CN115735039A - 隔离建筑元件的增材制造 - Google Patents

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J·博蒙
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Abstract

本发明涉及一种用于通过增材制造获得建筑元件(1)的方法，所述建筑元件(1)包括至少一个结构元件(2)和至少一个隔离元件(3,4)，其中将干砂浆与混合水混合以便形成基础湿砂浆，基础湿砂浆被输送到打印头，并且通过移动打印头而连续地沉积堆叠砂浆层，以便形成所述至少一个结构元件(2)和至少一个隔离元件(3,4)，该方法为使得在沉积属于隔离元件(3,4)的砂浆层之前，在将基础湿砂浆输送至打印头期间另外地将水泡沫添加至所述基础湿砂浆。

Description

隔离建筑元件的增材制造
技术领域
本发明涉及建筑领域。其更特别地涉及使用增材制造技术制造隔离建筑元件。
背景技术
除了其在舒适性和节省方面的优势，建筑物的隔热在建造和翻新上都是减轻全球变暖的关键问题。因此对于建筑元件根本的是具有最可能低的热传导性。为了解决此问题，已经提出了实施与结构元件（壁、天花板等）相关联的各种隔离元件（矿棉、有机泡沫等）的大量技术方案。
本发明试图提出用于制造具有改善的隔热的建筑元件的新技术。
当今，增材制造技术在大量技术领域正经历有前途的发展。也称作“3D打印”的增材制造是一种方法，其中计算机控制的机器人通过逐层连续地沉积材料来制造三维物体。这些技术特别允许制造具有复杂形状的物体。
增材制造例如已经用于制造结构元件，诸如混凝土壁。
例如由混凝土或砂浆制成的建筑元件的增材制造允许设计、规划和建造过程的集成及其自动化和简化。此技术的其他优势特别是降低的劳动成本、降低的材料损失和消耗、沟箱的消除以及减少的项目时间和投资。
在已知技术中，通过混合干砂浆和混合水获得的湿砂浆被朝向固定到机器人或龙门吊的打印头泵送并输送，打印头的运动由计算机控制。通常通过喷嘴挤出而在之前沉积的一层砂浆上沉积一层湿砂浆。打印头根据预定的图表连续移动，以便制造最终物体。
发明内容
提出本发明来通过此类技术获得具有隔热功能的建筑元件。
为此，本发明的一个目标是一种用于通过增材制造获得建筑元件的方法，建筑元件包括至少一个结构元件和至少一个隔离元件，其中将干砂浆与混合水混合以便形成基础湿砂浆，基础湿砂浆被输送到打印头，并且通过移动该打印头而连续地沉积堆叠的砂浆层，以便形成该至少一个结构元件和该至少一个隔离元件，所述方法为使得在沉积属于隔离元件的砂浆层之前，在将所述基础湿砂浆输送至打印头期间另外地将水泡沫添加至所述基础湿砂浆。
本发明的另一个目标是一种包括至少一个结构元件和至少一个隔离元件的建筑元件，其通过根据本发明的方法获得，或者只是能够通过根据本发明的方法获得。
本发明的另一个目标是一种用于实施根据本发明的方法的系统。这种系统包括能够将干砂浆和混合水混合以便形成基础湿砂浆的混合装置，能够将所述基础湿砂浆输送至打印机的输送装置，打印机包括能够移动以便沉积堆叠砂浆层的打印头，能够生成水泡沫的泡沫生成装置，以及能够混合所述基础湿砂浆和所述水泡沫的混合装置。
“结构元件”指满足结构职能、或者对其增强做出贡献的建筑物的元件。关于隔离元件，其增加了热的以及甚至声音的隔离。
结构元件将最常见是壁或壁元件，特别是对于立面壁或者内部承重壁。其也可为地板元件。该元件通常将意图集成在建筑物的结构中。实际上，结构元件的存在使得建筑元件能够担任此结构职能。
