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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Formkörpern
aus einem form- und härtbaren
Aufbaumaterial, insbesondere Beton oder Gips, bei dem das Aufbaumaterial
in formbarem Zustand in eine auf einer Seite offene Hilfsform, die
aus mehreren Wandelementen zusammengesetzt wird, eingebracht und
der Formkörper
mit einer Handhabungseinrichtung mit einem nicht formgebundenen
Werkzeug durch additiven Aufbau aus dem Aufbaumaterial unter Formung
einer vorgebbaren Oberflächenform
auf der einen Seite erzeugt wird.
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In
vielen Bereichen der Technik werden Formkörper mit auf mehreren Seiten
speziell geformten Flächen
benötigt.
Dies betrifft beispielsweise Formkörper für Prototypen oder Kleinserien,
Bauteile für
den Brückenbau
oder die individuelle Architektur sowie Bauteile im Bereich der
Kunst, wie beispielsweise Skulpturen.
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Mehrseitig
geformte Formkörper
werden in der Regel mit Hilfe von Gussformen hergestellt. Bei dieser Technik
wird ein härtbares,
fließfähiges Material
in fließfähigem Zustand
in eine allseits geschlossene Kavität der vorgefertigten Gussform
eingebracht und darin ausgehärtet.
Für unterschiedliche
Formkörper
müssen
allerdings unterschiedliche Gussformen hergestellt werden. Dies
ist zeitaufwändig
und verursacht erhebliche Kosten.
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Weiterhin
ist es bekannt, Formkörper
aus einem massiven Materialblock durch Bearbeitungstechniken wie
beispielsweise Fräsen
herzustellen. Der Formkörper
wird dabei aus dem festen Materialblock herausgearbeitet, so dass
viel Staub entsteht, der abhängig
vom Material eine aufwändige
Entsorgung erfordert.
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Auch
generative Fertigungsverfahren werden zur Herstellung von Formkörpern eingesetzt.
Bei diesen Fertigungsverfahren werden die Formkörper durch Aufeinanderlegen
dünner
horizontaler Schichten gebildet. Die hierfür erforderlichen Vorrichtungen
sind mit hohen Investitionskosten verbunden. Weiterhin ist der Bauraum
bei einer derartigen Technik begrenzt und die Prozessgeschwindigkeit
gering.
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Aus
der
DE 19851224 C1 oder
der
DE 10003374 C1 sind
additive Aufbauverfahren zur Herstellung von Formkörpern aus
einem form- und härtbaren
Aufbaumaterial bekannt, bei denen das Aufbaumaterial in formbarem
Zustand in einen auf einer Seite offenen Formkasten eingebracht
und der Formkörper
mit einem Roboter geführten,
nicht formgebundenen Werkzeug durch additiven Aufbau aus dem Aufbaumaterial
erzeugt wird. Mit dieser Technik lässt sich jedoch lediglich eine
Seite des Formkörpers
modellieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung von Formkörpern aus
einem form- und härtbaren
Aufbaumaterial anzugeben, mit dem sich bei geringem Zeit- und Kostenaufwand
Formkörper
mit auf mehreren Seiten dreidimensional geformten Flächen herstellen
lassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus
einem form- und härtbaren Aufbaumaterial,
insbesondere Beton oder Gips, wird aus mehreren Wandelementen eine
auf einer Seite offene Hilfsform zusammengesetzt, das Aufbaumaterial
in formbarem Zustand in die Hilfsform eingebracht und der Formkörper mit
einer Handhabungseinrichtung mit einem nicht formgebundenen Werkzeug
durch additiven Aufbau aus dem Aufbaumaterial unter Formung einer
vorgebbaren Oberflächenform
auf der einen Seite erzeugt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch
aus, dass zumindest ein Wandelement der Hilfsform an einer Innenseite
eine geformte Oberfläche
aufweist, die vorab ebenfalls mit einer Handhabungseinrichtung mit
einem nicht formgebundenen Werkzeug durch additiven Aufbau aus dem
gleichen oder einem weiteren form- und härtbaren Aufbaumaterial geformt
wird.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren werden somit ein oder mehrere Wandelemente,
die die Hilfsform bilden, ebenfalls mit einem additiven Aufbauverfahren
aus einem form- und härtbaren
Aufbaumaterial mit einem formungebundenen Werkzeug hergestellt.
