DE202019004672U1 - Compensation device for trouble-free 3D concrete printing using a truck-mounted concrete pump - Google Patents
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Abstract
Kompensator zum Ausgleich von mehrdimensionalen Schwankungen an der Mastspitze eines Autobetonpumpen-Verteilermastes bei der additiven Bauteilfertigung im Beton-3D-Druck, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Druckkopf bzw. Druckkopfmundstück und Mastspitze eine mehrdimensional bewegliche Ausgleichsvorrichtung angeordnet ist, mit der auf Basis von vorhandenen Positions-Soll- und Ist-Daten während der additiven Fertigung ungewollte Schwankungen des Druckkopfes durch gezielte Relativbewegungen kompensiert werden, wobei zur Ruhigführung des Druckkopfes bzw. des Druckkopfmundstückes die Ausgleichsvorrichtung durch die kaskadierte Kombination eines trägen und eines dynamischen Kompensatormoduls entsteht. Compensator to compensate for multidimensional fluctuations on the mast tip of a truck-mounted concrete pump placing boom in additive component manufacturing in concrete 3D printing, characterized in that a multidimensionally movable compensation device is arranged between the print head or printhead mouthpiece and the mast tip, with which on the basis of existing position Target and actual data during additive manufacturing unwanted fluctuations in the printhead are compensated for by targeted relative movements, the compensating device being created by the cascaded combination of a slow and a dynamic compensator module to keep the printhead or the printhead mouthpiece steady.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Schwankungen an der Mastspitze einer Autobetonpumpe, um ein toleranzgerechtes additives Ortbeton-Bauverfahren (3D-Beton-Druck) auf der Baustelle zu ermöglichen.The invention relates to a device for compensating for fluctuations in the mast tip of a truck-mounted concrete pump in order to enable a tolerance-compliant additive in-situ concrete construction method (3D concrete printing) on the construction site.
Für eine additive Gebäude- oder Bauteilfertigung auf der Baustelle ist es naheliegend, Autobetonpumpen zu verwenden, wie in [1] im Rahmen des schalungsfreien Ortbeton-Bauverfahrens „CONPrint3D“ [2] dargestellt. Das Mastsystem herkömmlicher Autobetonpumpen weist jedoch dreidimensionale Schwankungen im Bereich von mehreren Zentimetern an der Mastspitze des Verteilermastes auf. Diese Schwankungen resultieren z. B. aus der geringen Steifigkeit der bewegten Mastkonstruktion sowie einer dynamischen Anregung aus dem Pumpvorgang oder angreifenden Windlasten. Sind solche undefinierten Bewegungen für den Pumpprozess fast bedeutungslos, stellen sie für die additive Betonfertigung ein erhebliches Problem dar. Der Druckkopf der 3D-Betondruckeinheit ist an der Auslegerspitze so ruhig zu führen, dass eine frisch zu fertigende Betonwand z. B. nach den gültigen Ebenheitstoleranzen entsprechend DIN 18202 entstehen kann.For additive building or component production on the construction site, it makes sense to use truck-mounted concrete pumps, as shown in [1] as part of the formwork-free in-situ concrete construction process "CONPrint3D" [2]. The mast system of conventional truck-mounted concrete pumps, however, exhibits three-dimensional fluctuations in the range of several centimeters at the mast tip of the placing boom. These fluctuations result e.g. B. from the low rigidity of the moving mast construction and a dynamic excitation from the pumping process or attacking wind loads. If such undefined movements are almost meaningless for the pumping process, they represent a significant problem for additive concrete production. The print head of the 3D concrete printing unit must be guided so smoothly at the jib tip that a freshly manufactured concrete wall, e.g. B. can arise according to the valid flatness tolerances according to DIN 18202.
In der Patentliteratur und Dissertationsschriften (z. B. [3], [4]) sind verschiedene Systeme und Regelungen zur direkten Schwingungsdämpfung bzw. Reduzierung der Mastbewegungen an einer Standard-Autobetonpumpe zu finden. Das Ziel ist hier meist die Bewegung eines angehängten Endschlauches zu minimieren. Diese reichen bislang nicht, um damit eine norm- und formgerechte Wand nach den gültigen Ebenheitstoleranzen entsprechend DIN 18202 direkt auf der Baustelle additiv zu errichten.In the patent literature and doctoral theses (e.g. [3], [4]), various systems and regulations for direct vibration damping or reduction of mast movements can be found on a standard truck-mounted concrete pump. The goal here is usually to minimize the movement of an attached end hose. So far, this has not been enough to add a standard and form-compliant wall according to the applicable flatness tolerances in accordance with DIN 18202 directly on the construction site.