在壁的情况下，建筑元件优选地在使用时在竖直平面中（即，一旦元件被结合到建筑物中）具有高度和宽度以及沿着此竖直平面的垂直方向的厚度。典型地，每个结构元件和每个隔离元件在竖直平面中在结构元件的整个高度和宽度上延伸。这些元件然后在建筑元件的厚度中彼此连续。结构和隔离元件优选地彼此接触，使得壁的厚度等于这些元件的每一个的厚度的和。结构元件在形状上可以是矩形平行四边形的。然而，其他形状是可能的，因为增材制造技术使得能够获得多种多样的形状。
本发明因此应用增材制造技术来建造建筑元件的结构或支撑元件以及至少一个隔离元件。
本发明使得可以从相同的干砂浆开始来调节最终砂浆的密度以便用相同的打印系统，且特别是用相同的打印头来建造结构元件和隔离元件。
因此，当打印头沉积属于结构元件的砂浆层时，通常不添加水泡沫。抵达打印头的湿砂浆那时是基础湿砂浆。然而，当打印头沉积属于隔离元件的砂浆层时，一定量的水泡沫首先添加到基础湿砂浆，这使得可以调节最终砂浆的密度并且因此给元件提供隔热特性。抵达打印头的湿砂浆那时是基础湿砂浆和水泡沫的混合物。
该或每个结构元件通常不添加水泡沫而获得。因此，特别是获得稠密的砂浆层，能够担任它们的结构职能。优选地，属于结构元件的砂浆层在硬化后（特别是在28天后）的密度为至少2000 kg/m3，特别是至少2100 kg/m3。此密度优选地小于或等于2500 kg/m3。
至少一个或者甚至每个隔离元件都通过添加水泡沫而获得。因此，获得了与属于结构元件的砂浆层相比较不稠密的砂浆层。属于至少一个隔离元件的砂浆层在硬化后（特别是在28天后）的密度优选地为至多1500 kg/m3，特别是至多1200 kg/m3。
根据一个实施例，建筑元件包括隔离元件，其密度在硬化后（特别是在28天后）为至多100 kg/m3。这种元件将具有优异的隔热性能。
根据另一个实施例，建筑元件包括隔离元件，其密度在硬化后（特别是在28天后）为700和1500 kg/m3之间，特别是800和1200 kg/m3之间。这种元件将具有适中的隔热性能。
一个优选的实施例结合了两个前述实施例。在这种情况下，建筑元件包括结构元件、第一隔离元件和第二隔离元件，第二隔离元件具有比第一隔离元件的密度更大的密度。在该方法中，当获得第一隔离元件时向基础湿砂浆添加的水泡沫的量则大于在获得第二隔离元件时向基础湿砂浆添加的水泡沫的量。优选地，属于第一隔离元件的砂浆层在硬化后的密度为至多100 kg/m3，而属于第二隔离元件的砂浆层在硬化后的密度为700和1500 kg/m3之间。在壁的情况下，建筑元件优选地从壁的外部开始包括支撑原件，然后是第一隔离元件，然后是第二隔离元件。
在对此优选实施例的一个替代中，通过增材制造仅获得第二隔离元件。关于第一隔离元件，其通过将构成材料浇入由结构元件以及第二隔离元件形成的空腔而获得。浇入步骤可借助机器人实施。
根据本发明的一个实施例，结构和隔离元件顺序地形成。砂浆输送装置然后有利地包括将湿砂浆输送到单个打印头的单个软管，打印头将逐个打印每个元件（结构或隔离）。因此，该系统优选地包括单个泵和单个软管，水泡沫在形成隔离元件期间被添加并且在形成结构元件期间被停止。
根据本发明的一个实施例，结构和隔离元件同时地形成。砂浆输送装置然后有利地包括多个软管，每个软管将湿砂浆输送到不同的打印头，或者到相同打印头的不同腔室，水泡沫仅在输送意图形成隔离元件的基础湿砂浆的软管中被添加。每个软管可被连接到相同的泵或者到不同的泵。
干砂浆指粉末混合物。干砂浆优选地包括至少一种矿物粘合剂，优选地是水硬的，例如选自硅酸盐水泥、铝水泥、磺基铝酸盐水泥、熟石灰、磨碎粒化高炉炉渣、粉煤灰及其混合物。水硬粘合剂有利地是硅酸盐水泥或者甚至包括这种水泥。矿物粘合剂也可以是石膏基的或者是地质聚合物粘合剂。
