DE102018116795B4

DE102018116795B4 - Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102018116795B4
Application number: DE102018116795.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Seume; Bernd Müller
Original assignee: KURT SEUME SPEZIALMASCHINENBAU GmbH
Current assignee: KURT SEUME SPEZIALMASCHINENBAU GmbH
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: DE102018116795A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur Herstellung von Werkstücken, die mindestens einen in einem dreidimensionalen Raum frei beweglichen Druckkopf (1), ein Handling-Portal (2) sowie ein den Bauraum skallierendes Kontrollsystem (3) umfasst, wobei durch den mindestens einen formgebenden Druckkopf (1) ein im dreidimensionalen Raum schichtweiser und kontinuierlicher Austrag eines sich erhärtenden oder ansteifenden Materials (4) erfolgt und zur Stabilitätserhöhung der Werkstücke während des Druckvorgangs eine textile Armierung (5) abgelegt wird, indem diese gemeinsam mit dem Materialaustrag (4) synchron ausgetragen wird, wobei die Vorrichtung im Austragsbereich des mindestens einen Druckkopfes (1) oder am/im Druckkopf (1) selbst mindestens ein Austragsorgan (7.3) zum Austrag der textilen Armierung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (1) in mehrere Kammern (7.1, 7.2, 7.3) unterteilt ist, wobei mindestens eine Kammer (7.3) zum Austrag der textilen Armierung (5) und mindestens eine Kammer (7.1) zum Materialaustrag (4) ausgebildet sind, wobei mindestens eine Armierungszuführung vorgesehen ist, die aus einer Abwickelstelle mit einer kugelgelagerten und einstellbar permanent gebremsten Wickelwelle (16) zur Aufnahme einer mit der textilen Armierung (5) bewickelten Spule, einer Abzugs-Treiber-Einheit (8) und einer Schneideinheit (9) umfasst, wobei die Schneideinheit (9) aus einem parallelen Schneidenpaar gebildet ist, dessen Messer beide gegenläufig in ihrer Schneid- und Öffnungsbewegung sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch im dreidimensionalen Raum schichtweisen und kontinuierlichen Austrag eines sich erhärtenden oder ansteifenden Materials aus mindestens einem formgebenden Druckkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Handling-Portale gehören prinzipiell auch bei anderen artfremden Anwendungen zum Stand der Technik. Die spezielle Ausführung ist jeweils unterschiedlich. Die Kombination des Portals mit einem Druckkopf ist auch aus verschiedenen Anmeldungen und Publikationen bekannt (z.B. in DE 10 2011 113 163 A1 , US 7 874 825 B2 , US 2014 / 0 308 381 A1 ). Die vorgestellten Patentschriften beschreiben einheitlich eine Einrichtung oder ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Körpers im Schichtbauverfahren.
Risikobehaftet und bisher nicht untersucht ist das gleichzeitige Drucken von Beton und textilen Bewehrungsstrukturen. Für eine hohe Bewehrungswirkung und Lastaufnahme müssen die Textilstrukturen gestreckt vorliegen und demzufolge unter leichter Zugspannung den Druckkopf passieren und lastgerecht abgelegt werden. Im Gegensatz dazu steht die extrudierte Betonmasse unter Druckspannung. Daraus ergibt sich eine sehr anspruchsvolle technologische Aufgabenstellung.
Ein weiteres Risiko ergibt sich aus der konstruktiven Anforderung die Bewehrung in der Zugspannungszone der Bauteile zu positionieren, wo sie die maximale Bewehrungswirkung entfaltet. Für dieses maschinelle Ablegen gibt es bisher keine technischen Vorbilder.
