DE102006026756B4

DE102006026756B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils

Info

Publication number: DE102006026756B4
Application number: DE102006026756A
Authority: DE
Inventors: Werner Dequet
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-06-10
Also published as: DE102006026756A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formteiles (10) großer Abmessungen mit den Verfahrensschritten:
maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Formwand (12) aus einem fliessfähigen thixotropen Formwand-Werkstoff,
maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Rückwand (14) aus einem fliessfähigem thixotropen Rückwand-Werkstoff horizontal beabstandet zu der Formwand (12), wobei die Formwand (12) mit einer feineren Auflösung als die Rückwand (14) aufgebaut wird, und
Auffüllen des Wandzwischenraumes (13) mit einer Zwischenraumfüllung (16) aus einem fließfähigem Füllungs-Werkstoff, sobald die Formwand (12) und die Rückwand (14) angehärtet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formteiles großer Abmessungen, auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteiles nach diesem Verfahren und auf ein Formteil großer Abmessungen.
Formteile großer Abmessungen sind beispielsweise Bootsrümpfe, große Teile von Schienenfahrzeugen, Straßenfahrzeugen, Flugzeugen aber auch immobile Formteile, beispielsweise Gebäudewände oder -decken, Staudämme etc. Unter Formteilen sind ferner alle Arten von Formteilen zu verstehen, die beim Herstellungsprozess eines endgültigen Funktions-Fertigformteils beteiligt sind, beispielsweise das Urmodel, das Formwerkzeug oder das Funktions-Fertigformteil selbst.
Die Herstellung von Formwerkzeugen mit großen Abmessungen erfolgt in der Regel zweistufig. Zunächst wird eine Tragstruktur aus Stahl, Aluminium oder Holz sowie getrennt davon eine Formschale hergestellt. In einem zweiten Schritt wird die Tragstruktur mit der Formschale verbunden. Die Formschale besteht in der Regel aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Die Formschale wird in der Regel von einem Urmodel abgeformt, dessen Kontur maschinell, spanabhebend oder manuell von Hand ausgearbeitet wurde, und anschließend entsprechend versiegelt wurde. Durch die Fortschritte in der Zerspannungstechnik werden Formwerkzeuge bis zu bestimmten Größen auch direkt aus massiven Aluminiumblöcken oder Hartschaumblöcken spanabhebend hergestellt.
Die Herstellung eines Formwerkzeuges großer Abmessungen erfolgt in drei Schritten:
Zunächst wird ein Urmodel hergestellt, beispielsweise aus Holz oder Schaumplatten. Das negative Formwerkzeug wird als Abdruck von dem Urmodel genommen und in der Regel aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) hergestellt. Schließlich wird ein Abdruck von dem negativen Formwerkzeug aus Faser-Kunststoff-Verbund erstellt. Der Abdruck ist das Funktions-Fertigformteil.
Durch die Komplexität des Formbauverfahrens und die Vielfalt der Werkstoffe ist viel handwerkliche Erfahrung erforderlich, um Formwerkzeuge großer Abmessungen realisieren zu können, die die geforderte Qualität an das Funktions-Fertigformteil sicherstellen können. Der Arbeitsaufwand zur Herstellung eines Formwerkzeuges großen Ausmaßes ist nur schlecht im Voraus zu planen. Das gleiche gilt für die Materialkosten und die erzielbare Qualität des Formwerkzeuges. Dieses Umstände machen eine Abschätzung der Kosten sehr schwierig.
Formwerkzeuge nach dem Stand der Technik sind häufig nicht sehr genau und können sich auch noch nach der Fertigstellung verziehen. Durch die geringe Eigensteifigkeit der aus Faser-Kunststoff-Verbund oder aus Metall bestehenden Formteile ist eine starre Tragstruktur erforderlich, um die ursprüngliche Form mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten. Grundsätzlich nachteilig an Formwerkzeugen großer Abmessungen ist, dass sie schwer und unhandlich sind. Eine umweltfreundliche Entsorgung des Formwerkzeuges ist durch die verschiedenen unterschiedlichen Materialien mit großem Aufwand verbunden.
Bekannte Verfahren des sogenannten Rapid-Prototyping, insbesondere das Fused-Depostion-Modeling (FDM), das Multi-Jet-Modeling (MJM) oder das Selektive Lasersintern (SLS) oder Stereolithographie-Verfahren, wie in US 2002/0094401 A1 sind für die Herstellung von Formwerkzeugen großer Abmessungen oder entsprechender Fertig-Formteile ungeeignet.
Beim Fused-Deposition-Modeling wird die Gesamtdicke der Form aus einer Vielzahl von neben- und übereinander liegenden geschmolzenen Kunststoff-Mikrobahnen gebildet, die ungefähr 0,25 mm breit sind. Bei Multi-Jet-Modeling-Verfahren lässt sich die Dicke der Form durch die Anordnung von bis zu 352 Düsen zügiger auftragen. Das Material wird bei beiden genannten Verfahren jeweils mit einer Materialauftragsstärke von ungefähr 0,25 mm aufgetragen. Beim selektiven Lasersintern handelt es sich um ein Verfahren lokalen Aufschmelzens von pulverförmigem Ausgangsmaterial durch einen CO2- oder einen YAD-Laser. Der Werkstoff wird schichtweise mit Hilfe einer Rakel auf einer Teilplattform aufgebaut. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht mit einer Schicht-Dicke von jeweils 0,1–0,2 mm. Nach einer Absenkung der Teilplattform stellt der Pulverbehälter die Pulvermenge für eine weitere Schicht zur Verfügung. Die hierfür verwendeten Materialien, nämlich Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyphenylsolfon oder Metall sind für die Herstellung großer Formen nicht geeignet, da sie nicht ausreichend maßhaltig sind und eine zu geringe Steifigkeit aufweisen. Durch die erforderliche Verarbeitung großer Datensätze und der geringen Materialauftragsmenge sind die vorbeschriebenen Verfahren des Rapid-Prototyping für die Herstellung von Formteilen großer Abmessungen zu langsam und daher ungeeignet. Beim SLS-Verfahren kommt ferner bei großvolumigen/großflächigen Formteilen eine enorme Größe und ein großes Gewicht der Teileplattform hinzu, wodurch diese praktisch unbeweglich ist.
Aus DE 20 2005 012 524 U1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein kleinformatiges Formteil durch eine von einem Roboter 1 geführte Düse hergestellt wird, aus der Kunststoff ausfließt.
DE 695 02 216 T2 (beschreibt ein Zwei-Komponenten-Misch- und Abgabesystem zum Mischen und Abgeben von zwei unterschiedlichen Polymermaterialien, welche chemisch miteinander reagieren, wenn sie zusammengebracht werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Zwei-Komponenten-Kleber handeln, der bei der Montage von Fahrzeugen verwendet wird. Es ist eine Düse vorgesehen, über die die beiden Komponenten in einem festen Verhältnis ausgegeben werden, so dass eine vorgegebene Klebemischung entsteht.
Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein effektives Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Herstellung eines stabilen Formteiles zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen der Patenansprüche 1 bzw. 7.
