DE202015002974U1

DE202015002974U1 - Mobile, rotating and climbing 3D building printer

Info

Publication number: DE202015002974U1
Application number: DE202015002974.4U
Authority: DE
Original assignee: KOLSDORF HANS EGON
Current assignee: KOLSDORF HANS EGON
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-06-19
Anticipated expiration: 2025-04-23

Abstract

3D-Gebäudedrucker, dadurch gekennzeichnet, dass er – einem Turmdrehkran ähnlich – aus einem drehbaren Turm und einer horizontalen Traverse aus Industriestandard-Gitterelementen vorzugsweise aus Aluminium besteht.3D building printer, characterized in that it - similar to a tower crane - consists of a rotatable tower and a horizontal traverse of industry standard grid elements preferably made of aluminum.

Description

Bereich:Area:

Additive Fertigungsverfahren, speziell 3D-Drucker, speziell 3D-Drucker mit einem Filament aus Beton zum Druck von größeren Objekten aus Beton, wie etwa GebäudeAdditive manufacturing processes, especially 3D printers, especially 3D printers with a concrete filament for printing larger concrete objects, such as buildings

Ausgangspunkt:Starting point:

3D-Drucker mit einem Filament (gedrucktes Material) aus Kunststoff, Metall, Ton oder Lebensmittel sind als Stand der Technik zu bezeichnen. 3D-Gebäudedrucker befinden sich in der Startphase. Einzelne Typen können im Internet unter dem Suchbegriff „3D home printing” oder 3D concrete printing” eingesehen werden. Ein niederländischer Gebäudedrucker verwendet Kunststoff als Filament. Die anderen verwenden in der Regel Beton als Filament. Ferner stellen einige Firmen die 3D-Druckerzeugnisse als Fertigteile her, die erst auf der Baustelle zusammengebaut werden. Andere bauen die Gebäude im Rahmen einer Baustellenfertigung, wobei sich der Beton-3D-Druck meist auf die Wände beschränkt und die Decken konventionell hergestellt werden. Als Maschinentyp wird meist ein Portalkran eingesetzt. Für kleinere Betonobjekte bis zu einem Durchmesser von ca. 5 m werden auch serielle Industrieroboter eingesetzt.3D printers with a filament (printed material) made of plastic, metal, clay or food are known as the prior art. 3D building printers are in the starting phase. Individual types can be viewed on the Internet under the search term "3D home printing" or 3D concrete printing ". A Dutch building printer uses plastic as a filament. The others usually use concrete as a filament. Furthermore, some companies produce the 3D printed products as finished parts, which are assembled on the construction site. Others build the buildings as part of a construction site, with concrete 3D printing usually limited to the walls and ceilings conventionally made. As a machine type usually a gantry crane is used. For smaller concrete objects up to a diameter of approx. 5 m, serial industrial robots are also used.

Der Aufbau eines Portalkranes erfordert einen hohen Aufwand und mindert daher die Vorteile eines 3D-Gebäudedruckers. Zudem ist die maximale Druck- bzw. Gebäudehöhe auf die Höhe des Portalkranes beschränkt. Ferner verfügt er in der Regel über eine (vertikale) Z-Achse, die an der horizontalen Laufkatze aufwendig montiert ist. Die im Werk hergestellten Betondruck-Fertigerzeugnisse wiederum konkurrieren naturgemäß mit konventionell in Formen hergestellten Betonfertigteilen, die eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem 3D-Druck aufweisen. Der 3D-Druck hat eher seine Stärken 1) in der monolithischen Baustellenfertigung, 2) in der kostengünstigen und schnellen Bauweise einfachster Gebäude ohne hohen ästhetischen Anspruch und 3) in der kostengünstigen Bauweise architektonisch/künstlerisch hochwertiger Fassaden, Innenwände und anderen Betonobjekten.The construction of a gantry crane requires a lot of effort and therefore reduces the benefits of a 3D building printer. In addition, the maximum pressure or building height is limited to the height of the gantry crane. Furthermore, it usually has a (vertical) Z-axis, which is elaborately mounted on the horizontal trolley. In turn, the finished concrete products manufactured in the factory naturally compete with conventionally mold-finished precast elements, which have a number of advantages over 3D printing. 3D printing has more of its strengths 1) in monolithic construction sites, 2) in the cost-effective and fast design of simple buildings without high aesthetic standards and 3) in the cost-effective design of architectonically / artistically high-quality facades, interior walls and other concrete objects.

