CN113993672A - 用于制造基于砂浆的元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造包括水硬性粘合剂和集料的元件（10）的方法，所述方法包括：‑将包括水硬性粘合剂和集料的干砂浆成分与水混合以形成湿砂浆；‑朝向出口（20）泵送并且输送所述湿砂浆，其中在所述输送期间，在线测量湿砂浆的至少两个物理性质，所述物理性质包括流量和密度中的至少一个以及粘度。

Description

用于制造基于砂浆的元件的方法
本发明涉及用于制造包括水硬性粘合剂和集料的元件的方法。
基于砂浆或混凝土的元件可以具有各种形状和功能，并且在该文本中，术语“元件”涵盖墙、墙覆盖物（诸如抹灰或石膏）、粘接剂涂层、地板、地板覆盖物或地板铺垫复合物（诸如整平板）、装饰性或功能性的物体等。制造这样的元件通常涉及将包括水硬性粘合剂和集料的干砂浆成分与水混合，以形成湿砂浆。该湿砂浆然后在凝固和硬化之前被根据合期望的用途构型或应用，以形成硬化的砂浆。
这样的方法的自动化或机械化可以就成本和生产力而言提供益处，并且可以涉及朝向湿砂浆被从其浇注、挤压或投射的出口泵送湿砂浆。
本发明目的在于提供一种对于最终元件而言是鲁棒的且可以保证良好质量的方法。
为此，本发明的主题是根据权利要求1所述的方法。
发明人已经确定，在线测量选择自流量和密度的至少一个其它性质以及湿砂浆的粘度就鲁棒性和质量控制而言可以具有很大益处。这样的测量可以例如允许检测泵送问题并且因此避免任何阻塞的风险。其还可以允许用户检测出砂浆成分或混合比率（即水与干砂浆之间的重量比率）不适合于达成目的。
密度是例如以kg/m3为单位表示的湿砂浆的比密度。流量是例如以kg/h或L/h为单位表示的所输送的湿砂浆的瞬时流量。
本公开还描述一种用于实现根据本发明的方法的系统。这样的系统包括：混合设备，其被适配为将包括水硬性粘合剂和集料的干砂浆成分与水混合，以形成湿砂浆；出口；泵送设备，其被适配为朝向所述出口泵送并且输送所述湿砂浆；和至少一个传感器，其被适配为在线测量所述湿砂浆在其从所述混合设备到所述出口的途径上的至少两个物理性质，所述物理性质包括流量和密度中的至少一个以及粘度。
根据本发明的方法可以例如是用于如下的方法：在水平建筑基底（诸如板材）上沉积地板（诸如整平板）；或者在建筑基底上沉积瓷砖粘接剂；或者在竖向建筑基底（诸如砖墙）上投射抹灰；或者喷射混凝土。
根据本发明的方法尤其适合作为3-D打印方法。在这样的情况下，所述方法是3-D打印方法，出口是计算机控制的打印机的头部，并且所述方法进一步包括：在前一砂浆层上沉积湿砂浆层。
3-D打印（还已知为增材制造）是其中计算机控制的机器人通过逐层沉积材料来制造三维物体的方法。这样的方法的优点包括更低的劳动力成本、更低的材料损耗和用于制造具有复杂形状的物体的能力。可以以此方式制造各种材料（诸如聚合物或金属）。
还已经提出由混凝土或砂浆制成的元件的3-D打印。这些技术（也称为轮廓工艺或水泥油墨打印）现在正实现于构造规模应用中，并且其优点是设计、规划和构造处理的整合连带建筑处理的增加自动化和合理化。对劳动力成本的节省、更低的材料损耗和消耗、消除模板、更短的项目长度和资本承诺以及增加的工作区安全性是针对该技术的其它驱动因素。在已知的方法中，湿砂浆是通过将干砂浆成分与水混合而连续产生的，被朝向计算机控制的打印机（通常，机器人或机架）的打印机头部泵送并且输送，并且然后通常被挤压经过喷嘴而作为层沉积在砂浆的前一层上。打印机头部根据预定方案移动，精确地物质化例如由建筑师设计的复杂几何形状，以便制造最终物体。
处理中的关键问题在于，湿砂浆应当是足够流体的以被通过处理而泵送和输送，但是一旦沉积为层就应当具有足够高的机械阻力从而其能够承受下一上层的负载而不坍塌。已经提出使用例如通过恰在层的沉积之前向湿砂浆添加凝固促进剂或其它流变改性剂而获得的速凝水泥，以提供与刚在混合之后或在泵送步骤期间的材料相比增加的对放置材料的屈服应力。还已经提出带有在28天至少100MPa的抗压强度的可流动超高性能混凝土（UHPC）。然而，这些已知技术具有一些缺点，因为在已经开始凝固并且硬化的层上沉积层导致各层之间的弱的粘合强度，并且因此导致尤其是当在剪切或拉伸中加载构造时可能显现低负载承载能力的非整体材料。由于添加剂被提供为水性溶液，因此材料的开裂的风险也可能归因于过量的水而出现。此外，一旦添加剂已经被通常借助静态混合器添加并且混合在靠近打印喷嘴的砂浆中，就不留有用于任何材料修正的可能性，从而无法补救因干砂浆与水的混合而出现的任何问题。另一方面，在混合或泵送的阶段添加促进剂和增稠剂将引起管道中的流速剖面（profile），其将归因于湿砂浆的可变驻留时间分布而导致问题。
