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Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf eine generative Fertigungsvorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Bauwerken und auf ein Fertigungsverfahren, das unter Verwendung der generativen Fertigungsvorrichtung ausgeführt wird.
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Auftragsverfahren wie 3D-Druckverfahren an sich sind zur generativen Fertigung von Bauwerken bekannt. Dabei wird ein aushärtbares Baumaterial aus einer oder mehreren Ausgabedüse(n) als „Druckkopf” ausgegeben und das Bauwerk oder Teile davon werden Lage für Lage gefertigt. Dies wird bis dato mit einem Portalkran ausgeführt, der mit einem Arm, der den Druckkopf trägt, operativ gekoppelt ist (lineare Achsen).
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Durch die Verwendung des Portalkrans ergeben sich Begrenzungen einerseits hinsichtlich des zu umbauenden Raumes und zum Zweiten hinsichtlich des Platzbedarfs; auch das „Weiterbauen” innerhalb bestehender Strukturen oder Wände, die abgedeckt sind, ist nicht möglich.
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Aus dem Stand der Technik beschreibt zu diesem Thema bspw.
US 7,753,642 B2 eine Vorrichtung mit einem Kabelrobotersystem. Es handelt sich dabei um eine generative Fertigungsvorrichtung, die unter Verwendung von Beton, also Baustoff, zum Bauen von Gebäuden eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung hat drei oder mehr vertikale Säulen, die den Arbeitsraum definieren und von denen ausgehend jeweils wenigstens ein Seil zu einem Druckkopf verläuft. Die Seillängen sind jeweils veränderbar, sodass der Druckkopf in einem Großteil des Arbeitsvolumens verfahren werden kann. Der Beton wird in einem externen Silo gespeichert und kann über einen Schlauch zu dem Druckkopf geführt werden.
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Weiter ist aus der
AT 385 550 B eine generative Fertigungsvorrichtung bekannt, die nach dem klassischen Prinzip senkrecht zueinander stehender linearer Achsen funktioniert. Die dort offenbarte Einrichtung zur Herstellung von Bauteilen, Gebäudeteilen etc. unter Einsatz eines gesteuerten Düsenkopfs ohne Verwendung einer Schalung und mit Aufbringen des Baustoffs schichtweise aufeinander, basiert auf dem Portalkranprinzip.
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Die
DE 10 2012 100 334 A1 , die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung architektonischer Strukturen durch Aggregation konkaver Gebilde betrifft, verdeutlicht, wie komplex die Gestaltung mehrdimensionaler Gebilde, die auch Wände, Bögen- oder Kuppelgewölbe aufweisen, ist. Dort werden zu diesem Zweck sich ineinander verhakende konkave Gebilde schichtweise übereinander aufgebracht.
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Auch die
US 8,337,736 B2 befasst sich mit einem Verfahren zur automatischen Erzeugung agglomerierter Strukturen, wobei dort die Errichtung der Gebilde in einem durch Stützstrukturen definierten Bauraum erfolgt. Durch die Gestaltung der Stützstruktur können Ausgabedüsen mit dem Baumaterial auf vorgegebenen Linien Schichtstrukturen bauen. Freie Beweglichkeit in dem zur Verfügung stehenden dreidimensionalen Arbeitsraum ist dort nicht möglich.
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Der Gedanke der freieren Führung eines Gegenstandes, wie beispielsweise einer Plattform, durch ein Kabelführungssystem innerhalb eines für Stützstrukturen aufgebauten dreidimensionalen Arbeitsraumes wird in der
US 2013/0253751 A1 verfolgt. Das Prinzip des seilgeführten Roboters wird dort dargelegt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte generative Fertigungsvorrichtung für Bauwerke zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine generative Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Darüber hinaus ergibt sich die weitere Aufgabe, ein verbessertes generatives Fertigungsverfahren für Bauteile zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens werden jeweils durch die Unteransprüche beschrieben.