Mit dem im Schutzanspruch 1 bis 7 beschriebenen System wird der Mangel eines auf der Baustelle aufwendig aufgestellten 3D-Gebäudedruckers (meist Portalkran) beseitigt. Mit der Erfindung wird erreicht, dass a) ein mobiler 3D-Gebäudedrucker in kurzer Zeit mit wenig Personal bauseits aufgebaut werden kann, b) durch erweiterbare Industriestandardmodule der Geschoss- und der Gebäudehöhe praktisch keine Schranken gesetzt sind, c) durch erweiterbare Industriestandardmodule der horizontale Arbeitsbereich im Rahmen deren Statik erweitert werden kann, d) der mobile 3D-Gebäudedrucker auf der Baustelle leicht versetzt werden kann, e) neben den Gebäuden auch weitere Betonobjekte auf dem Baugelände gedruckt werden können wie Kunstobjekte, Gartendekorationen, Gartenmöbel, Betonzäune und Torpfosten etc.With the protection system described in the protection claim 1 to 7, the lack of an elaborate on the construction site 3D building printer (usually gantry crane) is eliminated. With the invention it is achieved that a) a mobile 3D building printer can be set up on site with little staff in a short time, b) practically no barriers are set by expandable industry standard modules of the floor and building height, c) by expandable industry standard modules of the horizontal working area as part of their statics can be extended, d) the mobile 3D building printer can be easily moved on the site, e) in addition to the buildings and other concrete objects can be printed on the site such as art objects, garden decorations, garden furniture, concrete fences and goal posts, etc.

Die Erfindung hat auf den ersten Blick eine Ähnlichkeit mit einem Kletterkran, speziell einem Turmdrehkran, der entweder innerhalb des Gebäudes an zentraler Stelle oder an der Außenwand montiert wird. Im Gegensatz zum Turmdrehkran 1) treten bei einem 3D-Gebäudedrucker bei weitem nicht so starke Kräfte auf – der Gebäudedrucker soll ja im Wesentlichen nur das Ende des Mörtelschlauches entlang des Werkzeugpfades führen; 2) sind die Genauigkeitsanforderungen an die Positionierung des Mörtelschlauches erheblich höher als bei einem Turmdrehkran; 3) sind die Anforderungen an die Mobilität zur Baustelle und auf der Baustelle mindestens so hoch wie bei einem selbst aufrichtenden Turmdrehkran; und 4) ist der Weg der (vertikalen) Z-Achse durch die meist konstante Schichthöhe vorgegeben: nach Ausdruck einer Schicht soll der Mörtelschlauch um den Betrag der Schichthöhe (beispielsweise 1 cm) nach oben gehoben werden. Ein ständiges Auf und Nieder wie bei normalen Turmdrehkranen oder allgemeinen CNC-Maschinen ist hier nicht erforderlich. Die Erfindung verwendet für den vertikalen Turm und die horizontale Traverse Industriestandardteile, nämlich Gittermasten in Fachwerkbauweise, vorzugsweise aus Aluminium, wie sie in der Veranstaltungsbranche üblich sind. Ebenso sind in der Veranstaltungsbranche sogenannte Sleeve Blocks üblich, die als horizontale oder als vertikale Linearschlitten eingesetzt werden können. Bei dem vertikalen Linearschlitten wird die horizontale Krantraverse an dem Sleeve Block (üblicherweise mit spielfreien Konusverbindern) angeschlagen und durch die CNC-Motorik – in horizontaler Lage bleibend – von einer gewissen Bodenfreiheit bis zur maximalen Höhe bewegt. Dadurch entfällt die aufwendige Montage der Z-Achse an der Laufkatze. Ein Gegengewicht zum Traversengewicht hält die Größe der Servos bzw. Schrittmotoren in Grenzen. Die Rotation kann entweder durch Montage auf einem bodenseitigen Drehkranz oder durch eine Erweiterung des vertikalen Linearschlittens um zwei Drehkränze hergestellt werden. Fuß- und Kopfteil des Turmes können aus dem Standard-Gitterelementangebot der Veranstaltungsbranchen gewählt werden (Stichwort: Ground Support).