Aus der US 2014 / 0 252 668 A1 , der US 2018 / 0 071 949 A1 , der WO 2016 / 166 116 A1 , der DE 697 07 640 T2 , der US 2016 / 0 192 741 A1 sowie der DE 44 43 503 A1 sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Werkstücken durch im dreidimensionalen Raum schichtweisen und kontinuierlichen Austrag eines zementartigen Materials aus einem formgebenden Druckkopf bekannt, wobei insbesondere in der US 2014 / 0 252 668 A1 ein Verfahren beschrieben ist, mittels dem zur Stabilitätserhöhung der Werkstücke während des Druckvorgangs ein Beschleunigungsmittel und ein Textilmaterial abgelegt wird, indem diese gemeinsam mit dem Materialaustrag synchron ausgetragen werden.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, parallel zur technologischen Entwicklung und der Entwicklung einer geeigneten textilen Armierung eine Vorrichtung zu entwickeln, die über den schichtweisen kontinuierlichen Austrag eines sich schnell erhärtenden bzw. ansteifenden Materials, vorzugsweise eines Feinbetons, aus dem formgebenden Druckkopf zu einer Kosten- und Zeitersparnis bei der Herstellung von Werkstücken (bspw. von Bauteilen) anspruchsvoller Geometrien (ohne Schalungsprozess) in Fertigteilwerken führt. Dabei zielt die Entwicklung auf eine ressourcenschonende und geometrisch präzise Vorrichtung ab, welche es den Anwendern ermöglicht, komplizierte Werkstückgeometrien oder Negativformen für den mehrfachen Herstellungsprozess zu produzieren.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken vorgesehen, die mindestens einen in einem dreidimensionalen Raum frei beweglichen Druckkopf, ein Handling-Portal sowie ein den Bauraum skallierendes Kontrollsystem umfasst, wobei durch den mindestens einen formgebenden Druckkopf ein im dreidimensionalen Raum schichtweiser und kontinuierlicher Austrag eines sich erhärtenden oder ansteifenden Materials erfolgt und zur Stabilitätserhöhung der Werkstücke während des Druckvorgangs eine textile Armierung abgelegt wird, indem diese gemeinsam mit dem Materialaustrag synchron ausgetragen wird, wobei die Vorrichtung im Austragsbereich des mindestens einen Druckkopfes oder am/im Druckkopf selbst mindestens ein Austragsorgan zum Austrag der textilen Armierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf in mehrere Kammern unterteilt ist, wobei mindestens eine Kammer zum Austrag der textilen Armierung und mindestens eine Kammer zum Materialaustrag ausgebildet sind, wobei mindestens eine Armierungszuführung vorgesehen ist, die aus einer Abwickelstelle mit einer kugelgelagerten und einstellbar permanent gebremsten Wickelwelle zur Aufnahme einer mit der textilen Armierung bewickelten Spule, einer Abzugs-Treiber-Einheit und einer Schneideinheit umfasst, wobei die Schneideinheit aus einem parallelen Schneidenpaar gebildet ist, dessen Messer beide gegenläufig in ihrer Schneid- und Öffnungsbewegung sind.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigen

1 eine perspektivische Darstellung eines Handlingportals mit Druckkopf;
2 mittig eine Ansicht auf die Betonaustrittsseite des Druckkopfes, links davon eine vertikale Schnitt-Ansicht durch den Druckkopf mit Aufbauten und rechts davon eine Seitenansicht auf o.g. inkl. der Betonmörtelzuführung;
3 eine Extra-Schnitt-Ansicht durch den Druckkopf mit Gitterbandzuführung, Antrieb und Schneideinheit inkl. Betonmörtelzuführung.

Ausführung der Erfindung
An einem Ausführungsbeispiel, welches in 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 in einer vorteilhaften Ausführungsform zeigt, wird im Weiteren die Umsetzung eines schichtweisen Betonaustrags 4 gemeinsam mit der textilen Armierung 5 in Form eines Gitterbandes dargestellt.
Die textile Armierung 5 wird auf einer Spule 6 aufgewickelt bereitgestellt. Der Zulauf des Gitterbandes 5 durch Abwickeln von der Spule 6 in den Druckkopf 1 erfolgt synchron entweder zwangsläufig mit der Vorschubbewegung des Druckkopfes 1 oder separat angetrieben über die integrierte und elektronisch gesteuerte motorisch angetriebene Abzugseinheit 8. Um eine konstante Zugkraft im Gitterband 5 zu gewährleisten, wird die Spule 6 in Ihrer Abwickel-Rotationsbewegung gesteuert oder elektronisch geregelt abgebremst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 umfasst im Austragsbereich des mindestens einen Druckkopfes 1 oder am/im Druckkopf selbst mindestens ein Austragsorgan 7.3 zum Austrag der textilen Armierung.
