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Die Erfindung betrifft ein System zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken.
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Es ist bekannt, 3D-Druckverfahren bzw. additive Fertigungsverfahren zur Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken (beispielsweise Wänden oder Schalungen) zu verwenden. Die additive Fertigung von Bauwerken oder deren Bauteilen vermag die Produktivität im Bauwesen erheblich zu steigern. Durch den sogenannten 3D-Betondruck werden Bauwerke schneller und zu geringeren Kosten herstellbar. Mithilfe eines 3D-Betondruckers lassen sich Betonstrukturen ohne Schalung schnell und kostengünstig realisieren bei gleichzeitig größter Gestaltungsfreiheit.
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Bei einem derartigen Verfahren oder System wird eine Materialausgabeeinheit in mehreren Freiheitsgraden bewegt, um einen Baustoff (z. B. Beton, Mörtel oder thermoplastischer Kunststoff) schichtweise in vorgegebenen Druckbahnen auszubringen. Die Druckbahnen können auf Grundlage von 3D-Daten des Bauwerks bzw. Bauteils berechnet werden. Derartige Verfahren sind aus dem herkömmlichen 3D-Druck bereits bekannt. Bei den 3D-Daten des Bauwerks bzw. Bauteils kann es sich insbesondere um dreidimensionale CAD-Daten handeln. Das Bauwerk bzw. Bauteil kann in den Daten insbesondere durch Punkte, Wolken, Kantenmodelle, Flächenmodelle und/oder Volumenmodelle repräsentiert sein.
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In bekannten Verfahren kann als Baustoff ein Nassmörtel fortlaufend durch ein Mischen eines Trockenmörtels oder Trockenbetons mit Wasser erzeugt werden, welcher anschließend zu einem computergesteuerten Druckkopf bzw. einer Materialausgabeeinheit gepumpt bzw. befördert wird. Ein Hauptproblem in diesen Prozessen stellt die Tatsache dar, dass der Nassmörtel flüssig genug sein muss, um gepumpt bzw. gefördert werden zu können und gleichzeitig jedoch, wenn er als Schicht aufgebracht wurde, eine entsprechend hohe mechanische Widerstandskraft aufweisen soll, um die nächsten darüberliegenden Schichten tragen können zu können, ohne zusammenzubrechen.
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Die Steuerung und Überwachung von 3D-Druckparametern, wie Viskosität, Wassergehalt und Temperatur, des angemischten Baustoffs erfolgt bisher in der Regel manuell oder einmalig und kann erst nach Abschluss einer Drucksitzung verarbeitet und visualisiert werden. Diese konventionellen Verfahren beinhalten beispielsweise eine Probenentnahme vor Ort, gefolgt von einer Laboranalyse und erfordern manchmal auch eine Probenvorbereitung vor der Untersuchung. Abschließend erfolgt ein Versand des Ergebnisberichts an den Standort zur Entscheidungsfindung. Wenn die dadurch ermittelten Eigenschaften des Drucks die Anforderungen nicht erfüllen, kann dies eine Behebung der Mängel, insbesondere eine zumindest teilweise Zerstörung der bereits gedruckten Struktur erforderlich machen, was zu weiteren Problemen, wie Rissen und Inkonsistenzen im Druck, führen kann. Außerdem ist dies ein zeitaufwändiger und ineffizienter Prozess bei gleichzeitigem schnellem industriellem Wachstum und steigender Nachfrage nach 3D-gedruckten Häusern. Daher sind zuverlässige Informationen über Echtzeiteigenschaften des ausgebrachten Baustoffs für angemessene Qualitätskontrollen, Robustheit und Kostensenkung durch genaue Entscheidungen, verbesserte Konsistenz und geringerem Materialeinsatz wünschenswert.
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Darüber hinaus wird der 3D-Betondruckprozess durch unterschiedliche Druckbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen und die Änderung von Eingabeparametern von Druckern und Mischmaschinen, wie Transportschlauchdurchmesser und -länge, Druckgeschwindigkeit, Schichtzeit, Schichthöhe, Schichtbreite, Extrusion, beeinflusst. Druckrate, Schnitte, Druckgröße, Maschinenart, Leistung des Pumpenmotors, Materialart sind ebenfalls variable Parameter, für die es bisher keinen Wertebereich gibt, der als Maßstab für die Qualitätssicherung und -kontrolle verwendet werden kann. Es existieren derzeit keine Kataloge oder Vorgaben, die Standards für die Messung der Qualität einer 3D-gedruckten Struktur unter verschiedenen Bedingungen angeben.
