DE102007063561A1

DE102007063561A1 - Verfahren und Anordnung zur Erstellung von Bauwerken

Info

Publication number: DE102007063561A1
Application number: DE102007063561A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wiedemann
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2007-12-30
Filing date: 2007-12-30
Publication date: 2009-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung von Bauwerken, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ausbildung einer Schalung (14), wobei aus einem zumindest formbaren und aushärtenden Schalungsmaterial (32) eine erste verfestigte Schalungsform (3) in einer ersten Schaltungsebene (12) auf einer Basis (2) ausgebildet wird, - Einbringen von Bewehrungselementen (4) in einen in der verfestigten Schalungsform (3) vorhandenen Freiraum (11) während der Ausbildung der Schalung (14), wobei wahlweise zweite Bewehrungselemente (5, 6) auch aus dem Freiraum (11) heraus in die Schalung (14) geführt werden, - Warten auf die Verfestigung der ersten Schalungsform (3), - Einfüllen von Baustoff (7) in den Freiraum (11) der verfestigten ersten Schalungsform (3), - Errichtung einer zweiten Schalungsform (8) mit gleicher Schalungshöhe in einer zweiten Schalungsebene (13) in Verbindung zur ersten verfestigten Schalungsform (3) unter Berücksichtigung bereits vorhandener Bewehrungselemente (4, 5, 6) oder Einfügung weiterer Bewehrungselemente in den Freiraum (11) und darüber hinaus, - Warten auf die Verfestigung der zweiten Schaltungsform (8) und Ausbildung einer zweiten Schalungsebene (13) und - Einfüllen von Baustoff (7) in den Freiraum (11) der verfestigten zweiten Schalungsform (8) im Rahmen der Abbindezeit des Baustoffs (7) der vorhergehenden Schalungsebene (12), - eine ständige Wiederholung der nacheinander folgenden Schalungsvorgänge ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erstellung von Bauwerken.
Herkömmliche Bauwerke werden nach wie vor mit der Technik des Übereinanderlegens von Bauelementen oder durch Gießen von Beton in manuell errichtete Schalungen festen Materials, wie Holz, Holzspanplatten oder Isolationsplatten oder mittels des Prinzips der freien Schalung erstellt.
Ein Problem besteht darin, dass nicht nur für die Technik des Übereinanderlegens und Verbindens von Bauelementen, sondern auch für die Schalungsausbildung relativ viele Arbeitskräfte erforderlich sind.
Verfahren und Vorrichtungen zur Errichtung von Bauwerken mittels additiver Herstellung und Formverfertigung (engl. contour-crafting – CC) sind in den Druckschriften US 5,529,471 , US 5,525,230 und US 7,152,454 beschrieben, in denen zwar eine Verminderung des Einsatzes menschlicher Arbeitskräfte angestrebt wird. Der gesamte Entwicklungsprozess ist dabei aber über eine Modellgestaltung bisher nicht hinausgegangen. Beim CC-Verfahren erfolgt ein schichtweises Auftragen von flüssigem Beton mit einem U-förmigen Rüssel mit Schichtdicken von ca. 0,5 cm bis 2 cm.
In Analogie zur Diamant-Graphit-Struktur ergibt sich durch diese Effekte kein monolithischer Betonblock, sondern eine stark geschichtete Struktur, welche bei seitlichen Belastungen infolge von Windböen oder Wohnbelastung seitlich wegbrechen kann.
Die Probleme des CC-Verfahrens liegen darin, dass

– im Falle, dass die Zeit zwischen zwei aufgetragenen Schichten zu kurz ist, die Gefahr zu einem Weglaufen des weitgehend breiigen Baustoffs oder zur Deformierung der unteren Schichten besteht,
– im Falle, dass die Zeitdauer zu lang ist, hat die vorletzte Schicht bereits abgebunden und eine sichere Verbindung mit der Folgeschicht ist nicht sicher gewährleistet,
– durch das periodische Überfahren des späteren Bauwerks mit dem den breiigen Baustoff auftragenden Rüssel das Einbringen von üblichen Bewehrungen er schwert bis unmöglich ist, da die Bewehrungen genau im Fahrweg des Rüssels angeordnet werden müssen,
– das Erzeugen überstehender Bauwerksstrukturen oder von Deckenkonstruktionen nur unter hohem zusätzlichem Aufwand realisierbar ist.

Aus dem Bereich des Rapid-Prototyping ist die Stereolithografie als ein Fertigungsverfahren bekannt, mit dem ein Werkstück schichtweise aus lichtaushärtendem Kunststoff erstellt wird. Dabei wird der lichtaushärtende Kunststoff, z. B. Kunstharz oder Epoxidharz, von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. Die Prozedur geschieht in einem Bad des Kunststoffes. Nach jedem Schritt wird das Werkstück etwas abgesenkt und der flüssige Kunststoff an der Oberfläche durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Dann fährt der Laser, der von einem Computer über bewegliche Spiegel gesteuert wird, auf der neuen Schicht über die Flächen, die fest werden sollen. Nach dem Verfestigen erfolgt der nächste Schritt, so dass nach und nach eine 3D-Form entsteht. Da das von dem Laser gehärtete Harz noch relativ welch ist, werden bei der Herstellung auch Stützstrukturen eingebaut. Nach dem Aufbau der Form wird die 3D-Form im UV-Licht nochmals aushärtend verfestigt und die Stützstrukturen entfernt. Die Stereolithografie ermöglicht eine hohe Präzision bei feinen Strukturen und geringen Wandstärken. Für einen Einsatz zur Anfertigung von Bauwerken erscheint den Fachmännern bisher die Stereolithografie als nicht oder schwerlich einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren und eine Anordnung zur Erstellung von Bauwerken anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass Material und Kosten eingespart werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 15 gelöst.
Das Verfahren zur Erstellung von Bauwerken weist gemäß dem Patentanspruch 1 folgende Schritte auf:

