置提供的所述掺合物，
-偏心螺杆计量泵，其设计成能够将胶结材料从打印头的入口口部输送至所述混合室。
因此，根据本发明的系统使得可以将胶结材料从储罐输送到打印头，同时监测和控制胶结材料的流量和压力。因此，本发明使得可以在进入打印头的入口处将胶结材料的压力维持在预定值范围内，例如在2巴与6巴之间。对打印头中的胶结材料的压力和流量的这种控制允许通过出口喷嘴连续且均匀地分配胶结材料股流。因此，利用根据本发明的系统，可以在不对材料施加特定约束(除了供应打印头的喷嘴的胶结材料的压力和流量之外)的情况下快速地获得复杂部件。填充泵的控制还使得可以纠正股流挤出过程中的任何几何缺陷。
此外，根据本发明的挤出系统包括掺合装置，该掺合装置在所述出口喷嘴的上游连接到所述打印头，以便能够在通过所述出口喷嘴喷射所述胶结材料股流之前注入改变胶结材料的特性的掺合物。
因此，这样的系统使得可以通过在出口喷嘴上游添加掺合物来改变胶结材料的性质，以便能够使从出口喷嘴喷射的胶结材料适配于待制造的建筑结构的需求。因此，利用根据本发明的系统，可以将胶结材料在与优化泵送相兼容的状态下输送到打印头，并且仅在喷嘴出口处分配层之前改变其物理性质(例如其流变性、表面活性剂强度、塑性、稳定性、触变性等)。
因此，利用根据本发明的系统，可以在喷嘴出口处分配各层胶结材料，其具有接近于在传统构造技术的背景中使用的胶结材料的特性。
换句话说，根据本发明的系统使得可以在系统的入口(储罐)处使用处于第一流变状态的胶结材料，以受控方式将该材料输送到打印头，该打印头本身旨在附接到3D打印定位系统(比如关节臂)，并且通过添加掺合物而在该输送期间改变材料的流变状态。因此，根据本发明的系统使得可以监测和控制打印头的出口处的材料的状态(流变性、流量、压力)。
此外，打印头包括与动态混合器相关联的混合室，用于在出口喷嘴的上游均质地混合胶结材料和掺合物。通过偏心螺杆计量泵将胶结材料引导到混合室，所述偏心螺杆计量泵允许材料以恒定流量输送到该室，而不会引起脉动。此外，所述泵使得可以减少由填充泵产生的任何脉动。
有利地并且根据本发明，填充泵是偏心螺杆泵，以便限制供应管道中的脉动。
然而，在其它实施例中，填充泵可以是蠕动泵、活塞泵，并且通常是适于输送胶结材料并且在压力/流量方面受控的任何泵。
有利地并且根据本发明，所述动态混合器包括：至少一个轴杆，其纵向延伸到混合室中并承载沿着轴杆分布的径向指状件；以及马达，其设计成能够旋转所述轴杆，以便能够提供胶结材料与掺合物的均质混合物。
根据该有利变型的系统使得可以获得胶结材料与掺合物的均质混合物。沿着混合器的轴杆分布的径向指状件的存在允许材料颗粒均匀地分布在混合室中。根据一种变型，混合器包括两个平行臂，每个臂包括径向指状件，以便形成“打蛋器”类型的元件。混合器马达可以被控制，以便在打印期间反转其轴或多个轴的旋转方向。
有利地并根据本发明，所述掺合装置包括至少一个掺合针，所述掺合针在掺合方向上引入到所述混合室中，所述掺合方向与所述纵向方向形成0°与90°之间(优选地45°)的角度，并且所述掺合针连接到掺合物筒，以便能够在所述掺合方向上将所述掺合物从所述掺合物筒注入到所述混合室中。
根据该变型，掺合物在与纵向方向形成预定角度的掺合方向上被添加到混合室中的胶结材料中。所述纵向方向是混合器的轴杆的方向和胶结材料进入混合室中的流动方向。掺合物在所述掺合方向上的这种注入使得可以快速地获得胶结材料与掺合物的均质混合物。90°的掺合是径向掺合，其促进了掺合物与在混合室的中心轴线附近流动的胶结材料的混合。接近0°的掺合促进了掺合物与在混合室的壁附近流动的材料的混合。45°的掺合是上述两个角度之间的良好折衷。
有利地并且根据该变型，所述掺合装置包括多个针，所述多个针在掺合方向上引入到所述混合室中，每个针借助于容积式给料器连接到所述掺合物筒。
根据该变型，多个针在所述掺合方向上将掺合物注入到混合室中，这允许掺合物均质地分布到胶结材料中。优选地，这些针布置在混合室的上游部分附近，即与出口喷嘴相对。每个针借助于容积式给料器连接到掺合物筒，这使得可以控制注入到混合室中的掺合物的流量。因此，胶结材料以由在压力/流量方面受控的填充泵控制的恒定流量被引导到混合室中，并且掺合物以由容积式给料器控制的恒定流量被引导到混合室中。优选地，每个容积式给料器借助于鲁尔锁定接头(更广泛地称为鲁尔锁)连接至针。
有利地并且根据本发明，所述掺合装置包括布置在掺合物筒与所述容积式给料器之间的蠕动泵。
