CN114667274A - 绝缘元件的增材制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过增材制造获得由矿物泡沫制成的绝缘元件的方法，其中连续沉积叠加的矿物泡沫糊料层，所述矿物泡沫在硬化后具有最多200kg/m3的密度。

Description

绝缘元件的增材制造
本发明涉及建筑领域。它更具体地涉及通过增材制造技术制造绝缘元件。
除了在舒适和经济方面的优势外，建筑物的隔热，无论是在建设中还是在改建中，构成了在对抗全球变暖的战斗中的关键问题。因此必要的是，建筑元件具有尽可能低的热导率。为了解决这个问题，已经提出了大量的使用与结构元件(墙壁、屋顶等)连接的各种绝缘元件(矿棉、有机泡沫等)的技术解决方案。
本发明寻求提出用于制造具有改进的隔热性的建筑元件的新技术。
如今，增材制造技术在许多技术领域都取得了有希望的发展。增材制造，也称为“3D打印”，是一种其中由计算机控制的机器人通过不断地逐层沉积材料来制造三维物体的方法。这些技术尤其允许制造具有复杂形状的物体。
例如，增材制造已用于制造结构元件，例如混凝土壁板。
建筑元件(例如由混凝土或砂浆制成)的增材制造允许集成设计、规划和施工过程以及使后者自动化和流线化。该技术的其他优点特别是降低了劳动力成本、减少了材料损失和消耗、消除了模板以及减少了项目持续时间和投资。在本文中，混凝土和砂浆无差别地是指包含水硬性粘合剂和骨料的材料。
在已知技术中，通过使干砂浆和拌合水混合获得的湿砂浆被泵出并输送到固定在机器人或龙门架上的打印头，机器人或龙门架的运动由计算机控制。湿砂浆层沉积在先前沉积的砂浆层上，通常通过喷嘴挤出。打印头按照预定的图表连续移动，从而制造出最终的物体。
本发明提出了通过这种类型的技术来获得绝缘结构元件的不同途径。
为此，本发明涉及一种通过增材制造获得由矿物泡沫制成的绝缘元件的方法，其中连续沉积叠加的矿物泡沫糊料层，所述矿物泡沫在硬化后具有最多200kg/m3的密度。
本发明还涉及一种用于获得包括至少一个结构元件和至少一个由矿物泡沫制成的绝缘元件的建筑元件的方法，所述方法包括通过本发明的方法获得所述由矿物泡沫制成的绝缘元件的步骤。
本发明的另一个目的是一种由矿物泡沫制成的绝缘元件，或一种能够通过这些方法之一获得的建筑元件。
因此，本发明应用增材制造技术不是用于建造结构元件的或支撑该建筑元件，而是相反地用于建造绝缘元件。特别地打印绝缘元件可以从增材制造的优势中受益，同时在结构元件的制造方面遵守经过认证和认可的传统方法，不需要特别授权。
建筑元件最通常是墙或墙元件，特别是用于外立面墙或隔断墙。它也可以是地板元件。该元件通常将旨在被集成到建筑物的结构中。
“矿物泡沫”是指蜂巢状或蜂窝状矿物材料。空腔或空隙优选地填充有空气。空腔或空隙的尺寸优选最多400μm，特别地最多250μm。泡沫中空气的体积比例优选为10-80%(不考虑包含在本文其余部分中描述的任何轻质多孔骨料中的空气)。
矿物泡沫优选包含至少一种水硬性粘合剂。
获得矿物泡沫糊料优选包括将包含至少一种水硬性粘合剂的干组合物与水溶液混合，然后拌合由此获得的矿物糊料。
干组合物是指粉末状混合物。经过凝固和硬化后，最终的泡沫可称为硬化泡沫，或水泥泡沫、砂浆泡沫或混凝土泡沫。水溶液可以简单地是水，或以溶液、分散体或悬浮液形式包含一种或几种添加剂，特别地有机添加剂(例如表面活性剂)或矿物添加剂(例如二氧化硅纳米粒子)的水。
水硬性粘合剂尤其选自波特兰水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、熟石灰、磨碎的粒状高炉矿渣、粉煤灰和它们的混合物。
矿物泡沫和/或干组合物还可包含骨料，特别地轻质骨料，即具有小于200kg/m3的表观密度的轻质骨料。轻质骨料特别选自珍珠岩、蛭石、膨胀玻璃珠、膨胀聚苯乙烯珠、漂珠、膨胀硅酸盐、气凝胶和它们的混合物。矿物泡沫还可以包含除轻质骨料之外的骨料，但优选地重量含量最多20%，特别地最多15%，或甚至最多10%或最多5%(在硬化后)。
考虑到泵送装置和打印头喷嘴的减小的横截面，骨料的最大尺寸优选为最多3mm，特别地最多2mm，甚至最多1mm。为了确保泡沫的良好稳定性，骨料的最大尺寸甚至有利地为最多0.1mm。最大尺寸可以例如通过筛选来验证。
干组合物优选包含至少一种添加剂，特别地选自超增塑剂、增稠剂、促进剂和缓凝剂。干砂浆有利地包含能够增大湿砂浆在静态时的弹性极限的无机增稠剂，例如膨胀粘土。促进剂和缓凝剂允许调整水硬性粘合剂凝固和硬化所需的时间。
矿物泡沫糊料可以通过不同的技术获得，这些技术共同具有将气体，特别地空气引入糊料中的事实。气体尤其可以在矿物糊料的拌合期间产生或引入，或由在拌合后添加到糊料中的水性泡沫或由含有气体发生剂的溶液提供。
根据一个实施方案，干组合物和/或水溶液包含能够在拌合期间将空气捕获在矿物糊料中的引气剂。在这种情况下，矿物泡沫糊料在拌合过程中形成。这种试剂优选是表面活性剂。它尤其可以是阴离子表面活性剂。阴离子表面活性剂有利地选自烷基硫酸盐、烷基磺酸盐、烷基醚硫酸盐、烷基芳基硫酸盐和由蛋白质或氨基酸开发的表面活性剂，例如N-酰基谷氨酸盐和N-酰基肌氨酸盐。引气剂也可以是聚乙烯醇。
在该实施方案中，干组合物优选包含按重量计至少40%，或甚至至少60%的轻质骨料、含硫铝酸盐水泥和/或高铝水泥的水硬性粘合剂、引气剂，其含量为至少0.3重量％，特别地至少0.5重量％，和任选的增粘剂，特别地选自聚乙烯醇、淀粉醚、纤维素醚、瓜尔豆醚和粘土。轻质骨料优选具有最多80μm的平均直径。
根据另一个实施方案，干组合物和/或水溶液包括气体发生剂，该气体发生剂能够在矿物糊料拌合期间在矿物糊料中产生气泡。这种试剂例如是能够与水和氢氧化物反应的金属粉末(例如铝、锌、硅等)。它也可以是过氧化物，例如过氧化氢，例如能够与锰盐反应。
或者，可以将气体发生剂添加到矿物糊料中(在拌合后)。例如，获得矿物泡沫糊料可以包括将含有这种试剂的水溶液添加到拌合糊料中的步骤。这种添加可以刚好在打印头之前完成。
还根据另一个实施方案，获得矿物泡沫糊料进一步包括获得水性泡沫的步骤，然后将所述水性泡沫与矿物糊料拌合的步骤。在这种情况下，矿物泡沫通过使该拌合矿物糊料和水性泡沫混合获得。水性泡沫例如通过使水和发泡剂(或泡沫稳定剂)混合，然后通过搅拌、鼓泡或加压注入引入气体，特别地空气而获得。水性泡沫的气泡的中值直径优选为最多400μm，特别地最多250μm。
发泡剂例如是表面活性剂。根据一个优选的例子，它是一种来源于蛋白质或氨基酸的表面活性剂。
例如，矿物泡沫糊料优选包含10-70%的水；30-75%，特别地40-60%的水泥，特别地波特兰水泥；10-70%，特别地15-40%的填料，特别地钙质填料，其中值直径(对于体积分布)为最多5μm，特别地1-4μm；至多10%，特别地1%-7%的其中值直径为最多1µm的细颗粒；和任选的添加剂(减水剂、增塑剂、超增塑剂、缓凝剂或促进剂、增稠剂、发泡剂等)。所有指示的含量水平都是重量含量。水性泡沫与矿物糊料的混合优选使用静态混合器，特别地螺旋型混合器进行实施。
根据该实施方案的另一个实例，水性泡沫包括为季铵盐(特别地卤化物)的阳离子表面活性剂和为C10-C24羧酸盐(特别地碱金属盐，例如硬脂酸钾)的阴离子表面活性剂的混合物。水硬性粘合剂这时优选为波特兰水泥，特别地CEM I 52.5型。矿物泡沫糊料优选包含胶乳，尤其选自乙烯基和/或丙烯酸类(共)聚合物，例如苯乙烯-丙烯酸共聚物。
根据该实施方案的又一个实例，水性泡沫包含纳米粒子，特别地二氧化硅，其具有稳定泡沫的性质。这种泡沫被称为“皮克林泡沫”。二氧化硅纳米粒子又可以通过表面活性剂进行稳定。硬化后(特别地28天后)矿物泡沫的密度优选为40-200kg/m3，特别地50-180kg/m3，或甚至60-150kg/m3，或80-120kg/m3。
由于存在捕获在矿物基质中的大量气体，特别地空气，泡沫具有低导热性，特别地通过减少通过对流和通过传导的热传递。硬化后(特别地28天后)矿物泡沫的导热率优选最多60mW.m-1.K-1。
该方法包括连续沉积叠加的矿物泡沫糊料层。
在获得矿物泡沫糊料之后，优选将其泵送(特别地使用泵)并通常在管道中将其输送到打印机的打印头。打印头尤其包括喷嘴，通过该喷嘴挤出糊料。挤出喷嘴优选地位于距下层小于100mm的位置。打印机例如是承载打印头的工业机器人或龙门架，其运动由计算机控制。计算机尤其包括在其中存储数据集或3D模型以及指令的记录介质，当计算机执行这些指令时，指令使计算机控制打印头的移动(轨迹、速度等)。
打印速度典型地为30-1000mm/s，特别地50-300mm/s。糊料层的厚度(或高度，因为在这里涉及垂直方向的尺寸)优选地在5-40mm之间，特别地在10-20mm之间。糊料层的宽度优选在10-300mm之间，特别地在20-100mm之间。
在上述实施方案中，包括水性泡沫和矿物糊料的共混，该共混优选使用静态混合器进行实施。水性泡沫优选添加在泵和打印头之间，理想地尽可能靠近打印头进行实施以保持泡沫的结构。水性泡沫的量相对于矿物糊料的量优选自动进行调节，特别地基于所需的密度进行调节。添加的水性泡沫的体积与矿物糊料的体积之间的比率优选在5-12之间。例如，对于100kg/m3的硬化后密度，添加的水性泡沫的体积与矿物糊料的体积之比通常约为10。
该方法优选包括在沉积之前向矿物泡沫糊料中添加凝固和/或硬化促进剂或流变改性剂。添加尤其可以在喷嘴位置或附近进行，因此就在挤出之前进行。或者，促进剂或流变改性剂可以在沉积后立即在层的表面上添加。凝固促进剂例如是硫酸铝或锂盐，这取决于所使用的水硬性粘合剂的类型。例如，流变改性剂允许为糊料提供触变性。添加凝固促进剂或流变改性剂允许使矿物泡沫层快速固结，以使其能够承受上邻层的重量而不变形。