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Die erfindungsgemäße generative Fertigungsvorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Bauwerken umfasst in einer ersten Ausführungsform einen Ausgabekopf mit einer Ausgabedüse, respektive einem „Druckkopf” für ein aushärtbares Ausgangsmaterial. Der Ausgabekopf ist fluidisch mit einer Ausgangsmaterialquelle verbunden. Ferner verfügt die Fertigungsvorrichtung über eine Antriebsvorrichtung für den Ausgabekopf, die die Ausgabedüse des Ausgabekopfs innerhalb eines vorbestimmten Arbeitsvolumens zu vorbestimmten Soll-Positionen bewegt. Darüber hinaus ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die zur Steuerung der Soll-Positionen des Ausgabekopfes operativ mit der Antriebsvorrichtung gekoppelt ist. Bei der Antriebsvorrichtung handelt es sich erfindungsgemäß vorteilhaft um einen Seilroboter. Der Seilroboter weist drei oder mehr Seile auf, die jeweils mit dem Ausgabekopf verbunden sind. Die Fertigungsvorrichtung verfügt für jedes der Seile über eine Aufhängungsvorrichtung, die an einem vorbestimmten Aufhängungspunkt anordenbar ist. Jedes der drei oder mehr Seile erstreckt sich zu dem Ausgabekopf. Die Seillängen sind jeweils veränderbar.
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Die Aufhängungspunkte werden vordefiniert, an ihnen wird die Aufhängungsvorrichtung angeordnet. Erfindungsgemäß liegen die Aufhängungspunkte an einer Tragstruktur vor, die eine mobil handhabbare Säule oder eine Bestandsstruktur ist. Weiter ist an dem Ausgabekopf eine Stabilisierungsvorrichtung angeordnet, die dazu vorgesehen ist, eine räumliche Position der Ausgabedüse zu stabilisieren.
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Unter „Seilroboter” werden Antriebsvorrichtungen verstanden, die als bewegungsübertragende Bauteile keine steifen Ausleger oder Arme einsetzen, sondern Seile. Seilroboter sind am Markt verfügbar und werden bisher vor allem im Lagerwesen und in Seilkamerasystemen eingesetzt. Beim Einsatz von zumindest drei Seilen ist es dabei vorteilhaft möglich, jeden beliebigen Punkt innerhalb eines Arbeitsvolumens anzufahren. Da Seilroboter keine Ausleger oder Arme haben, unterliegen diese auch nicht den sonst für Roboter üblichen Größenbeschränkungen; Ausleger müssen im Hinblick auf Ihre Belastbarkeit, Durchbiegung etc. insbesondere auch unter Berücksichtigung ihres Eigengewichts ausgelegt werden, aus diesem Grund ergeben sich für die Baugröße enge Grenzen. Seilroboter dagegen erlauben es, einen um mehrere Größenordnungen größeren Wirkbereich abzudecken, da sie eben massearme Seile als Kraftübertragungselemente einsetzen. besonders vorteilhaft können solche Seilroboter auch ohne weiteres innerhalb bestehender Gebäude oder Gebäudeteile eingesetzt werden, oder in engen Nischen o. Ä., da sie keine Schienenverlegung und keine Kranstruktur benötigen. Ein Einsatz ist auch in unebenem und in steilem Gelände, etwa an Berghängen, problemlos möglich.
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Mit der erfindungsgemäßen generativen Fertigungsvorrichtung können daher Bauvolumina abgedeckt werden, die um mehrere Größenordnungen über den Bauvolumenabmessungen bekannter generativer Fertigungsvorrichtungen liegen. Diese Bauraumvergrößerung kann dabei auch noch kostengünstig umgesetzt werden: Da die Bauraumvergrößerung im Wesentlichen durch den Verzicht auf massive kraftübertragende Bauteile erreicht wird, die durch Seile ersetzt werden, ist die Vorrichtung sehr kostengünstig herstellbar und erfordert nur geringen Materialeinsatz.
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Auch bezüglich der Betriebsdynamik hat die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung Vorteile, da durch die geringen bewegten Massen der Ausgabekopf deutlich schneller beschleunigt/abgebremst werden kann; hieraus ergibt sich auch eine verbesserte Energieeffizienz, da deutlich kleiner dimensionierte Antriebe eingesetzt werden können. Durch die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung wird daher eine insgesamt verbesserte und kostengünstigere generative Fertigung möglich.
