DE102017108509A1 - System umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite Vorrichtung zum Aufbringen von Material - Google Patents

System umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite Vorrichtung zum Aufbringen von Material Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung (20) und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite Vorrichtung (27) zum Aufbringen von Material. Zur einfachen Erzeugung komplexer Strukturen ist erfindungsgemäß vorgesehen, die wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung (20) von einem mit wenigstens einem Rotor (21) versehenen Fluggerät (20) gebildet wird, das wenigstens einen Behälter (231; 232) zum Bevorraten des Materials aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite Vorrichtung zum Aufbringen von Material gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein gattungsgemäßes System ist aus der WO 2004/ 065 707 A2 bekannt. Bei diesem bekannten System zum Errichten von Gebäudewänden ist die gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung an einer dreidimensional nach Art eines Roboterarms bewegbaren Aufhängung verfahrbar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein System so zu gestalten, dass die Aufbringung des Materials auch bei komplexen Wandstrukturen und größeren Höhen in einfacher Weise erfolgen kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße System umfasst als erste Vorrichtung wenigstens ein mit wenigstens einem Rotor versehenes Fluggerät und wenigstens eine an diesem angeordnete zweite Vorrichtung zum Aufbringen von Material. Es zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die gesteuert verfahrbare Vorrichtung von einem Fluggerät gebildet wird, das beliebige Bewegungen ausführen kann, die weit über die Bewegungsfreiheit eines Roboterarms hinausgehen. Das im erfindungsgemäßen System verwendete Fluggerät weist dabei wenigstens einen Behälter zum Bevorraten des Materials auf. Durch einen derartigen Vorratsbehälter ist das Fluggerät zumindest zeitweise unabhängig von der Versorgung mit weiterem Material. Man könnte die Erfindung mit anderen Worten kurz zusammengefasst auch als „Drohne mit Material-Vorratsbehälter und 3D-Druckkopf“ bezeichnen. Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit beispielsweise eine weitestgehend automatisierte Errichtung eines Bauwerks, ohne dass dafür ein Einsatz von Robotern, Gerüsten, Kränen, Förderbändern oder Schrägaufzügen nötig wird.
  • Die Vorrichtung umfasst bevorzugt wenigstens eine Düse, mittels der bevorzugt flüssige oder pastöse Materialien an einer beliebigen durch das Fluggerät ansteuerbaren Position deponiert werden können.
  • Der wenigstens eine Behälter ist mit der Vorrichtung mittels wenigstens einer Pumpe verbunden. Diese ist vorzugsweise bezüglich der Fördermenge pro Zeiteinheit in Ihrer Leistung steuerbar. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass auch der Förderdruck der Pumpe zur Anpassung an unterschiedlich fließfähige Materialien einstellbar ist.
  • Besonders bevorzugt weist bei einem erfindungsgemäßen System das Fluggerät wenigstens zwei Vorratsbehälter auf, in denen auch unterschiedliche Materialkomponenten bevorratet werden können, die bevorzugt in der zweiten Vorrichtung zum Aufbringen des Materials bei Bedarf auch gemischt werden können. Diese beiden Komponenten können beispielsweise von einem Beton und einem Schnell-Abbindemittel für Beton gebildet werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass als erste Komponente eine Außenschicht, beispielsweise aus einem gut isolierenden, wetterfesten Kunststoffmaterial und als zweite Komponente eine Innenschicht aus Beton aufgebracht wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die zweite Vorrichtung zum Aufbringen oder der wenigstens eine an dieser angeordnete Behälter über wenigstens eine Materialzufuhrleitung mit wenigstens einem Vorratsbehälter verbunden sind.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Materialzufuhrleitung mittels wenigstens einer Tragvorrichtung auf einem Niveau oberhalb der Flughöhe des Fluggeräts gehalten wird. Hierdurch wird die Zufuhr des Materials zum Fluggerät erleichtert.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter auf einem Niveau oberhalb der Flughöhe des Fluggeräts angeordnet ist. Hierdurch wird die Zufuhr des Materials zum Fluggerät zusätzlich erleichtert.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Fluggerät mit wenigstens einem Auftriebsbehälter versehen ist. Ein derartiger Auftriebsbehälter, der mit einem Gas gefüllt sein kann, das leichter ist als Luft, reduziert die erforderliche Motorleistung zum Antrieb der Motoren des Fluggeräts und damit dessen Energiebedarf zur Aufrechterhaltung eines Schwebezustands.
  • Das erfindungsgemäße System zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass das Fluggerät mit einem Empfänger versehen ist, der mit einem mit einem Steuergerät verbundenen Sender in Funkverbindung steht. Hierdurch ist in einfacher Weise ein Eingriff in die Steuerung des Fluggeräts durch einen am Boden befindlichen Bediener möglich. Generell kann jedoch ein Programm („der Bauplan“) zum durch einen schichtenweisen Materialauftrag erfolgendes Errichten der Wände eines Bauwerks, einschließlich der in den Wänden vorgesehenen Öffnungen, auch in einem Programmspeicher des Fluggeräts selbst angeordnet sein.
  • Ein Programmspeicher, der im Fluggerät selbst oder in einem bodennah angeordneten, in Funkverbindung mit dem Fluggerät stehenden Steuergerät vorgesehen ist, dient zur Speicherung wenigstens eines Arbeitsprogramms mit Positionsdaten für das Fluggerät und mit Material-Dosierungsdaten für die Vorrichtung und/oder die Pumpe.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Fluggerät von einer Drohne gebildet wird. Eine Drohne ist mittels einer Vielzahl von Rotoren in vielfacher Weise in alle Richtungen bewegbar und kann daher mittels des aufgebrachten Materials auch komplexe Formen und Konturen erzeugen.
  • Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass das Fluggerät zum Errichten einer Wand eines Gebäudes verwendet wird. Die Vorrichtung zum Aufbringen von Material ist dabei besonders bevorzugt zum Aufbringen von Beton verwendbar.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft für ein erfindungsgemäßes System, wenn das Fluggerät mit wenigstens einer Vorrichtung zum Anbringen von Anbauteilen versehen ist. Derartige Anbauteile können beispielsweise von Schalungsvorrichtungen, von Fenster-oder Türzargen oder von Armierungsteilen, wie beispielsweise in eine Gebäudedecke einzuarbeitende Fasermatten oder Stahlmatten gebildet werden. Mittels eines erfindungsgemäßen Systems können derartige Matten sogar durch entsprechende kreuzende Bewegungsbahnen eines oder mehrerer Fluggeräte aus einem beispielsweise aus einer zweiten Vorrichtung extrudierten „Faden“ nach Art eines Spinnennetzes gewebt werden.
  • Das erfindungsgemäße System kann auch mehrere Fluggeräte umfassen, die mittels einer gemeinsamen Steuervorrichtung synchron zur Realisierung eines gemeinsamen Bauplanes bewegbar sind. Die einen Teil des Systems bildende Steuervorrichtung bzw. die Steuergeräte sind bevorzugt mit einer Software-Applikation ausgestattet, durch welche zur Realisierung von Bauwerken CAD-Daten eines Bauplans in GPS-Koordinaten eines oder mehrere Fluggeräte und besonders bevorzugt auch umgekehrt zur Entwicklung von Bauplänen GPS-Koordinaten in CAD-Daten umgewandelt werden können. Des Weiteren können die GPS-Koordinaten auch zur Kontrolle der IST-Werte (zur Bauüberwachung oder Qualitäts-Kontrolle) im Steuergerät aufgezeichnet werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, komplexe Strukturen von Bauwerken sehr viel schneller und effizienter zu produzieren. Die dabei erzielbare Kostenreduktion beträgt rund 30 % gegenüber einer herkömmlichen Bauweise.
  • Das erfindungsgemäße System kann aufgrund des flexiblen Einsatzes, der hohen Produktionsgeschwindigkeit und seiner Kosteneffizienz einen bedeutsamen Beitrag zur schnelleren Schaffung günstigen Wohnraums liefern. Die additive Fertigungsweise ermöglicht einen besonders sparsamen Umgang mit dem Material und somit mit unseren natürlichen Ressourcen. Das erfindungsgemäße System kann auch in engen Baulücken zum Einsatz kommen, bei denen sonst bei Verwendung herkömmlicher Gerüste oder Kräne erhebliche Beeinträchtigungen für die nähere Umgebung einer Baustelle entstehen. Neben dem Errichten von Gebäuden sind auch andere vorteilhafte Anwendungen für ein erfindungsgemäßes System, beispielsweise beim Errichten von Staudämmen oder Brücken oder beim Aufbringen von Stra-ßenbelägen, denkbar.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Fluggeräts mit einem integrierten Material-Behälter und einer Düse zum Auftragen des Materials,
    • 2 eine schematische Ansicht eines Fluggeräts mit einem integrierten Material-Behälter und einer Düse zum Auftragen des Materials mit einem zusätzlichen externen Auftriebskörper,
    • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Materialzufuhrleitung , die ein Fluggerät mit einem bodennahen Vorratsbehälter verbindet und
    • 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Materialzufuhrleitung , die ein Fluggerät mit einem in einer erhöhten Position angeordneten Vorratsbehälter verbindet.
  • In 3 und 4 sind zwei verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems 10 dargestellt. Das erfindungsgemäße System 10 umfasst eine erste Vorrichtung 20, die von einem mit wenigstens einem Rotor 21 versehenen Fluggerät 20 gebildet wird.
  • Zwei verschiedene Ausführungsformen eines derartigen, bevorzugt von einer Drohne mit mehreren Rotoren 21 gebildeten Fluggeräts 20 sind in den 1 und 2 beispielhaft schematisch dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße System 10 umfasst, wie in den 1 und 2 dargestellt, ferner wenigstens eine zweite Vorrichtung 27 zum Aufbringen von Material. Die wenigstens eine zweite Vorrichtung 27 ist nach Art einer Düse oder nach Art eines Druckkopfes ausgebildet und steht über eine Förderleitung 26 mit einer Pumpe 24 in Verbindung.
  • Die Pumpe 24 ist eingangsseitig über wenigstens eine Zufuhrleitung 25 mit wenigstens einem Behälter 23 bzw. mehreren Behältern 231 und 232 verbunden, die zur Bevorratung oder zur Pufferung eines insbesondere flüssigen oder pastösen Materials dienen.
  • Das Material in wenigstens einem der Behälter 231, 232 kann jedoch auch pulverförmig oder fest gebildet sein und mit einer Flüssigkeit aus dem anderen Behälter 232, 231 in der zweiten Vorrichtung 27 zu einer pastösen Masse vermischt oder durch Erwärmung geschmolzen werden. Sofern mehrere Behälter 231, 232 vorgesehen sind, können diese entweder dasselbe Material oder aber unterschiedliche Komponenten zur Erzeugung einer in der zweiten Vorrichtung 27 gebildeten Material-Mischung - beispielsweise eines Betons als erste Komponente und eines Härters zum schnelleren Aushärten des Betons als zweite Komponente beherbergen.
  • Die Behälter 23; 231, 232 sind bevorzugt innerhalb eines Gehäuses 22 des Fluggeräts 20 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist jedoch auch eine Anordnung nicht dargestellter externer Behälter am Gehäuse 22 möglich.
  • Das Fluggerät 20 ist, wie in den 1 und 2 dargestellt, zusätzlich mit wenigstens einer Vorrichtung 28 zur Anbringung von Anbauteilen versehen. Diese Anbauteile können beispielsweise von Schalbrettern gebildet werden, die zu beiden Seiten der Vorrichtung 27 das eingebrachte Material während des Auftragens begrenzen.
  • Zur Reduzierung der für den Betrieb der Rotoren 21 zur Erzeugung eines Schwebezustands des Fluggeräts 20 erforderlichen Leistung sind bevorzugt Auftriebsbehälter 29 bzw. 291 im oder am Gehäuse 22 angeordnet. Die intern im Gehäuse 22 als separate Kammern angeordneten Auftriebsbehälter 29 bzw. die extern am Gehäuse 22 beispielsweise in Form eines umlaufenden Schlauches angeordneten Auftriebsbehälter 291 beherbergen ein Gas, das ein geringeres spezifisches Gewicht als Luft aufweist, beispielsweise Helium.
  • Die Fluggeräte 20 werden entweder zum Befüllen der Behälter 23; 231, 232 jeweils an eine Ladestation geflogen oder sie sind, so wie dies in den 3 und 4 dargestellt ist, besonders bevorzugt über Materialzufuhrleitungen 30 mit wenigstens einem Vorratsbehälter 40 verbunden. In oder an diesen Vorratsbehälter an 40 ist bevorzugt eine weitere Pumpe 42 angeordnet, mittels der das Material aus dem Vorratsbehälter 40 über die Materialzufuhrleitung 30 zu den Behältern 23; 231, 232 oder direkt zur zweiten Vorrichtung 27 gefördert wird.
  • Die Materialzufuhrleitung 30 ist mit dem Vorratsbehälter 40 über ein Anschlussstück 34 und mit dem Fluggerät 20 über ein Anschlussstück 32 verbunden.
  • Um das Fluggerät 20 vom Gewicht der Materialzufuhrleitung 30 und des darin befindlichen Materials zu entlasten, sind bevorzugt Tragvorrichtungen 50 vorgesehen, die wenigstens einen im wesentlichen horizontalen Ausleger 51 und wenigstens eine vertikale Tragsäule 53 bzw. wenigstens ein Traglager 52 aufweisen. An diesen Tragsäulen 53 und Auslegern 51 ist die Materialzufuhrleitung 30 mittels Halterungen 54 bzw. 56 gelagert.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Vorratsbehälter 40 bodennah angeordnet, so dass das Material über die Materialzufuhrleitung 30 von unten zu dem in der Luft schwebenden Fluggerät 20 gefördert werden muss.
  • Im alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Vorratsbehälter 40 auf einem in der Nachbarschaft bereits bestehenden Gebäude 70 angeordnet. In diesem Fall ist die erforderliche Leistung der Pumpe 42 zur Förderung des Materials über die Materialzufuhrleitung 30 zum Fluggerät 20 deutlich geringer.
  • Das erfindungsgemäße System dient bevorzugt zum Errichten wenigstens einer Wand 60 eines Gebäudes 70.
  • Die Steuerung des erfindungsgemäßen Systems erfolgt bevorzugt mittels eines in 4 dargestellten Steuergeräts 80, das über wenigstens einen Programmspeicher 82 und wenigstens einen Sender 84 verfügt. Der Sender 84 steht mit einem am Fluggerät 20 angeordneten Empfänger 86 in Funkverbindung.
  • Der Programmspeicher 82 enthält einen Bauplan für das Gebäude 70, in dem für die einzelnen Wände 60 sämtliche Positionen und Maße einschließlich der erforderlichen Aussparungen für Türen und Fenster als CAD-Daten hinterlegt sind. Der Programmspeicher 82 enthält auch die durch die zweiten Vorrichtungen 27 an den jeweils von den Fluggeräten 20 angeflogenen Positionen abzugebenden erforderlichen Mengendaten des Materials, die durch eine entsprechende Ansteuerung der Pumpen 24 bzw. 42 oder nicht dargestellten Ventile gesteuert werden. Das Steuergerät 80 setzt diese CAD-Daten mittels eines Prozessors in GPS-Daten um, die mittels des Senders 84 an dem Empfänger 86 gesendet werden, mittels derer das Fluggerät 20 die entsprechenden Positionen zum Aufbringen des Materials nacheinander anfährt.
  • Umgekehrt können auch GPS-Signale des Fluggeräts 20 von einem Sender am Fluggerät 20 an einen nicht dargestellten Empfänger am Steuergerät 80 übertragen werden und daraus Daten für einen Bauplan eines zu errichtenden Bauwerks ermittelt werden.
  • Das erfindungsgemäße System mit dem Fluggerät 20 kann auf dieselbe Art auch zur Vermessung fertiger Bauwerke 70 verwendet werden, wodurch der exakte Ist-Zustand eines Bauwerks ermittelt werden kann. Dies dient zum einen der Qualitäts-kontrolle bei der Abnahme, wie auch einer periodischen Überwachung von Veränderungen an einem Gebäude, beispielsweise einer Absenkung infolge des Nachgebens von Fundamenten durch Erdsenkungen, Erdbeben oder Erdstöße.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    System
    20
    Fluggerät (erste Vorrichtung, z.B. Drohne)
    21
    Rotor
    22
    Gehäuse
    23
    Behälter (für Material)
    231
    Behälter (für Material-Komponente 1)
    232
    Behälter (für Material-Komponente 2)
    24
    Pumpe
    25
    Zufuhrleitung
    26
    Förderleitung
    27
    (zweite) Vorrichtung (zum Aufbringen von Material, z.B. Düse oder Druckkopf)
    28
    Vorrichtung (zur Montage von Anbauteilen)
    29
    Auftriebsbehälter (intern in 22)
    291
    Auftriebsbehälter (extern an 20)
    30
    Materialzufuhrleitung
    32
    Anschlussstück (von 30 an 23)
    34
    Anschlussstück (von 30 an 40)
    40
    Vorratsbehälter
    42
    Pumpe
    50
    Tragvorrichtung
    51
    Ausleger
    52
    Traglager
    53
    Tragsäule
    54
    Halterung
    56
    Halterung
    60
    Gebäudeteil (Wand)
    70
    Gebäude
    80
    Steuergerät
    82
    Programmspeicher
    84
    Sender
    86
    Empfänger

Claims (15)

  1. System (10) umfassend wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung (20) und wenigstens eine an dieser angeordnete zweite Vorrichtung (27) zum Aufbringen von Material, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine gesteuert verfahrbare erste Vorrichtung (20) von einem mit wenigstens einem Rotor (21) versehenen Fluggerät (20) gebildet wird, das wenigstens einen Behälter (23; 231; 232) zum Bevorraten des Materials aufweist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (27) wenigstens eine Düse (27) umfasst.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (23; 231; 232) mit der zweiten Vorrichtung (27) mittels wenigstens einer Pumpe (24) verbunden ist.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) wenigstens zwei Behälter (231; 232) aufweist.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Behälter (231; 232) zur Aufnahme unterschiedliche Komponenten des Materials geeignet sind, die über die zweite Vorrichtung (27) mischbar sind.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (27) oder der wenigstens eine Behälter (23; 231; 232) über wenigstens eine Materialzufuhrleitung (30) mit wenigstens einem Vorratsbehälter (40) verbunden sind.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialzufuhrleitung (30) mittels wenigstens einer Tragvorrichtung (50) auf einem Niveau oberhalb der Flughöhe des Fluggeräts (20) gehalten wird.
  8. System nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (40) auf einem Niveau oberhalb der Flughöhe des Fluggeräts (20) angeordnet ist.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) mit wenigstens einem Auftriebsbehälter (29; 291) versehen ist.
  10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) mit einem Empfänger (86) versehen ist, der mit einem mit einem Steuergerät (80) verbundenen Sender (84) in Funkverbindung steht.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (80) wenigstens einen Programmspeicher (82) zur Speicherung wenigstens eines Arbeitsprogramms mit Positionsdaten für das Fluggerät (20) und mit Material-Dosierungsdaten für die Vorrichtung (27) und/oder die Pumpe (24) aufweist.
  12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) von einer Drohne (20) gebildet wird.
  13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) zum Errichten einer Wand (60) eines Gebäudes (70) verwendet wird.
  14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (27) zum Aufbringen von Beton verwendbar ist.
  15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (20) mit wenigstens einer Vorrichtung (28) zum Anbringen von Anbauteilen versehen ist.
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