– Ausbildung einer Schalung, wobei aus einem zumindest formbaren und aushärtenden Schalungsmaterial eine erste verfestigte Schalungsform in einer ersten Schalungsebene auf einer Basis ausgebildet wird,
– Einbringen von Bewehrungselementen in einen in der verfestigten Schalungsform vorhandenen Freiraum während der Ausbildung der Schalung, wobei wahlweise zweite Bewehrungselemente auch aus dem Freiraum heraus in die Schalung geführt werden,
– Warten auf die Verfestigung der ersten Schalungsform,
– Einfüllen von Baustoff in den Freiraum der verfestigten ersten Schalungsform,
– Errichtung einer zweiten Schalungsform in einer zweiten Schalungsebene in Verbindung zur ersten verfestigten Schalungsform unter Berücksichtigung bereits vorhandener Bewehrungselemente oder Einfügung weiterer Bewehrungselemente in den Freiraum und darüber hinaus,
– Warten auf die Verfestigung der zweiten Schalungsform und Ausbildung einer zweiten Schalungsebene und
– Einfüllen von Baustoff in den Freiraum der verfestigten zweiten Schalungsform im Rahmen der Abbindezeit des Baustoffs der vorhergehenden Schalungsebene,
– ständige Wiederholung der nacheinander folgenden Schalungsvorgänge und der Füllung der Freiräume mit Baustoff im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende,

Das formbare und aushärtende Schalungsmaterial zur Ausbildung der Schalung kann im ursprünglichen Zustand pastös oder pulverförmig sein, wobei nach entsprechender Aufbereitung des Schalungsmaterials zur Verarbeitung, nach Ausbildung der Schalungsform, nach der Aushärtung des Schalungsmaterials und Erstellung einer Schalungsebene des Bauwerks die ausgehärtete Schalungsform durch Lösungsmittel, durch mechanische und/oder Wärme-Einwirkung abgelöst, aufbereitet und wieder verwendet wird.
Warmplastisch formbares Schalungsmaterial kann sich vor der Baustoffeinfüllung kaltverfestigen und nach der Kaltverfestigung in der ausgebildeten Schalungsform und nach der Abbindezeit des Baustoffs wieder durch Wärme in den warmplastischen Zustand zurück verformt werden.
Das warmplastisch formbare Schalungsmaterial wird nach erfolgter Verfestigung und Baustoffschichterstellung in den ursprünglichen Materialzustand der Verformbarkeit zurückgeführt, um erneut für die Ausbildung einer der nächsten Schalungsformen in einem weiteren Schalungsmaterial-Zustands-Kreislauf bereitzustehen.
Als Schalungsmaterial für die Schalungsformen kann auch ein heißkleberähnliches Material eingesetzt werden, welches durch Erhitzen flüssig oder breiig und formbar wird und im kalten und verfestigten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem Baustoffdruck erreicht.
Die Schalungsebenen können mit eine Schalungshöhe von etwa zwischen 20 cm und 40 cm eingerichtet werden.
Nach dem Aufbau von jeweils einer 20 cm bis 40 cm hohen ersten Schalungsform wird dann in den Freiraum zwischen den Wandungen der Schalungsform Baustoff in einem Vorgang eingebracht, wobei die Schalungsform aus einem Schalungsmaterial gefertigt wird, das durch Erhitzen warmplastisch und schließlich breiig und formbar wird und im kaltverfestigten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem auf die Schalungsform ausgeübten Baustoffdruck hat.
Vor dem Einbringen der jeweiligen Baustofffüllung in die Freiräume der Schalungsform können die Bewehrungselemente automatisiert eingebracht werden.
Das Verbinden von z. B. vertikal gerichteten ersten Bewehrungselementen mit z. B. waagerecht gerichteten und weiteren zweiten Bewehrungselementen mittels Bewehrungsverbindungen kann durch Schweißroboter erfolgen.
Durch seitliche Ansätze an den Bewehrungselementen kann die Schalung auch für Höhen von mehreren Metern entsprechend stabilisiert werden.
Als Baustoff kann jedes pastös, breiig oder flüssig vorliegende Material auch in Mischung mit anderen Materialien eingesetzt werden:

– Beton und Betonmischungen mit anderen Baustoffen,
– Mischungen aus Sägespäne und Verbindermittel,
– Mischungen aus Sägespäne und Gips.

