CN113490781A - 用于生产包含混凝土的3d物体片段的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种(叠层)生产至少一种三维(3D)混凝土基物体的片段(部分)的三维(3D)打印方法,所述至少一种片段具有至少3个层且含有混凝土。在该方法中,第一混凝层土首先通过挤出新鲜混凝土开始生产。随后,向第一混凝土层的面向上的侧面施加第一胶粘剂层,此后向第一胶粘剂层的面向上的侧面施加第二混凝土层。其他胶粘剂和混凝土层可按需依次施加,其中各片段中相应的混凝土层和胶粘剂层以交替顺序设置于彼此顶部,且各含有混凝土的片段的顶层和底层由混凝土层形成。本发明还涉及一种3D物体的片段本身,所述片段具有至少3个层,含有混凝土且通过根据本发明的方法生产。本发明还涉及至少一种具有至少3个层且含有混凝土的片段本身在生产3D物体中或在并入3D物体中的用途。本发明还涉及一种三维(3D)物体本身,含有至少一个具有至少3个层,含有混凝土且可通过根据本发明的方法生产。
Description
描述
本发明涉及一种用于(叠层(layer-by-layer))生产至少一个基于混凝土的三维(3D)物体的至少三层的包含混凝土的片段(子区域)的三维(3D)打印方法。在该方法中,首先通过挤出新鲜混凝土生产第一混凝土层。随后,在第一混凝土层的面向上的侧面的顶部上施加第一胶粘剂层,此后,向第一混凝土层的面向上的侧面施加第二混凝土层。其他胶粘剂和混凝土层可任选地依次施加,其中各片段中的相应混凝土层和胶粘剂层以交替顺序设置在彼此顶部且各包含混凝土的片段的最上层和最下层在每种情况下由混凝土层形成。本发明进一步提供了一种至少三层的包含混凝土的3D物体片段本身,其由本发明的方法生产。本发明进一步提供了至少一个至少三层的包含混凝土的片段本身在生产3D物体中或在并入3D物体中的用途。本发明进一步提供了一种三维(3D)物体本身,其包含至少一个至少三层的包含混凝土的片段,该片段能够通过本发明的方法生产。
3D打印本身现为一种普遍的方法,在该方法中,原则上将合适的起始材料叠层施加(例如在底板(baseplate)上)且三维(3D)物体(也被称为工件、制品或3D打印产品)因此可以以在几何形状、形状、尺寸和/或构造方面的许多变化形式生产。在3D打印领域中,现已知3D打印方法的许多不同类型/技术,例如选择性激光熔融、电子束熔融、选择性激光烧结、立体光刻或熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)方法。上述方法本身对于本领域技术人员而言均为已知的且特别是在使用特定的起始材料和/或特定的工艺条件方面不同,借助所述条件将起始材料转变为所需的3D产品(例如使用特定的激光器、电子束或特定的熔融/挤出技术)。市售3D打印机通常与所需的3D打印方法相匹配。
3D打印方法尤其还可用于生产非常大型的物体或该类大型(3D)物体的子区域(片段)。因此,现在很有可能完全或部分地使用3D打印方法生产非常大的物体如建筑物/房屋。在该情况下,还将包含混凝土的材料用作3D打印方法中的起始材料。3D打印方法在生产大型物体(例如由包含混凝土的材料制成的建筑物)中的巨大优势是相应物体或片段的生产叠层进行,这允许在几何形状、形状、尺寸和/或构造方面具有巨大变化,而另一方面,在经典的混凝土生产方法(或生产包含混凝土的物体的经典方法)的情况下,相应的物体或子区域是整体生产的,其中通常必须使用浇注在混凝土中的模具,这使得成型或进一步加工显著更困难。
此外,可以说3D打印方法原则上是自动化方法,在该方法中,相应片段或整个3D物体基本或甚至完全以机械方式基于预定的结构图(construction plan)使用机器,即3D打印机生产,而在经典方法的情况下,许多工作步骤手动(以手工工作的形式)进行。因此,经典的混凝土生产方法更加耗时和昂贵和/或者需要显著大量的劳动力。