Beispielsweise wird in
Zur messtechnischen Erfassung der Höhe der Mastspitze ist mit
Weiterhin ist mit
Bezogen auf die im Stand der Technik dargelegten Nachteile sind Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet dringend erforderlich, um eine normgerechte additive Betonteilfertigung mit einer Autobetonpumpe auf der Baustelle zu ermöglichen. Die vorhandenen Lösungen zur direkten Schwingungstilgung am Mastsystem herkömmlicher Autobetonpumpen sind mitunter sehr aufwändig oder kompliziert in der Implementierung. Es bleibt fraglich ob damit überhaupt eine für das additive Ortbeton-Bauverfahren (3D-Beton-Druck) ausreichende Dämpfung auftretender Schwankungen, vor allem bei kontinuierlich bewegtem Mastsystem möglich ist.With regard to the disadvantages set out in the prior art, further developments in this area are urgently required in order to enable standardized additive concrete part production with a truck-mounted concrete pump on the construction site. The existing solutions for direct vibration damping on the mast system of conventional truck-mounted concrete pumps are sometimes very complex or complicated to implement. It remains questionable whether it is possible to dampen fluctuations that are sufficient for the additive in-situ concrete construction process (3D concrete printing), especially with a continuously moving mast system.
Aus diesem Grund entstand der Gedanke, eine Vorrichtung zu schaffen, die als beweglich steuerbare Verbindung zwischen schwankender Mastspitze eines Auslegerarmes und ruhig zu führendem Druckkopf einer 3D-Betondruckeinheit fungiert. Bei der Herstellung von Betonbauteilen mittels additiver Baustellenfertigung ist der Druckkopf am Ausleger der Betonpumpe so zu stabilisieren, dass entsprechende Normen bzw. Toleranzen der Produktgenauigkeitsanforderungen (z. B. nach DIN 18202) eingehalten werden können.For this reason, the idea arose to create a device that functions as a movably controllable connection between the fluctuating mast tip of a cantilever arm and the printhead of a 3D concrete printing unit that is to be guided smoothly. When manufacturing concrete components using additive construction site production, the print head on the boom of the concrete pump must be stabilized so that the relevant standards or tolerances of the product accuracy requirements (e.g. according to DIN 18202) can be met.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aktiv ausgleichendes System zu konzipieren, welches stochastisch auftretende und dynamisch wiederkehrende Störbewegungen (Winkel- und Positionsabweichungen) der Mastspitze innerhalb eines vorgegebenen Bereiches und mit angemessener Geschwindigkeit bzw. geringer Reaktionszeit kompensieren kann. Dazu müssen ausreichende Wegamplituden und Frequenzbandbreiten für die aktiven Gegenbewegungen zur Verfügung stehen. Zudem ist eine schlanke bzw. gewichtsoptimierte Konstruktion erforderlich, die möglichst rückwirkungsfrei arbeitet, sodass das elastische Mastsystem nicht zusätzliche mechanische Anregungen erfährt. Außerdem muss eine Möglichkeit zur sicheren Versorgung des Druckkopfes mit Beton geschaffen werden. Eine Erfassung der Lage und Position des Druckkopfes im Raum inklusive Ist-Soll-Positionsabgleich ist dabei nicht Aufgabe der Vorrichtung. Es soll darüber hinaus kein Eingriff in die Pumpensteuerung erfolgen.The object of the present invention is to design an actively compensating system which can compensate for stochastically occurring and dynamically recurring disturbing movements (angular and positional deviations) of the mast tip within a predetermined range and with an appropriate speed or short reaction time. Sufficient path amplitudes and frequency bandwidths must be available for the active counter-movements. In addition, a slim or weight-optimized design is required, which works with as little feedback as possible, so that the elastic mast system does not experience any additional mechanical stimuli. In addition, a way of securely supplying the printhead with concrete must be created. Detecting the position and position of the printhead in the room, including actual-target position comparison, is not the task of the device. In addition, there should be no intervention in the pump control.