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Die
EP 3 756 845 A1 offenbart ein System zum Implementieren eines Herstellungsverfahrens von Bauelementen, die Bindemittel und Aggregate umfassen, bei welchem mindestens ein Sensor vorgesehen ist, der dazu ausgelegt ist, mindestens zwei physikalische Eigenschaften von 3D-Druck-Nassmörtel auf seinem Weg von der Mischvorrichtung zu einem Auslass online zu messen, wobei die physikalischen Eigenschaften Viskosität und mindestens eines von Fließfähigkeit und Dichte umfassen.
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Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein System der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine Druckqualität der additiven Fertigung verbessert und den Materialeinsatz reduziert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein System zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken vorgeschlagen, wobei eine Materialausgabeeinheit in mehreren Freiheitsgraden bewegbar ist, um einen angemischten Baustoff schichtweise in vorgegebene Druckbahnen auszubringen, wenigstens umfassend die Materialausgabeeinheit, eine Misch- und Pumpvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Baustoff mit zugeführtem Wasser anzumischen und nachfolgend von der Misch- und Pumpvorrichtung zu der Materialausgabeeinheit zu fördern, wenigstens einen ersten Sensor, welcher dazu geeignet ist, fortlaufend während des Fertigungsvorgangs wenigstens zwei erste physikalische Parameter des angemischten Baustoffs direkt inline zu messen, eine Steuereinheit zur Steuerung des Fertigungsvorgangs, welche wenigstens mit der Misch- und Pumpvorrichtung und dem wenigstens einen ersten Sensor kommunikationsverbunden ist, welche wenigstens die gemessenen ersten physikalischen Parameter des wenigstens einen ersten Sensors als Eingangssignale erhält und welche ferner dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang wenigstens in Abhängigkeit von den ersten physikalischen Parametern des wenigstens einen ersten Sensors automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Das erfindungsgemäße System ist mit einem integrierten Sensorsystem versehen, das dazu in der Lage ist, direkt inline physikalische Eigenschaften des eingesetzten Baustoffs zu ermitteln und Eingabeparameter des Druckvorgangs während des Betriebs zu ändern. Dadurch wird die Druckqualität der additiven Fertigung weiter verbessert und der Materialeinsatz deutlich reduziert. In sehr vorteilhafter Weise wird durch die inline-Messungen bei dem erfindungsgemäßen System, welche direkt im Fertigungsprozess erfolgen, die Messgenauigkeit signifikant erhöht. Im Gegensatz dazu wird bei online-Messungen nicht direkt im Prozess gemessen, sondern z. B. in einer dafür eingebauten Abzweigung (einem „Bypass“). Es wird also nicht exakt das erfasst was im Prozess stattfindet. Weitere zuverlässige Sensoren, wie z. B. Viskositätssensoren, Wassergehaltsensoren, Temperatursensoren, Druck- und Wasserdurchflusssensoren können zur Messung der Eigenschaften ergänzt werden, um angemessene Qualitätskontrollen, eine Robustheit, eine Kostensenkung durch genauere Entscheidungen, eine verbesserte Konsistenz und einen geringeren Materialverbrauch zu erreichen. Mit der Erfindung kann ferner das Problem der Inkonsistenz während des Druckens durch automatisches Einstellen der Wasserdurchflussrate und des Wassergehalts gelöst werden. Dies reduziert den personellen Arbeitseinsatz, der erforderlich ist, um diese Anpassungen kontinuierlich vorzunehmen und hält die Qualität der gedruckten Muster weiter aufrecht.