Gemäß dem Verfahrensanspruch 1 besteht das Verfahren zur Herstellung eines Formteiles aus den Verfahrensschritten:

– maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Formwand aus einem fliessfähigen und ggf. pastösen Formwand-Werkstoff,
– maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Rückwand aus einem fliessfähigem Rückwand-Werkstoff horizontal beabstandet zu der Formwand, und
– Auffüllen des Wandzwischenraumes mit einer Zwischenraumfüllung aus einem fließfähigem Füllungs-Werkstoff, sobald die Formwand und die Rückwand angehärtet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Material-Auftragsverfahren, bei dem zunächst die Formwand und die Rückwand, die beabstandet zueinander sind, in vertikaler Richtung schalungsfrei aufgebaut werden. Ggf. werden auch seitliche Abschlusswände aufgebaut, die die Formwand und die Rückwand miteinander verbinden, wenn nicht die seitlichen Enden der Formwand und der Rückwand unmittelbar miteinander verbunden sind. Alle Wände bilden zusammen einen oben offenen Behälter. Sobald die Formwand und die Rückwand so angehärtet sind, dass sie den Füllungs-Werkstoff ohne Eigenverformung aufnehmen können, wird der Wandzwischenraum mit einer Zwischenraumfüllung aus einem Füllungs-Werkstoff aufgefüllt. Während die Formwand relativ langsam aufgebaut wird, um ihre Maßhaltigkeit sicherzustellen, wird die Rückwand schneller und weniger genau aufgebaut, da sie keine formgebende Eigenschaft hat. Der Wandzwischenraum schließlich kann sehr schnell durch Auffüllen mit einem fließfähigem Füllungswerkstoff gefüllt und geschlossen werden. Der Füllungswerkstoff stellt eine Verbindung zwischen der Formwand und der Rückwand her und wird in der Regel den mit Abstand größten Teil zur Dicke des gesamten Formteiles beitragen. Als Werkstoff für die Formwand, die Rückwand und den Wandzwischenraum können relativ steife Werkstoffe gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann automatisiert und gesteuert durch Standard Transformation Language-(STL) oder Virtual Reality Modeling Language-(VRML)Datensätze durchgeführt werden. Auf diese Weise können Fertigformteile, Urmodelle oder auch endgültige Funktions-Formteile großer Abmessungen sukzessiv und vollständig in kurzer Zeit bis zur Vollendung hergestellt werden. Es werden vorzugsweise Werkstoffe verwendet, die eine schnelle Weiterverarbeitung ermöglichen, d. h. schnell aushärten.
Der Umfang der Datensätze zur Herstellung eines Formteiles mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist verhältnismäßig gering, da sie nur zur Definition der Formwand und der Rückwand und ggf. der Abschlusswände erforderlich sind. Für die automatische Erzeugung der Zwischenraumfüllung sind sehr grobmaschige Datensätze ausreichend. Die Formwand und die Rückwand und ggf. die Abschlusswände können abwechselnd oder gleichzeitig kontinuierlich aufgebaut werden. Sobald die korrespondierenden Höhenzüge der Formwand und der Rückwand angehärtet sind, kann der Wandzwischenraum mit der Zwischenraumfüllung aufgefüllt werden.
Als Werkstoffe für die Formwand, die Rückwand und die Zwischenraumfüllung kommt beispielsweise ein Hartgips- oder Harz-Werkstoff bzw. ein thixotroper Gips oder Kunststoff in Frage. Durch das Aufbereiten des Ausgangsmaterials, beispielsweise durch Mischen von Gips mit Wasser oder von Kunststoff mit Härter, und durch die Förderung des Werkstoffes in Förderschläuchen und Düsen wird der Gips oder der Kunststoff fließfähig. Nach dem Applizieren wird der Gips oder der Kunststoff mit etwas Zeitverzögerung standfest, verläuft dann nicht mehr und kann aufbauend weiter verarbeitet werden. Dies wird durch Beimischen von hochdisperser Kieselsäure als Zusatzstoff in das Ausgangsmaterial erreicht. Allerdings reicht diese thixotrope Standfestigkeit nicht aus, um den Druck des Füllungs-Werkstoffes standzuhalten. Hierfür muss der Wand-Werkstoff bereits angehärtet sein.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Formteiles großer Abmessungen ist das gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellte Formteil massiv und ist daher so stabil, dass es in der Regel keiner Tragstruktur bedarf. Durch die Massivität und die hieraus resultierende Steifigkeit bei relativ geringer Masse ist ferner ein Verziehen der Formwand praktisch ausgeschlossen. Dies erreicht man hier insbesondere durch Gips, der im Verhältnis zu seinem Gewicht ein hohes E-Modul aufweist, z. B. Gips der Klasse IV mit einer Dichte von 2,4 g/cm³ oder Gips mit Glashohlkugeln für den Füllbereich mit einer Dichte von 1,1 g/cm³.
Vorzugsweise ist der Füllungs-Werkstoff verschieden von dem Formwand-Werkstoff. So kann der Werkstoff jeweils bezüglich seiner Eigenschaften optimal ausgewählt werden. So wird für die Formwand ein Werkstoff gewählt, der beispielsweise relativ pastös ist, wohingegen der Werkstoff für die Zwischenraumfüllung eine noch bessere Fließfähigkeit aufweisen und schnell aushärten können sollte. Beispielsweise kann für die Formwand als Werkstoff Hartgips oder Harz mit einem entsprechendem Füllstoff in thixotroper Konsistenz verwendet werden, der relativ schnell aushärtet. Für den Füllungswerkstoff kann ebenfalls ein Hartgips oder Harz-Werkstoff in flüssiger Konsistenz ausgewählt werden.
Gemäß eine bevorzugten Ausgestaltung ist der Rückwand-Werkstoff identisch mit dem Formwand-Werkstoff. An die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Rückwand werden ähnliche Anforderungen gestellt, wie an die Formwand. Durch die Wahl des selben Werkstoffes für die Rückwand und die Formwand wird das Herstellungsverfahren und wird die Vorrichtung zu seiner Herstellung so einfach wie möglich gehalten.
Die Formwand kann alternativ auch aus Metall oder Kunststoff bestehen. Als Werkstoffe für die Formwand und die Rückwand kommt auch Zement in Frage.
Vorzugsweise wird zwischen der Formwand und der Rückwand eine Zwischenwand aufgebaut. Die Zwischenwand wird in ähnlicher Weise und mit einem ähnlichem Material aufgebaut wie die Formwand und die Rückwand. Auf diese Weise werden zwei Wandzwischenräume gebildet. Durch das Vorsehen einer oder mehrerer Zwischenwände können die Stabilität, das Eigengewicht, das Volumen und andere Eigenschaften des herzustellenden Formteiles noch genauer und individueller eingestellt werden. Beispielsweise kann durch das Aufbauen einer kurz hinter der Formwand stehenden Zwischenwand die Formwand sehr dünn ausfallen. Die Zwischenwand kurz dahinter und die Zwischenraumfüllung zwischen der Formwand und der Zwischenwand geben der Zwischenwand sofort die ausreichende Stabilität bevor der große Wandzwischenraum zwischen der Zwischenwand und der Rückwand aufgefüllt werden wird.
Vorzugsweise wird die Formwand mit einer feineren Auflösung aufgebaut als die Rückwand bzw. die Zwischenwände, soweit vorhanden. Hierdurch werden die die Wände definierenden Datensätze so klein wie möglich gehalten. Ferner wird der Aufbau der Rückwand hierdurch beschleunigt.
Vorzugsweise wird die ausgehärtete Formwand abschließend materialabhebend bearbeitet.
Gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 7 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteiles nach dem zuvor beschriebenen Verfahren vorgesehen, die einen steuerbaren angetriebenen Roboterarm mit einer Düse zur Ausgabe des Formwand-Werkstoffes und mit einer Düse zur Ausgabe des Füllungs-Werkstoffes aufweist. Der Roboterarm ist der Arm eines Industrieroboters und ist bevorzugt 5-achsig angetrieben. Industrieroboter sind inzwischen mit großen Reichweiten verfügbar, so dass mit einem derartigen Industrieroboter Formteile großer Abmessungen herstellbar sind. Für die Herstellung von großflächigen Formwerkzeugen, wie beispielsweise einem mehr als 50 Meter langen Boots- oder Flugzeugrumpf oder einem Gebäudeteil, besteht die Möglichkeit, einen beweglichen Industrieroboter normaler Größe einzusetzen, der nach Fertigstellung eines Teilbereichs in Längsrichtung und/oder in der Höhe neu positioniert und neu initialisiert wird, um anschließend einen folgenden Teilbereich herzustellen.
Grundsätzlich muss der Industrieroboter über die Düsen nur zwei verschiedene Werkstoffe applizieren können, nämlich einen Werkstoff für die Formwand und die Rückwand und einen zweiten Werkstoff für die Füllung des Wandzwischenraums. Der Roboterarm kann zwei, drei oder mehr Armsegmente aufweisen, die durch Gelenke miteinander verbunden sind.
Industrieroboter sind Serienprodukte, die relativ preiswert erhältlich sind. Sie sind ferner in der Lage, formbeschreibende Datensätze zu verarbeiten. Manuelle Arbeiten zur Herstellung des Formteiles werden auf ein Minimum reduziert. Die Arbeits- und Materialkoten zur Herstellung eines Formteiles sind präzise vorhersagbar. Grundsätzlich werden die verfügbaren Industrieroboter nicht ohne Modifizierung für die Herstellung de Formteile auskommen können. Es müssen z. B. Düsenaggrate sowie Werkstoffvorratsbehälter und Werkstoffzufuhr konstruiert und montiert werden.
Vorzugsweise sind jeweils mehrere Düsen zur Ausgabe eines Werkstoffes vorgesehen. Alternativ oder ergänzend kann die Form der Düse für einen Werkstoff automatisch verändert werden, um beispielsweise die Öffnungsweite der Düse zu vergrößern oder zu verkleinern. Auf diese Weise können sowohl die Aufbaugeschwindigkeit als auch die Form gezielt beeinflusst werden. Beim Einsatz mehrerer Düsen, einer weiten Düsenöffnung oder einer in der Form automatisch veränderbaren Düse kann das Formteil relativ schnell aufgebaut werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Roboterarm mindestens ein Teleskopelement auf. Hierdurch wird die Reichweite des Roboterarmes erhöht und der Arbeitsraum vergrößert.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung, d. h. ist der Industrieroboter verschiebbar, insbesondere fahrbar ausgebildet. Der Industrieroboter ist beispielsweise auf in jede Richtung schwenkbaren Rädern oder auf einem Elektromagnetplatten-System beweglich angeordnet, so dass jeder Montageort in einer Fertigungshalle erreicht werden kann. Ferner kann durch die Verfahrbarkeit der Herstellungsvorrichtung, also des Industrieroboters, ein umfahrbarer Arbeitsraum geschaffen werden, innerhalb dessen jeder geometrische Ort von der Düse an dem Roboterarm erreicht werden kann. Alternativ ist der Wagen mit dem Formteil auf Schienen in x-Achse beweglich. Die Herstellungsvorrichtung ist dann fest an einer ortsfesten Basis montiert. Bei Formteilen, die größer sind als der Arbeitsraum des Roboterarms, wird der Wagen in x-Achse neu positioniert und arretiert. Der Vorgang kann wiederholt werden.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Abtastvorrichtung zur räumlichen Erfassung der Formwand auf. Die Abtastvorrichtung wird zur Kontrolle des Roboterarmes bzw. der Düse und zur Kontrolle der Form der Formwand eingesetzt. Die Abtastvorrichtung kann berührungslos, also beispielsweise optisch oder akustisch arbeiten, kann jedoch auch in Bezug auf die Formwand mechanisch arbeiten.
Die Abtastvorrichtung wird durch einen mobilen Laser Tracker gebildet. Ferner sind im Raum feste Referenz-Spiegelreflektoren zur Initialisierung des mobilen Laser Trackers vorgesehen, wobei weitere Spiegelreflektoren an der Herstellungsvorrichtung montiert sind, durch die die Position der Herstellungsvorrichtung erfassbar ist.
Gemäß einem nebengeordneten Patentanspruch weist ein Formteil großer Abmessungen auf:
eine Formwand aus einem Formwand-Werkstoff
eine Rückwand aus einem Rückwand-Werkstoff, wobei die Rückwand beabstandet zu der Formwand ist, und
eine Zwischenrauumfüllung aus einem Füllungs-Werkstoff in dem Wandzwischenraum zwischen der Formwand und der Rückwand, wobei der Füllungs-Werkstoff nicht identisch mit dem Formwand-Werkstoffes ist.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert:
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formteiles mit einer Formwand und eine Rückwand,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formteiles,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Module eines modulweise aufgebautem Formteiles im Querschnitt, und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Module eines modulweise ausgebildeten Formteiles.
In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Formteiles 10 mit großen Abmessungen dargestellt, das vorliegend ein Formwerkzeug ist. Mit diesem Formteil 10 wird ein Funktions-Fertigformteil hergestellt.
Das Formteil 10 weist eine Formwand 12, eine Rückwand 14 und dazwischen eine Zwischenraumfüllung 16 auf.
Das Formteil steht auf einem Wagen 18, so dass es leicht verfahrbar ist. Der Wagen 18 weist eine Basisplatte 20 auf, an der das Formteil 10 mit einem Befestigungsbolzen 22 befestigt ist. Ferner ist eine Stütze 24 vorgesehen, die mit einem Befestigungsbolzen 26 an der Basisplatte 20 befestigt ist und einen Überhang 29 des Formteiles 10 gegen Verkippen abstützt.
Das in der 2 dargestellte Formteil 50 ist ähnlich wie das Formteil 10 der 1 aufgebaut, weist jedoch zwischen der Formwand 12 und der Rückwand 14 zwei Zwischenwände 52, 54 auf, die zwei weitere Wandzwischenräume 56, 58 zu der Formwand 12 bzw. der Rückwand 14 definieren.
Zur Herstellung des Formteiles 10 werden zunächst die Formwand 12 und die Rückwand 14 erzeugt. Gleichzeitig oder anschließend werden seitlich die Formwand 12 und die Rückwand 14 verbindende Abschlusswände erzeugt, die nicht dargestellt sind. Die Erzeugung der Wände erfolgt durch Werkstoffausgabe aus einer Düse an einem steuerbaren angetriebenen Roboterarm einer Herstellungsvorrichtung. Die Düse kann einen runden, halbrunden oder rechteckigen Öffnungsquerschnitt aufweisen. Die Düse lässt sich über den Roboterarm durch eine CNC-Steuerung beliebig in der x, y, und z-Achse verstellen, sowie um zwei oder drei der genannten Achsen drehen. Es können auch zwei oder mehr Düsen nebeneinander angeordnet sein und auf diese Weise einen Düsenkamm bilden. Der Abstand der Düsen zueinander lässt sich ebenfalls durch die Steuerung verstellen. Durch zwei Düsen können beispielsweise synchron die Formwand 12 und die Rückwand 14 aufgebaut werden. Die beiden oder eine Vielzahl an Düsen können jedoch auch dazu verwendet werden, in einem Arbeitsgang eine Formwand mit größerer Dicke aufzubauen.
Die Steuerung des Materialauftrages durch die Düse bzw. die Düsen, erfolgt mir Hilfe von Konstruktionsdaten, die die Dicke des Formteiles 10 und die genaue Form der Formwand 12 wiedergeben, und in einer Steuerung verarbeitet werden. Die Formwand 12 wird exakt nach den durch die Konstruktionsdaten definierten Form gebildet. Die Rückwand muss dieser Form nicht streng folgen.
Als Formwand-Werkstoff und Rückwand-Werkstoff können beispielsweise Hartgips der Klasse IV, Zement oder ein schnellhärtender Kunststoff, wie zum Beispiel Polyurethan, Acryl-, Epoxid- oder Polyestherharz mit thixotroper Eigenschaft verwendet werden. Die Formwand und die Rückwand werden Lage für Lage mit einer Stärke von jeweils mehreren Zehntel-Millimetern bis mehreren Millimetern oder mehreren Zentimetern aufgetragen. Bei der Rückwand, den Abschlusswänden und ggf. den Zwischenwänden erfolgt der Aufbau grober, schneller, mit weniger Datensätzen und mit größeren Düsen, als bei der Formwand 12, beispielweise mit 5 mm Auflösung. Der aus der bzw. den Düsen austretende Werkstoff ist pastös. Ein Beispiel von einer Formwand feinerer Auflösung ist in 4 zu sehen.
Als Werkstoff für das Formteil kommt auch ein niedrig schmelzendes Metall, zum Beispiel Zinn oder eine Metalllegierung, beispielsweise eine Zinn- oder Bleilegierung in Frage. Das Metall liegt in Form eines aufgespulten Drahtes vor. Der Draht passiert ein beheiztes Rohr zu Vorerwärmung und wird kurz vor dem Aufbringen mit einem Heißluftgebläse oder einem anderen Erwärmungsverfahren, z. B. einem Lötkolben, auf Schmelztemperatur erwärmt und anschließend mit geringem Druck auf die vorherige Schicht aufgetragen. Nach dem Aufragen erstarrt das Metall und behält seine Form bei. Das Formteil 10 der 1 besteht in diesem Verfahrensstadium also aus der Formwand 12 und der Rückwand 14, die zwischen sich einen Wandzwischenraum 13 bilden.
Das Formteil 50 der 2 wird analog aufgebaut, d. h. zunächst werden die Formwand 12, die beiden Zwischenwände 52, 54, und die Rückwand 14 bis zu einer gewissen Höhe aufgebaut. Gleichzeitig oder anschließend werden an beiden Seiten Abschlusswände gebildet.
In einem zweiten Arbeitsgang wird der Wandzwischenraum 13 mit einem flüssigem Füllungs-Werkstoff aufgefüllt und auf diese Weise ein Höhenzug des Formteiles fertiggestellt. Hierzu wird der Füllungswerkstoff mittels des durch Konstruktionsdaten gesteuerten Roboters und der Düse zur Ausgabe des Füllungs-Werkstoffes zwischen die Formwand 12 und die Rückwand 14 eingefüllt, wo der Füllungs-Werkstoff aushärtet und dabei gleichzeitig eine stoffschlüssige, eine formschlüssige und/oder eine kraftschlüssige Verbindung mit der Formwand 12 und der Rückwand 14 eingeht. Das Gießen der auf diese Weise erzeugten Zwischenraumfüllung 16 führt zu einem großen Zeitgewinn beim Aufbau der Dicke des Formteils 10 gegenüber konventionellen Verfahren, wie Fused-Deposition-Modeling oder Multi-Jet-Modeling Verfahren, bei denen die gesamte Dicke in einem Rastermaß von beispielsweise 0,25 mm erzeugt wird.
Der Füllungs-Werkstoff kann aus verschiedenen und bei Zimmertemperatur aushärtenden Materialien bestehen, beispielsweise aus Hartgips der Klasse IV, Zement, Beton, Polyurethan-, Acryl-, Epoxid- oder Polyestherharz, expandierendem Schaum, Metall oder Metallschaum.
Es ist auf diese Weise möglich, eine Formwand mit einer Formwand-Stärke von 20 mm bis zu mehreren 100 mm zügig herzustellen.
Wenn das Formteil 50 zwischen der Formwand 12 und der Rückwand 14 eine, zwei oder mehrere Zwischenwände 52, 54 aufweist, wie in 2 dargestellt, können die Wandzwischenräume 56, 13, 58, mit verschiedenen Füllungs-Werkstoffen aufgefüllt sein. Beispielsweise kann der Füllungswerkstoff zwischen der Formwand 12 und der ihr zugeordneten Zwischenwand 52 sowie der Wandzwischenraum 58 zwischen der Rückwand 14 und der ihr zugeordneten Zwischenwand 54 zusätzlich zu den oben genannten Grund-Werkstoffen mit Füllstoff aufgefüllt sein, beispielsweise mit Glashohlkugeln, Glas- oder Kohlefasern, Baumwollflocken, Alugrieß oder ähnlichen Materialien. Auf diese Weise können auch für die Zwischenraumfüllungen 60, 16, 62 jeweils spezifische Eigenschaften eingestellt werden, beispielsweise eine hohe Bruchfestigkeit, geringes Gewicht, hohe Wärmeleitfähigkeit u. ä..
Die Herstellung des Formteiles kann so koordiniert werden, dass der Aufbau der Wände 12, 14, 52, 54 und der Aufbau der Zwischenraumfüllungen 60, 16, 62 parallel fortschreiten, wobei der Aufbau der Zwischenraumfüllungen 60, 16, 62 zeitlich so gegen den Aufbau der Wände 12, 14, 52, 54 versetzt ist, dass die Wände 12, 14, 52, 54 stets ausreichend Zeit haben, soweit auszuhärten, dass beim Einfüllen und Aushärten des Füllungs-Werkstoffes in die Wandzwischenräume 13, 56, 58 die Wände 12, 14, 52, 54 nicht verformt werden.
Bei ungünstiger Schwerpunktlage kann das Formteil 10, 50 durch einen Befestigungsbolzen 22 an der Basisplatte 20 gegen Kippen stabilisiert werden. Um die Verankerung des Befestigungsbolzens in dem Formteil 10 zu verbessern, kann die Sohle des Wandzwischenraumes 13 mit einer Sohlenfüllung 31 gefüllt sein, die eine sichere Verankerung des Befestigungsbolzens 22 in dem Formteil 10 sicherstellt. Auch die Formteil-Sohlenfüllung 31 wird in der beschriebenen Weise durch Einfüllen eines fließfähigen Sohlen-Werkstoffes erzeugt, in den der Befestigungsbolzen 22 mit eingegossen wird. Der bzw. die Befestigungsbolzen 22 sind Schraubbolzen und lassen sich nach Beendigung der Formteil-Herstellung mit entsprechenden Werkzeugen aus der Sohlenfüllung 31 herausschrauben, um das Formteil zu lösen.
Bei sehr ungünstiger Schwerpunktlage wird das Formteil 10 durch eine Stütze 24 abgestützt. Die Stütze 24 wird in gleicher Weise hergestellt, wie das Formteil 10. Die Stütze 24 weist doppelwandig verstärkte Wände 34, 36 auf. Auch die Formwand 12 und/oder die Rückwand 14 kann doppelwandig verstärkt ausgebildet sein. An der Auflagefläche zwischen dem Formteil 10 und der Stütze 24 ist Trennwachs 30 vorgesehen, um die Trennung der Stütze 24 von dem Formteil 10 nach der Fertigstellung des Formteiles 10 zu erleichtern.
Der Aufbau der Stützen 24 kann, ebenso wie der Aufbau des Formteiles 10, jeweils aus mehreren geschlossenen Modulen bestehen. Die Module können mit den gleichen Werkstoffen für die Formwand, für die Rückwand und die Zwischenraumfüllung hergestellt sein, können jedoch auch jeweils oder teilweise aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein. Die Stützen stehen in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen zueinander. Die Stütze 24 ist durch einen Befestigungsbolzen 26 an der Basisplatte 20 in gleicher Weise fixiert, wie das Formteil 10. Als Stütze können alternativ oder ergänzend auch vorgefertigte Stützelemente aus geeigneten Materialien verwendet werden, beispielsweise aus Hartschaum.
Bei der Verwendung von vorgefertigten Stützen wird z. B. der Bereich der Auflagefläche in gleicher Weise hergestellt wie das Formteil 10. Eine genaue Anpassung der Auflagefläche zu der Formwand wird durch das seitliche Einspritzen von flüssigem Gips durch ein Durchgangsloch am oberen Rand der Stütze erreicht, so dass sich die Stütze genau an die Konturen der dreidimensionalen Formwand anpasst.
Die äußere Oberfläche der schnell aushärtenden Formwand kann noch während des vertikalen Aufbaus des Formteiles auf Sollmaß gefräst werden. Dies kann selbstverständlich auch erst nach der vollständigen Fertigstellung des Formteiles 10 erfolgen. Die äußere Oberfläche 11 der Formwand 12 wird anschließend in an sich bekannter Weise egalisiert und versiegelt.
Durch das beschriebene Verfahren zur Herstellung des Formteiles 10 großer Abmessungen wird der Arbeits- und Zeitaufwand gegenüber herkömmlichen Verfahren erheblich reduziert und berechenbarer. Es sind wenige Arbeitsgänge erforderlich, die sich relativ genau im Voraus planen lassen. Die Materialkosten sind verhältnismäßig gering, und der Materialbedarf lässt sich relativ genau vorhersagen. Das Verfahren ist unabhängig von handwerklicher Erfahrung und führt zu reproduzierbarer hoher Qualität. Die verwendeten Werkstoffe können bezüglich ihrer mechanischen, chemischen und verfahrensrelevanten Eigenschaften ausgewählt bzw. definiert werden. Die üblicherweise verwendbaren Materialien, beispielsweise Hartgips, sind preiswert erhältlich und problemlos zu entsorgen.
Ein Formteil, das beispielsweise ausschließlich aus verschiedenen Hartgips-Werkstoffen hergestellt ist, lässt sich problemlos zur Entsorgung zerkleinern und zermahlen. Beim Aufbau des Formteiles in mehreren Modulen kann das sperrige Formteil zur kompakten Lagerung modulweise zerlegt werden und auf diese Weise beispielsweise in genormten Transportcontainern transportiert werden.
Der Umfang der Datensätze zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist relativ gering, da engmaschige Datensätze nur zur Definition der Formwand 12 erforderlich sind. Zur Beschreibung der Rückwand 14 reichen bereits weitmaschigere Datensätze aus. Für die Zwischenraumfüllung 16 sind nur noch sehr kleine Datensätze erforderlich. Das Verfahren kann kontinuierlich abwechselnd zwischen dem Aufbau der Formwand 12 und der Rückwand 14 einerseits und dem Auffüllen des Wandzwischenraumes mit dem Füllungswerkstoff abwechseln. Der Aufbau eines weiteren Höhenzuges erfolgt stets erst nach Aushärtung des darunter liegenden Höhenzuges. Auf diese Weise wird eine Stützstruktur entbehrlich.
Der Auftrag des Formwand-Werkstoffes und des Rückwandwerkstoffes erfolgt durch jeweils eine oder mehrere Düsen. Bei Auftrag durch eine Anordnung von mehreren Düsen können diese in einer Art Kammstruktur parallel in einer Reihe zueinander angeordnet sein. Die Werkstoffbereitstellung, -Mischung, -Zufuhr und -Aufbringung erfolgen rechnergesteuert, wobei der geometrische Ausbringungsverlauf, die Geschwindigkeit und die Menge derart koordiniert werden, dass die Formgenauigkeit, Aushärtung, sowie der Stoff-, Kraft-, und Formschluss der einzelnen Werkstofflagen optimiert sind. Hierdurch kann ein massiver oder auch teilmassiver Aufbau der Zwischenraumfüllung 16 realisiert werden. Beim teilmassiven Aufbau können Hohlräume frei gestaltbarer Lage und Größe in der Zwischenraumfüllung vorgesehen werden.
Zur Stabilisierung und zur Steigerung der Festigkeit des Formteils kann insbesondere die Zwischenraumfüllung mit Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) verstärkt werden. Als Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) können beispielsweise mit Laminierharz imprägnierte Glas- oder Kohlefaserstränge aufgebaut werden, die auf einem angehärteten Höhenzug der Zwischenraumfüllung aufgelegt werden und von dem nächsten aufgetragenen Höhenzug der Zwischenraumfüllung überdeckt und eingeschlossen werden. Auch die Formwand 12 und/oder die Rückwand 14 kann auf diese Weise mit Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) in bekannter Weise auflaminiert und auf diese Weise selbst erheblich verfestigt werden.
Bei Einsatz eines Düsenkamms mehrerer Düsen kann jede einzelne Düse getrennt mit Werkstoff versorgt werden. Jede Düse kann gezielt geöffnet und geschlossen werden. Auf diese Weise kann insbesondere die Formwand mit verschiedenen Formwand-Stärken und verschiedenen Formwand-Werkstoffen hergestellt werden.
Die Vorrichtung zur Herstellung des Formteiles 10, 50, also der Industrieroboter, kann so angesteuert und programmiert sein, dass die Formwand 12 mit einer sehr kleinen Auflösung von beispielsweise 0,25 mm gebildet wird, während die übrigen Wände 14, 52, 54 mit einer groberen Auflösung von beispielsweise 5,0 mm oder grober gebildet werden. Die Formwand kann, je nach Anforderungen an die Formwand, auf einem anderen Werkstoff gebildet werden, als die übrigen Wände 14, 52, 54. Beispielsweise kann die Formwand 12 aus Metal oder Kunststoff gebildet werden, während die übrigen Wände 14, 52, 54 aus Hartgips oder Zement gebildet werden.
Ferner kann die Öffnungsweite der Düse und die Form der Düse durch die Steuerung des Industrieroboters verändert werden, um auf diese Weise Einfluss zu nehmen auf die Werkstoffflussmenge, die Kontur der Wände etc.
Alternativ zu der in den 1 und 2 dargestellten einteiligen Ausführung kann das Formteil auch aus mehreren Modulen zusammen gesetzt sein. Jedes Modul wird auf die oben beschriebene Weise hergestellt. Hierzu wird beispielsweise ein Teilbereich der x-Achse, das ist die Länge der Formteiles, in der y-Achse, das ist die Tiefe des Formteiles, und der z-Achse, das ist die Höhe des Formteiles, vollständig aufgebaut. Dann wird der Wagen in der x-Achse neu positioniert und mit Hilfe bekannter Referenzpunkte neu initialisiert. Unmittelbar benachbart an das erste Modul wird das folgende Modul über den nächsten Teilbereich in der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse vollständig aufgebaut. Dieser Vorgang wird so häufig wiederholt, bis das Formteil vollendet ist.
Die Verbindung zwischen den benachbarten Modulen wird beispielsweise durch Passstifte und Bohrungen oder Nasen und Ausnehmungen benachbarter Modulseiten realisiert, wie in den 3 und 4 dargestellt. Hierdurch wird eine versatzfreie und reproduzierbar genaue Montage der einzelnen Module zu dem kompletten Formteil sichergestellt.
Das Formteil kann alternativ oder ergänzend auch in der z-Achse, also über die Höhe modulweise aufgeteilt sein, beispielsweise bei sehr großen Formteilen, die modulweise in einen standardisierten Transportcontainer passen sollen. Hierbei werden die Module zunächst in der z-Achse aufgebaut, anschließend in der x-Achse verschoben und neu positioniert, und erneut die übereinander liegenden Module in der z-Achse aufgebaut. Dieser Vorgang wird so häufig wiederholt, bis das Formteil vollständig fertiggestellt ist.
In den 3 und 4 ist die Befestigung zweier in der Z-Achse übereinander angeordneter Module 10₁ , 10₂ ; 50₁ , 50₂ dargestellt.
Die Verbindung kann durch einen Befestigungsbolzen 64 und Passstifte 63 erfolgen, wie in 3 dargestellt. Hierfür genügen in der Regel die Ausbildung weitgehend ebener Stoßflächen 66, 68 der beiden Module 10₁ 10₂ . Die Passstifte 63 weisen einen zylindrischen Teil auf, der fest verankert in dem einem Modul 10₁ ist, und ein leicht konischen Abschnitt auf, der in einer entsprechenden konischen Ausnehmung 70 spielfrei steckt.
Der zylindrische Teil der Passstifte 63 ist in entsprechenden Bohrlöchern des unteren Modules 10₁ verklebt oder eingepresst. Der zuvor mit einem Trennmittel beschichtete bzw. benetzte konische Teil des Passstiftes 63 wird durch den Füllungs-Werkstoff der Zwischenraumfüllung 16 des oberen Modules umgossen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Module 10₁ , 10₂ auch nach mehrfacher Trennung der Module 10₁ , 10₂ noch exakt zueinander positioniert und zusammengebaut werden können.
Die Module 10₁, 10₂ werden durch den Befestigungsbolzen 64 miteinander verbunden, der in entsprechenden Bolzenbohrungen 72, 73 der beiden Module 10₁ , 10₂ sitzt. Die beiden Längsenden des Befestigungsbolzens 64 sind durch entsprechende Ausnehmungen 74, 75 in den Modulen 10₁ , 10₂ zugänglich. Die beiden Enden des Befestigungsbolzens 64 werden durch entsprechende kraftverteilende Scheiben 76 und Gewindemuttern 77 verschraubt.
In 4 ist eine zweite Ausführungsform der Modulverbindung dargestellt. Die exakte Positionierung der beiden Module 50₁ , 50₂ zueinander wird durch eine keilförmige Nase 80 einerseits und eine entsprechende hohlkeilförmige Ausnehmung 82 andererseits hergestellt. Die Verbindung kann selbstverständlich auch durch Passstifte ergänzt werden.
Zur Herstellung der Keil-Verbindung wird bei dem unteren Modul 50₁ die Oberseite 84 unter Ausbildung einer oder mehrerer in Längsrichtung verlaufender Ausnehmungen 82 geformt. Die Ausnehmung 82 kann durch materialabhebende Bearbeitung geglättet werden. Anschließend wird das obere Modul 50₂ unter Bildung der Nase 80 aus der Zwischenraumfüllung 16 gebildet.
Bei zueinander seitlich benachbarten Modulen werden diese in gleicher Weise miteinander verbunden.
Für die bessere Handhabung der Module können an ihrer Oberseite jeweils entsprechende Vorrichtungen vorgesehen sein. Beispielsweise können in die Zwischenraumfüllung 16 an der Oberseite zwei Transportösen eingegossen sein, wobei die Transportösen selbst in einer Vertiefung sitzen und nicht aus der Kontur des betreffenden Modules herausragen. Die Vertiefung wird durch eine Schutzkappe verschlossen, um bei der Herstellung des folgenden Moduls ein Einschließen von Füllungswerkstoff in den Ösenhohlraum zu vermeiden.
Bei der Fertigstellung eines vorangegangenen Moduls und bei der Neupositionierung des Wagens in der x-Achse können an der seitlichen Stirnseiten der Module versenkte Befestigungsbeschläge, beispielweise mit einem Gewinde versehene Metallplatten, zur späteren Verbindung der einzelnen Module miteinander manuell angebracht werden. Die gesamte Stirnfläche wird jeweils mit einem Trennmittel 30 beschichtet, um ein Verkleben zweier benachbarter Module miteinander zu verhindern. Dies erfolgt manuell zügig durch Aufpinseln oder mit Hilfe einer Spritzpistole. Der Vorgang muss nicht CNC gesteuert sein. In z-Achsen-Richtung muss ggf. der Aufbau einer oder mehrerer Modul-Säulen gegen Verkippen eines nicht befestigten Moduls abgestützt werden. Die Größe der einzelnen Module kann beliebig gewählt werden und wird sinnvoller Weise je nach Formgebung des Formteiles gewählt. Die übereinander stehenden Module einer Säule sollten in der x-Achse die gleiche Länge aufweisen.
Die Herstellungsvorrichtung ist fahrbar ausgestaltet. Auf diese Weise kann die Herstellungsvorrichtung problemlos an jeden Ort einer Fertigungshalle oder eines anderen Raumes verfahren werden derart, dass ein umfahrbarer Arbeitsraum definiert wird, innerhalb dessen jeder geometrische Ort von den Düsen der Herstellungsvorrichtung erreicht werden kann. Zum Formenbau wird die Herstellungsvorrichtung am Formenbauort fixiert. Die Fixierung kann durch ausfahrbare Stützen direkt auf dem Boden erfolgen. Alternativ oder ergänzend können Passstifte des Herstellungs-Wagens in entsprechende Ausnehmungen des Bodens gesteckt werden. Es können auch andere Fixierelemente zur Fixierung des Herstellungsvorrichtungs-Wagens am Boden vorgesehen sein. Der Boden einer Fertigungshalle kann beispielsweise in Form eines Rasters mit entsprechenden Fixierelementen versehen sein.
In der Fertigungshalle kann auch ein fest eingebautes Balken- oder Plattensystem mit einer Nut angeordnet sein, in der Führungsstifte des Herstellungsvorrichtungs-Wagens geführt werden. In den Hallenboden sind elektronische Leitsysteme integriert, die eine genaue Positionsbestimmung und Positionierung des Herstellungsvorrichtungs-Wagens ermöglichen. Der Herstellungsvorrichtungs-Wagen kann zur Erhöhung der Beweglichkeit auf einem Elektromagneten gelagert werden. Beim Umpolen des Elektromagneten bildet sich ein Luftspalt und der Herstellungsvorrichtungs-Wagen kann bewegt werden. Beim Zurückpolen wird der Herstellungsvorrichtungs-Wagen fest am Metall-Boden magnetisch fixiert. Nach der Fixierung und vor dem Beginn der folgenden Produktionsschritte wird die exakte Position der Herstellungsvorrichtung anhand von Referenzpunkten bestimmt.
Die Herstellungs-Vorrichtung weist einen Roboterarm mit zwei, drei oder mehr Armsegmenten auf, die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Die Armsegmente sind auf der einen Seite an einer ortsfesten Basis- und Steuereinheit mittels eines Gelenks beweglich montiert, an dessen anderem Ende die Düsen und/oder Fräseinheit mittels eines weiteren Gelenks beweglich angeordnet ist. Der Roboterarm ist mit bevorzugt elektrischen Antriebseinheiten ausgestattet, die Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden des Raums erlauben, derart, dass die Düsenöffnung bzw. die Fräseinheit jeden geometrischen Ort des Arbeitsbereichs aus der Raumrichtung kommend anfahren kann, die für die Fertigung des Formteiles erforderlich ist.
Ein sehr langer Roboterarm kann zu einer unpräzisen Führung der Düsen und/oder der Fräseinheit führen. Um dies zu vermeiden, ist die Herstellungsvorrichtung hybrid aufgebaut. Die gesamte Herstellungsvorrichtung wird beispielsweise auf einem Motorfahrzeug mit einem beweglichen Teleskoparm, der zwei, drei oder mehr Armsegmente aufweist, mittels einer Drehscheibe drehbar montiert. An dem anderen Ende des Teleskoparms ist ein beweglicher Roboterarm mit zwei, drei oder mehr Armsegmenten vorgesehen, die durch Gelenke miteinander verbunden sind, wobei an dem letzten Armsegment die Düsen- oder Fräseinheit montiert ist.
Zum Aufbau eines Formteils wird das Fahrzeug am Zielort statisch fixiert. Dies kann durch ausfahrbare Stützen erfolgen oder durch andere Arretiervorrichtungen. Der Teleskoparm wird so nah wie möglich an das Formteil herangefahren und dort fest arretiert. Auf diese Weise wird für die Herstellungsvorrichtung ein umfahrbarer Arbeitsraum definiert. Der Gelenkarm ist mit elektrischen Antriebseinheiten ausgerüstet, die Bewegungen in allen fünf Freiheitsgraden des Raumes erlauben, so dass die Austrittsöffnungen der Düsen bzw. der Fräseinheit jeden geometrischen Ort des Arbeitsbereichs, der für die Herstellung des Formteiles erforderlich ist, dynamisch und fortlaufend erreichen kann.
Die Herstellungs-Vorrichtung kann einen waagrecht beweglichen und ineinander verschiebbaren Teleskoparm mit zwei, drei oder mehr Armsegmenten aufweisen, an dessen Ende die Düsen oder Fräseinheit gelenkig befestigt ist. Der Teleskoparm ist auf einer senkrechten Säule montiert und die gesamte Vorrichtung ist auf einem in der Waagerechten beweglichen Schlitten befestigt. Die Herstellungsvorrichtung kann auch, wie bereits oben exemplarisch beschrieben, hybrid ausgebildet sein.
Der Aufbau des Formteiles erfolgt rechnergesteuert beispielsweise über STL-Datensätze oder VRML-Datensätze. Die den jeweiligen Werkstoff ausbringenden Düsen werden durch Bewegungen der Gelenkarme entlang der jeweils zu fertigenden Schichten des Formteiles geführt. Die STL-Datensätze geben die Sollposition vor, wodurch die Antriebs- und Stellmotoren der Roboterarme und -Gelenke in technisch bekannter Weise gesteuert werden.
Es ist für eine genaue Fertigung des Formteiles erforderlich, die tatsächliche Position der Düsen- oder Fräseinheit einerseits und die genaue tatsächliche Form und Kontur des Formteiles zu bestimmen. Ferner ist es nützlich, die jeweils aufgebrachte Schichtdicke andererseits zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist eine Abtastvorrichtung vorgesehen, die in Bezug auf das zu fertigende Formteil ortsfest ist. Die Abtastvorrichtung arbeitet berührungslos optisch. Auch eine mechanische Abtastung ist alternativ oder ergänzend möglich.
Als Abtastvorrichtung sind mit Laser arbeitende Totalstationen und Digital Tracker mit eingebautem Absolutdistanz-Messer (ADM) besonders geeignet. Formwand, Rückwand, Abschlusswände und Zwischenwände können reflektierende Füllstoffe enthalten. Sie ermöglichen eine genauere und zuverlässigere Lasermessung des Digital Trackers. Die Daten können fortlaufend, und insbesondere bei großen Strecken, über Funk gesendet werden, und können hybrid mit GPS oder ähnlichem Positionsbestimmungs-Systemen zusammen arbeiten. Der Laser Tracker wird in der Nähe der Herstellungsvorrichtung frei positioniert und durch das Anmessen im Raum fest platzierter Referenzspiegelreflektoren im Raumkoordinaten-System initialisiert. Mit Hilfe der reflektierenden Lichtwellen kann die Entfernung zwischen dem Laser Tracker und dem mobilen Spiegelreflektor an der Herstellungsvorrichtung bestimmt werden. Zusätzlich werden der horizontale und vertikale Winkel zwischen dem Laser Tracker und dem Spiegelreflektor der Herstellungsvorrichtung bestimmt. Mit Hilfe dieser Angaben kann nun die genaue Position x, y und z der Düsen- und Fräseinheit bestimmt werden. Durch diese Anordnung ist der Laser Tracker in der Lage, zu erkennen, ob und wann sich der Spiegelreflektor der Herstellungsvorrichtung bewegt. Es können mehrere Spiegelreflektoren an verschiedenen Stellen der Herstellungsvorrichtung so angeordnet sein, dass, wenn die reflektierenden Lichtwellen des Laser Trackers wegen eines während des Arbeitsprozesses verdeckten Spiegelreflektors unterbrochen sind, dieser von einem anderen nicht verdeckten Spiegelreflektor ersetzt wird. Der Laser Tracker kann mit der Fähigkeit einer Kamera kombiniert werden und in Verbindung mit Photogrammetrie über Leuchtdioden den Ist-Wert des fertigen Formteils im Raum erfassen. Aus den Messdaten werden in dem angeschlossenen Rechner online jeweils die tatsächliche Position der betreffenden Düse und die tatsächliche Form und Kontur des entstehenden Formteiles bestimmt, und mit den Sollwerten verglichen. Ggf. wird die Position der Düsen korrigiert oder das Formteil durch weiteren Materialauftrag ergänzt oder Material durch einen Walzenfräser korrigierend abgetragen. Die Geschwindigkeit der Messung des Laser Trackers ggf. in Verbindung mit der Kamera, die Geschwindigkeit der Istwert-Berechnung und die Geschwindigkeit der Materialausbringung sind derart zeitlich aufeinander abgestimmt, dass Korrekturen der Positionen der Düsen oder der Einsatz des korrigierenden Walzenfräsers oder der Fräseinheit möglich sind.
Die Lasereinheiten und ggf. die Kameras können an verschiedenen Positionen montiert werden, beispielsweise an der Decke, an den Wänden oder an einem mobilen Ständer. Dadurch können die Kameras oder die Lasermesseinheiten jeweils optimal für die vorzunehmenden Messungen im Bezug auf das herzustellende Formteil positioniert werden. Die Lasermesseinheiten, ggf. die Kameras oder die Abtast-Messvorrichtung können auch an dem Wagen befestigt werden, auf dem das Formteil errichtet wird. Da die Abtastvorrichtung dem Formteil dann relativ nahe ist, ist die Positions- und Konturbestimmung sehr genau.
Es kann vorgesehen sein, eine Positionsbestimmung des Formteiles durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch GPS, DGPS oder ähnliche Systeme, z. B. Glonass oder Galileo vorzunehmen. Hierzu ist ein entsprechendes Navigationssystem vorgesehen.