包含至少一个结构元件和至少一个由矿物泡沫制成的绝缘元件的建筑元件可以以不同方式获得。
“结构元件”是指满足结构作用或参与建筑物加固的建筑物的元件。结构元件例如是混凝土壁板。
根据一个实施方案，绝缘元件形成模板，该方法还包括用结构元件填充所述模板的步骤，结构元件特别地由混凝土制成。作为示例，绝缘元件被打印以形成两个彼此面对并布置空腔的壁板，在该空腔中浇注混凝土。如增材制造技术所允许的，这些壁板可以是平面的或具有极其不同的形状。因此形成了一种结构元件，该结构元件包括由两个外绝缘层围绕的混凝土壁板。
根据另一个实施方案，矿物泡沫层靠着至少一个预先存在的结构元件进行沉积。因此，这些层与元件(例如由混凝土制成)接触地沿其主至少一个表面进行沉积。例如，获得在其至少一个表面(任选地在两个表面)上具有绝缘层的混凝土壁板。
在该实施方案的范围中，矿物泡沫层可以沉积在两个预先存在的结构元件之间并与之接触。因此形成例如包括第一和第二混凝土壁板的墙，在壁板之间布置有矿物泡沫层。
建筑元件可以是预制元件，用于在建筑工地上组装，例如使用砂浆，以形成建筑物的外墙或内墙(例如，隔断墙)。这些元件也可以直接在建筑工地上制造并形成建筑物的完整墙壁。

Claims (15)

1.一种通过增材制造获得由矿物泡沫制成的绝缘元件的方法，其中连续沉积叠加的矿物泡沫糊料层，所述矿物泡沫在硬化后具有最多200kg/m3的密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿物泡沫包含至少一种水硬性粘合剂，尤其选自波特兰水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、熟石灰、磨碎的粒状高炉矿渣、粉煤灰和它们的混合物。
3.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述矿物泡沫糊料的获得包括将包含至少一种水硬性粘合剂的干组合物与水溶液混合，然后拌合由此获得的矿物糊料。
4.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述干组合物和/或所述水溶液包含能够在拌合期间将空气捕获在所述矿物糊料中的引气剂。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述干组合物和/或所述水溶液包含气体发生剂，所述气体发生剂能够在矿物糊料拌合过程中在所述矿物糊料内产生气泡。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述矿物泡沫糊料的获得还包括获得水性泡沫的步骤，然后将所述水性泡沫与所述矿物糊料混合的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述矿物泡沫的空腔的尺寸为最多400μm，特别地最多250μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述矿物泡沫在硬化之后的密度为50-180kg/m3，特别地60-150kg/m3。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述矿物泡沫和/或所述干组合物包含轻质骨料，轻质骨料尤其选自珍珠岩、蛭石、膨胀玻璃珠、膨胀聚苯乙烯珠、漂珠、膨胀硅酸盐、气凝胶和它们的混合物。
10.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述骨料的最大尺寸为至多1mm，特别地至多0.1mm。
11.一种用于获得包含至少一个结构元件和至少一个由矿物泡沫制成的绝缘元件的建筑元件的方法，所述方法包括使用根据前述权利要求中任一项所述的方法获得所述由矿物泡沫制成的绝缘元件的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述建筑元件是墙壁或墙壁元件。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其中，所述绝缘元件形成模板，所述方法还包括用结构元件尤其混凝土结构元件填充所述模板的步骤。
14.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其中，所述矿物泡沫层被沉积在至少一个预先存在的结构元件上。
15.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述矿物泡沫层被沉积在两个预先存在的结构元件之间并与之接触。
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