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Durch eine kontinuierliche Kontrolle des Druckprozesses können Druckkosten, Makulator, Zeitverlust und Ineffizienz reduziert und die Druckqualität erhöht werden. Insbesondere erhöht sich die Benutzerfreundlichkeit für Bediener ohne vorherige Erfahrung mit 3D-Betondruck durch eine Quantifizierung der Druckqualität, d. h. man kann sich auf Sensorwerte verlassen, um die Materialeigenschaften ohne fachmännisches Können zu beurteilen. Durch eine mögliche Visualisierung der Sensorwerte können Fehler leichter erkannt und beurteilt werden. Beispielsweise kann darauf geschlossen werden, dass nicht genügend Trockenmörtel aus dem entsprechenden Behälter gefördert wird, wenn die Wasserdurchflussrate zu niedrig ist aber der Wassergehalt in einem akzeptablen Bereich liegt. Durch die automatische Steuerung ist wesentlich weniger Personal auf der Baustelle vonnöten. Zudem erhöht sich die Sicherheit durch eine mögliche automatische Abschaltung der Misch- und Pumpvorrichtung, falls beispielsweise ein zu hoher Druck detektiert wird.
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Die Steuereinheit kann beispielsweise als Sensorbox in einem separaten Gehäuse untergebracht und mit einer Anzeigevorrichtung zur Visualisierung versehen sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise als speicherprogrammierte Steuerung (SPS) ausgeführt sein. Alle Sensoren können entweder direkt oder über einen IO-Link-Master mit der Steuereinheit verbunden sein. Die angezeigten Daten können mit einer Steuerung zur Datenverarbeitung und Steuerung des Druckvorgangs verbunden sein. Das Messsystem (Sensoren) führt dann Messungen am Frischbeton aus und sendet die Daten (reale Leistung) an die Steuerung. Die Steuereinheit bzw. der Controller generiert dann verwertbare Daten aus den gemessenen Daten (z. B. Wassergehalt, Durchfluss, Temperatur, Druck und dergleichen) und, wenn die tatsächliche Ist-Ausgabe des Druckers der erwarteten Soll-Ausgabe entspricht (aus voreingestellten Werten ermittelt), werden keine Anpassungen an der Eingabe und dem Druckprozess vorgenommen und dieser wird unverändert fortgesetzt. Wenn sich jedoch die tatsächliche Ausgabe von der erwarteten Ausgabe beispielsweise um einen vorgegebenen Schwellwert unterscheidet bzw. außerhalb des Wertebereichs ist, findet die Echtzeitoptimierung in der Steuerung statt und die Druckerausgänge werden angepasst, um die Änderungen vorzunehmen. Die Misch- und Pumpvorrichtung kann auch zweiteilig in Mischvorrichtung und Pumpvorrichtung getrennt ausgeführt sein bzw. durch zwei unterschiedliche Systeme gebildet werden.
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Wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann bestimmt oder, insbesondere z. B. online oder inline von wenigstens einem zweiten Sensor, der mit der Steuereinheit kommunikationsverbunden sein kann, vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs, gemessen werden, wobei die Steuereinheit die wenigstens ein physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung als Eingangssignal erhält und ferner dazu eingerichtet sein kann, den Fertigungsvorgang zusätzlich in Abhängigkeit von der wenigstens einen physikalischen Kenngröße der Fertigungsumgebung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Dadurch können auch eine oder mehrere, insbesondere online oder inline von einem oder mehreren zweiten Sensoren erfasste oder durch Berechnung ermittelte physikalische Kenngrößen der Fertigungsumgebung, wie beispielsweise Temperaturen oder Feuchtigkeiten, bei der Optimierung berücksichtigt werden.
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Die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann eine Umgebungstemperatur, eine Umgebungsfeuchtigkeit oder einen Wasserdurchfluss, insbesondere vor der Misch- und Pumpvorrichtung, umfassen.
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Die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann ferner eine Wassertemperatur in der Mischvorrichtung oder eine Gesamtmenge von, insbesondere von der Mischvorrichtung verbrauchtem Wasser umfassen. Des Weiteren können noch eine Vielzahl von weiteren Parametern/Kenngrößen erfasst werden, auf deren Basis Änderungen beim Fertigungsvorgang eingestellt werden können. Dazu zählen z. B. Schlauchdurchmesser, Schlauchlänge, Druckgeschwindigkeit, Schichtzeit, Schichthöhe und -breite, Extrusionsrate des Druckkopfs, Druckgröße, Mischpumpentyp, Materialtyp, Düsenform, Düsensystem und Pumpfrequenz.