Dies ermöglicht
den Einsatz des gleichen Werkzeugs sowie der gleichen Handhabungseinrichtung
für die
Herstellung der Wandelemente der Hilfsform und die Herstellung des Formkörpers. Für die Herstellung
der Wandelemente kann ein einfacher Formkasten eingesetzt werden,
in den das Aufbaumaterial in formbarem Zustand eingebracht und anschließend oder
gleichzeitig mit der Handhabungseinrichtung mit einem formungebundenen
Werkzeug an der Oberfläche
in die gewünschte
Form gebracht wird, die der Negativform der zugeordneten Seite des
herzustellenden Formkörpers
entspricht. Auf diese Weise lassen sich durch entsprechende Gestaltung
der Wandelemente mehrere Seiten des herzustellenden Formkörpers dreidimensional
modellieren. Nach dem Zusammensetzen der Hilfsform aus diesen Wandelementen
wird schließlich
der Formkörper
durch die gleiche Aufbautechnik in der Hilfsform aufgebaut und die verbleibende,
nicht durch die Hilfsform vorgegebene Oberfläche in der gewünschten
Geometrie geformt. Nach dem Aushärten
des Aufbaumaterials für
den Formkörper
wird die Hilfsform entfernt. Das Ergebnis ist ein Formkörper, der
an mehreren Seiten dreidimensional geformte Flächen vorgebbarer Geometrie
aufweist.
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Durch
die Herstellungstechnik für
die Wandelemente der Hilfsform und den Formkörper selbst, bei dem eine Handhabungseinrichtung,
vorzugsweise ein Roboter, mit einem nicht formgebundenen Werkzeug eingesetzt
wird, ist der Arbeitsraum und damit die Produktgröße nur von
der Kinematik des Handhabungssystems abhängig und damit im Bereich mehrerer
Meter beliebig variierbar. Das vorliegende Verfahren erfordert keine
Herstellung eines Modells für
den Formkörper,
sondern kann direkt nach den vorgegebenen bzw. vorgebbaren Geometriedaten
des Formkörpers
arbeiten. Diese Daten liegen vorzugsweise als CAD-Daten vor, über die
die Handhabungseinrichtung angesteuert wird. Durch die Nutzung formungebundener
Werkzeuge für die
Herstellung einer sehr großen
Vielfalt von Oberflächenformen
lässt sich
das Verfahren sehr kostengünstig durchführen, insbesondere
um verschiedene individuell geformte Formkörper zu erzeugen.
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Die
Formung der Konturen der Wandelemente oder des Formkörpers selbst
aus den ein oder mehreren form- und härtbaren Aufbaumaterialien erfolgt
vorzugsweise durch Verdichtung des Aufbaumaterials mit dem entsprechenden
Werkzeug. Hierbei lassen sich Techniken anwenden, wie sie aus den
bereits genannten
DE
19851224 C1 und
DE
10003374 C1 bekannt sind. Die in diesen Druckschriften
angeführten
Techniken zum Aufbau der Formkörper
werden explizit in die Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung
einbezogen. Das vorliegende Verfahren nutzt diese Techniken, um
einen Formkörper
mit auf mehreren Seiten dreidimensional geformten Oberflächen in
einfacher Weise zu erzeugen.
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Besonders
vorteilhaft lassen sich Aufbaumaterialien wie Beton oder Gips mit
dem vorliegenden Verfahren einsetzen. Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet
des Verfahrens betrifft demgemäß auch die
Herstellung von Bauteilen, wie beispielsweise Wänden, Säulen oder Bögen, individuell geformter
Bauwerke. Zur mechanischen Verstärkung
dieser Bauteile können
bei der Herstellung des Formkörpers
auch Armierungen in das Aufbaumaterial eingebracht werden, die nach
der Verfestigung und Aushärtung
in dem Bauteil verbleiben. Weiterhin kann die Ablösung der
Hilfsform von dem ausgehärteten Formkörper durch
Trennschichten erleichtert werden, die vor dem Einfüllen des
Aufbaumaterials in die Hilfsform eingebracht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sieht
vor, die einzelnen Wandelemente der Hilfsform so auszubilden, dass
eine im Querschnitt trapezförmige
Hilfsform entsteht. Diese trapezförmige Ausgestaltung erleichtert
das Zusammensetzen der Wandelemente.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
den Verfahrensablauf bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
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2 ein
Beispiel für
die Herstellung eines gekrümmten
Wandelementes mit dem vorliegenden Verfahren;
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3 ein
Beispiel für
die Herstellung eines vielseitig geformten Formkörpers mit einer trapezförmigen Hilfsform;
und
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4 ein
Beispiel für
die Herstellung eines Torbogens mit dem vorliegenden Verfahren.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
verschiedene Verfahrensschritte für die Herstellung eines an
vier Seiten dreidimensional geformten Formkörpers gemäß dem vorliegenden Verfahren.
Zunächst
werden die Wandelemente 9 für den Hilfsformkasten 5 aus
einem wieder verwendbaren, aushärtbaren
Hilfsformmaterial 2 hergestellt. Diese Herstellung erfolgt
mit einem Roboter-basierten additiven Verfahren. Das Hilfsformmaterial 2 wird
dabei zunächst in
einen herkömmlichen
Formkasten 1 eingebracht. Anschließend wird ein nicht formgebundenes
Modellierwerkzeug 3, beispielsweise eine Walze, eingesetzt,
die mit dem Roboter 4 in dem Material geführt wird.
Der Roboter 4 arbeitet nach vorgegebenen CAD-Daten, um
eine vorgebbare Oberflächenform
des jeweiligen Wandelementes 9, beispielsweise durch Verdichtung
des Materials, zu generieren. Auf diese Weise wird die Oberfläche jedes
zu formenden Wandelementes der Hilfsform 5 so modelliert,
dass diese einer Negativform der zugeordneten Seite des herzustellenden
Formkörpers
entspricht. Gegebenenfalls können
die mit dieser Technik geformten Oberflächen bzw. Innenkonturen (bezogen
auf die Hilfsform) mit einem Fräswerkzeug
zwischen- oder nachgearbeitet werden, das anstelle des Modellierwerkzeugs
vom Roboter 4 geführt
wird.
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Nach
dem Herstellen dieser Wandelemente 9 wird die nach oben
offene Hilfsform 5 aus den Wandelementen 9 zusammengesetzt
(2. Schritt der 1). Anschließend können optional Trennschichten 6 in
die Hilfsform 5 eingebracht werden, um einen direkten Kontakt
des Aufbaumaterials 7 für
den Formkörper
mit den Wandelementen 9 zu vermeiden.
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Schließlich wird
das Aufbaumaterial 7 für
den herzustellenden Formkörper
in die Hilfsform 5 einge bracht und im vorliegenden Beispiel
mit dem Werkzeug 3 mit Hilfe des Roboters 4 in
gleicher Weise modelliert, wie dies bereits im Zusammenhang mit
der Herstellung der Wandelemente 9 erläutert wurde. Auf diese Weise erhält der Formkörper eine
durch die Innenkontur der Wandelemente 9 der Hilfsform 5 vorgegebene
Gestalt. Die verbleibende Seite des Formkörpers wird in diesem Schritt
mit dem Werkzeug 3 in der gewünschten Form gestaltet. Die
Modellierung kann dabei in bekannter Weise mit einem Walz- oder
Stampfwerkzeug 3 erfolgen.
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Zusätzlich können zusammen
mit dem Aufbaumaterial 7 Armierungen 10 in die
Hilfsform 5 eingebracht werden, die der mechanischen Stabilisierung
des Formkörpers
dienen. Nach dem Aushärten
des Aufbaumaterials 7 kann der fertige Formkörper 8 aus
der Hilfsform 5 entnommen werden. Die Entnahme wird durch
die vorher eingebrachten Trennschichten 6 erleichtert.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für das
vorliegende Verfahren, bei dem eine gekrümmte Wand 11 aus Stahlbeton
hergestellt wird. Zunächst
wird ein Wandelement 9 der Hilfsform 5 in einem
Formkasten 1 durch ein Roboter-basiertes additives Formverfahren
hergestellt, wie dies bereits in Verbindung mit der vorangehenden
Figur erläutert
wurde. Als Hilfsformmaterial 2 kann beispielsweise wasserfeuchter,
tongebundener Gießerei-Formstoff
eingesetzt werden, der durch Verdichten verfestigt. Das untere Wandelement 9 kann
vor dem nächsten
Schritt getrocknet werden. Aus diesem Wandelement 9 und
weiteren ebenen Wandelementen wird zunächst die Hilfsform 5 zusammengesetzt.
Anschließend
wird eine Trennschicht 6, beispielsweise in Form einer
Gummimatte, in die Hilfsform 5 eingelegt, damit sich der
feuchte Beton für
die Wand nicht mit dem Hilfsformmaterial 2 verbindet. In
die Hilfsform 5 werden weiterhin Stahlarmierungen 10 eingebracht,
wie sie für
die Herstellung einer Stahlbetonwand erforderlich sind. Schließlich wird
der Beton als Aufbaumaterial 7 in die Hilfsform 5 eingebracht
und mit Hilfe des Modellierungswerkzeugs 3, das von einem
Roboter 4 geführt
wird, modelliert. Nach dem Trocknen des Betons kann die fertige
Wand 11 aus der Hilfsform 5 entfernt werden. Dieses Verfahren
ermöglicht
somit auf einfache Weise die Herstellung einer individuellen geformten
Stahlbetonwand.
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Zur
Herstellung von mehrseitig geformten Formkörpern werden mehrere individuell
geformte Wandelemente 9 eingesetzt, wie dies aus 3 ersichtlich
ist. Diese Wandelemente 9 müssen nicht notwendigerweise
in Formkästen
mit rechteckigem Querschnitt hergestellt werden. Um die Wandelemente 9 komfortabel
zusammensetzen zu können,
ist es von Vorteil, variable Formkästen mit einem trapezförmigen Querschnitt
einzusetzen, deren Seitenwände
in der Neigung sowie im Abstand einstellbar sind. Ein derartiger
variabler Formkasten 1 ist im linken oberen Teil der 3 zu
erkennen. In einem derartigen Formkasten 1 werden dann
die einzelnen Wandelemente 9 in der gewünschten Form bzw. Kontur mit
der vorliegenden Aufbautechnik erzeugt.
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Nach
dem Zusammensetzen der Wandelemente 9 zu einer Hilfsform 5,
bei der wiederum der variable Formkasten 1 zum Einsatz
kommen kann, wie dies im unteren Teil der 3 zu erkennen
ist, wird das Aufbaumaterial 7 für den Formkörper in die Hilfsform 5 eingebracht
und mit dem nicht formgebundenen Werkzeug 3 an der Oberfläche modelliert.
Das Ergebnis ist ein auf vier Seiten dreidimensional geformter Formkörper 8.
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4 zeigt
schließlich
ein weiteres Beispiel, bei dem das vorliegende Verfahren zur Herstellung
der Bauteile 12 für
einen Torbogen 13 eingesetzt wird. Die Neigung der Stoßflächen für die einzelnen,
mit dem vorliegenden Verfahren herstellbaren Bauteile 12 des
Torbogens 13 kann durch Einstellung der Neigung einer Seitenwand
der Hilfsform 5 erzeugt werden. Dies ist im linken Teil
der Figur angedeutet. Die weiteren Verfahrensschritte, insbesondere
die Herstellung der geeignet geformten Wandelemente 9 der
Hilfsform 5 sowie die Modellierung einer Seite des Formkörpers in
der Hilfsform 5 unterscheiden sich nicht von der im Zusammenhang
mit den vorangehenden Beispielen erläuterten Technik.
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