Das 3D-Bildaufnahmesystem, das Lasermesssystem, die Abtast-Messvorrichtung, die Ultraschall-Messvorrichtung und/oder das GPS können miteinander hybrid kombiniert werden.
Das hier geschilderte Herstellungsverfahren kann auch auf andern Gebieten eingesetzt werden, z. B. im Bauwesen und Tiefbauwesen oder zur Herstellung von Wohn- oder Industriegebäuden.
Ein Staudamm könnte so zusammengesetzt sein: Die Formwand 12 und die Rückwand 14 werden in einer Auflösung von z. B: 2 cm mit einem speziellen Zement aufgetragen. Die Eigenschaften des Werkstoffs werden je nach Anforderung ausgewählt, z. B. abhängig davon, ob die Wandfläche mit Wasser ständig in Berührung steht. Die Rückwand 14 sollte genauso präzise wie die Formwand 12 aufgelöst sein, da sie hier eine Funktion übernimmt. Zwischen der Formwand 12 und der Rückwand 14 werden zwei weitere Zwischenwände im Abstand von mehreren Zentimetern aufgebaut und mit geeignetem Werkstoff ausgefüllt. Dies kann Zement oder Kunststoff sein.
Der Verbund des vorderen und hinteren Teils dient zur Verstärkung, um den enormen Druck des Höhenzuges der Beton-Zwischenfüllung 16 und deren Verdichtung aufzufangen und kann mehrere Zentimeter betragen. Zur Vermeidung des Verkippens des vorderen und hinteren Teils des Verbundes während des Füllens und der Verdichtung im Kernbereich können zur Verbesserung des Zusammenhalts oben über die Breite in regelmäßigem Abstand in der x-Achse mehrere Krallen oder Zwingen vorübergehend bis zur Aushärtung befestigt werden. Im Wandzwischenraum, dessen Breite mehrere Meter betragen kann, werden zuvor manuell Stahlskelette zur Verstärkung eingebracht. Es wird Höhenzug für Höhenzug, wie vorstehend beschrieben, aufgebaut. Ein Höhenzug kann mehrere Meter hoch sein, z. B. 5 Meter. Vorteil dieser Konstruktion ist die große Zeitersparnis durch Verzicht auf das Auf- und Abbauen von Schalungen, wie bei jeder herkömmlichen Bauweise. Beim neuen Positionieren der Herstellungsvorrichtung wird jedes Mal neu initialisiert, um so den Standort der Herstellungsvorrichtung im Koordinatensystem in Abstimmung mit den Projektdaten festzulegen.
Ein Wohn- oder Industriegebäude könnte so zusammengesetzt sein: Die Formwand 12 (Außenseite) und die Rückwand 14 (Innenseite) werden in einer Auflösung von z. B. 1 cm aufgetragen. Die Eigenschaften des Werkstoffes der Außenwand aus Zement sind nach Bedarf einstellbar, z. B. eine bestimmte Durchfärbung oder, wenn die Wandfläche mit Wasser in Berührung steht, wasserdicht und fest. Die Rückwand 14 muss genauso präzise wie die Formwand 12 sein, da sie hier eine Funktion übernimmt. Die Eigenschaften des Werkstoffes, das die Innenwand des Gebäudes darstellt, können auch aus Gips sein, um Tapeten oder einen Anstrich aufzunehmen. Die Innenwand kann aus Kunststoff sein und steht im Abstand von z. B. 3 mm von der Außenwand. Sie wird mit einem flüssigen Kunststoff oder einem metallhaltigen Kunststoff ausgefüllt und übernimmt die Aufgabe einer Dampfsperre, wie sie auf konventionelle Art in Form und Folien aufgebaut wird.
Zwischen der Innenwand und der Rückwand werden zwei Zwischenwände im Abstand von mehreren Zentimetern aufgebaut, und der entstehende Hohlraum wird mit einem geeignetem Werkstoff ausgefüllt. Dies kann Beton oder ein Kunststoff sein.
Um den Wärmeschutz zu verbessern, kann dem Werkstoff Luft oder Gas einschließende Mikrohohl- Glas/Kunststoff-Kugeln oder zermahlenes Styropor oder Kork beigemischt werden. Der Verbund des vorderen und hinteren Teils dient der Verstärkung, um den hohen Druck des Höhenzuges der Zwischenraumfüllung und ihrer Verdichtung aufzufangen. Im Zwischenraum 13, der mehrere Zentimeter Breite hat, werden zuvor manuell Stahlskelette zur Verstärkung eingebracht. Es wird Höhenzug für Höhenzug, wie oben beschrieben, aufgebaut. Ein Höhenzug kann z. B. die Hälfte der Etagenhöhe, z. B. 1,5 Meter, betragen. Nach Erreichen der ersten Etagenhöhe werden zur Bildung der Decke vorgefertigte Betonblöcke, wie sie heute verwendet werden, eingesetzt. Dann wird der folgende Höhenzug aufgetragen. Der Vorgang kann sich beliebig wiederholen.
Die Dampfsperrenschicht kann auch nach innen oder beidseitig aufgebaut sein. Beim neuen Positionieren der Herstellungsvorrichtung wird jedes Mal neu initialisiert, um so den Standort der Herstellungsvorrichtung im Koordinatensystem in Abstimmung mit den Projektdaten festzulegen.
Während bei dem obengenannten Beispiel der Funktionsteil eines Staudamms aus einem Guß angestrebt wird, kann das Funktionsteil eines Wohn- oder Industriegebäudes in Modulen aufgebaut sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formteiles (10) großer Abmessungen mit den Verfahrensschritten: maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Formwand (12) aus einem fliessfähigen thixotropen Formwand-Werkstoff, maschinelles vertikales schalungsfreies Aufbauen einer Rückwand (14) aus einem fliessfähigem thixotropen Rückwand-Werkstoff horizontal beabstandet zu der Formwand (12), wobei die Formwand (12) mit einer feineren Auflösung als die Rückwand (14) aufgebaut wird, und Auffüllen des Wandzwischenraumes (13) mit einer Zwischenraumfüllung (16) aus einem fließfähigem Füllungs-Werkstoff, sobald die Formwand (12) und die Rückwand (14) angehärtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllungs-Werkstoff verschieden ist von dem Formwand-Werkstoff.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückwand-Werkstoff identisch ist mit dem Formwand-Werkstoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Aufbauen des Formteiles aus mehreren trennbaren Modulen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch vor dem Auffüllen des Wandzwischenraums (13): Aufbau einer Zwischenwand (52, 54) zwischen der Formwand (12) und der Rückwand (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, nach dem Anhärten der Formwand (12): Materialabhebende Bearbeitung der Formwand (12).
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteiles (10) großer Abmessungen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem steuerbaren angetriebenen Roboterarm, mit einer Düse zur Ausgabe des Formwand-Werkstoffes, mit einer Düse zur Ausgabe des Füllungs-Werkstoffes, wobei die Herstellungsvorrichtung verschiebbar ausgebildet ist und eine Arretiervorrichtung zum Fixierung der Herstellungsvorrichtung am Zielort aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung zur räumlichen Erfassung der Herstellungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Abtastvorrichtung von einem mobilen Laser Tracker gebildet wird und im Raum feste Referenz-Spiegelreflektoren zur Initialisierung des mobilen Laser Trackers vorgesehen sind und wobei weitere Spiegelreflektoren an der Herstellungsvorrichtung montiert sind, durch die Position der Herstellungsvorrichtung erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Düsen zur Ausgabe eines Werkstoffes vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung zur räumlichen Erfassung der Düse vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung von einer Messkamera gebildet wird.