DE102016001760A1

DE102016001760A1 - Computergesteuerter Konstruktionsspritzroboter

Info

Publication number: DE102016001760A1
Application number: DE102016001760.0A
Authority: DE
Inventors: Janet Arras; Rainer Reimert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für den Bau (1) zum Beschichten einer Fläche (2) mit anhaftenden Materialien wie z. B. Spritzbeton. Hierbei weist die Einrichtung (3) ein hierin schematisch durch einen Block dargestelltes, mobiles Fahrgestell (4) und eine auf einem bewegbaren Tragarm (5) befestigte, verlängerbare Spritzlanze (6) auf. Tragarm (5) und Spritzlanze (6) können dabei durch Gelenke und zusätzlich mithilfe von Teleskopen (7), eines horizontal beweglichen Tisches (8) und der Lafette (4) horizontal und vertikal bewegt werden. Die Einrichtung besitzt zudem eine elektronische Steueranlage (9). Aufgrund der Gestaltung der Steueranlage (9) ist es möglich, den Spritzprozess durch manuelles Betätigen von Bedienungselementen oder vollständig automatisch zu steuern, wobei nach Bestimmung der räumlichen Position der Einrichtung (3) die Steuerung (9) ein vorgefertigtes Programm und den Spritzvorgang sowie die Roboterbewegung steuert.