蠕动泵的存在使得可以改善掺合物的泵送，特别是在掺合装置的掺合物筒与针之间具有长距离(例如大于5米)的情况下。当然，优选的从容积式给料器开始的这个距离取决于容积式给料器的类型、掺合回路以及掺合物筒与针之间的高度差。
有利地，根据本发明的挤出系统包括用于检测混合室上游的所述胶结材料的压力的传感器，该传感器称为安全传感器，其被设计成测量所述混合室上游的压力，以便能够防止混合室或出口喷嘴堵塞的风险。
有利地并且根据本发明，所述供应回路的储罐为料斗，其包括用于接收成批次的胶结材料的上部开口和连接到所述供应管道的下部出口。
料斗使得易于接收由操作者提供的成批次的胶结材料。料斗也可以容易地由布置在料斗上方的用于生产胶结材料的装置来供应。
有利地并且根据该变型，所述料斗设置有搅拌器，该搅拌器包括承载多个侧向叶片的轴杆和用于旋转该轴杆以便能够搅动所述料斗的胶结材料的马达。
搅拌器使得可以在通过填充泵泵送胶结材料之前将胶结材料维持在几乎恒定的流变状态。换句话说，这种搅拌料斗形成缓冲罐，其可以接收不同批次的胶结材料。料斗具有使得可以跟踪批次的锥形形状。
有利地，根据本发明的挤出系统从填充泵至出口喷嘴具有恒定的横截面，以便能够输送胶结材料，而不会产生扰动区域。
本发明还涉及一种用于建筑结构的增材制造的机器人，其包括由控制单元控制的定位系统(比如关节臂)，所述机器人的特征在于其包括根据本发明的用于挤出胶结材料的系统。
这种机器人包括根据本发明的挤出系统，该挤出系统的打印头由定位系统(比如关节臂)承载，该定位系统本身由计算机控制。
本发明还涉及一种用于增材打印的挤出系统和机器人，它们的特征在于上述或下文提及的所有或一些特征的组合。
附图说明
在阅读以下仅通过非限制性示例的方式提供并参考附图的描述时，本发明的进一步的目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的挤出系统的功能示意图，
图2是根据本发明的一个实施例的挤出系统的掺合装置的功能示意图，
图3是根据本发明的一个实施例的挤出系统的打印头的功能示意图，
图4a和图4b是引入到根据本发明的一个实施例的挤出系统的混合室中的掺合装置的针的局部示意图，
图5是根据本发明的一个实施例的挤出系统的混合室的一部分的示意性剖视图。
具体实施方式
为了说明和清楚起见，在附图中未严格地遵循尺度和比例。在以下参考附图的通篇详细描述中，除非另外指出，否则挤出系统的每个元件都按照挤出系统处于图1的构造时的布置来描述。
此外，在所有附图中，使用相同的附图标记来表示相同、相似或类似的元件。
如图1所示，根据本发明优选实施例的挤出系统包括胶结材料储罐10、打印头30、布置在储罐10与打印头30之间的用于向打印头供应胶结材料的回路20、以及连接到打印头30的掺合装置40。
现在将详细描述系统的各个元件中的每一个。
储罐
储罐10优选地为料斗，其包括适于接收成批次的胶结材料的上部开口11和连接到供应回路20的下部出口12。料斗进一步包括搅拌器13，该搅拌器包括：轴杆14，其借助于垂直于轴杆14的轴承载多个侧向叶片15；以及用于旋转轴杆14的马达16。马达16例如是设计成能够以较低速度(例如以6转/分钟的速度)驱动搅拌器13的轴杆14的电马达。当然可以在不改变根据本发明的挤出系统的性能的情况下使用热力发动机。搅拌器的作用是在将胶结材料通过供应回路20引导到打印头之前能够将料斗中的胶结材料维持在几乎恒定的流变状态。
所使用的胶结材料例如是由具有细颗粒的胶结物制成的预混合物，其被水合和流化。
供应回路
供应回路20将储罐10连接到打印头30。所述回路包括将储罐10的出口12连接到打印头30的入口口部31的管道21。供应回路20进一步包括填充泵22。所述填充泵22在压力/流量方面由布置在打印头30的入口口部31附近的压力传感器33控制。所述填充泵22例如是偏心螺杆泵，以便能够将胶结材料输送到打印头30，同时使脉动最小化。所述填充泵22例如是作为
Figure BDA0002314587720000081
FP-V Mono销售的泵。当然，可以在不改变本发明的性能的情况下使用其它泵。压力/流量传感器33可以是任何已知的类型。例如它是作为
Figure BDA0002314587720000082
PF2953销售的传感器。当然，可以在不改变本发明的性能的情况下使用其它传感器。填充泵22被设计成遵循一定控制规则，该控制规则是预定的并且可以根据需要由操作者设定。例如，控制规则被设定成将胶结材料的压力维持在2巴与6巴之间。