Hierbei wird das von einem Wickel, vorzugsweise von einer der Spule 6 ablaufende textile Gitterband 5 mit einstellbarer Zugkraftbremsung, mittig dem Druckkopfgehäuse 7 so zugeführt, dass kurz vor dem Austritt aus dem Druckkopf von dem von oben und unten zuströmenden Betonstrang 4 umschlossen, festgehalten und im weiteren mitgezogen wird.
Zu Beginn des „Druckprozesses“ wird das textile Gitterband 5 von einer Abzugseinheit 8 synchron zur Lineargeschwindigkeit des Druckkopfes abgezogen.
Im normalen Druckprozess ist das ggf. nicht mehr erforderlich aber jeder Zeit möglich. Bei Absetzbewegungen des Druckkopfes 1 bei Ecken oder neuem Schichtaufbau kann das Gitterband in der durchlaufenen Schneideinheit 9 sauber getrennt werden und anschließend wieder dem Druckprozess mittels der Abzugseinheit 8 zugeführt werden. Der Betonmörtel selbst wird extern von einer Betonpump-Station erzeugt und vom Kontrollsystem 3 gesteuert in die Betonmörtelzufuhr 10 des Druckkopfes 1 eingespeist.
Durch eine Additivpumpe 10.1 können z.B. Reaktionsbeschleuniger in den Betonmörtel zugegeben und in der Mischeinheit 10.2 kontinuierlich vermischt werden. Im Weiteren wird der bis dahin einheitliche Volumenstrom über einen Duplexkrümmer 10.3 dem Druckkopfgehäuse 7 geteilt in den unteren 7.1 und oberen 7.2 Gehäusebereich unter Druck zugeführt. Dabei bildet sich durch die beschriebene Ausführung eine annähernd laminare Strömung aus, die einen Betonmörtelstrang mit textiler Armierung am Ausgang des Druckgehäuses 7 erzeugt, der mit der Bewegung des Druckkopfes 1 auf der jeweils unteren Ebene oder Schicht abgelegt werden und damit abbinden kann.
Auch kann die Führung der textilen Armierung 5 außen, an der der Austrittsöffnung des Druckergehäuses 7 gegenüberliegenden Seite entlang unterhalb des austretenden Betonmörtelstroms, der dann die textile Armierung 5 auf der Ablagefläche andrückt, erfolgen.
Ferner kann die Führung der textilen Armierung 5 außen, aufseiten der Austrittsöffnung des Druckergehäuses 7 entlang bis kurz über dem austretenden Betonmörtelstrom erfolgen wobei dann die textile Armierung 5 auf diesen mittels einer Gleitplatte oder- rolle angerückt werden muss.
In beiden letztgenannten Ausführungen ist die Zuführung der textilen Armierung 5 dezentral angeordnet, was dann zu einer einfachen Betonmörtelzufuhr über einen Simplexkrümmer in ein von der Erfindung nicht umfasstes Druckergehäuse 7 mit nur einer erforderlichen Kammer führt.
Wie aus dem in den 2 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 ersichtlich, ist im Weiteren die gestalterische Umsetzung des Druckkopfes 1 derart ausgeführt, dass die Anordnung der Einzelmodule hierbei funktions- und handhabungsgerecht vorzugsweise an einem Aufnahmegestell erfolgt, über dessen Montagekonsole 15 letztlich eine Befestigung des Druckkopfes 1 an das Handlingsystem gegeben ist.
Das Druckkopfgehäuse 7 ist vorzugsweise in drei separate Kammern unterteilt, die untere Kammer 7.1 zur Speisung und zum Ausstoß des unteren Betonmörtelstroms, die obere 7.2 in gleicher Weise für den oberen Betonmörtelstrom und die zentrale mittlere schmale Kammer 7.3 für den Durchgang des textilen Gitterbandes 5. Dazu ist das Druckkopfgehäuse 7 an der Decke oberhalb der mittleren Kammer 7.3 mit einem zentralen Schlitz 11 versehen.
Die Befüllung mit Betonmörtel der unteren und oberen Kammer 7.1 und 7.2 erfolgt durch die Einlässe 12 und 13. Alle 3 Kammern münden in den unteren Bereich des Gehäuses zusammen kurz vor der Austrittsöffnung. Durch die spezielle abgerundete Gestaltung der der unteren und oberen Kammer wird eine annähernd laminare Strömung des Betomörtelstroms erzeugt. In ähnlicher Weise bewirkt die kurvenförmige Ausbildung der mittleren Kammer 7.3 einen gleichmäßigen Durchgang der textilen Armierung.