Description

Hiermit werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum schichtweisen Fertigen von tragenden und nicht-tragfähigen Wänden, Platten oder Decken des Hoch- und Tiefbaus aus anhaftenden Materialien als Erfindung gemeldet, welche im Speziellen eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 2 betrifft.
Es wird hierzu schichtweise anhaftendes Material auf eine Fläche aufgebracht. Als Flächen können dabei bekannte Schalungseinrichtungen des Hochbaus genutzt werden. Ebenfalls kann auch das Prinzip einer verlorenen Schalung gebraucht werden, bei der die Schalung einen festen Verbund mit dem aufgetragenen Material eingeht und bei dem Verfahren verbraucht wird (vgl. D. Gruschka, D. Opitz, M. Becker, Beton 1992, 42(11), 603–606). Zudem kann der Boden bearbeitet und auf diesem ebenfalls ein Belag horizontal oder vertikal (vgl. H. Kischel, bi-BauMagazin 2014, 5, 96–97) aufgetragen werden. Die als Erfindung gemeldete Einrichtung kann dabei im Außenbereich des entstehenden Gebäudes und in dessen Innenraum eingesetzt werden. Für Isolations- oder Verputzzwecke kann das Verfahren und die Einrichtung zudem entsprechende Isolations-, Putz- oder Farbschichten auf eine vorhandene oder gefertigte oder ausgebaute Wand, Platte oder Decke des Hoch- und Tiefbaus aufbringen. Schließlich können mit der Einrichtung auch besondere Strukturen auf einer entsprechenden Fläche (s. o.) aufgebaut werden.
Als Spritzbeton ist Beton definiert, der in einer geschlossenen, überdruck-festen Schlauch- oder Rohrleitung zur Einbaustelle gefördert und dort durch Spritzen aufgetragen und dabei verdichtet wird (vgl. Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezialbetone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005, S. 9). Nach DIN EN 14487-1 und DIN EN 14487-2 in Verbindung mit DIN 18551 kann Spritzbeton zur Instandsetzung und für die Verstärkung von bestehenden Tragwerken, für neue Tragwerke und für die Sicherung von Baugruben, Hohlräumen und Hängen sowie für die Auskleidung von Hohlraumbauten des konstruktiven Ingenieurbaus verwendet werden. Außer für Spezialbauten, für die eine Schalung nicht praktikabel ist, wird Spritzbeton allerdings bislang hauptsächlich im Tunnelbau und im Ausbau bzw. zur Instandsetzung eingesetzt. Spritzbeton wird bislang entweder von Hand oder mithilfe eines halb- oder vollautomatischen Spritzbetonmanipulators mittels einer zum Verspritzen des Betons geeigneten Spritzdüse aufgetragen (vgl. G. Girmscheid, S. Moser, Bauingenieur 2001, 76, 135–145). Es sind Spritzroboter für den Tunnelbau bekannt, welche durch eine mechanisierte Führung der Spritzdüse das Auftragen des Spritzbetons auf eine Oberfläche erleichtern. Bekannte Einrichtungen bestehen dabei aus einem Trägerfahrzeug, auf welchem ein Spritzroboter aufgebaut ist oder direkt aus einem mobilen Spritzroboter. Bekannte Spritzroboter besitzen einen beweglichen Arm und eine bewegliche Spritzlanze, die die Spritzdüse trägt. Trotz des bedeutenden Potentials und vieler Vorteile eines vollautomatischen Konstruktionsspritzbetonverfahrens existiert bislang für die speziellen Gegebenheiten des Hochbaus kein solches Verfahren. Ein besonderer Vorteil von Neubauten aus Spritzbeton ist, dass nur eine Fläche benötigt wird, auf die der Spritzbeton kontrolliert aufgetragen wird, was deutlich wirtschaftlicher ist. Zudem werden Probleme aufgrund von Schalungsdrücken des frischen Betons, von Beanspruchungen durch Verdichtungsgeräte oder mit engen Schalungsquerschnitten fast gänzlich vermieden (vgl. Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezialbetone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005).
Es ist bekannt, dass drei wesentliche Einflussgrößen den erfolgreichen Einbau von Spritzbeton bestimmen (vgl. Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezial-betone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005). Zum einen ist die Betonrezeptur wesentlich, auf die hierin nicht eingegangen werden soll. Desweiteren wird die Qualität des Spritzbetons von der Maschinentechnik der Spritzsysteme bestimmt, welche vor allem für den Tunnelbau hochentwickelt sind und hierin nicht im Detail besprochen werden sollen. Zuletzt spielt allerdings ebenfalls der Düsenführer eine wesentliche Rolle. Optimale Einbaubedingungen sind ein Einbauwinkel von möglichst 90° und ein Einbauabstand von 0,50 bis 1,50 m, welche vom gewählten Spritzbetonverfahren garantiert werden müssen. Wird der optimale Einbauwinkel von ca. 90° nicht eingehalten, kommt es zu erheblichem Rückprall und damit zu starken Qualitäts- und Materialverlusten, da die Schicht nicht in gleichmäßiger Dicke auf der Wand aufgebracht werden kann. Werden allerdings zur Bewehrung Stahleinlagen eingesetzt, muss der Düsenführer zudem durch kreisende Düsenbewegungen das Entstehen eines gut verdichteten Spritzbetons mit gleichmäßigem Gefüge und mit ausreichender Umhüllung der Stahleinlagen sichern. Im Besonderen ist bekannt, dass die Spritzbetonqualität entscheidend vom Verhältnis des Treibluftstromes zum Betonförderstrom sowie der Düsengeometrie einerseits und der Spritzdistanz andererseits abhängt.
Mit der hierin beschriebenen Erfindung werden die technischen Grundlagen eines vollautomatischen Konstruktionsspritzverfahrens für den Bau sowie die dazu benötigte Einrichtung vorgestellt. Im Besonderen sollen die Arbeitssicherheit und die Arbeitsbedingungen von Bauarbeitern durch ein vollautomatisches Auftragen von anhaftenden Materialien verbessert und ein schnellerer Baufortschritt gewährleistet sowie die Qualität des Einbaus anhaftender Materialien deutlich gesteigert und Materialverlust weitestgehend vermieden werden (vgl. DE 100 23 798 A1 ).
Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und eine Einrichtung mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Verspritzen von anhaftenden Materialien ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 und 2 schematische Darstellungen der Ausgangsposition einer Einrichtung zum Verspritzen von anhaftenden Materialien, welche im Außenbereich von Gebäuden (1) und in Innenräumen (2) eingesetzt werden kann, 3 und 4 schematische Darstellungen der Bewegung der Spritzdüse relativ zur zu behandelnden Oberfläche, für welche die Spritzdüse zum Schichtaufbau horizontal (3) oder vertikal (4) fixiert werden kann.
1 und 2 zeigen eine schematische Ansicht eines Gebäudes (1), dessen Flächen (2) mittels eines mobilen Roboters (3) mit anhaftendem Material beschichtet werden können. Die Einrichtung (3) kann sowohl im Außenbereich des Gebäudes (1) als auch in dessen Innenräumen (2) benutzt werden. 3 und 4 geben die Bewegung der Spritzdüse der Einrichtung (3) wieder und verdeutlichen dadurch das automatische computergesteuerte Einbauverfahren von anhaftenden Materialien.
Die Einrichtung (3) besitzt einen beweglichen Tragarm (5) an dessen Spitze sich eine Spritzlanze (6) befindet, welche den Spritzdüsenaufsatz (10) einer Förderleitung (11) einer kommerziell verfügbaren oder speziell gefertigten Förderpumpe fixieren, bedienen und steuern kann. Der Roboter (3) soll sich autark und kollisionsfrei mit der Geschwindigkeit v bewegen und auf wenige Millimeter genau arbeiten. Mittels der Bewegung über ein aus einer Raupe oder aus Rädern bestehendes Fahrgestell (4) und eines horizontal motorisch oder hydraulisch beweglichen Tisches (8) – beide nicht im Detail sondern lediglich durch einen Block dargestellt – kann durch höhenverstellbare Tragarmbewegungen eine Wandschale aufgebaut werden, welche durch Wiederholen des Prozesses zu einer z. B. 20 bis 30 cm dicken Wand anwachsen kann. Die Düsenführung wird dabei im Abstand a von der zu behandelnden Oberfläche positioniert und der Spritzprozess horizontal oder vertikal zu dieser Fläche in Gang gesetzt. Die aufgebaute Schicht des anhaftenden Materials soll dabei eine Dicke d besitzen. Desweiteren sollen besondere Strukturen des anhaftenden Materials durch die Bewegung der Spritzdüse aufgebaut bzw. dargestellt werden können. Die Einrichtung (3) soll einerseits mit bekannter und handelsüblicher 3D-Software arbeiten und zudem noch eine spezielle Software besitzen, um den eigentlichen Spritzprozess zu steuern. Beides soll die Steuerung (9) beinhalten und so für den Start und Stop des Spritzvorgangs, die Bewegung und Navigation des Spritzarms (5) und der Spritzlanze (6) und des Roboterfahrwerks (4) und für die Steuerung sicherheitstechnischer Funktionen sorgen. Es sollen neben einer Störungsanzeige, Leuchten zur Signalisierung des Roboterzustands und Notauselemente zur Sicherheit dienen. Die Leuchten sind hierin nicht im Detail dargestellt, sollen aber deutlich sichtbar am Roboter (3) befestigt sein. Die Steuerung (9) der Einrichtung (3) soll über Hochleistungs-Akkumulatoren mit Energie versorgt werden. 3D-Daten der Konstruktion eines Gebäudes sollen eingelesen und der Steuerung (9) zur Verfügung gestellt werden können. Durch Kalibrierung soll die Position des Roboters im Raum bestimmt werden können, was hierin nicht im Detail weiter ausgeführt wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass der Baufortschritt nicht unterbrochen werden muss und ein bedeutsamer Zeitgewinn erzielt werden kann, da das Auftragen anhaftender Materialien vollautomatisch und kontinuierlich erfolgen kann. Zudem wird die Qualität z. B. eines Spritzbetoneinbaus und die Verminderung des Rückpralls durch den Roboter gesichert, da der verlangte Aufprallwinkel von ungefähr 90° im Besonderen durch eine kurzfristige Unterbrechung des Spritzprozesses zur Korrektur der Düsenpositionierung eingehalten werden kann, was dadurch gegeben ist, dass der Tragarm (5) und die Spritzlanze (6) durch Gelenke und mithilfe von Teleskopen (7), des Tisches (8) und der Lafette (4) horizontal und vertikal beweglich ist, was hierin lediglich schematisch und nicht im Detail beschrieben wird. Ein weiterer Vorteil der Einrichtung besteht darin, dass mittels der Steuerung (9) ein Bauvorgang und damit Parameter wie die Schichtdicke, der Wasserbindemittelwert, die Menge und die Einbauzeit des anhaftenden Materials protokolliert werden können. Ein Qualitätsnachweis kann so über den gesamten Einbauzeitraum des anhaftenden Materials erbracht werden.
Durch das hierin vorgestellte System soll das Erstellen neuer Tragwerke für den Hochbau durch anhaftende Materialien und ein Konstruktionsspritzvorgang möglich werden. Mithilfe des vorgestellten vollautomatisierten, mobilen Roboters (3) wird ein Konstruktionsspritzsystem zur Verfügung gestellt. Es handelt sich deswegen bei der Erfindung um eine computergesteuerte Konstruktionsspritzeinrichtung und um ein Verfahren mit welchem z. B. Betoniervorgänge erleichtert und beschleunigt und die Arbeitsbedingungen der Spritzführer durch Reduzierung körperlich anstrengender und gesundheitsgefährdender Arbeiten verbessert werden sollen. Übergeordnete Ziele sind hierbei die Steigerung der Produktivität von Arbeiten mit anhaftenden Materialien durch die Automatisierung z. B. des Arbeitsschrittes Auftragen des Spritzbetons und die Verbesserung der Qualität des Betons, um die Attraktivität des Spritzbetoneinsatzes im Wohnungsbau zu erhöhen. Zudem können aufgrund des Überwachens und Steuerns der gesamten Arbeiten durch die Maschine eine lückenlose Qualitätssicherung gewährleistet sowie eine sichere Überwachung des Roboters ermöglicht werden.
Zu bemerken ist schließlich, dass sowohl das hierin beschriebene Verfahren und die Einrichtung als auch das Ausführungsbeispiel in verschiedener Hinsicht geändert und weiteren Anforderungen angepasst werden können.
Zitierte Nichtpatentliteratur