Ein Verdichten des in Form von Beton eingesetzten Baustoffs kann durch entsprechende Werkzeuge oder durch speziellen Fließbeton eigenständig durchgeführt werden.
Es können auch Stützrippen zur Stabilisierung der Schalungsformen eingesetzt werden, wobei die Stützrippen nach Fertigstellung der entsprechenden Schalungsebene durch Erhitzen die Schalungsform abgebaut und dann nach Reinigung erneut verwendet werden.
Nach dem Einfüllen des als Baustoff eingesetzten Betons in die Freiräume kann während der Abbindezeit des Betons von mindestens drei Stunden die nächste Schalungsform auf/an der vorhergehenden Schalungsform erzeugt werden.
Eine Anordnung zur Erstellung von Bauwerken gemäß dem Patentanspruch 15 weist mindestens einen zumindest mit einem 3D-bewegbaren Endabschnitt ausgebildeten Roboter auf, der mit einer Steuereinrichtung in Verbindung steht, wobei der Roboter derart ausgebildet ist, dass er zumindest die Funktionen

a) Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungsformen für einen vorgesehenen Bauwerksabschnitt,
b) Einbringen von Bewehrungselementen zumindest in die Freiräume der Schalungsform,
c) Einfüllen von breiigen oder flüssigen Baustoffen in die Freiräume und
d) Ablösung der verfestigten Schalungsformen des verfestigten Bauwerksabschnitts ausführt, die von der mit dem Roboter in Verbindung stehenden Steuereinrichtung koordinierbar sind.

Mit dem Roboter/den Robotern kann eine ständige Wiederholung der Schritte a), b), c) und d) im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende ausgeführt werden.
Die Anordnung zur Erstellung von Bauwerken kann in einer ersten Ausführungsform aus einem über dem vorgesehenen Bauwerk verschiebbaren Portal bestehen, das Teil eines zumindest mit einem 3D-bewegbaren Endabschnitt ausgebildeter Portal-Roboter oder Portal-Robotersystem ist, der/das mit einer prozessorgestützten Steuereinrichtung in Verbindung steht,
wobei der Portal-Roboter/das Portal-Robotersystem derart ausgebildet ist, dass er/es zumindest die bereits oben genannten Funktionen

– Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungsformen,
– Einbringen von Bewehrungselementen,
– Einfüllen von Baustoff und
– Ablösung der verfestigten Schalungsformen des verfestigten Bauwerksabschnitts,
– ständige Wiederholung der Vorgänge und Füllung von in der Schalungsform vorhandenen Freiräume im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende

Das Portal kann brücken- oder bogenartig über dem zu errichtenden Bauwerk und zumindest mobil in einer vorgegebenen Richtung eines vorgegebenen xyz-Koordinatensystem ausgebildet sein.
Der das Portal einbindende Portal-Roboter oder das Portal-Robotersystem kann aus Teilrobotern bestehen, die mindestens eine der Funktionen:

– Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungen,
– Einbringen von Bewehrungselementen,
– Einfüllen von Baumaterial und
– Ablösung der verfestigten Schalungsform von den verfestigten Bauwerksabschnitten

Die dem Roboter/den Roboter/n und dem Portal zugeordnete zentrale Steuereinrichtung kann mit einem kompletten Linux-Rechner einschließlich programmtechnischen Mitteln versehen sein, die die Ansteuerungen von vorgesehenen, dem Portal und dem Roboter/den Robotern zugeordneten Elektromotoren und den Robotern zugeordneten Rohrdüsen als Endabschnitte für flüssige oder breiige Baustoffe und flüssige, breiige oder pastöse Schalungsmaterialien unterstützt.
Die Elektromotoren zur inkrementellen Beweglichkeit des Portal-Roboters und/oder der Teilroboter können in einem zugehörigen vorgegebenen dreidimensionalen xyz-Koordinatensystem eingebunden sein.
Es können somit auch bei Einsatz von Lehm als Baustoff oder Teilbaustoff auch Lehmbauhäuser gebaut werden und später automatisiert abgetragen oder an anderer Stelle wieder neu aufgebaut werden.
Durch die Anwendung des formbaren und aushärtenden Schalungsmaterials auf das Bauen können dessen Vorteile auch dort angewendet werden.

– vollautomatische Erzeugung beliebiger, sonst nicht herstellbarer Baustrukturen, z. B. Kugel in Kugel,
– beliebige Kombination von Materialien ohne Zusatzkosten (Schichtung: Holzbaustoff/Isolierung, Betonkern, Holzbaustoff).

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass eine grundlegende Rationalisierung des Bauens mit dem Ziel einer vollständigen Reduzierung manueller Tätigkeiten erfolgen kann.
Die Erfindung ermöglicht es auch, dass die gesamten Rohbaukosten auf unter 35% der heutigen Kosten verringert sowie Baukörper mit bislang unbekannten oder technisch/kostenmäßig problematischen 3D-Formelementen realisiert werden können.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erstellung von Bauwerken an einem Bauwerksabschnitt und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer ersten Ausführungsform zur Erstellung von Bauwerken mit einem in einem vorgegebenen xyz-Koordinatensystem betreibbaren, einem Roboter zugeordneten Portal, wobei in 2a das zugeordnete xyz-Koordinatensystem dargestellt ist, und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer zweiten Ausführungsform zur Erstellung von Bauwerken mit Einsatz von einer Steuereinrichtung zugeordneten dezentralen und mobilen Robotern, wobei die Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und den Robotern wahlweise mit Funkverkehr durchgeführt wird.
In 1 ist an einem Bauwerksabschnitt 1 das Verfahren zur Erstellung von Bauwerken dargestellt, das folgende Schritte aufweist:

– Ausbildung einer Schalung 14, wobei aus zumindest warmplastisch formbarem und aushärtendem Schalungsmaterial 32 eine erste kaltverfestigte Schalungsform 3 in einer ersten Schalungsebene 12 auf dem als Basis dienenden Boden 2 auf einen Höhenbereich zwischen 20 cm und 40 cm ausgebildet wird,
– Einbringen von Bewehrungselementen 4 in einen in der Schalungsform 3 vorhandenen Freiraum 11 während der Ausbildung der Schalung 14, wobei wahlweise zweite Bewehrungselemente 5, 6 auch aus dem Freiraum 11 heraus in die Schalung 14 geführt werden,
– Warten auf die Kaltverfestigung der ersten Schalungsform 3,
– Einfüllen von Baustoff 7 in den Freiraum 11 der kaltverfestigten ersten Schalungsform 3 und Verfestigung des eingefüllten Baustoffs 7,
– Errichtung einer zweiten Schalungsform 8 aus warmplastisch formbarem und aushärtenden Schalungsmaterial 32 mit gleicher Schalungshöhe im Höhenbereich zwischen 20 cm und 40 cm in einer zweiten Schalungsebene 13 in Verbindung zur ersten kaltverfestigten Schalungsform 3 unter Berücksichtigung bereits vorhan dener Bewehrungselemente 4, 5, 6 oder Einfügung weiterer Bewehrungselemente in den Freiraum 11 und darüber hinaus,
– Warten auf die Kaltverfestigung der zweiten Schalungsform 8 und Ausbildung einer zweiten Schalungsebene 13 und
– Einfüllen von Baustoff 7 in den Freiraum 11 der kaltverfestigten zweiten Schalungsform 8 im Rahmen der Abbindezeit des Baustoffs 7 der vorhergehenden Schalungsebene 12,
– ständige Wiederholung der nacheinander folgenden Schalungsvorgänge und der Füllung der Freiräume 11 mit Baustoff 7 im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen 4, 5, 6 bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende,

32

7

3

8

7

Das formbare und aushärtende Schalungsmaterial 32 zur Ausbildung der Schalung 14 kann im ursprünglichen Zustand pastös oder pulverförmig sein, wobei nach entsprechender Aufbereitung des Schalungsmaterials 32 zur Verarbeitung, nach der Ausbildung der Schalungsform 3, 8 und der Aushärtung des Schalungsmaterials 32 und Erstellung einer Schalungsebene 12, 13 des Bauwerksabschnitts 1 durch Lösungsmittel, durch mechanische und/oder Wärme-Einwirkung von dem jeweils festen Bauwerksabschnitt 1 abgelöst oder schließlich wieder verwendet werden kann.
Das Schalungsmaterial 32 kann demzufolge auch warmplastisch geformt werden und sich entweder allein oder durch zusätzliche Mittel vor der Baustoffeinfüllung kaltverfestigen und nach der Kaltverfestigung in Schalungsform 3, 8 und nach der Abbindezeit des Baustoffs 7 wieder durch Wärme in den ursprünglichen Zustand verformt werden.
Die Schalungsebenen 12, 13 können mit eine Schalungshöhe von etwa zwischen 20 cm und 40 cm eingerichtet werden. Je nach Schalungsmaterial 32 kann sich der Höhenbereich ändern.
Dabei werden nach dem Aufbau der Schalung 14 mit einer Höhe von jeweils 20 cm bis 40 cm als erster Schalungsform 3 dann in den 20 cm bis 40 cm hohen Freiraum 11 flüssiger, breiiger oder pastöser Baustoff in einem Vorgang in die erste Schalungsform 3 eingebracht, wobei die erste Schalungsform 3 aus einem Schalungsmaterial 32 vorgefertigt wird, das durch Erhitzen warmplastisch und schließlich flüssig und formbar wird und im erkalteten und verfestigten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem Druck des Baustoffes 7 auf die Wände der ersten Schalungsform 3 hat.
Vor dem Füllen des jeweiligen Baustoffs 7 in die jeweilige Schalungsform 3 und 8 können ohne Probleme die erforderlichen Bewehrungselemente 4, 5, 6 automatisiert eingebracht werden.
Wahlweise kann vor dem Erzeugen der Schalungsformen 3, 8 die gesamte Bewehrung 4, 5, 6 mit Hilfe mindestens eines Portal-Roboters erstellt werden. Das Verbinden der vertikal gerichteten ersten Bewehrungselemente 4 mit waagerechten zweiten und weiteren zweiten Bewehrungselementen 5, 6 über Bewehrungsverbindungen 9, 10 kann durch den gleichen Roboter erfolgen.
Durch seitliche Ansätze an der Bewehrung 4, 5, 6 können die Schalungsformen 3, 8 auch für Höhen von mehreren Metern entsprechend stabilisiert werden.
Außer dem bereits erwähnten flüssigen oder breiigen Beton als Baustoff 7 kann jedes pastös oder flüssig vorliegende Material auch in Mischung verwendet werden:

– durch Mischungen aus Sägespäne und Verbindermittel, wodurch ein Fachwerkhaus neu definiert werden kann,
– durch Baustofffüllungen mit Mischungen aus Sägespäne und Gips.

Durch einen Einsatz von Lehm als Baustoff 7 können auch Lehmbauhäuser gebaut und später automatisiert abgetragen oder an anderer Stelle wieder neu aufgebaut werden.
Ein Verdichten des Baustoffs 7 kann durch entsprechende Werkzeuge oder durch speziellen Fließbeton eigenständig erreicht werden.
Als Schalungsmaterial 32 für die Schalungsformen 3, 8 kann auch ein heißkleberähnliches Material eingesetzt werden, welches durch Erhitzen flüssig und formbar wird und im kalten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem Baustoffdruck erreicht. Entsprechende Stützrippen für den Halt der Schalungsformen 3, 8 sind gegebenenfalls notwendig. Nach Fertigstellung des Bauwerkabschnitts 1 oder des Bauwerks selbst können durch erneutes Erhitzen des heißkleberähnlichen Schalungsmaterials 32 die Schalungsformen 3, 8 abgebaut und das Schalungsmaterial 32 dann nach Reinigung erneut verwendet werden.
Nach dem Gießen des als Baustoff 7 eingesetzten Betons kann während der Abbindezeit des Betons von mindestens drei Stunden die nächste Schalungsform erzeugen.
Der Einsatz des Schalungsmaterials 32 kann mit den gesteuerten Zustandsänderungen – pastös, breiig – ausgehärtet, verfestigt – breiig, pastös – zu einem Schalungsmaterial-Zustands-Kreislauf führen.
Durch die Anwendung des Schalungsmaterial-Zustands-Kreislaufs auf das Bauen können dessen Vorteile auch dort angewendet werden:

Die in 2 schematisch dargestellte Anordnung 20 zur Erstellung eines Bauwerks besteht im Wesentlichen aus einem über dem vorgesehenen Bauwerk brückenartig angeordneten, verschiebbaren Portal 21, das ein Teil eines zumindest mit einem 3D-bewegbaren Endabschnitt 231, 232 ausgebildeten Portal-Roboters 22 oder einem Portal-Robotersystem ist, der/das mit einer prozessorgestützten Steuereinrichtung 24 in Verbindung steht.
Erfindungsgemäß ist der Portal-Roboter 22 derart ausgebildet, dass er zumindest die Funktionen

– Ausbildung von Schalungsformen 3, 8 mittels eines formbaren und aushärtenden Schalungsmaterials 32,
– Einbringen von Bewehrungselementen 4, 5, 6 in die Freiräume 11 zwischen den Wänden der Schalungsform 3, 8,
– Einfüllen von Baustoffen 7 in die Freiräume 11 zwischen den Wänden der verfestigten Schalungsform 3, 8,
– Ablösung der verfestigten Schalungsformen 3, 8 des verfestigten Bauwerksabschnitts 1 und
– ständige Wiederholung der Schalungsform-Vorgänge und der Füllung der Freiräume 11 im Wechsel unter Berücksichtigung der einbringbaren Bewehrungselemente 4, 5, 6 bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende

24

26

21

29

24

27

7

32

25

28

32

7

21

22

Der Portal-Roboter 22 enthält in 2 das Portal 21, das aus einer Querschiene 35, zwei Stützpfeilern 36, 37 sowie aus mit den Stützpfeilern 36, 37 in relativer Bewegung stehenden Basisschienen 38, 39 besteht. Die parallel angeordneten, das Bauwerk umgebenden Basisschienen 38, 39 sind der z-Koordinate, die parallel zueinander ausgerichteten Stützpfeiler 36, 37 der x–Koordinate und die auf den Stützpfeilern 36, 37 aufgelagerte Querschiene 35 der y-Koordinate eines xyz-Koordinatensystems 31 in 2a zugeordnet.
Die zentrale Steuereinrichtung 24 kann mit einem kompletten Linux-Rechner einschließlich programmtechnischer Mittel versehen sein, die zur Ansteuerung von vorgesehenen, dem Portal 21 und dem Portal-Roboter 22 zugeordneten Elektromotoren 30 sowie unter anderem von den die Baustoffe 7 und formbaren und aushärtenden Schalungsmaterialien 32 übergebenden Düsen dient. Mit den Elektromotoren 30 kann die inkrementale Beweglichkeit des Portal-Rechners 22 in dem zugehörigen in 2a dargestellten, vorgegebenen dreidimensionalen xyz-Koordinatensystem 31 ausgebildet sein. Während sich die Stützpfeiler 36, 37 auf den Basisschienen 38, 39 mittels der Elektromotoren 30 bewegen können, können sich Teilroboter 41, 42 mittels Elektromotoren 30 auf der Querschiene 35, die z. B. als Doppel-T-Träger ausgebildet ist, bewegen. Auf dem einen T-Teil 351 kann sich der für die Schalungsausbildung vorgesehenen mobilen Teilroboter 41 befinden, auf dem anderen T-Teil 352 kann sich der mobile Teilroboter 42 für die Baustofffüllung bewegen.
Während in 2 der Teilroboter 41 mit seinem Endabschnitt 231 die zweite Schalungsform 8 bearbeitet und ausbildet, füllt der Teilroboter 42 mit seinem Endabschnitt 232 den flüssigen oder breiigen Baustoff 7 in die erste, bereits verfestigte Schalungsform 3 der ersten Schalungsebene 12 ein. Die Endabschnitte 231, 232 sind vorzugsweise dreidimensional bewegbar ausgebildet, so dass z. B. der Endabschnitt 231 beide Wandungen 44, 45 der Schalungsformen 3, 8 erstellen kann.
In 3 kann die erfindungsgemäße Anordnung in einer zweiten Ausführungsform 40 zur Erstellung eines Bauwerks anstelle eines über dem Bauwerk zentral operierenden Portal-Roboters 22 oder Portal-Robotersystem mehrere am Bauwerk dezentral operierende und mobile Roboter 221, 222, 223 bestehen,
wobei der mobile Roboter 221 zur Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungsformen 3, 8 mittels des Schalungsmaterials 32 dient,
wobei der mobile Roboter 222 zum Einbringen von Bewehrungselementen 4, 5, 6 vorgesehen ist und
wobei der mobile Roboter 223 zum Einfüllen von Baustoffen 7 mit dem zugehörigen Endabschnitt 23 eingesetzt wird.
Des Weiteren kann ein weiterer mobiler Roboter 224 zur Ablösung des verfestigten Schalungsmaterials 32 vorgesehen sein, in der der eingefüllte Baustoff 7 bereits zu einem Bauwerksabschnitt 1 verfestigt ist.
Dabei kann eine Verbindung zwischen dem Roboter 221 zur Ausbildung einer Schalungsform 3, 8 und dem Roboter 224 zur Ablösung der verfestigten Schalungsform 3 bestehen, wobei die Ablösung von der zweiten Steuereinrichtung 33 kontrolliert wird, wobei in 3 in der verfestigten Schalungsform 3 eine Ablöselücke 43 dargestellt ist, die vom Roboter 224 in die Schalungsform 3 geschlagen ist. Der Roboter 224 kann mit einem Heißlüfter zur Erwärmung des verfestigten Schalungsmaterials 32 und einer Absaugeinrichtung des breiigen Materials 32 in seinem Endabschnitt 46 ausgebildet sein.
Es können auch weitere Roboter, Zulieferbehälter und/oder Vorratsbehälter eingesetzt werden, je nachdem, welches Bauwerk und welche zusätzlichen Baumaßnahmen vorgesehen sind.
Eine zweite Steuereinrichtung 33 kann sowohl über elektrische Versorgungs- und Signalleitungen als auch über Funkkommunikation 34 mit den energieversorgten und dezentral operierenden und mobilen Robotern 221, 222, 223, 224 in Verbindung stehen. Auch hier erfolgt durch die zweite Steuereinrichtung 33 analog zur ersten Steuereinrichtung 24 eine Abstimmung der Bewegungen, Transporte und Signaltechnik durch eingesetzte und in der Steuereinrichtung 24, 33 gespeicherte programmtechnische Mittel.

1: Bauwerkabschnitt
2: Basis
3: Erste Schalungsform
4: Senkrechtes Bewehrungselement
5: Erstes waagerechtes Bewehrungselement
6: Zweites waagerechtes Bewehrungselement
7: Baustoff
8: Zweite Schalungsform
9: Erste Bewehrungsverbindung
10: Zweite Bewehrungsverbindung
11: Freiraum
12: Erste Schalungsebene
13: Zweite Schalungsebene
20: Erste Anordnung
21: Portal
22: Portal-Roboter
221: Erster Roboter
222: Zweiter Roboter
223: Dritter Roboter
224: Vierter Roboter
23: Endabschnitt
231: Erster Endabschnitt
231: Zweiter Endabschnitt
24: Erste Steuereinrichtung
25: Erster Vorratsbehälter für Schalungsmaterial
26: Verbindungsleitungen
27: Transportleitungen
28: Zweiter Vorratsbehälter für Baustoff
29: Energieversorgung
30: Elektromotoren
31: Koordinatensystem
32: Schalungsmaterial
33: Zweite Steuereinrichtung
34: Funkkommunikation
35: Querschiene
351: Erstes T-Teil
352: Zweites T-Teil
36: Erster Stützpfeiler
37: Zweiter Stützpfeiler
38: Erste Basisschiene
39: Zweite Basisschiene
40: Zweite Anordnung
41: Erster Teilroboter
42: Zweiter Teilroboter
43: Ablöselücke
44: erste Wandung
45: zweite Wandung
46: Endabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5529471 [0004]
- US 5525230 [0004]
- US 7152454 [0004]