Die zu lösende Aufgabe mit den komplexen Anforderungen wird erfindungsgemäß durch eine Ausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.The problem to be solved with the complex requirements is achieved according to the invention by a compensating device with the features of
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass zur additiven Gebäude- oder Bauteilfertigung auf der Baustelle gemäß [1] eine Autobetonpumpe zum Einsatz kommt, deren letzter Mastarm abgenommen und durch Komponenten ersetzt wird, die zum 3D-Beton-Druck notwendig sind.The invention is based on the idea that, for additive building or component production on the construction site according to [1], a truck-mounted concrete pump is used, the last mast arm of which is removed and replaced by components which are necessary for 3D concrete printing.
Die umgebungs- und prozessbedingten Schwankungen an der Mastspitze des Verteilermastes (
Um dies zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwischen dem Druckkopf (
Die beweglichen Komponenten des Kompensators werden vorzugsweise durch elektropneumatische Stellglieder (
Der Kompensator besteht aus zwei nacheinander (kaskadiert) geschalteten Modulen, die im Folgenden näher erläutert werden sollen, bevor auf die Gesamtvorrichtung eingegangen wird.The compensator consists of two modules connected in series (cascaded), which will be explained in more detail below before going into the overall device.
Das träge Kompensatormodul (
Eine bevorzugte Ausgestaltung des trägen Kompensatormoduls bildet eine Kinematik aus vier zweigliedrigen Schwingenarmen (
Um eine dreidimensionale Beweglichkeit des trägen Kompensatormodules (
Der Antrieb des trägen Kompensatormodules (
Das dynamische Kompensatormodul (
Um dies zu erreichen ist erfindungsgemäß vorgesehen nur ein Minimum an Nutzgewicht zu bewegen, indem lediglich die Position des Druckkopf-Mundstückes (
Eine bevorzugte Ausgestaltung des dynamischen Kompensatormodules (
Die Antriebsspindel (
Aus der Kombination des trägen (
Der Druckkopf (
Ein Berechnungsalgorithmus teilt die notwendigen Bewegungsanteile quer zum fertigenden Betonbauteil (
Die kompatible Verbindung zwischen dem Kompensator (
Zur Beeinflussung der Reaktionskräfte auf den Verteilermast in Folge der notwendigen Bewegungen des Kompensators (
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau des trägen Kompensatormodules (1a ) mit den definierten Bewegungsebenen. -
2 zeigt schematisch ein Detail des trägen Kompensators, um die Verbindungen der zweigliedrigen Schwingenarme (3a ,3b ) mit den Linear-Schlittenführungen (8 ) auf der Serviceplattform (5 ) darzustellen. -
3 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau des dynamischen Kompensatormodules (1b ). Hier wird als Stellglied ein elektrischer Schrittmotor (2b ) eingesetzt. -
4 zeigt schematisch den Kompensator (1 ) als Ergebnis der Zusammenschaltung des trägen und des dynamischen Kompensatormodules in Kombination mit weiteren Komponenten, die zum 3D-Beton-Druck notwendig sind. -
5 zeigt schematisch die Anordnung, Drehlagerung und Rotationsrichtung von Kreiseln (17 ) am Druckmaterial-Reservoir (4 ) im Detail.
-
1 shows schematically the basic structure of the slow expansion joint module (1a ) with the defined movement levels. -
2nd shows schematically a detail of the inertial compensator to the connections of the two-link swing arm (3a ,3b ) with the linear slide guides (8th ) on the service platform (5 ). -
3rd schematically shows the basic structure of the dynamic compensator module (1b ). An electrical stepper motor (2 B ) used. -
4th shows schematically the compensator (1 ) as a result of the interconnection of the slow and dynamic compensator module in combination with other components that are necessary for 3D concrete printing. -
5 shows schematically the arrangement, rotation and direction of rotation of gyros (17th ) on the print material reservoir (4th ) in detail.