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Unter „Bauwerk” werden hierin beliebige Gegenstände verstanden, die sich aus dem aushärtbaren Ausgangsmaterial aufbauen lassen. Insbesondere sollen mit der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung aber Gebäudeteile oder sogar ganze Gebäude oder Gebäudekomplexe gefertigt werden. Es kann auch vorgesehen sein, Möbelstücke herzustellen, wie etwa Regale, Tresen usw., wie sie etwa in Büroräumen, eine Hotellobby oder anderen umbauten Räumen im Nachgang zum Gebäudebau gefertigt werden – meterlange Gebilde diffiziler Struktur lassen sich ohne Weiteres darstellen; aber auch Brücken und weiteres. Damit wird ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung für große Bauwerke und auch zielgerichtet innerhalb umbauter Räume und für kleinere Bauwerke (im Vergleich zu einem Haus) eingesetzt werden kann.
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Der Ausgabekopf kann auch mehr als eine Ausgabedüse haben, beispielsweise vier oder mehr, die getaktet angesteuert werden (Prinzip des Tintenstrahldruckers), wodurch eine verbesserte Flächenauflösung erreicht werden kann und/oder die „Druckgeschwindigkeit” erhöht werden kann.
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Die Steuerungsvorrichtung ist dazu vorgesehen, die Position der Ausgabedüse durch Verfahren des Ausgabekopfs in Abhängigkeit von 3D-Volumendaten, die das herzustellende Bauwerk beschreiben, zu verändern, um das Bauwerk schichtweise herzustellen. Die Steuerungsvorrichtung kann dabei jedoch auch eine Messwertrückführung haben, sodass es sich streng genommen in einigen Ausführungsformen um eine Steuerungsvorrichtung mit Regelungsfunktion handeln kann; es wird jedoch stets der Begriff Steuerungsvorrichtung verwendet.
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Die Tragstruktur kann in einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Bestandsstruktur eines Gebäudes sein.
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Alternativ kann auch der eine Aufhängepunkt an einer Gebäudewand bestimmt werden und weitere Punkte werden durch mobile oder fest stehende Säulen oder auch Naturstrukturen wie Felsen definiert, ebenfalls alternativ kann vorgesehen sein, eine bereits existierende Aufhängungsvorrichtung wie einen Flaschenzug o. ä., die bereits in früherer Zeit angebracht wurde, zum Betrieb der erfindungsgemäßen generativen Fertigungsvorrichtung zu nutzen.
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Diese Aufhängungsvorrichtungen liegen im oberen Endbereich des Arbeitsvolumens vor, sodass die Bewegung des Ausgabekopfes in Schwererichtung schwerkraftgetrieben erfolgen kann. Die Steuerungsvorrichtung berechnet hierbei die Seillängen der jeweiligen Seile, um eine zeitlich und räumlich definierte Bewegung des Ausgabekopfes zu ermöglichen und dadurch jeden beliebigen Punkt im Arbeitsvolumen anfahren zu können. Hierdurch wird ein Einsatz der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung auch bei engen Platzverhältnissen oder in geschlossenen Räumen ermöglicht. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Fertigungsvorrichtung einen ganzen Bauplatz überspannt, sodass prinzipiell ein Gebäude vollständig „gedruckt” werden kann.
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Optional können in einer weiteren Ausführungsform die Seile entweder einenends über ihre Seilenden oder durchlaufend mit dem Ausgabekopf verbunden sein. „Durchlaufend” meint hierin eine Befestigung unter Einsatz einer weiteren Seilrolle am Ausgabekopf, wie bei einem Flaschenzug.
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Das aushärtbare Ausgangsmaterial kann ein fließfähiger (und so ist hierin auch „Fluid” zu verstehen) Baustoff, etwa ein Spezialbeton, ein faser- oder partikelverstärkter Beton, ein Lehm, oder ein Kunststoff oder Kunststoffgemisch oder ein Gemisch aus zwei oder mehr der vorgenannten Baustoffe sein. Dem Baustoff können auch Füllstoffe, beispielsweise mit Dämmeigenschaften oder zur Gewichtreduzierung zugefügt werden.
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Aus Beton werden dabei oft bevorzugt Gebäude oder Gebäudeteile hergestellt, etwa Wände, Zwischendecken, Trägerelemente, beispielsweise Dachbinder. Es kann auch vorgesehen sein, vor dem Ausbringen des Betons oder währenddessen gemäß der 3D-Daten eine Armierung in den entsprechenden Bereichen einzubringen. Unter Verwendung der Fertigungsvorrichtung können dabei vorteilhaft auch Hohl räume in den Gebäudeteilen erzeugt werden, um leichtgewichtige aber dennoch tragfähige Strukturen zu schaffen, beispielsweise mit einer Innenverrippung. Es können aber auch Kanäle, für Wasser, Strom, Abfall o. ä. direkt in den Gebäudeteilen erzeugt werden.