打印头
如图3所示，打印头30包括连接到供应回路20的入口口部31和设计成形成胶结材料股流的出口喷嘴34。
打印头进一步包括混合室35，该混合室布置在出口喷嘴34的上游，并且掺合装置40(如下所述)引入到该混合室中。混合室35设置有适于能够混合胶结材料和由掺合装置40提供的掺合物的动态混合器36。
如图4a和图5中部分地示出的，动态混合器36包括轴杆37，该轴杆纵向地延伸到混合室35中，并且在该轴杆上安装有沿着轴杆37分布的径向指状件38。动态混合器36还包括马达39，该马达设计成能够旋转轴杆37以便能够提供胶结材料与掺合物的均质混合物。该马达39可以是电马达、热力发动机和通常的任何类型的马达。根据附图中的实施例，马达39相对于轴杆37偏置，以便最小化混合室35中的混合物的扰动。
打印头30还包括偏心螺杆计量泵51，其设计成能够将胶结材料从入口口部31输送到混合室35。这样的计量泵例如是作为
Figure BDA0002314587720000092
3VMP36销售的泵。当然，可以在不改变本发明的性能的情况下使用其它泵。
根据图中未示出的另一实施例，计量泵51由容积式给料器代替，该容积式给料器设计为能够确保在预定操作范围内的恒定流量。
打印头30还包括布置在混合室35上游的安全压力传感器52。该传感器例如是作为
Figure BDA0002314587720000091
PF2953销售的传感器。当然，可以在不改变本发明的性能的情况下使用其它传感器。所述安全传感器52使得可以测量混合室35上游的压力，以便能够防止混合室35或出口喷嘴34堵塞的风险。一旦达到压力阈值，所述传感器就可以例如连接到挤出系统的自动关闭系统。
打印头的出口喷嘴34优选地是可移除的，以便能够使出口喷嘴34的形状适配于待制造的部件。特别地，出口喷嘴34的横截面可以适配于每种类型的制造部件，并且甚至可以在打印期间变化，以改变制造部件的特定区域股流的横截面。为此，出口喷嘴包括例如螺纹外壁，该螺纹外壁与打印头的界定混合室35的壁的螺纹内部分接合。根据另一变型，出口喷嘴包括螺纹内壁，该螺纹内壁与打印头的壁的螺纹外部分接合。
掺合装置
如图2所示，掺合装置40包括包含多种掺合物的筒41、借助于管道48连接至筒41的针42、容积式给料器43以及蠕动泵44。容积式给料器是例如作为
Figure BDA0002314587720000093
eco-PEN600销售的分配器。当然，可以在不改变本发明的性能的情况下使用其它给料器。掺合物筒41的掺合物可以是任何类型的。这些是被设计成改变胶结材料的任何物理性质(主要是其流变性，还有其表面活性剂强度、塑性、稳定性、触变性等)的掺合物。
在与混合室的主方向形成例如45°角度的掺合方向上，与出口喷嘴34相对，针42引入到混合室35中。
因此该掺合借助于容积式给料器进行，所述容积式给料器允许掺合物以液体形式被泵送到筒41中并且在恒定压力下被引导到混合室35中。每个容积式给料器43借助于鲁尔锁装置49连接到精密针42。针42在与混合室的主方向(其是胶结材料的流动方向)优选地形成45°角度的掺合方向上的布置使得可以获得胶结材料与掺合物的均质混合物。因此，处于恒定流量(借助于在压力方面受控制的填充泵获得)的胶结材料与处于恒定流量(借助于容积式给料器获得)的掺合物接触。打印头的动态混合器使得可以使接触的两种流体均质化。
本发明还涉及一种用于建筑结构的增材制造的机器人，其包括用于定位打印头的系统，该系统例如是由控制单元控制的关节臂。因此，机器人包括根据本发明的用于挤出胶结材料的系统，并且设计成移动挤出系统的打印头。机器人在图中未示出，但是对于本领域技术人员是公知的。根据本发明的机器人的独特性在于它实现了根据本发明的挤出系统。为此，机器人的定位系统(例如关节臂)承载根据本发明的挤出系统的如图3所示的打印头。所述打印头连接到掺合装置并连接到根据本发明的挤出系统的供应回路和储罐。
机器人例如是六轴机器人，其可选地安装在轨道上、可选地安装在台架上。机器人还可以是缆索机器人或任何类型的机器人，其定位系统(比如关节臂)可以由计算机控制。
根据本发明的机器人可以用于制造所有类型的建筑部件。这样的建筑部件可以是加强部件、建筑物，并且通常是由胶结材料制成的任何部件。利用根据本发明的挤出系统制造的建筑部件可以是各种规模的。这可能涉及一部分立柱、整个立柱、墙壁、板状元件、建筑物、一件公共设施、雕塑等。

Claims (11)

1.一种用于建筑结构的增材制造的机器人的用于挤出胶结材料股流的系统，包括：
-头部，用于分配胶结材料股流，称为打印头(30)，所述打印头包括用于胶结材料的入口的口部(31)以及设计成形成胶结材料股流的出口喷嘴(34)；
-回路(20)，用于将胶结材料供应至所述打印头(30)，所述回路包括胶结材料储罐(10)、连接所述储罐(10)和所述打印头(30)的胶结材料供应管道(21)、以及用于用来自所述储罐(10)的胶结材料填充所述供应管道(21)的泵(22)；
-传感器(33)，用于检测在所述打印头(30)中流动的所述胶结材料的压力/流量，所述传感器适于将压力/流量测量结果传送到所述填充泵(22)，所述填充泵(22)被设计成基于由所述传感器(33)传送的测量结果来控制供应管道(21)的填充，
其特征在于，所述分配头进一步包括：
-混合室(35)，其布置在所述出口喷嘴(34)的上游，并且掺合装置(40)引入到所述混合室中，所述掺合装置适于在通过所述出口喷嘴(34)喷射所述胶结材料股流之前注入改变胶结材料的特性的掺合物(34)，
-动态混合器(36)，其设计成能够在所述混合室(35)中混合所述胶结材料和由所述掺合装置(40)提供的掺合物，
-偏心螺杆计量泵(51)，其设计成能够将胶结材料从所述打印头的入口口部(31)输送至所述混合室(35)。
2.根据权利要求1所述的挤出系统，其特征在于，所述动态混合器(36)包括：至少一个轴杆(37)，其在称为纵向方向的方向上延伸到所述混合室(35)中，并且承载沿着所述轴杆(37)分布的径向指状件(38)；以及马达(39)，其设计成能够旋转所述轴杆(37)，以便能够提供胶结材料和掺合物的均质混合物。
3.根据权利要求2所述的挤出系统，其特征在于，所述掺合装置(40)包括至少一个掺合针(42)，所述掺合针在掺合方向上引入到所述混合室(35)中，所述掺合方向与所述纵向方向形成0°与90°之间的角度，并且所述掺合针连接至掺合物筒(41)，以便能够在所述掺合方向上将所述掺合物从所述掺合物筒注入到所述混合室(35)中。
4.根据权利要求3所述的挤出系统，其特征在于，所述掺合装置(40)包括多个针(42)，所述针在所述掺合方向上引入到所述混合室(35)中，每个针(42)借助于容积式给料器(43)连接至所述掺合物筒(41)。
5.根据权利要求4所述的挤出系统，其特征在于，所述掺合装置(40)包括布置在所述掺合物筒(41)与所述容积式给料器(43)之间的蠕动泵(44)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的挤出系统，其特征在于，所述挤出系统包括用于检测所述混合室上游的所述胶结材料的压力的传感器，该传感器称为安全传感器(52)，其被设计成测量所述混合室(35)上游的压力，以便能够防止所述混合室(35)或所述出口喷嘴(34)堵塞的风险。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的挤出系统，其特征在于，所述填充泵(22)是偏心螺杆泵，以便限制所述供应管道(21)中的脉动。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的挤出系统，其特征在于，所述供应回路的所述储罐(10)为料斗，其包括用于接收成批次的胶结材料的上部开口(11)以及连接至所述供应管道(21)的下部出口(12)。
9.根据权利要求8所述的挤出系统，其特征在于，所述料斗设置有搅拌器(13)，所述搅拌器包括承载多个侧向叶片(15)的轴杆(14)以及用于旋转所述轴杆(14)以便能够搅动所述料斗的胶结材料的马达(16)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的挤出系统，其特征在于，所述挤出系统从所述填充泵(22)到所述出口喷嘴(34)具有恒定的横截面，以便能够输送胶结材料，而不会产生扰动区域。
11.一种用于建筑结构的增材制造的机器人，所述机器人包括由控制单元控制的定位系统，比如关节臂，其特征在于，所述机器人包括根据权利要求1至10中任一项所述的用于挤出胶结材料的系统。
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