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Zusätzlich kann wenigstens ein weiterer physikalischer Parameter des angemischten Baustoffs bestimmt oder, insbesondere online oder inline, von wenigstens einem weiteren Sensor, der mit der Steuereinheit kommunikationsverbunden sein kann, vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs gemessen werden, wobei die Steuereinheit den wenigstens einen weiteren physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs als Eingangssignal erhalten und ferner dazu eingerichtet sein kann, den Fertigungsvorgang zusätzlich in Abhängigkeit von der wenigstens einen weiteren physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Durch diese Maßnahmen können auch weitere physikalische Parameter oder Eigenschaften des Baustoffs bei der Optimierung des Druckprozesses berücksichtigt werden.
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Der wenigstens eine weitere physikalische Parameter des angemischten Baustoffs kann eine Viskosität sein. Die Viskosität des angemischten Baustoffs kann aus einem für den Antrieb einer Misch- und Pumpvorrichtung benötigten elektrischen Strom bestimmt werden. Dabei kann es sich um eine Online-Messung von Prozesseigenschaften handeln.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs mit anhand einer Datenbasis, insbesondere in Abhängigkeit der wenigstens einen physikalischen Kenngröße und vorzugsweise weiterer Eingangsgrößen des Fertigungsvorgangs bestimmten, vorgegebenen Wertebereichen für die physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs zu vergleichen. Die Steuereinheit kann die erhaltenen physikalischen Parameter des Baustoffs mit vorgegebenen Werten aus der Datenbasis vergleichen. Zur Ermittlung der hierbei anzuwendenden Vergleichswerte aus der Datenbasis werden die wenigstens eine physikalische Kenngröße und/oder weitere Eingangsgrößen des Fertigungsvorgangs herangezogen.
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Die voreingestellten Wertebereiche können sozusagen als Katalog dienen, um entsprechende Drucker- und Mischmaschinenvariablen und Umgebungsbedingungen auszuwählen und dadurch die physikalischen Parameter oder Ausgabedaten zu ermitteln, die eine optimale Druckleistung und strukturelle Stabilität gewährleisten. Viele Parameter stehen in Beziehung zueinander und werden von verschiedenen Variablen beeinflusst. Es kann bestimmt werden, welche Auswirkungen eine Änderung einer ersten Variablen auf eine andere Variable hat. Die Erfinder konnten somit Wertebereiche ermitteln, die als Voreinstellungen für das Drucken unter verschiedenen Bedingungen und Variablen verwendet werden können, um eine optimale Druckleistung, beispielsweise bezüglich Aufbaubarkeit, Bedruckbarkeit, usw., zu erzielen. Die Parameter der Datenbasis können in Echtzeit unter unterschiedlichen Druckbedingungen, verschiedenen einstellbaren Drucker- und Mischmaschinenparametern und mit verschiedenen 3D-druckbaren Materialien bzw. Baustoffen gemessen werden, um perfekte Wertebereiche zu erhalten, die die höchste Qualität und einen strukturzertifizierten Druck ermöglichen. Die Auswirkungen von Änderungen der Variablen werden bestimmt und ihre entsprechende Auswirkung auf die in Echtzeit gemessenen Ausgangsparameter der Sensoren werden aufgezeichnet und analysiert. Daten, die im Laufe der Zeit aus zahlreichen Tests, unter Dokumentation der Analysen gewonnen wurden, können als voreingestellte Bereiche erwarteter Werte dargestellt werden, welche die beste Druckqualität und strukturelle Integrität für bestimmte Drucker- und Mischmaschineneinstellungen und Mischmaschinenbedingungen bieten.
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Die Datenbasis kann als Tabelle oder Datenbank ausgeführt sein, in welcher die vorgegebenen Wertebereiche, welche vorab, vorzugsweise mittels Big-Data-Lernen ermittelt sind, in Abhängigkeit der wenigstens einen physikalischen Kenngröße und vorzugsweise weiterer Eingangsgrößen des Fertigungsvorgangs gespeichert werden. Hierbei können zur Verarbeitung und Analyse der gegebenenfalls umfangreichen Massendaten (Big Data) entsprechende neue Arten von Datenspeicher und -analysesystemen (z. B. Parallelprozessoren) zum Einsatz kommen.
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Die Steuereinheit kann zusätzlich mit einer Cloud oder einer Datenspeichereinheit verbunden sein, auf welchen die von den ersten, zweiten und weiteren Sensoren erhaltenen Messdaten gespeichert werden.