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Vorteilhaft ist es möglich, Vor- und Nachbearbeitungsschritte wie Spachteln, Glätten, Sprühen, Rollen und/oder Bürsten automatisiert auszuführen und ggf. auch z. B. aussteifende Bewehrungs-Gewebezwischenlagen einzubringen.
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Der Seilroboter weist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mehrere motorgetriebene Seiltrommeln auf, die jeweils einzeln von der Steuerungsvorrichtung ansteuerbar sind. Dabei erstreckt bzw. erstrecken sich von den Seiltrommeln jeweils ein oder mehrere Seile) über eine oder mehrere Aufhängungsvorrichtung/en zu dem Ausgabekopf. Die motorgetriebenen Seiltrommeln sind geeigneter Weise an der Tragstruktur angeordnet; alternativ kann vorgesehen sein, die Seiltrommeln am Ausgabekopf anzuordnen, was jedoch hinsichtlich des Gewichts des Ausgabekopfs nicht bevorzugt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, im Fußbereich der Tragstruktur, bevorzugt im Fußbereich jeder der Säulen (z. B. Traverse, Vollprofil oder Hohlprofil), der Bestandswand oder des Felsens oder der weiteren geeigneten Tragstruktur, für jedes der Belle eine Seiltrommel anzuordnen, von der sich jeweils ein Seil zu einer Seilumlenkung erstreckt, bevorzugt zu einer Seilrolle, die in einem oberen Endbereich der Tragstruktur vorliegt. Eine Seilrolle überträgt Betriebskräfte optimal und ist wenig verschleißanfällig. Von der Seilumlenkung aus ist das jeweilige Seil zu dem Ausgabekopf geführt und an diesem befestigt.
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Türme von Turmkränen können für die Erfindung leicht umgerüstet werden. Obwohl das erfindungsgemäße Prinzip bereits mit drei Säulen funktioniert, hat der Einsatz von vier Säulen Vorteile hinsichtlich der Verfahrgeschwindigkeit des Ausgabekopfs; es können aber auch größere Lasten mitgeführt werden. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von vier Säulen eine bessere Arbeitsraumabdeckung. Es ergibt sich ein insgesamt schnellerer und genauerer Fertigungsprozess. Es können auch noch mehr Tragstrukturen eingesetzt werden, als nur drei für die drei Aufhängepunkte zur Definition eines Raumes – wichtig ist, dass das gewünschte Bauraumvolumen an jedem Punkt mittels des Ausgabekopfes erreichbar ist.
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In einer noch weiteren Ausführungsform können in dem oberen Endbereich der Tragstruktur zwei oder mehr Seilumlenkungen in Höhenrichtung versetzt angeordnet sein. Von jeder der Seilumlenkungen erstreckt sich dabei jeweils ein Seil zu dem Ausgabekopf, wobei die Enden der Seile jeweils in unterschiedlichen Höhen mit dem Ausgabekopf verbunden sind. Der Abstand, in dem die Enden der Seile mit dem Ausgabekopf verbunden sind entspricht dabei in vorteilhafter Weise dem Abstand der Seilumlenkungen der jeweiligen zugeordneten Tragstruktur. Hierdurch wird eine stabilere und pendelfreie Aufhängung des Ausgabekopfs erreicht, wodurch insbesondere des Nachpendeln bei Beschleunigung des Ausgabekopfs vermeiden werden kann und die Anfälligkeit einer Pendelanregung durch Winde reduziert wird.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsmaterialquelle von dem Ausgabekopf getrennt ist und etwa außerhalb des Arbeitsvolumens angeordnet ist. Bei der Ausgangsmaterialquelle kann es sich insbesondere um ein Silo handeln, das über eine Ausgangsmaterialleitung, besonders bevorzugt einen Schlauch, mit dem Ausgabekopf verbunden ist. Das Silo, von dem die Ausgangsmaterialleitung zum Ausgabekopf verlauft, kann aber auch, wenn es geeignet erscheint und den Bauprozess nicht behindert, innerhalb des Arbeitsvolumens angeordnet sein. Eine Alternative hierzu ist, die Ausgangsmaterialquelle als Vorratsbehälter an dem Ausgabekopf anzuordnen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass der Vorratsbehälter am Ausgabekopf zwei oder mehr Kammern hat und das Ausgangsmaterial erst kurz vor der Ausgabe angemischt wird. Ist der Vorratsbehälter leer, wird der Ausgabevorgang unterbrochen und dieser wieder befüllt. Ein Silo zur Befüllung des Vorratsbehälters soll dabei innerhalb des Arbeitsvolumens angeordnet sein, da der Ausgabekopf nur innerhalb des Arbeitsvolumens verfahren werden kann, da über die Seilanordnung bzw. die Positionierung der Aufhängungspunkte vorgegeben wird, welche Punkte angefahren werden können.
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Die Ausführungsform mit einer dauerhaften Ausgangsmaterialleitung zwischen Ausgangsmaterialquelle und Ausgabekopf hat dagegen den Vorteil, dass eine kontinuierliche Zuführung von Ausgangsmaterial zum Ausgabekopf erfolgt. Es muss hierbei jedoch nicht unbedingt ein ortsfestes Silo vorgesehen sein, es ist vielmehr auch eine Zuführung von Ausgangsmaterial aus einem Fahrzeug, Bigbags oder anderen Behältnissen möglich.
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Die erfindungsgemäße generative Fertigungsvorrichtung kann zusätzlich eine Waschstation außerhalb des Arbeitsvolumens haben, zu dem der Ausgabekopf in regelmäßigen Abständen zur Reinigung automatisiert verfahren werden kann.
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Ferner kann die generative Fertigungsvorrichtung zumindest eine Positionsbestimmungsvorrichtung aufweisen, die zur Bestimmung einer Ist-Position der Ausgabedüse des Ausgabekopfes kommunikativ mit der Steuerungsvorrichtung verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung kann dabei insbesondere einen Positionsregler aufweisen, der dazu ausgebildet ist, einen Abgleich der Ist-Position mit der Soll-Position der Ausgabedüse auszuführen. Es kann dabei beispielweise eine Vorpositionierung über eine Seillängenmessung oder Erfassung des Drehwinkels der Seiltrommeln, vorgesehen sein. Hierüber ist jedoch nur eine vergleichsweise ungenaue Positionierung möglich, da Effekte wie Seildehnung, Schwingung, Durchbiegung der Tragstruktur bzw. Längenänderungen aufgrund von Temperaturunterschieden, Wind etc. zu Abweichungen von der Soll-Position führen. Durch den Einsatz des Positionsreglers werden diese Abweichungen verringert oder sogar ganz beseitigt. Im Ergebnis ist eine deutlich genauere Positionierung des Ausgabekopfs möglich, wodurch die Qualität der herzustellenden Bauwerke deutlich erhöht werden kann.
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Ein oder mehrere Teil(e) der Positionsbestimmungsvorrichtung können dabei an dem Ausgabekopf angeordnet sein. Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine satellitengestützte Positionsbestimmungsvorrichtung oder eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativposition bezüglich der Aufhängungspunkte handeln, etwa um eine leitstrahlbasierte Positionsbestimmungsvorrichtung, die beispielsweise einen Laser einsetzt. Alternativ kann eine Positionsbestimmung auch über Schall, Stereokamerasysteme, Radar oder differentielles GPS erfolgen.
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Die Positionsbestimmungsvorrichtung ist kommunikativ mit der Steuerungsvorrichtung verbunden, um eine Messwertrückführung zu erreichen. Die Positionsbestimmungsvorrichtung zur Erfassung einer Relativposition kann an der Tragstruktur eine Strahlungsquelle und am Ausgabekopf Reflektoren o. ä. aufweisen. Handelt es sich um eine satellitengestützte Positionsbestimmungsvorrichtung kann am Ausgabekopf ein GPS-Empfänger angeordnet sein, der seine Position zu einer außerhalb des Arbeitsvolumens angeordneten Auswerteeinheit sendet, die wiederum mit der Steuerungsvorrichtung kommunikativ verbunden ist; die Steuerungsvorrichtung und die Auswerteeinheit können aber auch in ein und derselben Vorrichtung zusammengefasst sein. In einer alternativen Ausführungsform kann an dem Ausgabekopf eine Abstandsmessvorrichtung vorgesehen sein, mit der ein Abstand zu angrenzenden Wänden, Boden, Gelände erfasst werden kann.
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Die erfindungsgemäß beanspruchte Stabilisierungsvorrichtung kann dabei einen Dreiachs-Antrieb und/oder eine Kreiselvorrichtung aufweisen. Die Ausgabedüse ist also bezüglich einem „Grundkörper” des Ausgabekopfs verschiebbar gelagert, sodass diese in gewissen Grenzen unabhängig von den Seilantrieben verfahren werden kann. Ferner kann der Seilroboter eine oder mehrere Dämpfungsvorrichtungen aufweisen; insbesondere kann zwischen dem zu dem Ausgabekopf weisenden Ende zumindest eines Seils und dem Ausgabekopf eine Dämpfungsvorrichtung angeordnet sein, die auch eine Feder aufweisen kann und als Feder-Dämpfer-System in das jeweilige Seil „eingeschleift” ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Dämpfungsvorrichtung auch in den Antrieb des jeweiligen Seils, beispielsweise als Drehfeder/-dämpfer-System in die Seiltrommel, integriert sein. Die Dämpfungsvorrichtungen können auch dazu dienen, beim Einsatz von vier oder mehr Tragstrukturen bzw. der doppelten Seilaufhängung pro Tragstruktur eine statische Überbestimmtheit der Ausgabekopf-Aufhängung zu vermeiden, in dem Einzelseilkräfte begrenzt werden.
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Über die Dämpfungsvorrichtung sollen in erster Linie große Beschleunigungen, Vibrationen und Schwingungen, die z. B. beim Anlauf der Antriebe der Seiltrommeln auftreten können, abgemildert werden, während die Stabilisierungsvorrichtung darüber hinaus äußeren Störeinflüssen wie Wind, Vibration etc. entgegen wirkt. Wenn die Stabilisierungsvorrichtung einen eigenen Antrieb hat, kann diese auch operativ mit der Steuerungsvorrichtung verbunden sein, um beispielsweise die zur Positionsregelung nötigen Positionskorrekturen auszuführen, ohne den Seiltrommelantrieb hierzu zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass eine deutlich schnellere Reaktion auf eine Positionsabweichung möglich ist, als mit den vergleichweise trägen Seiltrommelantrieben und den Elastizitäten von Seil und Mast.
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Schließlich kann sogar vorgesehen sein, dass der Ausgabekopf lösbar mit einer Plattform verbunden ist, die mittels des Seilroboters innerhalb des Arbeitsvolumens verfahren werden kann. Hierbei kann die Plattform insbesondere als modulares Werkzeugaufnahmesystem verstanden werden, an dem neben dem Ausgabekopf andere Bauwerkzeuge, wie Kranhaken, Steingreifer, Bürsten und/oder Sprühvorrichtungen angebracht werden können. Die Seilbefestigungen wie sie vorstehend beschrieben sind liegen in dieser Ausführungsform dann an der Plattform vor und nicht am Ausgabekopf. In dieser Ausführungsform können mit der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung nahezu alle auf der Baustelle anfallenden Arbeiten ausgeführt werden, insbesondere ist kein zusätzlicher Kran mehr nötig.
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Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau eines Bauwerks wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen generativen Ferfigungsvorrichtung ausgeführt und umfasst die folgenden Schritte:
- a) In die Steuerungsvorrichtung Laden eines 3D-Volumendatensatzes, der das zu fertigende Bauwerk beschreibt,
- b) Bereitstellen des aushärtbaren Ausgangsmaterials und dem Ausgabekopf zur Verfügung stellen und
- c) durch die Steuerungsvorrichtung entsprechend denn 3D-Volumendatensatz gesteuert Verfahren des Ausgabekopfes mittels des Seilroboters, dabei schichtweise Ausgeben des aushärtbaren Ausgangsmaterials aus der Ausgabedüse und Herstellen eines Materialzusammenhalts und Erhalten des Bauwerks.