Ad a) Mobilität: Diese ist durch die Industriestandardteile, (Alu-)Traversen, gewährleistet, die ja gerade für hohe Festigkeit bei gleichzeitig leichtem Auf- und Abbau konstruiert worden sind. Der Turmes kann durch Verwendung konus-basierter Standard-Scharniere mit minimalem Aufwand aufgerichtet werden. Ferner kann die Basis des 3D-Gebäudedruckers einschließlich Drehkranz auf einem Anhänger fest montiert werden.
Ad b) praktisch beliebige Gebäudehöhe: der erfindungsseitige 3D-Gebäudedrucker kann leicht als Kletter-Maschine genutzt werden. Im Gegensatz zu Kletterkranen mit oben fix angebrachter Traverse ist ja die Traverse des 3D-Gebäudedruckers vertikal durch die CNC-Steuerung beweglich. Es braucht also nur jeweils eine weiteres Standard-Gitterelement (meist drei oder vier Meter lang) auf den Turm aufgesetzt zu werden und gfs. die entsprechende CNC-Einheit, etwa bei der Verwendung von Zahnriemen, versetzt oder erweitert werden. Der Rückbau diese Kletterdruckers gestaltet sich wegen der relativ leichten Alu-Gitterelemente ebenfalls leicht.
Ad c) horizontaler Arbeitsbereich: Dieser ist entsprechend der verfügbaren Traversenarten mit ihrer jeweiligen Statik erweiterbar. Die Länge der horizontal auskragenden Traverse läßt sich noch erheblich erweitern, wenn Abspanndrähte und Gegengewichte wie bei Turmdrehkranen verwendet werden. Die Statik folgt einer üblichen Kranstatik mit stark verringerten angenommenen Kräften.
Ad d) Versetzbarkeit auf der Baustelle ist durch die oben aufgeführte Mobilität gegeben, insbesondere, wenn der 3D-Drucker auf einem Anhänger mit Spindelstützen fest montiert ist. Dadurch können auch größere längliche Gebäude – in einzelnen Abschnitten – gedruckt werden.
Ad e) Die leichte Umsetzbarkeit und die einheitliche Fertigungsmethode für Betonobjekte ermöglicht neue Anwendungsmöglichkeiten auf dem Baugrundstück selbst, die über das reine Gebäudedrucken hinaus gehen. Diese reichen von Gartendekorationen/-möbeln bis zu Portalen, Stelen, Kunstobjekten etc.

At first sight, the invention resembles a climbing crane, especially a tower crane, which is mounted either inside the building at a central location or on the outside wall. In contrast to the tower crane 1) occur in a 3D building printer by far not so strong forces - the building printer is so essentially only lead the end of the mortar tube along the tool path; 2) the accuracy requirements for the positioning of the mortar tube are considerably higher than for a tower crane; 3) the requirements for mobility to the construction site and on the construction site are at least as high as for a self-erecting tower crane; and 4) the path of the (vertical) Z-axis is predetermined by the usually constant layer height: after printing out a layer, the mortar hose should be lifted upwards by the amount of the layer height (for example 1 cm). A constant up and down as in normal tower cranes or general CNC machines is not required here. The invention uses for the vertical tower and horizontal traverse industry standard parts, namely trussed lattice towers, preferably of aluminum, as are common in the event industry. Also in the event industry so-called sleeve blocks are common, which can be used as a horizontal or vertical linear slide. In the case of the vertical linear slide, the horizontal crane cross member is struck on the sleeve block (usually with backlash-free conical connectors) and moved by the CNC motor technology - remaining in a horizontal position - from a certain ground clearance to the maximum height. This eliminates the costly installation of the Z-axis on the trolley. A counterweight to the truss weight keeps the size of the servos or stepper motors within limits. The rotation can be made either by mounting on a bottom slewing ring or by extending the vertical linear slide around two slewing rings. Foot and headboard of the tower can be selected from the standard grid element offer of the event industries (keyword: Ground Support).