Die Betonmörteleinspeisung ist im Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass sich vom Frischmörteleingang 14, über den Duplexkrümmer 10.3 bis zu den Einlässen 12 und 13 im Druckkopfgehäuse 7 (außer in der Mischeinheit 10.2) ein möglichst laminarer Volumenstrom ausbilden kann. In der Mischeinheit wird zwecks Durchmischung der Additive eine Verwirbelung im Volumenstrom entweder statisch durch entsprechende „Labyrintgestaltung“ im Mischrohr oder dynamisch z.B. durch eine Exzenterschnecken-Pumpe erzeugt. Die Additive selbst werden aus einem Behälter in die Additivpumpe geleitet, die dann die Zumengung in das Mörtelvolumen exakt dosiert. Der Anschluss der Additivpumpe 10.1 ist so gestaltet, dass der maximale Weg der Mischeinheit 10.2 ausgenutzt werden kann. Im vorliegenden Gestaltungsbeispiel ist die Mischeinheit 10.2 als ein so genannter Statikmischer ausgeführt. (Der Vorratsbehälter für Additive ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.)
Die textile Armierung 5 besteht beispielsweise aus einem Gitterband aus hochfesten Filamentfasern. Im Ausführungsbeispiel wird dieses Gitterband auf einer Spule 6 gespeichert und im Zuführungs- und Druckprozess von dieser abgewickelt. Die sogenannte Wickelbreite der Spule 6 ist an die maximale Breite des Gitterbandes 5 angepasst. Die Spule 6 selbst ist auf einer fliegend kugelgelagerten Spindel 16 aufgesteckt und wird über eine vorzugsweise einstellbare Dauerschlupfbremse 17 abgebremst, die eine definierte Zugkraft im Gitterband 5 beim Abwickeln bewirkt.
Die fliegende Lagerung ermöglicht das einfache Aufschieben und Abziehen der Wickelspule über Ihre Aufnahmebohrung. Die Zentrierung und Fixierung der Spule erfolgt z.B. in bekannter Weise über Konus-Spannbuchsen Den Spulenwickel verlassend läuft das Gitterband 6 in den Zentralschlitz der Abzugseinheit 8 ein.
Die Abzugseinheit 8 beinhaltet in Richtung des Gitterbandeinlaufes zunächst eine Detektiereinheit 18. Diese dient zur Initialisierung der Position der jeweiligen Querstreben des Gitters zur Erfassung der optimalen Schnittposition vor Umsetzen des Druckkopfes 1 z.B. beim Drucken über Eck oder einem neuem Schichtaufbau.
Durch die angefederte Anstellung des kugelgelagerten leichtgängigen Wellzahnrades quer zum durchlaufenden Gitterband bewirkt selbiges über seine Querstäbe ein Mitdrehen des Wellzahnrades synchron zur Durchlaufbewegung. Mit einem radial auf das Wellzahnrad angestellten Sensor wird indirekt über die Lageerfassung des Wellzahnrades die ausreichend genaue Lage der Querstäbe des Gitterbandes erfasst. Dieses Signal des Initiators findet über die zentrale Steuerung zur definierten Auslösung des Schnittes des Gitterbandes derart Verwendung, dass z.B. vermieden wird, dieses im Bereich seiner Querstäbe aus Faserquerbündeln zu schneiden.
Der Detektiereinheit 18 nachfolgend angeordnet ist die eigentliche Abzugseinheit 8, die im Wesentlichen aus einem Friktionsrollenpaar besteht, von dem eine Rolle als Antriebsrolle 19 von einem Servomotor 21 angetrieben wird und die andere als frei laufende Druckrolle 20 mit einstellbarer Federvorspannung den Gegendruck aufbringt, um das durchlaufende Gitterband 5 zwecks Mitnahme an die Antriebsrolle 19 anzudrücken.