干砂浆优选地包括骨料。这些骨料特别是硅质、钙质和/或白云石骨料。其也可包括轻骨料，就是说，具有小于200 kg/m3的表观密度。轻骨料特别选自珍珠岩、蛭石、膨胀玻璃珠、发泡聚苯乙烯珠、微珠、发泡硅酸盐、气凝胶及其混合物。考虑到泵送装置和打印头的喷嘴的减小的横截面，骨料的最大尺寸优选地不大于3mm，特别是不大于2mm并且甚至不大于1mm。最大尺寸例如可通过筛选而变化。
干砂浆优选地包括至少一种添加剂，特别是选自超增塑剂、增稠剂、促进剂和缓凝剂。干砂浆有利地包括无机增稠剂，例如膨胀粘土，其能够增加湿砂浆静止的弹性极限。促进剂和缓凝剂允许调节用来凝结和硬化水硬粘合剂所需的时间。
干砂浆的成分优选地以这样的方式调节，即，基础湿砂浆具有触变行为。优选地，基础湿砂浆的粘性在湿砂浆已经离开打印喷嘴仅一秒后增大至少50的系数。基础湿砂浆从而具有对于高剪切率的低粘性，使得其可以轻易地被泵送和携带，但是只要其离开打印头的喷嘴其结构稳定性就立即增加，从而使得其可以在凝结和硬化前支撑覆盖的层。在仍然是湿的砂浆层上的此沉积使得能够改善连续的层之间的粘合，并且因此改善建筑元件的最终机械强度。
干砂浆与混合水混合以便形成基础湿砂浆。混合水可以简单地是水，或者是在溶液中散布或悬浮地包括一种或多种添加剂的水，特别是有机添加剂，例如表面活性剂。
根据元件的特性如果需要可以调节混合比，即，混合水的量和干砂浆的量（按重量）之间的比值。备选地，混合比对于所有元件可以是相同的。混合比优选地是至多0.5，特别是在0.05和0.20之间。
湿砂浆具有粘稠度并且可以被泵送和输送到打印头。泵送例如可借助螺旋泵实施。输送典型地在软管中实施。输送装置因此优选地包括泵，特别是螺旋泵，以及至少一个软管。
至少对于生产隔离元件，在将基础湿砂浆输送至打印头期间向基础湿砂浆添加水泡沫。
水泡沫和基础湿砂浆的混合优选地使用静止混合器完成。混合装置因此优选地是静止混合器。
水泡沫优选地在泵和打印头之间添加，理想地尽可能靠近打印头，以便保持泡沫的结构。但是，太靠近打印头添加它可能对于水泡沫和基础砂浆的均匀混合是有害的。
水泡沫的量相对于基础湿砂浆的量优选地自动进行调节。特别是，其基于所关心区域中期望的密度进行调节。添加的水泡沫的体积和基础湿砂浆的体积之间的比值优选地在0.5和15之间，特别是在1和12之间。
例如，对于硬化后100 kg/m3的密度，添加的水泡沫的体积和基础湿砂浆的体积之间的比值典型地为大约10。对于硬化后800 kg/m3的密度，添加的水泡沫的体积和基础湿砂浆的体积之间的比值典型地为大约1.3。
水泡沫例如通过搅拌水和发泡剂（或者泡沫稳定剂）然后通过搅拌、起泡或压力注入引入气体特别是空气而获得。水泡沫的中间直径优选地为至多400µm，特别是至多200µm。
发泡剂例如是表面活性剂。根据一个优选示例，其是源自蛋白或氨基酸的表面活性剂。
根据另一个示例，水泡沫包括混合阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，阳离子表面活性剂为季铵盐（特别是卤化物），阴离子表面活性剂是C10-C24羧酸盐(特别是碱金属盐)，例如硬脂酸钾。
根据又另一个示例，水泡沫包括特别是硅石的纳米颗粒，其具有稳定泡沫的特性。此类泡沫称作“皮克林泡沫”。硅石纳米颗粒又可被表面活性剂稳定。
由于添加了水泡沫，砂浆包括捕获在矿物基质中的大量气体特别是空气，并且因此具有低导热率，特别是通过减少通过对流和传导的热传导。隔离元件的导热率在硬化后（特别是在28天后）优选地为至多60 mW.m-1.K-1。其理想地为大约40 mW.m-1.K-1。