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Mit „3D-Volumendatensatz” ist hierin ein CAD-Volumenmodell des herzustellenden Bauwerks gemeint, das nicht nur die Hüllflächen beschreibt, sondern quasi als „Volumenpixel” das Volumen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Volumendatensatz als Mehrzahl ebener (2D)-Datensätze vorliegt oder als Reihe von Einzelkoordinaten. Die Volumendaten können auch später erst in der generativen Fertigungsvorrichtung erzeugt werden, wobei z. B. die 3D-Daten etwa als Flächenmodell im STL-Format zur Verfügung gestellt werden und vollständig umschlossene Flächenzüge von der generativen Fertigungsvorrichtung als Volumen interpretiert werden. Um einen Volumenkörper zu erhalten, wird zunächst in einer Ebene das aushärtbare Ausgangsmaterial aufgetragen und der Materialzusammenhalt hergestellt und dann Ebene für Ebene fortgefahren. Hierdurch kann das Bauwerk quasi in einem Schritt, mit geringem Nacharbeitsaufwand oder sogar nacharbeitsfrei und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
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Schließlich kann in einer weiteren Ausführungsform im Schritt c) mittels der Positionsbestimmungsvorrichtung eine Ist-Position der Ausgabedüse des Ausgabekopfes bestimmt werden und diese der Steuerungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Ferner wird durch die Steuerungsvorrichtung ein Abgleich der Ist-Position der Ausgabedüse mit der Soll-Position der Ausgabedüse durchgeführt und bei Feststellen einer vorbestimmten Abweichung eine Positionskorrektur eingeleitet. Hierdurch können jegliche Abweichungen (Seildehnung, Durchbiegung der Tragstruktur, Schwingungsanregung...) der Ist-Position von der Soll-Position der Ausgabedüse korrigiert werden, wobei wie beschrieben, zur Verringerung der Reaktionszeit ein am Ausgabekopf angeordneter Antrieb der Stabilisierungsvorrichtung eingesetzt werden kann.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Es zeigt die einzige Figur eine perspektivische Ansicht der generativen Fertigungsvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße generative Fertigungsvorrichtung 10 hat einen Ausgabekopf 2, aus dem ein aushärtbares Ausgangsmaterial wie Spezialbeton (Ein Beton mit Additiven für eine vorgegebene Härtung), zur Ausführung eines Auftragsverfahrens ausgegeben wreden kann. Am Ausgabekopf 2 ist ein Vorratsbehälter 21 für das Ausgangsmaterial angeordnet, der fluidisch mit der Ausgabedüse 22 des Ausgabekopfs 2 verbunden ist; das Material ist also fließfähig.
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Um den Ausgabekopf 2 innerhalb des Arbeitsvolumens A zu verfahren, wird ein Seilroboter 1 eingesetzt. Der Seilroboter 1 hat hier vier Säulen 11, von denen jeweils im oberen Endbereich zwei Seile 13, 13' von unterschiedlichen Höhenpositionen aus zu dem Ausgabekopf 2 verlaufen, wobei deren Seilenden 131, 131' mit dem Ausgabekopf 2 verbunden sind. Zum Anfahren einer beliebigen Position innerhalb des Arbeitsvolumens A werden die Seillängen nach geeigneten Zusammenhängen verändert; die Zusammenhänge sind über die Geometrie der Vorrichtung leicht herleitbar. Im Übrigen werden Seilroboter 1 in der Lagerwirtschaft bereits eingesetzt, sodass mechanik- sowie softwareseitig hinreichend Erfahrung hinsichtlich der Umsetzung der Positionierung besteht.
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Die sich von verschiedenen Höhenpositionen der Säulen 11 erstreckenden Seile 13, 13' sind jeweils auf Seilrollen 14 geführt und auch jeweils an dem Ausgabekopf 2 in unterschiedlichen Höhenpositionen befestigt. Idealerweise ist der Abstand der Befestigung der Seile 13, 13' an dem Ausgabekopf 2 identisch mit dem Abstand der Seile 13, 13' an der jeweiligen zugeordneten Säule 11. Durch eine derartig ausgeführte Seilbefestigung ist eine sichere, pendelfreie Aufhängung des Ausgabekopfes 2 sichergestellt.
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Um ein bestimmtes Bauwerk herzustellen, werden nun 3D-Volumendaten, die des Bauwerk beschreiben, in die Steuerungsvorrichtung 4 geladen, die operativ mit den Antriebsvorrichtungen 12 verbunden sind. Die Ausgabedüse 22 wird durch Bewegung des Ausgabekopfes 2 den 3D-Volumendaten entsprechend verfahren; zunächst in einer ersten Auftragsebene und anschließend Ebene für Ebene bzw. Schicht für Schicht. Während der Ausgabekopf 2 zu den durch die 3D-Volumendaten bestimmten Orten bewegt wird, wird aushärtbares Ausgangsmaterial ausgegeben, wobei sich die einzeln aufgebrachten Schichten verbinden und das zu fertigende Bauwerk entsteht.