Ad a) Mobility: This is ensured by the industry standard parts, (aluminum) trusses, which have just been designed for high strength with at the same time easy assembly and disassembly. The tower can be erected with minimum effort using cone-based standard hinges. Further, the base of the 3D building printer including slewing ring can be fixedly mounted on a trailer.
Ad b) virtually any building height: the inventive 3D building printer can be easily used as a climbing machine. In contrast to climbing cranes with top fixed cross-beam, the traverse of the 3D building printer is vertically movable by the CNC control. So it only needs one more standard grid element (usually three or four meters long) to be placed on the tower and gfs. the corresponding CNC unit, for example, when using timing belt, offset or extended. The deconstruction of this climbing printer is also easy because of the relatively light aluminum grid elements.
Ad c) horizontal working area: This can be extended according to the available truss types with their respective statics. The length of the horizontally cantilevered truss can be extended considerably if guy wires and counterweights are used as in tower cranes. The statics follows a standard crane statics with greatly reduced assumed forces.
Ad d) Site mobility is provided by the above mobility, especially if the 3D printer is fixedly mounted on a trailer with spindle supports. As a result, larger elongated buildings - in individual sections - can be printed.
Ad e) The ease of implementation and the uniform manufacturing method for concrete objects enable new applications on the building plot itself, which go beyond the pure building printing. These range from garden decorations / furniture to portals, steles, art objects etc.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile gegenüber derzeitigen 3D-Gebäudedruckern:

1. Der hier vorgestellte 3D-Gebäudedrucker kann kostengünstig aus Standard-Industrieteilen (Alu-Traversen/Truss-Systemen) hergestellt werden.
2. Er kann mit wenig Personal ohne weitere maschinelle Unterstützung leicht auf- und abgebaut werden.
3. Er kann analog zu Kletterkranen – aber leichter als bei diesen – in die Höhe klettern.
4. Er kann horizontal im Rahmen der Statik der verwendeten Gitterelemente erweitert werden.
5. Seine Mobilität nützt ihm auch beim Umsetzen auf der Baustelle, etwa bei Gebäuden mit großer Grundfläche.
6. Seine Baustellen-Mobilität kann auch zum Beton-Druck von Nebengebäuden oder anderen baulichen Anlagen vorteilhaft und kostengünstig genutzt werden.

The invention provides the following advantages over current 3D building printers:

1. The 3D building printer presented here can be produced inexpensively from standard industrial parts (aluminum trusses / truss systems).
2. It can be easily assembled and dismantled with little manpower without further mechanical support.
3. It can climb in the same way as climbing cranes - but lighter than these.
4. It can be extended horizontally as part of the statics of the grid elements used.
5. It also benefits his mobility when moving on the construction site, for example in buildings with a large footprint.
6. Its construction site mobility can also be used to concrete pressure of outbuildings or other structures advantageous and inexpensive.

Claims

3D building printer, characterized in that it - similar to a tower crane - consists of a rotatable tower and a horizontal traverse of industry standard grid elements preferably made of aluminum.

3D building printer according to claim 1, characterized in that the kinematics of the traverse is designed as a linear Z-axis and is adjustable by a sliding along the tower linear slide of a CNC drive in height. Another linear slide is found as a trolley on the horizontal traverse.

3D building printer according to claim 1, characterized in that the forces to be applied for moving the vertical linear slide are minimized by a counterweight on pulleys on the tower head.

3D building printer according to claim 1, characterized in that the boom length of the traverse can be extended by Drahtseilabspannungen and counterweight as in modern tower cranes.

3D building printer according to claim 1, characterized in that the tower can be extended by increasing additional grid elements on the tower head in height. If racks are used as a linear Z-axis drive, the backlash-free connection seamlessly adapts to cone-based grid element systems. With toothed belt drive, the toothed belt must either be offset or extended.

3D building printer according to claim 1, characterized in that its base can be fixedly mounted on a motor vehicle or motor vehicle trailer with spindle supports and adjusted.

3D building printer according to claim 1, characterized in that the tower rotates as a whole, by being mounted either on a turntable or that the tower is rigidly mounted on the ground or a trailer and the traverse on the extended by two turntables vertical linear slide is struck.