打印头特别包括喷嘴，湿砂浆（基础湿砂浆，可能有添加的水泡沫）通过其被挤出。挤出喷嘴优选地定位成距下面的层少于100mm。打印机例如是承载打印头的工业机器人或者龙门吊，并且其运动由计算机控制。计算机特别包括记录介质，其中存储了一套数据或3D模型以及指令，其在由计算机执行时引导它控制打印头的运动（轨线、速度等）以及该方法的其他参数，例如水泡沫的量和基础湿砂浆的量之间的比值，或者混合比（即，混合水的量和干砂浆的量之间的比值）。
打印速度典型地从30到1000 mm/s，特别是从50到300 mm/s。砂浆层的厚度（或高度，因为这里其涉及竖直方向上的尺寸）优选地在5和40 mm之间，特别在10和20 mm之间。砂浆层的宽度优选地在10和300 mm之间，特别是20和100 mm之间。
该方法也可包括在沉积前向湿砂浆添加凝固和/或硬化促进剂或流变改性剂。添加特别可在喷嘴处或附近完成，从而正好在挤出前。备选地，促进剂或流变改性剂可在沉积后在层的表面上立即添加。凝固促进剂例如是硫酸铝或锂盐，取决于所使用的水硬粘合剂的类型。流变改性剂例如允许砂浆被给予触变特性。添加凝固促进剂或流变改性剂允许砂浆层的快速固结，使得它们能够承受覆盖层的重量而不变形。
建筑元件也可包括增强部件。这些部件意图机械地增强元件，或者优选地在砂浆层的打印期间沉积。它们可在砂浆层的厚度中水平或竖直地沉积，且然后伸入若干砂浆层。增强部件例如由钢制成。
建筑元件可为意图在建筑工作现场例如使用砂浆组装的预制元件，以便形成建筑物的内壁或外壁（例如，内部承重壁）。元件也可直接在建筑工作现场制造并形成建筑物的完整的壁。
建筑元件的横向尺寸优选地在1和4m之间，特别在1和3m之间。厚度优选地为至多70 cm，特别是20和50 cm之间。
建筑元件的热阻抗优选地在3.0和5.0 m2.K/W之间。
附图说明
图1示出了本发明的一个特定且非限制性实施例。
图2示意性地示出了根据本发明的系统的一个示例。
具体实施方式
图1示意性地图示了通过本发明的方法获得的建筑元件1的俯视图，在此实例中是壁。
壁1这里呈具有厚度e和宽度L的矩形平行六面体的形态。这在此处仅为一个示例，并且不言而喻，增材制造技术允许多种形态。
壁1在使用中从建筑物的外面开始包括与第一隔离元件3接触的结构元件2，第一隔离元件3本身与第二隔离器4接触。这些元件的每一个都在壁的整个高度和宽度上延伸。
在28天的硬化后的密度对于结构元件2大于2000 kg/m3，对于第一隔离元件3小于100 kg/m3，且对于第二隔离元件4在700和1200 kg/m3之间。第二隔离元件4因此更多是较轻的壁的形态，第一隔离元件3更多是矿物泡沫的形态。
这种壁1借助在图2中示意性描绘的打印系统20获得，其包括：
- 用于将干砂浆和混合水混合的混合装置22，
- 包括螺纹泵24的输送装置，螺纹泵24便于由此在软管25中获得的基础湿砂浆的泵送和输送，
- 便于水泡沫的生成的泡沫生成装置26，泡沫在泵24之后被插入软管25，
- 混合装置27，更特别地是连接到软管25上的静止混合器，以便混合基础砂浆和水泡沫，
- 包括喷嘴的打印头28，湿砂浆可通过喷嘴挤出以便在之前沉积的砂浆层12上沉积一层湿砂浆11。打印头28的移动由计算机控制的机器人实施。
干砂浆包括硅酸盐水泥和硅质型细骨料。混合比为0.12以获得基础湿砂浆。
结构和隔离元件被顺序地形成。结构元件2首先由重叠的砂浆层12形成，其宽度等于层的厚度。在此制造期间，不向基础湿砂浆添加水泡沫。在第二步骤中，第二隔离元件与结构元件分开形成，以便产生空腔。在此制造期间，水泡沫被添加至基础湿砂浆，水泡沫的体积和基础湿砂浆的体积之间的比值为大约1.3。在第三步骤中，第一隔离元件被浇入该空腔。
备选地，第一隔离元件通过增材制造生产，像结构元件和第二隔离元件一样。

Claims (15)