Die Antriebsrolle 19 ist zudem mit einem Freilauf gelagert, der in Abwickelrichtung öffnet und in Gegenrichtung sperrt, d.h. einen gegenläufigen Antrieb gestattet. Der motorische Antrieb erzeugt somit eine drehzahlgesteuerte, zur Linearbewegung des Druckkopfes annähernd passende, Vorschub- bzw. Abwickelbewegung der textilen Bewehrung, die durch den Freilauf an der Abzugsscheibe selbständig synchronisiert wird.
Die Schneideinheit 9 ist als zweischneidiges beidseitig angetriebenes gegenläufiges Guilottinenmesser ausgebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass das Gitterband 5 zum einen sauber geschnitten und zum anderen in seiner zentralen Durchlaufposition keine unnötige Ablenkung erfährt. Dazu dienen auch entsprechende Führungselemente an den relevanten Stellen.

Claims

Vorrichtung (6) zur Herstellung von Werkstücken, die mindestens einen in einem dreidimensionalen Raum frei beweglichen Druckkopf (1), ein Handling-Portal (2) sowie ein den Bauraum skallierendes Kontrollsystem (3) umfasst, wobei durch den mindestens einen formgebenden Druckkopf (1) ein im dreidimensionalen Raum schichtweiser und kontinuierlicher Austrag eines sich erhärtenden oder ansteifenden Materials (4) erfolgt und zur Stabilitätserhöhung der Werkstücke während des Druckvorgangs eine textile Armierung (5) abgelegt wird, indem diese gemeinsam mit dem Materialaustrag (4) synchron ausgetragen wird, wobei die Vorrichtung im Austragsbereich des mindestens einen Druckkopfes (1) oder am/im Druckkopf (1) selbst mindestens ein Austragsorgan (7.3) zum Austrag der textilen Armierung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Druckkopf (1) in mehrere Kammern (7.1, 7.2, 7.3) unterteilt ist, wobei mindestens eine Kammer (7.3) zum Austrag der textilen Armierung (5) und mindestens eine Kammer (7.1) zum Materialaustrag (4) ausgebildet sind, wobei mindestens eine Armierungszuführung vorgesehen ist, die aus einer Abwickelstelle mit einer kugelgelagerten und einstellbar permanent gebremsten Wickelwelle (16) zur Aufnahme einer mit der textilen Armierung (5) bewickelten Spule, einer Abzugs-Treiber-Einheit (8) und einer Schneideinheit (9) besteht wobei die Schneideinheit (9) aus einem parallelen Schneidenpaar gebildet ist, dessen Messer beide gegenläufig in ihrer Schneid- und Öffnungsbewegung sind.
Vorrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass sie mindestens eine Abzugs-Treiber-Einheit (8) umfasst, die aus einem mit definierter Federkraft gegeneinander drückenden FriktionsRollenpaar besteht, dessen eine Rolle als Antriebsrolle (19) von einem Servomotor (21) drehzahlgeregelt angetrieben und dessen andere Rolle als Druckrolle (20) durch einstellbare Federkraft gegen die die andere gedrückt und somit die textile Armierung (5) angetrieben wird.
Vorrichtung (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Antriebsrolle (19) mit einem Freilauf gelagert ist, der in Abwickelrichtung öffnet und in Gegenrichtung sperrt.
Vorrichtung (6) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Abzug-Treiber-Einheit (8) und die Schneideinheit (9) dezentral zu einem aus einer Kammer bestehenden Druckkopfgehäuse (7) angeordnet ist und die textile Armierung (5) am Druckkopfgehäuse (7) vorbei unter oder über den Materialaustrag (4) geführt ist.
Vorrichtung (6) nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass sie mindestens eine Detektiereinheit (18) als Bestandteil der Abzug-Treiber-Einheit (8) umfasst, die aus einem kugelgelagerten federnd gegeneinander drückenden Rollenpaar besteht, dessen eine Rolle als Wellzahnrad (22) im Modul der textilen Armierung (5) und dessen Gegenrolle als Nutrolle (23) ausgebildet ist.
Vorrichtung (6) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass sie mindestens eine Detektiereinheit (18) mit einer rein elektronischen Erfassung der durchlaufenden Armierung (5) in der Weise umfasst, dass die temporäre Lage der textilen Armierung (5) - vorzugsweise mittels Sensoren - erfasst und über die zentrale Steuerung weiter verarbeitet werden kann.