在这方面，本发明目的还在于提供一种构造材料的改进的3-D打印处理，以便克服上面提到的问题。尤其是，本发明目的在于通过确保打印材料的质量的全面控制来改进打印质量。
关于3-D打印方法，本发明使得能够通过使用可以按正常速度凝固并且硬化的砂浆来得到良好质量的构造元件，而并非必定需要恰在沉积步骤之前添加特定添加剂。由于其触变性质，所使用的砂浆在较高剪切速率下具有低的粘度，从而它们可以是贯穿于系统而被容易地泵送并且输送的，但是材料一离开打印喷嘴就显现结构强度的立即集结（buildup），从而新鲜砂浆的层可以甚至在凝固并且硬化之前承受其它层。这种“湿对湿”沉积使得能够改进相继层之间的粘接和粘合强度，以便获得整体元件。最后，最终构造元件的力学性质与常规的浇筑混凝土元件的性质是相当的。
优选地，湿砂浆的所述至少两个物理性质被记录在计算机可读存储介质上。所记录的测量可以然后被用于质量控制目的，例如以证明方法已经被正确地实现。在这样的情况下，系统因此包括计算机可读存储介质，其被配置为存储湿砂浆的所述至少两个物理性质。
在线测量的性质优选地在粘度、密度和流量之外还包括湿砂浆的温度。有利地，在输送期间在线测量这些性质中的至少三个或至少四个。例如，可以测量密度、流量、粘度和温度。
两个或更多个物理性质一般由（多个的）一个或多个传感器独立地测量。这因此排除其中由传感器测量第一物理性质的情况，所述测量然后被用于计算第二物理性质。在此情况下，第二物理性质不能说是“测量的”。
可以使用专用传感器测量这些性质中的每个。系统可以因此包括用于每个物理性质的专用传感器。替换地并且优选地，使用相同的传感器测量这些性质中的若干或甚至全部。系统于是包括被适配为测量若干性质的传感器。优选地，使用相同的传感器同时测量湿砂浆的流量和密度中的至少一个以及粘度。传感器于是能够同时测量湿砂浆的流量和密度中的至少一个以及粘度。
传感器优选地是科里奥利型（Coriolis type）的，并且可以同时测量湿砂浆的密度、流量、粘度和温度。
科里奥利型传感器优选地包括测量管，其在同时测量（并且一般是独立地测量）湿砂浆的密度、流量、粘度和温度的同时传送湿砂浆。科里奥利型传感器优选地包括不多于一个（即，确切地，一个）测量管。优选地，测量管是笔直测量管。
所述至少两个性质的在线测量发生在湿砂浆朝向出口（例如朝向喷嘴）的输送期间。因此，性质并非是在出口处（例如在喷嘴处）测量的。它们必需在湿砂浆进入出口之前被测量。此外，在线测量并非是在混合的地方测量的。性质必需在混合步骤之后被测量。
优选地，湿砂浆的所述至少两个性质的在线测量恰发生在混合步骤之后。（多个）传感器因此优选地被定位为尽可能靠近泵送设备。
优选地，取决于所述至少两个物理性质中的至少一个的值调整水与干砂浆之间的比率（混合比率）。优选地实时调整该比率。因此当以连续方式执行混合时，可以连续地调整比率，或者当执行混合时可以半连续地调整比率，以便生产批量的湿砂浆。混合比率与在混合步骤期间使用的比率对应，即，以所述混合比率执行混合步骤，并且可以取决于（多个）所测量的值调整该混合比率。
发明人已经确实地确定，取决于湿砂浆的物理性质，实时地控制并且调整混合比率是特别有利的。方法因此优选地使用反馈控制系统，其连续地控制混合比率，以获得针对湿砂浆的某些物理性质的稳定值。反馈控制系统优选地使用致动器（用于调整混合水的流量的装置）、至少一个传感器（用以测量湿砂浆的物理性质）和控制器（用以控制致动器）。
在这样的实施例中，系统包括第一控制器，其被配置为取决于所述至少两个物理性质中的至少一个的值调整混合比率。
系统优选地进一步包括水供给部和用于调整混合水的剂量的装置。所述装置优选地由第一控制器控制。用于调整混合水的流量的装置包括例如阀和流量计。