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Der Antrieb des Ausgabekopfs erfolgt so: Über die Antriebsvorrichtungen 12 können die Längen der Seile 13, 13' einzeln und unabhängig voneinander verändert werden; so können beliebige Orte innerhalb des Arbeitsvolumens A mit dem Ausgabekopf 2 angefahren werden, wobei Koordinaten am „Rand” des Arbeitsvolumens aufgrund der Eigenabmessungen des Ausgabekopfs mit der Ausgabedüse nicht erreicht werden können. Bei den Antriebsvorrichtungen 12 handelt es sich jeweils um motorgetriebene Seiltrommeln, auf denen jeweils ein Seil 13, 13' aufgewickelt ist und die jeweils im Fußbereich der Säulen 11 angeordnet sind. Von jeder der Seiltrommeln erstreckt sich ein Seil 13, 13' entlang der Länge der Säule 11 nach oben bis zu einem Aufhängungspunkt bzw. Umlenkungspunkt, der jeweils durch eine Seilrolle 14 gebildet ist.
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Eine Abwärtsbewegung kann der Ausgabekopf 2 schwerkraftgetrieben ausführen, während eine Bewegung entgegen des Schwerfelds in Richtung H durch die Antriebsvorrichtungen 12 erfolgt.
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Um eine genauere Positionierung zu ermöglichen, als es über Seillängenmessungen bzw. Erfassung des Abrollwegs der Seiltrommeln möglich ist, ist am Ausgabekopf eine Positionsbestimmungsvorrichtung vorgesehen, etwa ein GPS-Empfänger, der die Position über die schematisch gezeigte Funkstrecke F an einen Empfänger der Positionsbestimmungsvorrichtung 5 funkt, der kommunikativ mit der daneben angeordneten Steuerungsvorrichtung 4 verbunden ist. In der Steuerungsvorrichtung 4 wird eine Positionsregelung ausgeführt, die fortwährend die Ist-Position mit der Soll-Position der Ausgabedüse vergleicht und ggf. korrigierend eingreift. Zwischen den Seilenden 131, 131' und dem Ausgabekopf 2 sind ferner Dämpfer 6 angeordnet, bei denen es sich um ein Feder-Dämpfer-Paar handelt und die dazu vorgesehen sind, die Einwirkung zu großer Beschleunigungen auf den Ausgabekopf 2 zu vermeiden und auch Seilschwingungen zu dämpfen.
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Ist der Vorratsbehälter 21 leer, muss der Fertigungsvorgang unterbrochen werden; der Ausgabekopf 2 mit dem Vorratsbehälter 21 wird durch geeignete Veränderung der Seillängen zu dem Silo 3 gefahren, das außerhalb des Arbeitsvolumens A angeordnet ist. Dort wird der Vorratsbehälter 21 wieder mit frischem aushärtbaren Ausgangsmaterial befüllt und der Fertigungsprozess kann fortgesetzt werden. Beim Befüllen bleibt der Vorratsbehälter 21 innerhalb des Arbeitsvolumens A; eine Befüllung ist über eine entsprechend an das Arbeitsvolumen A angrenzende Anordnung des Silos 3 problemlos möglich.
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Mit der erfindungsgemäßen generativen Fertigungsvorrichtung 10 können erstmals Bauwerke mit Abmessungen von einigen Metern bis hin zu einigen hundert Metern generativ hergestellt werden. Die Säulen der Fertigungsvorrichtung 10 können dabei jeweils an den Ecken eines Bauplatzes aufgestellt werden, sodass an jedem beliebigen Ort einer Baustelle generativ Gebäudeteile erzeugt werden können. Hierdurch besteht die Möglichkeit, Gebäude deutlich schneller zu erstellen, da vollautomatisch rund um die Uhr gearbeitet werden kann. Auch können Personalkosten auf der Baustelle gesenkt werden und der Einfluss menschlicher Fehler auf das Arbeitsergebnis wird reduziert. Ferner kann in bestehenden Gebäuden weitergearbeitet werden – es können Zwischenwände, Regale oder Möbel errichtet werden. Diese sind nur beispielhaft zu verstehen, es gibt eine Vielzahl weiterer Anwendungen.