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Somit können die realen Ausgangsdaten der Sensoren, die an das Betriebssystem der Steuerung gesendet werden, auf einen Offline-Datenspeicher übertragen werden. Über ein mit der Steuerung verbundenes Gateway können die Daten auch direkt in eine Cloud gesendet werden.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang anzupassen und/oder zu optimieren, wenn einer oder mehrere der erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs nicht innerhalb der bestimmten vorgegebenen Wertebereiche liegen.
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Somit kann, wenn sich der ausgegebene Baustoff von der erwarteten Soll-Ausgabe unterscheidet, eine Echtzeitoptimierung vorgenommen werden.
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Die Steuereinheit kann zum fortlaufenden Anpassen und/oder Optimieren des Fertigungsvorgangs dazu eingerichtet sein, die Misch- und Pumpvorrichtung entsprechend anzusteuern und/oder eine eingestellte Schichthöhe der einzelnen Druckschichten oder Druckbahnen anzupassen und/oder eine Druckgeschwindigkeit des Fertigungsvorgangs einzustellen und/oder eine Dosierung des Mischwassers einzustellen und/oder eine Extrusionsrate der Materialausgabeeinheit einzustellen.
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Durch diese Maßnahmen können entsprechende Änderungen am laufenden Fertigungsvorgang vorgenommen werden. Die Ansteuerung der Misch- und Pumpenvorrichtung kann eine An-/Aus-Steuerung oder eine Frequenzanpassung (z. B. eine Reduzierung der Drehzahl der Pumpe) umfassen. Beispielsweise kann die Pumpvorrichtung automatisch abschalten, wenn ein zu hoher Druck gemessen wird. Des Weiteren kann die Layerhöhe, d. h. die Höhe einer einzelnen Druckschicht bzw. Druckbahn, angepasst werden, wenn eine tatsächlich gemessene Layerhöhe im Vergleich zu einer theoretisch eingestellten Wunsch-Layerhöhe abweicht. Ist beispielsweise die gemessene Layerhöhe zu gering, so fährt der Druckkopf vertikal eine vorgegebene Strecke nach unten, d. h. er gibt das Material an einer geringeren Absoluthöhe aus. Da der Baustoff nun nicht mehr so tief fällt, vermindert sich auch die Geschwindigkeit, mit welcher das Material aufprallt, wodurch die Layerhöhe vergrößert wird.
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Die Steuereinheit kann ebenfalls dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang unverändert zu lassen, wenn die erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs innerhalb der bestimmten vorgegebenen Wertebereiche liegen.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang mittels einer synchronisierten Rückkopplungssteuerung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Die Steuerung kann ein synchronisiertes Rückkopplungssteuersystem einsetzen, welches die Druckereingaben kontinuierlich an die erwartete Ausgabe anpasst. Diese erwartete Ausgabe sind voreingestellte oder vorbestimmte Werte, die sich vorab aus Analysen und Druckserien ergeben haben, um einen optimierten Druck mit spezifischen Drucker- und Mischmaschinenvariablen zu gewährleisten.
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Die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs können einen Wassergehalt, einen Druck, insbesondere im Schlauch, oder eine Materialtemperatur umfassen.
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Die Materialtemperatur, der Wassergehalt und der Druck des Baustoffs im Schlauch bzw. Rohr können z. B. in einem Auslass der Misch- und Pumpvorrichtung gemessen werden. Aber auch in anderen Teilen des Systems, wie beispielswiese dem Einlass zum Druckkopf, d. h. zur Materialausgabeeinheit, kann eine Messung erfolgen.
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Der wenigstens eine erste Sensor kann somit als Drucksensor, Temperatursensor oder Wassergehaltsensor ausgeführt sein.
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Der wenigstens eine erste Sensor kann in oder an einem Sensorrohr, insbesondere zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung und der Materialausgabeeinheit, weiter insbesondere im Bereich eines Beginns einer Strecke zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung und der Materialausgabeeinheit, angeordnet sein.
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Der wenigstens eine erste Sensor kann in oder an einem direkt inline-angeordneten Sensorrohr, insbesondere auf einem Förderweg bzw. Schlauchweg des angemischten Baustoffs zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung einerseits und der Materialausgabeeinheit andererseits, insbesondere stromabwärts, angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar den wenigstens einen ersten Sensor an der Materialausgabeeinheit anzuordnen.