1. D. Gruschka, D. Opitz, M. Becker, Beton 1992, 42(11), 603–606.
2. H. Kischel, bi-BauMagazin 2014, 5, 96–97.
3. Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezialbetone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005, S. 9.
4. DIN EN 14487-1.
5. DIN EN 14487-2.
6. DIN 18551.
7. G. Girmscheid, S. Moser, Bauingenieur 2001, 76, 135–145.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10023798 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Gruschka, D. Opitz, M. Becker, Beton 1992, 42(11), 603–606 [0002]
H. Kischel, bi-BauMagazin 2014, 5, 96–97 [0002]
Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezialbetone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005, S. 9 [0003]
DIN EN 14487-1 [0003]
DIN EN 14487-2 [0003]
DIN 18551 [0003]
G. Girmscheid, S. Moser, Bauingenieur 2001, 76, 135–145 [0003]
Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezialbetone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005 [0003]
Schorn, H., Sonnenberg, R., Maurer, P.: Spritzbeton, Schriftenreihe Spezial-betone Bd. 6, Düsseldorf: Verlag Bau + Technik GmbH, 2005 [0004]

Claims

Computergesteuerter Konstruktionsspritzroboter für den Bau in Spritzbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion aus einem mobilen Fahrgestell (4) besteht und einer auf einem bewegbaren Tragarm (5) befestigte, verlängerbare Spritzlanze (6), wobei der Tragarm (5) und die Spritzlanze (6) dabei mittels Gelenken und mithilfe von Teleskopen (7), eines horizontal beweglichen Tisches (8) und der Lafette (4) horizontal und vertikal bewegt werden können und der Ablauf des Verfahrens zum Verspritzen des anhaftenden Materials, welches durch eine Förderleitung (11) und eine den Auslass der Förderleitung bildende Spritzdüse (10) geführt wird, nach Kalibrierung, d. h. nach Bestimmung der räumlichen Position der Einrichtung (3), von der Steuerung (9) durch manuelles Betätigen von Bedienungselementen oder vollständig automatisch ausgeführt wird.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anwendung des Verfahrens zudem besondere Strukturen aufgebaut werden können.