如果3D打印方法用于生产包含混凝土的物体,则这在实践中通常通过挤出混凝土材料进行,其中适当的混凝土材料通过喷嘴叠层挤出或置于适当的位置,例如用于建造壁或建筑物的其他部分。在此一个普遍问题是所用混凝土材料必须相对快速地达到高强度,使得它能够承受在顶部施加的其他层的重量而不侧向扩散。相对快速干燥或相对快速形成高强度的混凝土材料可市购。
尽管有这些市售的快速干燥的混凝土材料,但相应3D打印方法中的一个实质性问题是所用材料在单层内干燥和/或固化至不同程度,因为例如壁或另外的所需片段的水平施加长度可以变化很大,因此在一个部分中干燥过程和/或固化过程已进展至显著程度,而在另一部分中,表面仍然是湿的,足以进行与下一混凝土层的粘结。此外,各新施加的混凝土层具有与相应下层不同的平均干燥程度或固化程度。单独层越干燥,相应层可承受的负荷就越大,但在单独层之间的界面处的胶粘性就越差。因此,在3D打印方法中,单独混凝土层之间的连接界面尤其可被视为相应生产的3D物体的潜在弱点,因为其中稳定性是最低的。
US-B 7,814,937公开了一种使用包含混凝土的材料叠层生产大型三维物体(如房屋)的方法。使用作为复杂压力装置组件的喷嘴叠层加工包含混凝土的材料,以获得复杂的3D物体,特别是房屋。最后,US-B 7,814,937公开了一种三维打印方法,其中将3D打印机安装在车辆,特别是货运车辆上的固定位置。在具体施加,例如生产房屋之前,使安装在车辆上的3D打印机达到可操作(ready-to-operate)状态,其中3D打印机必须由“折叠在一起的状态(folded-together state)”(用于在车辆上运输)转化至可操作状态。叠层施加包含混凝土的材料最终(基于所用混凝土)产生可包含混凝土的三维物体,特别是房屋。然而,在该文献和下面提及的两份文献中均没有说明如何能克服单独3D打印层之间的粘结问题。
US-A 2010/0025349中公开了另一三维打印系统,其可用于通过喷嘴挤出包含混凝土的材料。其中所述的3D打印机称为构架机器人系统(gantry robotics system)。喷嘴在空间的所有方向(X、Y和Z方向)的移动可借助包含混凝土的材料的挤出喷嘴与其连接的适当可移动的桥按需进行,因此,包含混凝土的材料可以任何所需的形状打印。
US-A 2010/0257792公开了一种用于挤出建筑材料(包括包含混凝土的材料)的自动化系统。该自动化系统包含挤出喷嘴。此外,公开了具有至少两个可单独操作的挤出喷嘴的挤出喷嘴系统。三维物体(例如在相应生产的三维物体的侧面具有特定的层(壁))可借助该类系统使用至少两个挤出喷嘴生产。
EP-B 0 950 484公开了一种用于生产复合砌块的方法和设备。该方法不是3D打印方法,而是将混凝土倾入模具从而在其中固化的经典方法。具体而言,其中描述了一种生产复合砌块的方法,该砌块在使用位置中包含一个上部天然石板和一个下部混凝土支撑层,其彼此紧密地结合。将具有其面向下的上侧的天然石板置于基材上并通过使用围绕天然石板的弹性元件将其紧密包围在模具箱中。随后将混凝土引入模具箱并压制。最后将模具箱与复合砌块分离。因此,复合砌块包括包含(固化)混凝土的组件和包含天然石板的组件。
不管使用3D打印方法还是使用经典方法来生产包含混凝土的3D物体,本领域技术人员知晓在加工包含混凝土的材料时必须遵守特定规则,并知晓本领域技术人员在术语“混凝土”下应理解的具体化合物/组合物(例如参见在线百科全书维基百科中的术语“混凝土”:https://en.wikipedia.org/wiki/concrete;2019年1月10日的版本)。以前固化的混凝土称为实心混凝土,但加工使用新鲜混凝土,即尚未固化的混凝土进行。混凝土可以各种组成获得,但混凝土(作为粘结剂起作用)、各石料粒级(size fractions of stone,作为集料)和水通常作为基本组分包含在其中。在新鲜混凝土中,混凝土浆料,即水、混凝土和其他细颗粒组分的混合物还没有凝固。因此,新鲜混凝土仍是可加工的,即可成型的且有时是可流动的。为了抑制混凝土的沉降和可能的过早凝固,新鲜混凝土在实践中通常是保持移动的,例如混合器的形式,这还可存在于货运车辆上。由此抑制相应的新鲜混凝土混合物的沉降和(至少部分)固化。作为替换,还可将化学添加剂加入新鲜混凝土。
本发明解决的问题是提供一种生产基于混凝土的三维物体或其片段(子区域)的新的3D打印方法。
该问题通过一种叠层生产至少三层的包含混凝土的三维(3D)物体片段的3D打印方法解决,该方法包括以下步骤a)至c):
a)挤出新鲜混凝土以形成包含面向上的侧面的第一混凝土层(B1),
b)使用至少一种胶粘剂向第一混凝土层(B1)施加第一胶粘剂层(K1),其中第一胶粘剂层(K1)完全或至少部分覆盖第一混凝土层(B1)的面向上的侧面,
c)通过在第一胶粘剂层(K1)的顶部挤出新鲜混凝土施加第二混凝土层(B2),其中第二混凝土层(B2)完全或至少部分覆盖第一胶粘剂层(K1)的面向上的侧面,以形成至少三层的包含混凝土的3D物体片段,其中第一混凝土层(B1)形成最下层,第一胶粘剂层(K1)形成中间层且第二混凝土层(B2)形成至少三层的包含混凝土的片段的最上层。
可通过本发明的方法以有利方式生产三维(3D)物体的具有三个或更多个层的包含混凝土的片段。与常规生产的分层片段相比,这些包含混凝土的片段具有提高的稳定性,因为根据本发明,各层彼此胶粘连接,与所用混凝土的固化程度无关。由于该包含混凝土的片段的稳定性较高,因此由一个或多个该多层包含混凝土的片段制成的相应三维物体如建筑物的稳定性也较高。
通过本发明的方法可以更快地和/或者更高/更大生产相应的至少三层或更多层的包含混凝土的片段。因此,在相同的时间段内,与经典的混凝土生产方法以及基于混凝土的已知3D打印技术相比,其可以更快和更高/更大地建造。由于在单独的包含混凝土的层之间存在胶粘剂层,多个叠加层可以更快或更高地施加,而无需等待下面的层充分或完全固化。
由于在本发明的3D打印方法中,在单独混凝土层之间使用胶粘剂层的事实,因此不再需要等待下面的混凝土层完全或至少基本干燥从而首先能够排除混凝土层的扩散且同时实现与下一混凝土层非常牢固的结结。就本发明而言,胶粘剂层可优选在相应混凝土层的面向上的侧面至少部分,优选完全固化为固体混凝土时施加于下面的混凝土层顶部。然而,根据本发明,位于下面的整个混凝土层完全或至少显著固化不是必需的。
虽然测定混凝土层的表面是否已固化是技术上相对简单的,但这并不适用于测定整个混凝土层的固化程度。在实践中,整个混凝土层的固化程度通常不能在3D打印方法中准确地测定。因此,在实践中在3D打印方法中通常等待相对长的时间,然后可将下一混凝土层施加在现有的混凝土层顶部,从而能够肯定地避免在新施加的混凝土上层的额外压力下未充分固化的混凝土下层扩散。如果混凝土下层由于额外的重量而部分扩散,则其由此会失去其形状,这又会对接触点处单独层的胶粘性具有不利影响。然而,该胶粘性通过根据本发明使用的胶粘剂层改善且因此也间接地在可能尚未完全固化的混凝土下层上实现压力平衡。因此,特别有利的是在本发明的方法中,胶粘剂层可以在紧邻3D打印后续的叠加的混凝土层之前的时间施加于下面的混凝土层。胶粘剂层可例如通过直接安装在用于施加下一混凝土层的相应的喷嘴或相应的打印头前面的额外的喷嘴或额外的打印头施加。因此,两种操作可以使用单个3D打印设备直接一个接一个地进行。
与常规混凝土加工方法相比,本发明的3D打印方法的优点是它原则上为自动化方法,其中相应片段或整个3D物体基本或甚至完全以机械方式通常基于预定的结构图使用机器,即3D打印机生产。与此相反,在经典的混凝土生产方法的情况下,大部分工作步骤手动进行。这更加耗时和昂贵;特别是,它需要更多的人员。此外,与常规(经典)混凝土生产方法相比,在本发明的方法中不需要使用浇注新鲜混凝土的模具。
由于单独层彼此的良好胶粘性,使相应层的不同干燥状态的问题最小化或完全消除。因此,单独包含混凝土的层和/或多层的包含混凝土的片段或整个3D物体更稳定。例如,它显示没有裂缝或较少裂缝,特别是在相应包含混凝土的层接触的位置。这可以例如通过测量胶粘剂的拉力强度测定。在3D打印方法中,在彼此顶部上施加而其间不具有胶粘剂层的两个混凝土层的胶粘剂拉力强度通常为0-0.1N/mm2。与此相反,在本发明的方法后其间具有胶粘剂层的相应拉伸强度为0.5-3N/mm2,这相当于显著改善的胶粘性/稳定性。胶粘剂拉力强度可例如根据标准DIN 1048(1979-06-13)测定。