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Der wenigstens eine erste Sensor kann dazu geeignet sein, fortlaufend während des Fertigungsvorgangs die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs direkt inline auf seinem Weg von der Misch- und Pumpvorrichtung zu der Materialausgabeeinheit, insbesondere an einem Auslass der Misch- und Pumpvorrichtung bzw. zu Beginn des Weges des angemischten Baustoffs zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung und der Materialausgabeeinheit zu messen.
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Grundsätzlich kann das Sensorrohr bzw. die Sensorpipe an beiden Enden des Schlauchs angebracht werden. Besonders vorteilhaft ist die Anbringung jedoch am Ende der Misch- und Pumpvorrichtung, da der Sensor dort stationär verbleiben kann und eine mögliche Veränderung der physikalischen Parameter direkt sichtbar wird und nicht erst gewartet werden muss, bis sich die Veränderung am anderen Schlauchende zeigt.
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Der wenigstens eine zweite Sensor kann als Thermometer, Feuchtigkeitssensor oder Durchflusssensor ausgeführt sein.
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Der wenigstens eine zweite Sensor kann im Bereich der Misch- und Pumpvorrichtung oder an der Steuereinheit oder an einem Gehäuse der Steuereinheit angeordnet sein.
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Der wenigstens eine weitere Sensor kann als induktiver Sensor ausgeführt sein.
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Der angemischte Baustoff kann Beton, Mörtel, Ton, Lehm oder einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Dabei können selbstverständlich auch als Additive z. B. Polymere, Glas, Stahl oder mineralische Fasern hinzugefügt werden. Hinsichtlich der Zusammensetzungen der für den 3D-Betondruck einsetzbaren Baustoffe wird auch auf die eingangs erwähnten
EP 3 756 845 A1 und
EP 3 823 801 B1 verwiesen.
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Über ein Human-Machine-Interface (HMI) oder eine Webschnittstelle kann auf die Steuereinheit und/oder auf die Cloud und/oder auf die Datenspeichereinheit zugegriffen werden. Durch diese Maßnahmen können die Werte von den Sensoren offline auf einer HMI und online auf einer Webschnittstelle visualisiert werden, die derart programmiert sein kann, dass sie den Mischprozess, die Wasserdurchflussrate, die Extrusionsrate und die Druckgeschwindigkeit steuert. Die gemessenen Daten können dann an eine PC-Cloud-Plattform gesendet werden, wo sie später verarbeitet und für zukünftige Referenzen gespeichert werden können. Die Daten können weiterverwendet werden, um die Integrität der gedruckten Muster zu analysieren. Die Sensorwerte können auf einem HMI oder einem Dashboard angezeigt werden, auf welches in jedem Standard-Web-Browser zugegriffen werden kann.
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Die Materialausgabeeinheit kann ebenfalls mit der Steuereinheit kommunikationsverbunden sein.
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Die Erfindung umfasst somit ein System zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken mit einem integrierten Sensorsystem, welches dazu in der Lage sein kann, die Viskosität und die Temperatur, den Wassergehalt und den Druck von 3D-druckbaren Nassmörtel oder weiteren Baustoffen, auch die Durchflussrate, die Wassertemperatur und die Gesamtmenge des von der Mischmaschine verwendeten Wassers sowie die Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit zu messen. Diese Sensorwerte können von einem Computersystem gesammelt werden, welches dazu in der Lage ist, die Sensordaten zur Automatisierung des Druckprozesses zu speichern, zu visualisieren und zu analysieren. Darüber hinaus kann mittels der Messdaten eine Anpassung und Echtzeitoptimierung des Fertigungsvorgangs durchgeführt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark vereinfachtes schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Systems.
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Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System 1 zur additiven Fertigung von Bauwerken 2 (in der Figur nur teilweise und stark vereinfacht angedeutet) oder Bauteilen von Bauwerken 2, wobei eine Materialausgabeeinheit 3 in mehreren Freiheitsgraden bewegbar ist, um einen angemischten Baustoff 4 schichtweise in vorgegebenen Druckbahnen 4a auszubringen. Das System 1 umfasst dabei wenigstens:
- - die Materialausgabeeinheit 3 bzw. die Düse oder den Druckkopf;
- - eine Misch- und Pumpvorrichtung 5, welche dazu eingerichtet ist, den Baustoff 4 mit zugeführtem Wasser anzumischen und nachfolgend von der Misch- und Pumpvorrichtung 5 zu der Materialausgabeeinheit 3 zu fördern;
- - wenigstens einen ersten Sensor 6, welcher dazu geeignet ist, fortlaufend während des Fertigungsvorgangs wenigstens zwei erste physikalische Parameter des angemischten Baustoffs 4 direkt inline zu messen;
- - eine Steuereinheit 7 zur Steuerung des Fertigungsvorgangs, welche wenigstens mit der Misch- und Pumpvorrichtung 5 und dem wenigstens einen ersten Sensor 6 kommunikationsverbunden ist (in der Figur durch Pfeile angedeutet), welche wenigstens die gemessenen ersten physikalischen Parameter des wenigstens einen ersten Sensors 6 als Eingangssignal erhält und welche ferner dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang wenigstens in Abhängigkeit von den ersten physikalischen Parametern des wenigstens einen ersten Sensors 6 automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Der wenigstens eine erste Sensor 6 kann als Drucksensor 6a oder als Wassergehaltssensor 6b ausgeführt sein. Wie aus der Figur ersichtlich, kann der wenigstens eine erste Sensor 6, 6a, 6b in bzw. an einem Sensorrohr 6c, insbesondere zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung 5 und der Materialausgabeeinheit 3, insbesondere stromabwärts angeordnet sein. Ein Förderweg, insbesondere in einem Schlauch oder dergleichen, des angemischten Baustoffs 4 von der Misch- und Pumpvorrichtung 5 zu der Materialausgabeeinheit 3 ist mit dem Bezugszeichen 4b versehen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Misch- und Pumpvorrichtung 5 auch zweiteilig in Mischvorrichtung und Pumpvorrichtung separat gegliedert sein (nicht dargestellt).
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Die Misch- und Pumpvorrichtung 5 ist mit einem Aktuator 5a, insbesondere einem Schrittmotor oder dergleichen, welcher ein Ventil für die Wasserzufuhr der Misch- und Pumpvorrichtung 5 bewegt, versehen. Der Aktuator 5a kann die Wasserzufuhr basierend auf den Vorgaben der Steuereinheit 7 einstellen.
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Wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann bestimmt oder, insbesondere z. B. online oder inline, von wenigstens einem zweiten Sensor 8, der mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden ist (in der Figur durch Pfeile angedeutet), vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs, gemessen werden, wobei die Steuereinheit 7 die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung als Eingangssignal erhält und ferner dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang zusätzlich in Abhängigkeit von der wenigstens einen physikalischen Kenngröße automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. Der wenigstens eine zweite Sensor 8 kann als Thermometer, Feuchtigkeitssensor oder Durchflusssensor ausgeführt sein und als physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung eine Umgebungstemperatur und/oder eine Umgebungsfeuchtigkeit und/oder einen Wasserdurchfluss, insbesondere vor der Misch- und Pumpvorrichtung 5 messen. Der wenigstens eine zweite Sensor 8 kann, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, im Bereich bzw. vor oder in der Misch- und Pumpvorrichtung 5 angeordnet sein oder in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen an der Steuereinheit 7 oder an einem Gehäuse 7a der Steuereinheit 7 oder in weiteren Bereichen der Fertigungsumgebung angeordnet sein.
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Die Materialausgabeeinheit 3 kann in weiteren Ausführungsbeispielen ebenfalls mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden sein (durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet).
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Wenigstens ein weiterer physikalischer Parameter des angemischten Baustoffs 4 kann bestimmt oder, insbesondere online oder inline, von wenigstens einem weiteren Sensor 9, der mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden ist (in der Figur durch Pfeile angedeutet), vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs, gemessen werden, wobei die Steuereinheit 7 den wenigstens einen weiteren physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 als Eingangssignal erhält und ferner dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang zusätzlich in Abhängigkeit von dem wenigstens einen weiteren physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Der wenigstens eine weitere Sensor 9 kann als induktiver Sensor ausgeführt sein und somit eine Bestimmung der Viskosität des angemischten Baustoffs 4 als weiteren physikalischen Parameter aus einem für den Antrieb einer Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung 5 benötigten elektrischen Strom ermöglichen.
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Die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann auch eine Wassertemperatur in der Misch- und Pumpvorrichtung 5 oder eine Gesamtmenge von, insbesondere von der Misch- und Pumpvorrichtung 5 verbrauchtem Wasser umfassen.
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Die Steuereinheit 7 kann dazu eingerichtet sein, die erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 mit anhand einer Datenbasis 7b, insbesondere in Abhängigkeit der wenigstens einen physikalischen Kenngröße und vorzugsweise weiterer Eingangsgrößen des Fertigungsvorgangs, bestimmten vorgegebenen Wertebereichen durch die physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 zu vergleichen.
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Die Datenbasis 7b kann mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden oder in einem nicht näher dargestellten Speicherelement der Steuereinheit 7 vorhanden sein.
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Die Steuereinheit 7 kann ferner dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang anzupassen und/oder zu optimieren, wenn einer oder mehrere der erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 nicht innerhalb der bestimmten vorgegebenen Wertebereiche liegen. Ebenso kommt eine Verwendung von Schwellwerten oder dergleichen in Betracht.
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Die Steuereinheit 7 kann zum fortlaufenden Anpassen und/oder Optimieren des Fertigungsvorgangs dazu eingerichtet sein:
- - die Misch- und Pumpvorrichtung 5 entsprechend anzusteuern und/oder
- - eine eingestellte Schichthöhe bzw. Schichtdicke der einzelnen Druckbahnen 4a anzupassen und/oder
- - eine Druckgeschwindigkeit des Fertigungsvorgangs einzustellen und/oder
- - eine Dosierung des Mischwassers einzustellen und/oder
- - eine Extrusionsrate der Materialausgabeeinheit 3 einzustellen.
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Die Steuereinheit 7 kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang unverändert zu lassen, wenn die erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 innerhalb des bestimmten vorgegebenen Wertebereichs liegen.
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Die Steuereinheit 7 kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang mittels einer synchronisierten Rückkopplungssteuerung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren.
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Die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 können einen Wassergehalt, einen Druck und/oder eine Materialtemperatur umfassen.
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Der angemischte Baustoff 4 kann Beton, Mörtel, Ton, Lehm oder einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen.
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Die Datenbasis 7b kann als Tabelle oder Datenbank ausgeführt sein, in welcher die vorgegebenen Wertebereiche, welche vorab, vorzugsweise mittels Big-Data-Lernen ermittelt sind, in Abhängigkeit der wenigstens einen physikalischen Kenngröße und vorzugsweise weiterer Eingangsgrößen des Fertigungsvorgangs gespeichert sind.
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Wie aus der Figur weiter ersichtlich, kann die Steuereinheit 7 zusätzlich mit einer Cloud 10 oder einer Datenspeichereinheit 11 verbunden sein, auf welchen die von den ersten, zweiten und weiteren Sensoren 6, 6a, 6b, 8, 9 erhaltenen Messdaten gespeichert werden.
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Über ein Human-Machine-Interface (HMI) oder eine Webschnittstelle kann auf die Steuereinheit 7 und/oder auf die Cloud 10 und/oder auf die Datenspeichereinheit 11 zugegriffen werden.
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Eine vereinfacht angedeutete Anzeigeeinheit des Systems 1 ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- System
- 2
- Bauwerk
- 3
- Materialausgabeeinheit (Düse)
- 4
- angemischter Baustoff
- 4a
- Druckbahn
- 4b
- Förderweg des angemischten Baustoffs
- 5
- Misch- und Pumpvorrichtung
- 5a
- Aktuator
- 6
- erster Sensor
- 6a
- Drucksensor
- 6b
- Wassergehaltsensor
- 6c
- Sensorrohr
- 7
- Steuerungseinheit
- 7a
- Gehäuse der Steuerungseinheit 7
- 7b
- Datenbasis
- 8
- zweiter Sensor
- 9
- weiterer Sensor (induktiver Sensor)
- 10
- Cloud
- 11
- Datenspeichereinheit
- 12
- Anzeigeeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3756845 A1 [0007, 0044]
- EP 3823801 B1 [0008, 0044]