1.一种用于通过增材制造获得建筑元件(1)的方法，所述建筑元件(1)包括至少一个结构元件(2)和至少一个隔离元件(3, 4)，其中将干砂浆与混合水混合以便形成基础湿砂浆，所述基础湿砂浆被输送到打印头(28)，并且通过移动所述打印头(28)而连续地沉积堆叠砂浆层(11, 12)，以便形成所述至少一个结构元件(2)和所述至少一个隔离元件(3, 4)，所述方法为使得在沉积属于隔离元件(3, 4)的砂浆层之前，在将所述基础湿砂浆输送至所述打印头(28)期间另外地将水泡沫添加至所述基础湿砂浆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述建筑元件(1)是壁或者壁元件。
3.根据前述权利之一所述的方法，其中属于所述结构元件(2)的所述砂浆层在硬化后的密度为至少2000 kg/m3，特别是至少2100 kg/m3。
4.根据前述权利之一所述的方法，其中属于所述至少一个隔离元件(3,4)的所述砂浆层在硬化后的密度为至多1500 kg/m3。
5.根据权利要求4所述的方法，使得所述建筑元件(1)包括隔离元件(3)，其密度在硬化后为至多100 kg/m3。
6.根据权利要求4所述的方法，使得所述建筑元件(1)包括隔离元件(4)，其密度在硬化后在700和1500 kg/m3之间，特别是在800和1200 kg/m3之间。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述建筑元件(1)包括结构元件(2)、第一隔离元件(3)和第二隔离元件(4)，所述第二隔离元件(4)具有大于所述第一隔离元件(3)的密度的密度，在获得所述第一隔离元件(3)时添加至所述基础湿砂浆的水泡沫的量大于在获得所述第二隔离元件(4)时添加至所述基础湿砂浆的水泡沫的量。
8.根据前述权利要求所述的方法，其中属于所述第一隔离元件(3)的所述砂浆层在硬化后的密度为至多100 kg/m3，且属于所述第二隔离元件(4)的所述砂浆层在硬化后的密度为700和1500 kg/m3之间。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述结构元件(2)和所述隔离元件(3,4)顺序地形成。
10.根据权利要求1到8的任一项所述的方法，其中所述结构元件(2)和所述隔离元件(3,4)同时地形成。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中水泡沫的量相对于基础湿砂浆的量被自动地调节。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述干砂浆包括至少一种水硬粘合剂，特别选自硅酸盐水泥、铝水泥、磺基铝酸盐水泥、熟石灰、磨碎粒化高炉炉渣、粉煤灰及其混合物。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述水泡沫和所述基础湿砂浆的混合使用静止混合器(27)完成。
14.一种建筑元件(1)，包括至少一个结构元件(2)和至少一个隔离元件(3,4)，其能够通过根据任一前述权利要求所述的方法获得。
15.一种用于实施根据权利要求1到13的任一项所述的方法的系统，包括打印机，所述打印机包括能够移动以便沉积堆叠砂浆层(11,12)的打印头(28)，能够混合干砂浆与混合水以便形成基础湿砂浆的混合装置(22)，能够将所述基础湿砂浆输送至所述打印机的输送装置(24,25)，能够生成水泡沫的泡沫生成装置(26)，以及能够混合所述基础湿砂浆和所述水泡沫的混合装置(27)。
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