Claims

Verfahren zur Erstellung von Bauwerken, aufweisend folgende Schritte: – Ausbildung einer Schalung (14), wobei aus einem zumindest formbaren und aushärtenden Schalungsmaterial (32) eine erste verfestigte Schalungsform (3) in einer ersten Schalungsebene (12) auf einer Basis (2) ausgebildet wird, – Einbringen von Bewehrungselementen (4) in einen in der verfestigten Schalungsform (3) vorhandenen Freiraum (11) während der Ausbildung der Schalung (14), wobei wahlweise zweite Bewehrungselemente (5, 6) auch aus dem Freiraum (11) heraus in die Schalung (14) geführt werden, – Warten auf die Verfestigung der ersten Schalungsform (3), – Einfüllen von Baustoff (7) in den Freiraum (11) der verfestigten ersten Schalungsform (3), – Errichtung einer zweiten Schalungsform (8) mit gleicher oder unterschiedlicher Schalungshöhe in einer zweiten Schalungsebene (13) in Verbindung zur ersten verfestigten Schalungsform (3) unter Berücksichtigung bereits vorhandener Bewehrungselemente (4, 5, 6) oder Einfügung weiterer Bewehrungselemente in den Freiraum (11) und darüber hinaus, – Warten auf die Verfestigung der zweiten Schalungsform (8) und Ausbildung einer zweiten Schalungsebene (13) und – Einfüllen von Baustoff (7) in den Freiraum (11) der verfestigten zweiten Schalungsform (8) im Rahmen der Abbindezeit des Baustoffs (7) der vorhergehenden Schalungsebene (12), – ständige Wiederholung der nacheinander folgenden Schalungsvorgänge und der Füllung der Freiräume (11) mit Baustoff (7) im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen (4, 5, 6) bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende, wobei in Summe die Formzeit und die Zeit der Verfestigung des Schalungsmaterials wesentlich geringer als die Abbindezeit des Baustoffs (7) sind und die verfestigten Schalungsformen (3, 8) nach Aushärten des Baustoffs (7) zumindest in einen ablösbaren Zustand rücküberführt und von dem verfestigten Baustoff (7) eines Bauwerkabschnitts (1) weg entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das formbare und aushärtende Schalungsmaterial (32) zur Ausbildung der Schalung (14) im ursprünglichen Zustand pastös oder pulverförmig ist, wobei nach entsprechender Aufbereitung des Schalungsmaterials (32) zur Verarbeitung, nach der Ausbildung der Schalungsform (3, 8) und nach der Aushärtung des Schalungsmaterials (32) und Erstellung einer Schalungsebene (12, 13) des Bauwerks (1, 25) durch Lösungsmittel, durch mechanische und/oder Wärme-Einwirkung entfernt oder schließlich wieder verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalungsmaterial (32) warmplastisch formt wird und sich vor der Baustoffeinfüllung kaltverfestigt und nach der Kaltverfestigung in Schalungsform (3, 8) und nach der Abbindezeit des Baustoffs (7) wieder durch Wärme in den warmplastischen Zustand zurückverformt wird.
Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalungsmaterial (32) für die Schalungsformen (3, 8) ein heißkleberähnliches Material eingesetzt wird, welches durch Erhitzen flüssig und formbar wird und im kalten und verfestigten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem Baustoffdruck erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalungsebenen (12, 13) mit eine Schalungshöhe von etwa zwischen 20 cm und 40 cm eingerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbau von einer jeweils 20 cm bis 40 cm hohen Schalungsform (3, 8) dann in den 20 cm bis 40 cm hohen Freiraum (11) Baustoff (7) in einem Vorgang eingebracht wird, wobei die erste Schalungsform (3, 8) aus einem Schalungsmaterial (32) gefertigt wird, das durch Erhitzen warmplastisch und formbar wird und im kaltverfestigten Zustand ausreichende Festigkeitswerte gegenüber dem auf die Schalungsform (3, 8) ausgeübten Baustoffdruck hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der jeweiligen Baustofffüllung in die Freiräume (11) der Schalungsformen (3, 8) die Bewehrungselemente (4, 5, 6) automatisiert eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden von vertikal gerichteten ersten Bewehrungselementen (4) mit waagerecht gerichteten zweiten und weiteren Bewehrungselementen (5, 6) mittels Bewehrungsverbindungen (9, 10) durch Roboter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch seitliche Ansätze an der Bewehrung (4, 5, 6) die Schalungsformen (3, 8) auch für Höhen von mehreren Metern entsprechend stabilisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalungsmaterial (32) nach erfolgter Verfestigung und Bauschichterstellung in den ursprünglichen Materialzustand der Verformbarkeit zurückgeführt wird, um erneut für die Ausbildung einer der nächsten Schalungsformen (3, 8) in einem Schalungsmaterial-Zustands-Kreislauf bereitzustehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Baustoff (7) jedes pastös, breiig oder flüssig vorliegende Material auch in Mischung eingesetzt wird: – Beton und Betonmischungen mit anderen Baustoffen, – Mischungen aus Sägespäne und Verbindermittel, – Mischungen aus Sägespäne und Gips.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichten des Baustoffs (7) in Form von flüssigem, breiigem Beton durch entsprechende Werkzeuge mindestens eines Roboters oder durch speziellen Fließbeton eigenständig durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Stützrippen zur Stabilisierung der Schalungsformen (3, 8) eingesetzt werden, wobei die Stützrippen nach Fertigstellung der entsprechenden Schalungsebene (12, 13) durch Erhitzen der Schalungsformen (3, 8) abgebaut und dann nach Reinigung erneut verwendet werden.
Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einfüllen des als Baustoff (7) eingesetzten Betons in die Freiräume (11) der ersten Schalungsform (3) während der Abbindezeit des Betons von mindestens drei Stunden die nächste, zweite Schalungsform (8) auf der ersten Schalungsform (3) erzeugt wird.
Anordnung (20, 40) zur Erstellung von Bauwerken mit mindestens einem zumindest mit einem 3D-bewegbaren Endabschnitt (23, 231, 232) ausgebildeten Roboter (22, 221, 222, 223, 224), der mit einer Steuereinrichtung (24, 33) in Verbindung steht, wobei der Roboter (22; 221, 222, 223, 224) derart ausgebildet ist, dass er zumindest die Funktionen a) Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungsformen (3,8) für einen vorgesehenen Bauwerksabschnitt (1), b) Einbringen von Bewehrungselementen (4, 5, 6) zumindest in die Freiräume (11) der Schalungsform (3, 8), c) Einfüllen von breiigen oder flüssigen Baustoffen (7) in die Freiräume (11), d) Ablösung der verfestigten Schalungsformen (3, 8) von dem verfestigten Bauwerksabschnitt (1), ausführt, die von der mit den Robotern (22, 221, 222, 223, 224) in Verbindung stehenden Steuereinrichtung (24, 33) koordinierbar sind.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboter (22, 221, 222, 223, 224) eine ständige Wiederholung der Schritte a), b), c) und d) im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen (4, 5, 6) bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende ausführen.
Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung von Bauwerken, bestehend aus einem über dem vorgesehenen Bauwerk (25) verschiebbaren Portal (21), das Teil eines zumindest mit einem 3D-bewegbaren Endabschnitt (23) ausgebildeten Portal-Roboter (22) oder ein Portal-Robotersystem ist, der/das mit einer prozessorgestützten Steuereinrichtung (24) in Verbindung steht, wobei der Roboter (22) derart ausgebildet ist, dass er zumindest die Funktionen – Ausbildung von Schalungsformen (3, 8), – Einbringen von Bewehrungselementen (4, 5, 6), – Einfüllen von Baustoffen (7), – Ablösung der verfestigten Schalungsformen (3, 8) von dem verfestigten Bauwerksabschnitt (1) und – ständige Wiederholung der Vorgänge und der Füllung der Freiräume (11) mit Baustoff (7) in die Schalungsformen (3, 8) im Wechsel unter Berücksichtigung von einbringbaren Bewehrungselementen (4, 5, 6) bis zum vorgesehenen Schalungs- und Bauende ausführt, die von der angeschlossenen prozessorgestützten Steuereinrichtung (24) koordinierbar sind, wobei energieversorgungs- und signaltechnischen Verbindungsleitungen (26) über das Portal (21) zu einer zugehörigen Energieversorgung (29) und zur Steuereinrichtung (24) sowie Transportleitungen (27) für Baustoffe (7) und für formbar und aushärtende Schalungsmaterialien über das Portal (21) aus ortsfesten oder mobilen Vorratsbehältern (28) über das Portal (21) zu dem Portal-Roboter (22) oder Portal-Robotersystem geführt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (23, 231, 232) eines Roboters eine Baustoff verteilende oder Schalungsmaterial verteilende 3D-bewegbare Rohrdüse oder eine Werkzeug gestützte 3D-bewegbare Hebel- oder Armkonstruktion oder einen Heißlüfter mit integrierter Absaugeinrichtung oder eine Kombination der funktionsbedingten Ausbildungen darstellt.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Portal (21) brücken- oder bogenartig über dem zu errichtenden Bauwerk und zumindest mobil in vorgegebenen Richtungen eines vorgegebenen xyz-Koordinatensystem (31) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 17 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Portal-Roboter (22) das Portal (21) enthält, das aus einer Querschiene 35), zwei Stützpfeilern (36, 37) sowie aus mit den Stützpfeilern (36, 37) in relativer Bewegung stehenden Basisschienen (38, 39) besteht, wobei die Basisschienen (38, 39) der z-Koordinate, die Stützpfeiler (36, 37) der x–Koordinate und die Querschiene (35) der y-Koordinate des xyz-Koordinatensystems (31) zugeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Portal (21) zugeordnete oder das Portal (21) enthaltende Portal-Roboter (22) aus Teilrobotern (41, 42) besteht, die mindestens eine der Funktionen: – Ausbildung von formbaren und aushärtenden Schalungsformen (3, 8), – Einbringen von Bewehrungselementen (4, 5, 6), – Einfüllen von Baustoffen (7) und – Ablösung des verfestigten Schalungsmaterials (32) von den verfestigten Baustoffschichten. ausführen.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalungsmaterial (32) formbar und kaltverfestigend ist und ein stereolithografisches Material darstellt.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einsatz von stereolithografischem Schalungsmaterial zur Ausbildung der variabel lösbaren Schalungsformen (3, 8) zumindest ein weiterer Robo ter oder Teilroboter mit einem Lasersystem zur Bestrahlung des formbaren und aushärtenden Schalungsmaterials (32) eingesetzt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (24, 33) mit einem kompletten Linux-Rechner einschließlich programmtechnischen Mitteln versehen ist, die auch die Ansteuerung von vorgesehenen, den Robotern (22, 221, 222, 223, 224) zugeordneten Elektromotoren (30) unterstützt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (30) zur inkrementalen Beweglichkeit des Portal-Roboters (22) einschließlich des Portals (21) oder des Portal-Robotersystems einschließlich der Teilroboter (41, 42) in dem zugehörigen vorgegebenen dreidimensionalen xyz-Koordinatensystem (31) eingebaut sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24, 33) sowohl über elektrische Versorgungs- und Signalleitungen als auch über Funkkommunikation mit den energieversorgten Robotern (22, 221, 222, 223, 224) in Verbindung steht.