因此,使用本发明的方法生产的多层的包含混凝土的片段的稳定性与相应的通过经典的单阶段方法使用适当的模具来限定几何形状(例如如在EP-B 0 950 484中所述)生产的混凝土片段的稳定性相当。然而,与该类加工包含混凝土的物体的经典方法相比,本发明的叠层生产方法的优点是在相应的包含混凝土的物体的几何形状、形状、尺寸和构造方面的显著较大变化。
对本发明而言,所有所示方向,例如X方向、Y方向或Z方向和XY平面均与三维空间中的直角坐标系有关(除非另有说明)。这意指3个方向轴(X轴、Y轴和Z轴)各自彼此正交,即在每种情况下彼此形成90°的角。Z轴(Z方向)还称为“垂直轴”。XY平面还可称为水平平面,其中多个XY平面能够在垂直方向(即沿Z轴)上彼此平行设置。沿着Z轴的移动还可称为“向上”或“向下”。
下面将对本发明更详细地定义。
本发明首先提供了一种叠层生产至少三层的包含混凝土的三维(3D)物体片段的3D打印方法,包括以下步骤a)至c):
a)挤出新鲜混凝土以形成包含面向上的侧面的第一混凝土层(B1),
b)使用至少一种胶粘剂向第一混凝土层(B1)施加第一胶粘剂层(K1),其中第一胶粘剂层(K1)完全或至少部分覆盖第一混凝土层(B1)的面向上的侧面,
c)通过在第一胶粘剂层(K1)的顶部上挤出新鲜混凝土而施加第二混凝土层(B2),其中第二混凝土层(B2)完全或至少部分地覆盖第一胶粘剂层(K1)的面向上的侧面,以形成至少三层的包含混凝土的3D物体片段,其中第一混凝土层(B1)形成最下层,第一胶粘剂层(K1)形成中间层且第二混凝土层(B2)形成至少三层的包含混凝土的片段的最上层。
对本发明而言,术语“混凝土”具有以下含义:混凝土是包含混凝土、各石料的粒级以及水作为主要组分的混合物。取决于所需的施加,混凝土中还可包含其他添加剂。绝对必要的组分混凝土用作粘结剂。对本发明而言,表述“各石料的粒级”包括组分如碎石、砾石或任选砂石。石料的粒级还称为混凝土的集料。混凝土中包含的水还称为添加水/补充水且用于混凝土的凝固。
根据本发明,混凝土优选包含一定比例的粘结剂,优选一定比例的混凝土,其范围不超过25重量%,更优选不超过20重量%,特别优选10-15重量%。混凝土中粘结剂,优选混凝土的最小比例通常为至少1重量%,优选至少5重量%。
根据本发明,可以使用本领域技术人员已知的任何混凝土作为混凝土。混凝土在此可以以纯净形式使用,但混凝土通常还与其他添加剂混合,所述添加剂同样可用作粘结剂,例如粉煤灰、矿渣或火山灰(还参见标准DIN EN196)。根据本发明,还优选包含总比例为240-320kg/m3的粘结剂的混凝土。
类似的情况还适用于术语“包含混凝土”或术语“混凝土层”。根据本发明,优选快速固化和/或具有高尺寸稳定性的混凝土或混凝土层。
除非在本发明的上下文中另有说明,术语“混凝土”优选是指已经(至少部分)固化的混凝土,特别是完全固化的混凝土,其还可称为“固体混凝土”。在固体混凝土的情况下,由水引发的凝固过程,即水与粘结剂混凝土和/或石料的粒级的化学结合因此完全或至少基本结束。
对本发明而言,术语“新鲜混凝土”是指相应的混凝土仍可加工。混凝土的单独基本组分,特别是粘结剂和水尚未彼此反应,或者至少仅以小程度彼此反应,使得固化还尚未发生。因此,新鲜混凝土仍然是可成型的且至少部分可流动的。
根据本发明,术语“包含混凝土的片段”具有以下含义:包含混凝土的片段由数个(多个)混凝土层和胶粘剂层组成,其中混凝土层和胶粘剂层以交替顺序设置在彼此之上。相应包含混凝土的片段的最上层(上侧)和最下层(下侧)各自由混凝土层形成。在包含混凝土的片段中,混凝土通常,特别是在生产方法完成后已经完全固化。因此,包含混凝土的片段本身同样可以是三维物体。然而,通常多个该类包含混凝土的片段组装而形成三维物体,或者三维物体包含至少一个该包含混凝土的片段。
根据本发明,包含混凝土的片段可由任何量的单独混凝土层组成。根据本发明,“最小的包含混凝土的片段”(最小单元)是三层的包含混凝土的片段。根据本发明,当方法步骤a)至c各自进行一次时,获得三层的包含混凝土的片段。因此,三层的包含混凝土的片段具有作为最下层(下层)的第一混凝土层(B1),作为中间层的第一胶粘剂层(K1)和作为最上层(上侧)的第二混凝土层(B2)。
然而,根据本发明,还可用比上述(至少)三层的包含混凝土的三维(3D)物体的片段大(得多)的层数而生产包含混凝土的片段。为了生产该类具有较大层数或许多层的包含混凝土的片段,根据本发明,上述步骤b)和c)重复至少一次(根据本发明的步骤d)。
就用于生产的新鲜混凝土而言,相应混凝土层可具有不同或相同的几何形状、厚度和/或化学组成。然而,根据本发明,包含混凝土的片段中所包含的单独混凝土层在其化学组成、其形状、几何形状和/或尺寸方面优选相同或至少基本相同。
类似情况还适用于胶粘剂层和/或胶粘剂层与混凝土层的比例,其中胶粘剂层和混凝土层优选在其厚度(在Z方向上延伸)方面彼此不同。
对本发明而言,术语“三维(3D)物体”或“包含至少一个至少三层的包含混凝土的片段(根据本发明)的3D物体”意指相应的3D物体还可包含两个或更多个根据本发明的包含混凝土的片段。此外,3D物体还可包含与本发明的包含混凝土的片段不同的子区域/组件。如果根据本发明的3D物体是例如建筑物,则相应的3D物体的部分(区域/片段)可通过本发明的方法生产。实例是房屋的墙体。该3D物体的其他部分可由另一方法生产和/或它可由另一材料生产。该类部件可例如是房屋的门、窗和/或屋顶。
根据本发明将两个或更多个至少三层的包含混凝土的片段彼此连接/装配和/或与其他组件连接/装配以得到3D物体或其部分的方法对本领域技术人员是已知的。这可通过例如拧在一起或胶粘剂粘结进行。根据本发明,理论上还可关注三维(3D)物体如建筑物由根据本发明的单个多层的包含混凝土的片段叠层制成。
为了生产具有超过三个层的根据本发明的包含混凝土的片段,即生产多个层(多层或具有大层数)的包含混凝土的片段,根据本发明进行如下定义的任选方法步骤d):
d)至少重复一次步骤b)和c),以形成多个层的包含混凝土的3D物体片段,其中相应混凝土层和胶粘剂层在多个层的包含混凝土的片段中以交替顺序设置在彼此之上且包含混凝土的片段的最上层和最下层各自由混凝土层形成。
根据本发明,任选的方法步骤d)可以根据需要经常进行。每次进行方法步骤d)时,根据本发明的步骤b)和根据本发明的步骤c)因此各自重复一次。根据本发明,任选的方法步骤d)优选进行至少一次。以该方式可生产出多个层的包含混凝土的三维(3D)物体的片段。
如果例如根据本发明要制备具有四个混凝土层的包含混凝土的片段,根据本发明,首先通过挤出适当新鲜混凝土生产第一混凝土层(B1)(步骤a))。随后根据步骤b)在第一混凝土层(B1)的顶部上施加第一胶粘剂层(K1)。随后在步骤c)中通过挤出新鲜混凝土在第一胶粘剂层(K1)的顶部上施加第二混凝土层(B2)。
第二混凝土层(B2)的新鲜混凝土可以具有与用于生产第一混凝土层(B1)的新鲜混凝土相同的化学组成。两个混凝土层(B1)和(B2)还可任选在相应的新鲜混凝土的化学组成或几何形状和/或层厚度方面不同。相应混凝土层(B1)和(B2)以及任何其他混凝土层优选在使用的新鲜混凝土和几何形状、形状和层厚度方面相匹配。
任选的本发明步骤d)随后进行两次;因此,上述的方法步骤b)和c)重复两次,直到产生总共具有四个混凝土层的包含混凝土的片段。因此,该多个层的包含混凝土的片段总共包含四个混凝土层(B1、B2、B3和B4),其中第一混凝土层(B1)和第四混凝土层(B4)分别构成相应混凝土片段的最下层或下侧(B1)和最上层或上侧(B4)。因此,在总共四个混凝土层(B1至B4)之间存在三个胶粘剂层(K1至K3)。在上述实例中,由此生产以交替顺序包含四个混凝土层(B1至B4)和三个胶粘剂层(K1至K3)的七层的包含混凝土的片段。
对本发明而言,术语“多个层的包含混凝土的片段”因此总是指交替的混凝土层和胶粘剂层的总和。就此而言,多个层因此总是奇数的层数,因为各包含混凝土的片段总是具有混凝土层作为最上层和最下层。因此,多个层的包含混凝土的片段可例如为五层、七层、九层、五十一层的包含混凝土的片段或具有甚至较大层数的包含混凝土的片段。
根据本发明,可进行替换的计数方式,使得仅计算相应多层的包含混凝土的片段中的混凝土层数。对本领域的技术人员来说,清楚的是与计数方式无关,根据本发明因此可生产具有任何所需混凝土层数的多个层的包含混凝土的片段。例如,以此方式还可生产具有5、10、100或甚至更多个混凝土层的包含混凝土的片段。因此,具有100个混凝土层的包含混凝土的片段包含100个混凝土层(B1至B100),在其间具有99个胶粘剂层(K1至K99)。根据上述根据本发明的第一计数方式,具有100个混凝土层的包含混凝土的片段因此是199层的包含混凝土的片段。
包含混凝土的片段的单独层的相应厚度(Z方向)可具有任何尺寸。在三层或多个层的包含混凝土的片段内,相应混凝土层优选具有(基本上)相同的层厚度。类似情况还适用于在每种情况下存在的胶粘剂层。此外,优选至少一个混凝土层,优选所有混凝土层具有比至少一个胶粘剂层,优选所有胶粘剂层更大的厚度。甚至更优选混凝土层的平均厚度与向其施加的胶粘剂层的平均厚度的比值>1:1,优选>3:1,特别是6:1-50:1。根据本发明,优选厚度为0.2-10mm的胶粘剂层和/或厚度为10-300mm的混凝土层。更优选地,粘结层的厚度为1-5mm且混凝土层的厚度为10-100mm。
在根据本发明的步骤b)、c)和/或任选的d)中,在每种情况下,后续层(胶粘剂层或混凝土层)在每种情况下的施加使得完全或至少部分覆盖(在X和/或Y方向)位于下面的层的面向上的侧面。根据本发明,在每种情况下要施加的层的施加优选完全或基本完全覆盖位于下面的层。如果仅将相应的后续层施加于位于下面的层的一部分,根据本发明优选相应的后续层覆盖下面的层的面向上的侧面的总面积的至少50%,甚至更优选至少75%,特别是至少90%。当例如开口如窗或门并入相应的至少三层的包含混凝土的片段中或在相应的至少三层的包含混凝土的片段中考虑开口如窗或门时,尤其可通过向其施加的后续层进行下面的层的不完全覆盖。这还可类似地适用要在后续的混凝土层中实现与下面的混凝土层或胶粘剂层不同的几何形状、形状、长度(X方向)和/或宽度(Y方向)。
在根据本发明的方法步骤a)、c)和任选的d)中进行的新鲜混凝土的挤出本身对本领域技术人员是已知的。根据本发明,这在使用合适的3D打印机的3D打印方法的框架内进行。使用包含混凝土的物质的3D打印处理器本身和/或3D打印机本身对本领域技术人员是已知的,并且例如公开于上述现有技术US-B 7,814,937、US-A 2010/0025349或US A 2010/0257792。
在根据本发明的步骤b)中施加第一胶粘剂层(K1)以及任选地其在任选的步骤d)中的重复不必需通过挤出所述胶粘剂进行。然而,根据本发明,优选通过挤出所用至少一种胶粘剂进行方法步骤b)。这还类似地适用于步骤b)在任选的方法步骤d)中的任何重复。如果在每种情况下相应的胶粘剂层并非通过挤出施加于位于下面的混凝土层,则这可根据本发明通过本领域技术人员已知的所有方法进行,例如通过刷涂、喷涂或其他施加方法进行。对本发明而言,胶粘剂层的施加通常手动或自动进行且优选自动进行。
作为胶粘剂,可根据本发明使用本领域技术人员已知的任何化合物,特别是使固化的混凝土和新鲜混凝土之间的稳定结合成为可能和/或可以以至少部分液体状态挤出的化合物。优选使用混凝土浆料作为胶粘剂。
对本发明而言,术语“混凝土浆料”是指比常规(快速固化)混凝土或新鲜混凝土更具液态的混凝土类型。混凝土浆料优选包含三分之二的混凝土和三分之一的砂石,又向其中加入15-40重量%的水。
混凝土浆料还可称为粘结浆料。与常规混凝土相比,混凝土浆料不仅可包含较高比例的粘结剂,特别是较高比例的混凝土,而且还可包含其他组分如各石料的粒级,特别是碎石、砾石或砂石。同样地,水和/或其他添加剂还可包含在混凝土浆料中。根据本发明,混凝土浆料优选包含增塑剂(例如聚羧酸化物醚),纤维素,特别是甲基纤维素,乳胶分散体或分散体粉末作为其他添加剂。乳胶分散体或分散粉末优选基于苯乙烯-丙烯酸酯、乙酸乙烯酯-乙烯、乙酸乙烯酯或苯乙烯-丁二烯。此外,还可加入其他添加剂如润湿剂或增稠剂,以改善根据本发明的混凝土浆料的并入。纤维素还用作保水剂。
根据本发明,还优选包含至少30重量%的胶粘剂,优选混凝土,甚至更优选50-70重量%的胶粘剂,特别是混凝土的混凝土浆料。混凝土浆料中的水含量优选为15-40重量%,其中水任选可完全或至少部分由液化剂或增塑剂替代。
根据本发明,因此优选在步骤b)和/或任选的d)中通过挤出将至少一种胶粘剂施加于下面的混凝土层。
此外,3D打印方法优选作为3D挤出打印方法进行,特别是其中所有方法步骤a)至d)作为3D挤出打印方法进行。
此外,根据本发明优选3D打印方法在计算机辅助下进行,特别是使用至少一个切片软件(slicer software)进行。用于进行3D打印方法的计算机辅助方法和/或合适的切片机软件本身对本领域技术人员是已知的。
此外,根据本发明,在步骤a)、c)和/或任选的d)中,新鲜混凝土的挤出优选使用第一喷嘴(D1)进行;喷嘴(D1)优选是3D打印机的组件且喷嘴(D1)尤其包含在3D打印机的打印头中。
此外,根据本发明,胶粘剂的挤出优选使用第二喷嘴(D2)进行;喷嘴(D2)优选是3D打印机的组件且喷嘴(D2)尤其包含在3D打印机的打印头中。
对本发明而言,同样优选喷嘴(D1)和(D2)是同一3D打印机的组件,其中
i)两个喷嘴(D1)和(D2)优选设置在3D打印机的同一打印头中并以耦合的方式操作,或
ii)两个喷嘴(D1)和(D2)优选设置在3D打印机的独立打印头中并彼此分开操作。
在本发明的方法的一个优选实施方案中,仅当相应混凝土层的面向上的测面至少部分,优选完全固化为固体混凝土时,将胶粘剂施加于步骤b)和/或任选的d)中的下面的混凝土层。
此外,根据本发明,在步骤c)和/或任选的d)中在相应的胶粘剂层的面向上的侧面的顶部上施加下一混凝土层优选通过以下方式进行:
i)紧邻在下面的混凝土层上完全形成胶粘剂层后施加下一混凝土层,或
ii)下一混凝土层与胶粘剂同时施加于下面的混凝土层,其中仅在那些已将胶粘剂施加于下面的混凝土层以形成胶粘剂层的相应子区域的位置将新鲜混凝土挤出以形成下一混凝土层。
特别优选下一混凝土层与胶粘剂同时施加于下面的混凝土层,其中仅在那些已将胶粘剂施加于下面的混凝土层的顶部上以形成胶粘剂层的相应子区域的位置将形成下一混凝土层的新鲜混凝土挤出。
根据本发明,3D物体优选为建筑物或建筑物的一部分,且建筑物优选为房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。对本发明而言,建筑物的一部分优选为砌筑墙体、墙体、阳台、屋顶、地板和/或外壳结构。建筑物或建筑物的一部分还可提供有或连接至其他未通过3D打印方法生产的物体,例如门、窗、天沟和其他相当配件。
此外,根据本发明,优选在相应3D物体中所有至少三层的包含混凝土的片段或至少三层的包含混凝土的片段的至少主要部分,优选所有至少三层的包含混凝土的片段已通过包括步骤a)至c)和任选的d)的方法生产。
本发明进一步提供了能够通过上述方法生产的3D物体的至少三层的包含混凝土的片段。
3D物体优选为建筑物或建筑物的一部分且建筑物优选为房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。
因此,本发明进一步提供了根据本发明的至少一个至少三层的包含混凝土的片段在生产3D物体中或在并入3D物体中的用途,其中3D物体优选为建筑物或建筑物的一部分且建筑物优选为房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。
本发明进一步提供了一种三维(3D)物体,包含根据本发明的至少一个至少三层的包含混凝土的片段。
Claims (15)
1.一种叠层生产至少三层的包含混凝土的三维(3D)物体的片段的三维(3D)打印方法,包括以下步骤a)至c):
a)挤出新鲜混凝土以形成包含面向上的侧面的第一混凝土层(B1),
b)使用至少一种胶粘剂向第一混凝土层(B1)施加第一胶粘剂层(K1),其中第一胶粘剂层(K1)完全或至少部分覆盖第一混凝土层(B1)的面向上的侧面,
c)通过在第一胶粘剂层(K1)的顶部上挤出新鲜混凝土施加第二混凝土层(B2),其中第二混凝土层(B2)完全或至少部分覆盖第一胶粘剂层(K1)的面向上的侧面,以形成至少三层的包含混凝土的3D物体片段,其中第一混凝土层(B1)形成最下层,第一胶粘剂层(K1)形成中间层且第二混凝土层(B2)形成至少三层的包含混凝土的片段的最上层。
2.根据权利要求1的3D打印方法,其中所述方法包括额外步骤d),其中
d)至少重复一次步骤b)和c),以形成多个层的包含混凝土的3D物体的片段,其中相应混凝土层和胶粘剂层在多个层的包含混凝土的片段中以交替顺序设置在彼此之上且包含混凝土的片段的最上层和最下层各自由混凝土层形成。
3.根据权利要求1或2的3D打印方法,其中
i)所述方法以3D挤出打印方法进行,和/或
ii)在步骤a)、c)和/或任选的d)中的新鲜混凝土的挤出使用第一喷嘴(D1)进行,并且喷嘴(D1)优选为3D打印机的组件,并且喷嘴(D1)尤其包含在3D打印机的打印头中,和/或
iii)所述方法在计算机辅助下进行,特别是使用至少一种切片软件进行。
4.根据权利要求1-3中任一项的3D打印方法,其中至少一种胶粘剂在步骤b)和/或任选的d)中通过挤出施加于下面的混凝土层。
5.根据权利要求1-4中任一项的3D打印方法,其中混凝土浆料用作胶粘剂。
6.根据权利要求4或5的3D打印方法,其中胶粘剂的挤出使用第二喷嘴(D2)进行,并且喷嘴(D2)优选为3D打印机的组件,并且喷嘴(D2)尤其包含在3D打印机的打印头中。
7.根据权利要求6的3D打印方法,其中喷嘴(D1)和(D2)是同一3D打印机的组件,其中
i)两个喷嘴(D1)和(D2)优选设置在3D打印机的同一打印头中并以耦合的方式操作,或
ii)两个喷嘴(D1)和(D2)优选设置在3D打印机的独立打印头中并彼此分开操作。
8.根据权利要求1-7中任一项的3D打印方法,其中胶粘剂在步骤b)和/或任选的d)中仅在相应混凝土层的面向上的侧面至少部分,优选完全固化为固体混凝土时施加于下面的混凝土层。
9.根据权利要求1-8中任一项的3D打印方法,其中在步骤c)和/或任选的d)中在相应的胶粘剂层的面向上的侧面的顶部上施加下一混凝土层通过以下方式进行:
i)紧邻在下面的混凝土层上完全形成胶粘剂层后施加下一混凝土层,或
ii)下一混凝土层与胶粘剂同时施加于下面的混凝土层,其中仅在那些已将胶粘剂施加于下面的混凝土层以形成胶粘剂层的相应子区域的位置将新鲜混凝土挤出以形成下一混凝土层,
其中下一凝土层优选与胶粘剂同时施加于下面的混凝土层的顶部,其中仅在那些已将胶粘剂施加于下面的混凝土层的顶部以形成胶粘剂层的相应子区域的位置将形成下一混凝土层的新鲜混凝土挤出。
10.根据权利要求1-9中任一项的3D打印方法,其中3D物体是建筑物或建筑物的一部分且建筑物优选是房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。
11.根据权利要求1-10中任一项的3D打印方法,其中在相应3D物体中所有至少三层的包含混凝土的片段或至少三层的包含混凝土的片段的至少主要部分,优选所有至少三层的包含混凝土的片段已通过包括步骤a)至c)和任选的d)的方法生产。
12.根据权利要求1-11中任一项的3D打印方法,其中混凝土层的平均厚度与施加于其的胶粘剂层的平均厚度的比值为>1:1,优选>3:1,特别是6:1-50:1。
13.一种至少三层的包含混凝土的3D物体片段,其能够通过根据权利要求1-12中任一项的方法生产,
其中所述3D物体优选为建筑物或建筑物的一部分且建筑物优选为房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。
14.根据权利要求13的至少一个至少三层的包含混凝土的片段在生产3D物体中或在并入3D物体中的用途,
其中3D物体优选是建筑物或建筑物的一部分且建筑物优选为房屋、住宅、大厅、车库和/或商店。
15.一种三维(3D)物体,包含至少一个根据权利要求13的至少三层的包含混凝土的片段。
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