优选地，为所述至少两个物理性质中的至少一个设置预定值（相应地，预定范围），并且调整混合比率从而所述至少两个物理性质中的所述至少一个等于所述预定值（相应地，处于所述预定范围内）。预定值或预定范围可以取决于选择自湿砂浆和/或环境的温度或湿度、砂浆压力和（对于3-D打印方法而言）打印速度中的至少一个参数。
已经描述的反馈控制系统对于3-D打印方法和系统而言是尤其有利的。
水硬性粘合剂优选地选择自普通硅酸盐水泥（OPC）、铝酸钙水泥（CAC）、硫铝酸钙水泥（CSA）、未水化石灰、熟石灰、磨细的粒化高炉矿渣、飞灰及其混合物。水硬性粘合剂优选地包括OPC。OPC甚至优选地是主要或甚至唯一的水硬性粘合剂。
集料优选地选择自硅质、钙质集料（诸如磨细的石灰石或沙）及其混合物。归因于泵送设备和喷嘴的有限横截面，集料的最大尺寸优选地小于或等于3mm、甚至小于或等于2mm、或小于或等于1mm。
干砂浆优选地还包括添加剂，尤其是选择自超塑化剂、增稠剂、促进剂、缓凝剂及其混合物的添加剂。增稠剂可以是有机的或无机的。干砂浆有利地包括能够在静止时增加砂浆的屈服应力的无机增稠剂（诸如膨胀粘土）。促进剂和缓凝剂是加速或延缓水硬性粘合剂的凝固和/或硬化的添加剂。
优选地调整干砂浆成分，从而湿砂浆显现触变行为。触变行为优选地使得为：湿砂浆的粘度在离开出口（例如打印喷嘴）之后1秒增加到50倍或更多。
系统优选地包括干砂浆贮存器和给料设备。给料设备优选地包括电子流量计和阀，以便针对混合比率实现高准确度水平（例如小于0.1%）。
混合比率（即水与干砂浆的重量比率）范围优选地从0.1到0.2。
泵送设备优选地包括频率转换器以控制泵送速度。
湿砂浆优选地是通过软管输送的。
湿砂浆的密度典型地在1800和2500kg/m3之间，优选地在2000和2400kg/m3之间。
在输送期间的湿砂浆的流量典型地在100和20000L/h之间，优选地在150和1000L/h之间。
在输送期间的湿砂浆的粘度优选地在400和3000cP之间，典型地在800和1600cP之间（1Poise=0.1 Pa.s）。
在输送期间的湿砂浆的温度优选地在10和50°C之间，典型地在15和40°C之间，并且甚至为20至35°C。
在输送期间的湿砂浆的压力优选地在5和60巴之间，尤其是低于45巴。
出口可以是例如喷嘴，湿砂浆可以是从喷嘴沉积、挤压、投射或喷射的。
当根据本发明的方法是3-D打印方法时，系统（被称为3-D打印系统）进一步包括计算机控制的打印机，其具有包括出口的头部，并且其被适配为在前一砂浆层上沉积砂浆的层。
打印机可以是能够根据接收到的指令定位并且移动打印机头部的任何设备。其可以是例如机器人或机架。打印机头部包括打印喷嘴，湿砂浆被通过打印喷嘴挤压以形成层。喷嘴可以具有任何适配的形状。
头部可以可选地包括用于恰在湿砂浆沉积为层之前向其添加任何附加组分（诸如添加剂、集料或纤维）的装置。
打印速度优选地在50和1000mm/s之间（例如在50和300mm/s之间）。层厚度典型地从5到40mm、优选地从10到20mm变化。层的宽度典型地从20到200mm、典型地从40到120mm变化。
3-D打印系统优选地进一步包括以下附加设备中的至少一个：
- 第二控制器，其被配置为控制打印机头部（例如打印机头部的位置和速度），
- 第三控制器，其被配置为控制干砂浆的剂量和/或干砂浆组分的混合，
- 中央主控制器，其被配置为控制整个系统和处理，尤其被配置为控制来自第一控制器和第二控制器中的至少一个。
至少一个、优选地每个、并且尤其是第一控制器优选地包括计算机装置（诸如处理器）或者由其实现，以用于接收指令和/或数据，并且用于生成由系统的其它控制器和/或由系统的特定设备可执行的机器指令。至少一些、优选地全部控制器有利地是可编程逻辑控制器（PLC）。除了至少一个处理器之外，计算机装置还可以包括计算机可读存储介质，其存储计算机程序指令，计算机程序指令当被执行时可以生成上面提到的机器指令。若干个控制器可以使用相同的处理器和/或相同的计算机可读介质。一些控制器还可以包括图形用户接口（GUI）以便显示与打印有关的信息和/或提供来自用户的输入。
因此，贯穿本文件使用的术语“控制”可以包括由受控制的设备（例如混合设备、泵送设备或另外的控制器）可执行的机器指令的生成。
中央主控制器优选地被配置为：接收指定要打印的构造元件的3D模型的模型数据，并且根据所述模型数据和/或根据来自用户的输入控制第一控制器和第二控制器。中央主控制器例如可以被用于经由接口（诸如GUI）输入合期望的打印速度和/或砂浆层的合期望的高度或宽度。
第一控制器优选地被配置为：接收来自中央主控制器的指令，接收来自（多个）传感器的数据，并且控制用于调整混合水的流量的装置。从中央主控制器接收的指令取决于例如打印速度或要被沉积的层的高度或宽度。来自（多个）传感器的数据包括湿砂浆的物理性质（诸如其密度、流量、粘度和/或温度）的值。第一控制器可以此外接收包括泵送设备中的压力的数据。
第一控制器此外优选地被配置为控制泵送设备，以便例如调整泵送速度。
第一控制器还可以被配置为控制第三控制器。替换地，第一控制器可以被配置为直接控制干砂浆的剂量和/或干砂浆的组分的混合。
第一控制器优选地包括存储器，其被配置为记录湿砂浆的至少一个物理性质的相继值。例如该特征可以具有质量控制系统的框架方面的兴趣。
第一控制器是所谓的闭环控制器或反馈控制器。因此，反馈控制系统进行混合水的流量的调整。可以使用任何种类的已知控制器（例如PID控制器）。
根据优选的特征，第一控制器可以被配置为：根据所接收的用于湿砂浆的至少一个物理性质的值确定砂浆成分是否（例如就成分而言）符合预定规范。在否定时，第一控制器可以被配置为停止打印。该特征可以实现为确保安全处理条件和/或防止系统用户使用不合规或不兼容的砂浆。
现将参照非限制性示例更详细地描述本发明。
图1示出用于实现根据本发明的方法的示例系统。
图1的系统是3-D打印系统，其包括打印机，打印机具有被适配为将湿砂浆挤压通过喷嘴的打印机头部20，以便在前一砂浆层12上沉积湿砂浆的层11，并制造构造元件10。打印机是例如工业机器人或机架，并且湿砂浆可以被通过软管输送到头部。
构造元件10可以是例如墙、桥梁元件、装饰性元件、用于浇筑混凝土的复合模板等。
通过在混合设备40中将干砂浆成分与水混合来产生湿砂浆。以特定混合比率完成混合。
干砂浆成分被储存在筒仓80中。替换地，系统可以包括：若干个筒仓或容器，其包含干砂浆成分的组分中的每个；和用于混合适当量的每个组分以便获得合期望的干砂浆成分的装置。
干砂浆成分包括例如硅酸盐水泥、硅质集料、石灰石填料、流变改性剂、添加剂和纤维。
水储存在水供给部71中，并且（影响混合比率的）水的剂量被通过包括例如阀和流量计的装置72调整。湿砂浆被通过泵送设备50（其例如是诸如螺旋泵之类的泵）连续地泵送。湿砂浆被朝向打印机头部20泵送并且输送，并且在其从混合设备40到打印机头部20的途径上，传感器30在线测量其物理性质中的至少一个。优选地靠近混合设备进行测量。
传感器30例如是科里奥利型的传感器，其能够同时测量湿砂浆的密度、流量、粘度和温度。系统还可以包括能够测量其它性质（例如压力）的另外的传感器31。
通过若干控制器控制图1中示出的系统。这些控制器优选地包括用于接收指令和/或数据以及用于生成由其它控制器或特定设备可执行的机器指令的处理器。这些控制器可以是可编程逻辑控制器（PLC）。
中央主控制器90被配置为接收指定要被打印的构造元件10的3D模型的模型数据。这些模型数据典型地被存储在计算机可读存储介质92中。中央主控制器90可以由控制器91控制，控制器91可以由用户手动控制，例如以启动或停止系统或调整打印速度。控制器90和91中的至少一个包括接口（诸如GUI）。
中央主控制器90还被配置为：例如通过生成由第一控制器60和第二控制器21可执行的机器指令来控制这些控制器。这些指令是例如用于根据模型数据或由用户给出的指令改变打印速度和/或层的高度或宽度的指令。
第二控制器21控制打印机头部20。其被配置为：接收来自中央主控制器90的指令，并且生成机器指令，以便控制例如打印机头部20的位置和速度。
第一控制器60控制系统，以用于通过调整混合比率来控制并且调整湿砂浆的物理性质。其被配置为：接收来自传感器30和31的数据，并且通过生成由装置72可执行的指令来因而调整混合水的流量并且因此调整混合比率。
第一控制器60典型地实时比较（例如湿砂浆的粘度的）所测量的值与预定范围，以计算控制偏差，并且如果需要，则通过调整水的流量来调整水剂量（和因此混合比率）。
第一控制器60还可以生成由泵送设备50可执行的指令，以便例如根据合期望的打印速度调整泵送速度。
第一控制器60还可以生成由第三控制器100可执行的指令，第三控制器100可以控制干砂浆的剂量（例如干砂浆的流量）。第三控制器100还可以控制干砂浆的单独组分的混合。
通过使用该系统，已经制造出高质量构造元件。

Claims (16)

1.一种用于制造包括水硬性粘合剂和集料的元件（10）的方法，所述方法包括：
- 将包括水硬性粘合剂和集料的干砂浆成分与水混合，以形成湿砂浆，
- 朝向出口（20）泵送并且输送所述湿砂浆，其中在所述输送期间，在线测量湿砂浆的至少两个物理性质，所述物理性质包括流量和密度中的至少一个以及粘度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中湿砂浆的所述至少两个物理性质被记录在计算机可读存储介质上。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中使用相同的传感器（30）同时测量湿砂浆的流量和密度中的至少一个以及粘度。
4.根据前述权利要求所述的方法，其中使用相同的传感器（30）同时测量湿砂浆的密度、流量、粘度和温度。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述湿砂浆的所述至少一个性质的在线测量恰好发生在混合步骤之后。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中取决于所述至少两个物理性质中的至少一个的值来调整水与干砂浆之间的比率。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中实时调整水与干砂浆之间的比率。
8.根据权利要求6和7中的任何一项所述的方法，其中针对所述至少两个物理性质中的至少一个设置预定值——相应地，设置预定范围，并且调整水与干砂浆之间的比率，从而所述至少两个物理性质中的至少一个的值等于所述预定值——相应地，处在所述预定范围内。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中干砂浆包括选择自超塑化剂、增稠剂、促进剂、缓凝剂及其混合物的添加剂。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中集料的最大尺寸小于或等于3mm。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中调整干砂浆成分从而湿砂浆显现触变行为，尤其是使得湿砂浆的粘度在离开出口（20）之后1秒增加到50倍或更多。
12.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中湿砂浆的密度在1800 kg/m3和2500kg/m3之间，优选地在2000 kg/m3和2400kg/m3之间。
13.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中在输送期间的湿砂浆的流量在100L/h和20000L/h之间，优选地在150L/h和1000L/h之间。
14.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中在输送期间的湿砂浆的粘度在400cP和3000cP之间，典型地在800cP和1600cP之间。
15.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述方法是3-D打印方法，出口（20）是计算机控制的打印机的头部，并且所述方法进一步包括：在前一砂浆层（12）上沉积湿砂浆的层（11）。
16.根据权利要求1至14中的任何一项所述的方法，其中所述方法是用于如下的方法：在诸如板材的水平建筑基底上沉积地板，或者在建筑基底上沉积瓷砖粘接剂，或者在诸如砖墙的竖向建筑基底上投射抹灰，或者喷射混凝土。
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