Zitierte NichtpatentliteraturNon-patent literature cited
-
[1] Näther, Mathias, et al.: Beton-
3D -Druck - Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch3D -Formung von Frischbeton. Stuttgart : Fraunhofer IRB Verlag, 2017. ISBN 978-3-7388-0028-9.[1] Näther, Mathias, et al .: concrete3D -Print - feasibility studies for continuous and formwork-free construction processes3D -Forming fresh concrete. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2017. ISBN 978-3-7388-0028-9. -
[2] Dresden, Technische Universität: CONPrint3D. AKZ
3020160145494 .13 . Mai 2016. Wort-Bildmarke.[2] Dresden, Technical University: CONPrint3D. AKZ3020160145494 .13 . May 2016. Word-figurative mark. - [3] Henikl, Johannes: Regelungsstrategien für den Ausleger einer Autobetonpumpe. Aachen : Shaker Verlag, 2016. ISBN 978-3-8440-4541-3.[3] Henikl, Johannes: Control strategies for the boom of a truck-mounted concrete pump. Aachen: Shaker Verlag, 2016. ISBN 978-3-8440-4541-3.
-
[4] Zorn, Sophie: Modellbasierte aktive Schwingungstilgung eines Multilink-Großraummanipulators. [Online]
18 .04 . 2018. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-234001.[4] Zorn, Sophie: Model-based active vibration damping of a multilink manipulator. [On-line]18th .04 . 2018. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-234001.
BezugszeichenlisteReference list
- (1)(1)
- KompensatorCompensator
- (1a)(1a)
- Träges KompensatormodulInert compensator module
- (1b)(1b)
- Dynamisches KompensatormodulDynamic compensator module
- (2a)(2a)
- elektronisch gesteuertes Pneumatik-Stellgliedelectronically controlled pneumatic actuator
- (2b)(2 B)
- elektrischer Schrittmotorelectric stepper motor
- (3a)(3a)
- zweigliedriger Schwingenarm der Hauptbewegungsebenetwo-part swing arm of the main movement plane
- (3b)(3b)
- zweigliedriger Schwingenarm der Nebenbewegungsebenetwo-part swing arm of the secondary movement level
- (4)(4)
- Druckmaterial-ReservoirMedia reservoir
- (5)(5)
- ServiceplattformService platform
- (6)(6)
- HauptbewegungsebeneMain movement plane
- (7)(7)
- NebenbewegungsebeneSecondary movement level
- (8)(8th)
- Linear-SchlittenführungLinear slide guide
- (9)(9)
- StehbolzenlagerStud bearing
- (10)(10)
- KreuzgelenklagerUniversal joint bearing
- (11)(11)
- LinearführungLinear guide
- (12)(12)
- Schlittencarriage
- (13)(13)
- KoppelplatteCoupling plate
- (14) (14)
- AntriebsspindelDrive spindle
- (15)(15)
- GegengewichtCounterweight
- (16)(16)
- Flexible VerbindungFlexible connection
- (17)(17)
- KreiselSpinning top
- (18)(18)
- Einfache DrehlagerungEasy pivoting
- (19)(19)
- Kreisel-RotationsachseRotary axis of rotation
- (20)(20)
- Mastspitze des Verteilermastes der AutobetonpumpeMast tip of the placing boom of the truck-mounted concrete pump
- (21)(21)
-
Druckkopf der
3D -BetondruckeinheitPrinthead of3D - concrete printing unit - (22)(22)
- Druckkopf-MundstückPrint head mouthpiece
- (23)(23)
- BetonbauteilConcrete component
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 02/055813 A1 [0004]WO 02/055813 A1 [0004]
- DE 19503895 A1 [0005]DE 19503895 A1 [0005]
- WO 0225036 A1 [0006]WO 0225036 A1 [0006]
- EP 1537282 B1 [0007]EP 1537282 B1 [0007]
- WO 2016/131977 A1 [0008]WO 2016/131977 A1 [0008]
- WO 2014/165888 A1 [0008]WO 2014/165888 A1 [0008]
- WO 2016/180759 A1 [0009]WO 2016/180759 A1 [0009]
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Cited By (2)
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DE102020110431A1 (en) | 2020-04-16 | 2021-10-21 | AEDITIVE GmbH | Manufacturing system for the additive manufacturing of components and processes |
DE102020120895A1 (en) | 2020-08-07 | 2022-02-10 | Karlsruher Institut für Technologie | Shaped body and method for producing a shaped body |
-
2019
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |