EP4605188A1 - System zur additiven fertigung von bauwerken oder bauteilen von bauwerken - Google Patents

System zur additiven fertigung von bauwerken oder bauteilen von bauwerken

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Publication number
EP4605188A1
EP4605188A1 EP23790673.0A EP23790673A EP4605188A1 EP 4605188 A1 EP4605188 A1 EP 4605188A1 EP 23790673 A EP23790673 A EP 23790673A EP 4605188 A1 EP4605188 A1 EP 4605188A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mixing
sensor
pumping device
building material
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23790673.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Chikaeze UGWU
Kevin Li
Fabian MEYER-BROETZ
Sriraam KANCHANA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peri SE
Original Assignee
Peri SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peri SE filed Critical Peri SE
Publication of EP4605188A1 publication Critical patent/EP4605188A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B17/00—Details of, or accessories for, apparatus for shaping the material; Auxiliary measures taken in connection with such shaping
    • B28B17/0063—Control arrangements
    • B28B17/0081—Process control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C7/00—Controlling the operation of apparatus for producing mixtures of clay or cement with other substances; Supplying or proportioning the ingredients for mixing clay or cement with other substances; Discharging the mixture
    • B28C7/02—Controlling the operation of the mixing
    • B28C7/022—Controlling the operation of the mixing by measuring the consistency or composition of the mixture, e.g. with supply of a missing component
    • B28C7/024—Controlling the operation of the mixing by measuring the consistency or composition of the mixture, e.g. with supply of a missing component by measuring properties of the mixture, e.g. moisture, electrical resistivity, density
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C7/00—Controlling the operation of apparatus for producing mixtures of clay or cement with other substances; Supplying or proportioning the ingredients for mixing clay or cement with other substances; Discharging the mixture
    • B28C7/02—Controlling the operation of the mixing
    • B28C7/022—Controlling the operation of the mixing by measuring the consistency or composition of the mixture, e.g. with supply of a missing component
    • B28C7/026—Controlling the operation of the mixing by measuring the consistency or composition of the mixture, e.g. with supply of a missing component by measuring data of the driving system, e.g. rotational speed, torque, consumed power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04—Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
    • E04G21/0463—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom control mechanisms, e.g. to automate concrete distribution

Definitions

  • 3D printing processes or additive manufacturing processes are used to manufacture buildings or components of buildings (for example walls or formwork).
  • the additive manufacturing of buildings or their components can significantly increase productivity in the construction industry.
  • So-called 3D concrete printing enables buildings to be manufactured more quickly and at lower cost.
  • concrete structures can be created quickly and inexpensively without formwork, while at the same time offering the greatest possible design freedom.
  • 3D printing parameters such as viscosity, water content and temperature
  • 3D printing parameters such as viscosity, water content and temperature
  • These conventional methods include, for example, on-site sampling followed by laboratory analysis and sometimes also require sample preparation before examination.
  • the result report is sent to the site for decision-making. If the properties of the print determined in this way do not meet the requirements, this may require the defects to be corrected, in particular at least partially destroying the already printed structure, which can lead to further problems such as cracks and inconsistencies in the print. In addition, this is a time-consuming and inefficient process at the same time as rapid industrial growth and increasing Demand for 3D printed houses. Therefore, reliable information on real-time properties of the applied building material is desirable for adequate quality control, robustness and cost reduction through accurate decisions, improved consistency and reduced material usage.
  • the 3D concrete printing process is affected by different printing conditions or environmental conditions and the change of input parameters of printers and mixing machines, such as transport hose diameter and length, printing speed, layer time, layer height, layer width, extrusion.
  • Printing rate, cuts, print size, machine type, pump motor power, material type are also variable parameters for which there is currently no range of values that can be used as a benchmark for quality assurance and control.
  • EP 3 756 845 A1 discloses a system for implementing a manufacturing process of building elements comprising binders and aggregates, in which at least one sensor is provided which is designed to measure at least two physical properties of 3D printed wet mortar online on its way from the mixing device to an outlet, the physical properties comprising viscosity and at least one of flowability and density.
  • a system for the additive manufacturing of buildings or components of buildings wherein a material dispensing unit is movable in several degrees of freedom in order to apply a mixed building material layer by layer into predetermined printing paths, at least comprising the material dispensing unit, a mixing and pumping device which is designed to mix the building material with supplied water and subsequently convey it from the mixing and pumping device to the material dispensing unit, at least one first sensor which is suitable for continuously measuring at least two first physical parameters of the mixed building material directly inline during the manufacturing process or which continuously measures at least two first physical parameters of the mixed building material directly inline during the manufacturing process, a control unit for controlling the manufacturing process, which is communicatively connected at least to the mixing and pumping device and the at least one first sensor, which at least measured first physical parameters of the at least one first sensor as input signals and which is further configured to continuously adapt and/or optimize the manufacturing process automatically in real time at least as a function of the first physical parameters of the at least one first sensor.
  • the system according to the invention is provided with an integrated sensor system that is able to determine the physical properties of the building material used directly inline and to change input parameters of the printing process during operation. This further improves the print quality of additive manufacturing and significantly reduces the use of materials.
  • the inline measurements in the system according to the invention which take place directly in the manufacturing process, significantly increase the measurement accuracy.
  • measurements are not taken directly in the process, but rather in a branch built for this purpose (a "bypass"). This means that what is happening in the process is not recorded exactly.
  • the invention can also solve the problem of inconsistency during printing by automatically adjusting the water flow rate and water content. This reduces the amount of manpower required to continuously make these adjustments and further maintains the quality of the printed samples.
  • Continuous control of the printing process can reduce printing costs, waste, time loss and inefficiency and increase print quality.
  • user-friendliness is increased for operators without previous experience with 3D concrete printing by quantifying print quality, i.e. sensor values can be relied upon to assess material properties without expert knowledge.
  • By visualizing the sensor values errors can be more easily identified and assessed. For example, it can be concluded that not enough dry mortar is being pumped out of the corresponding container if the water flow rate is too low but the water content is within an acceptable range.
  • the automatic control means that significantly less personnel is needed on site.
  • safety is increased by the possibility of automatically shutting down the mixing and pumping device if, for example, too high a pressure is detected.
  • the control unit can be housed as a sensor box in a separate housing and provided with a display device for visualization.
  • the control unit can be designed as a programmable logic controller (PLC), for example. All sensors can be connected to the control unit either directly or via an IO-Link master.
  • the displayed data can be connected to a controller for data processing and controlling the printing process.
  • the measuring system (sensors) then carries out measurements on the fresh concrete and sends the data (real performance) to the controller.
  • the control unit or controller then generates usable data from the measured values. Data (e.g. water content, flow, temperature, pressure and the like) and if the actual output of the printer corresponds to the expected target output (determined from preset values), no adjustments are made to the input and the printing process and it continues unchanged.
  • Data e.g. water content, flow, temperature, pressure and the like
  • the mixing and pumping device can also be designed in two parts, with a mixing device and a pumping device, or can be formed by two different systems.
  • At least one physical characteristic of the production environment can be determined or measured, in particular e.g. online or inline by at least one second sensor, which can be communicatively connected to the control unit, preferably continuously during the production process, wherein the control unit receives the at least one physical characteristic of the production environment as an input signal and can further be configured to automatically continuously adapt and/or optimize the production process in real time depending on the at least one physical characteristic of the production environment.
  • the at least one physical characteristic of the production environment can include an ambient temperature, an ambient humidity or a water flow, in particular upstream of the mixing and pumping device.
  • the at least one physical characteristic of the production environment can also include a water temperature in the mixing device or a total amount of water used, in particular by the mixing device. Furthermore, a large number of other parameters/characteristics can be recorded, on the basis of which changes in the production process can be made. These include, for example, hose diameter, hose length, printing speed, layer time, layer height and width, extrusion rate of the print head, print size, mixing pump type, material type, nozzle shape, nozzle system and pump frequency.
  • the at least one further physical parameter of the mixed building material can be a viscosity.
  • the viscosity of the mixed building material can be determined from an electrical current required to drive a mixing and pumping device. This can be an online measurement of process properties.
  • the at least one further sensor or one of the sensors in the mixing and pumping device can be used to measure the current consumption of the mixing spindle or the mixing motor or the actuator that drives the mixing and pumping device. Based on this measured current consumption, conclusions can be drawn about the viscosity of the building material or the mixed material (preferably consisting of water and dry material). The higher the measured current consumption, the higher the viscosity of the material (as the current consumption increases, the viscosity also increases, i.e. the material becomes more viscous and vice versa).
  • the water inflow of the mixing and pumping device can be controlled such that the viscosity is kept within a certain value range, wherein preferably an upper and a lower limit value for the viscosity are provided.
  • the control unit can be set up to compare the obtained physical parameters of the mixed building material with predetermined value ranges for the physical parameters of the mixed building material determined on the basis of a database, in particular as a function of the at least one physical parameter and preferably other input variables of the production process.
  • the control unit can compare the obtained physical parameters of the building material with predetermined values from the database.
  • the at least one physical parameter and/or other input variables of the production process are used to determine the comparison values from the database to be used here.
  • the mixed building material can contain concrete, mortar, clay, loam or a thermoplastic. Of course, additives such as polymers, glass, steel or mineral fibers can also be added. With regard to the compositions of the building materials that can be used for 3D concrete printing, reference is also made to the EP 3 756 845 A1 and EP 3 823 801 B1 mentioned above.
  • the at least one second sensor 8 can, as in the present exemplary embodiment, be arranged in the area or upstream of or in the mixing and pumping device 5 or, in further exemplary embodiments not shown, can be arranged on the control unit 7 or on a housing 7a of the control unit 7 or in other areas of the manufacturing environment.
  • At least one further physical parameter of the mixed building material 4 can be determined or, in particular online or inline, measured by at least one further sensor 9 which is communicatively connected to the control unit 7 (indicated by arrows in the figure), preferably continuously during the production process, wherein the control unit 7 receives the at least one further physical parameter of the mixed building material 4 as an input signal and is further configured to automatically continuously adapt and/or optimize the production process in real time depending on the at least one further physical parameter of the mixed building material 4.
  • the ratio between the water and dry material required for optimum viscosity is different, which is why a database for different materials can be available, which contains the corresponding upper and lower limits for the viscosity depending on the material. Highly precise viscosity control can thus be carried out by measuring the current consumption.
  • the at least one physical characteristic of the production environment can also include a water temperature in the mixing and pumping device 5 or a total amount of water consumed, in particular by the mixing and pumping device 5.
  • the control unit 7 can also be set up to adapt and/or optimize the production process if one or more of the obtained physical parameters of the mixed building material 4 are not within the specific predetermined value ranges.
  • the use of threshold values or the like is also possible.
  • the control unit 7 can be configured to continuously adapt and/or optimize the manufacturing process:
  • the control unit 7 can be configured to leave the manufacturing process unchanged if the obtained physical parameters of the mixed building material 4 are within the certain predetermined value range.
  • the control unit 7 can be configured to continuously adapt and/or optimize the manufacturing process automatically in real time by means of a synchronized feedback control.
  • the at least two first physical parameters of the mixed building material 4 may include a water content, a pressure and/or a material temperature.
  • the mixed building material 4 may comprise concrete, mortar, clay, loam or a thermoplastic material.
  • the database 7b can be designed as a table or database in which the predetermined value ranges, which are determined in advance, preferably by means of big data learning, are stored as a function of the at least one physical parameter and preferably further input variables of the manufacturing process.
  • control unit 7 can additionally be connected to a cloud 10 or a data storage unit 11 on which the measurement data obtained from the first, second and further sensors 6, 6a, 6b, 8, 9 are stored.
  • control unit 7 and/or the cloud 10 and/or the data storage unit 11 can be accessed via a human-machine interface (HMI) or a web interface.
  • HMI human-machine interface
  • a simplified display unit of the system 1 is provided with the reference number 12.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zur additiven Fertigung von Bauwerken (2) 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, wenigstens umfassend: - die Materialausgabeeinheit (3); - 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, welche wenigstens die gemessenen ersten physikalischen Parameter des wenigstens einen ersten Sensors (6) als Eingangssignale 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.

Description

System zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2022 127 879.4 in Anspruch, deren Inhalt durch Verweis hierin vollständig mit aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein System zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken.
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.
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.
In bekannten Verfahren kann als Baustoff ein Nassmörtel fortlaufend durch ein Mischen eines Trockenmörtels oder Trocken betons 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.
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.
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.
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.
Des Weiteren wird auf die EP 3 823 801 B1 verwiesen.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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 oder welcher fortlaufend während des Fertigungsvorgangs wenigstens zwei erste physikalische Parameter des angemischten Baustoffs direkt inline misst, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung kann eine Umgebungstemperatur, eine Umgebungsfeuchtigkeit oder einen Wasserdurchfluss, insbesondere vor der Misch- und Pumpvorrichtung, umfassen.
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/Kenn- größen 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.
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.
Durch diese Maßnahmen können auch weitere physikalische Parameter oder Eigenschaften des Baustoffs bei der Optimierung des Druckprozesses berücksichtigt werden.
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.
Mit einer steigenden Stromaufnahme für den Antrieb der Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung kann auch auf eine steigende Viskosität des angemischten Baustoffs geschlossen werden.
Der wenigstens eine weitere Sensor bzw. einer der Sensoren in der Misch- und Pumpvorrichtung kann zur Messung der Stromaufnahme der Mischspindel oder des Mischmotors bzw. des Aktuators, welcher die Misch- und Pumpvorrichtung antreibt, verwendet werden. Auf Basis dieser gemessenen Stromaufnahme kann auf die Viskosität des Baustoffs bzw. des gemischten Materials (vorzugsweise bestehend aus Wasser und Trockenmaterial) geschlossen werden. Je höher die gemessene Stromaufnahme, umso höher die Viskosität des Materials (mit steigender Stromaufnahme steigt auch die Viskosität, d. h. das Material wird zähflüssiger und umgekehrt).
In Abhängigkeit eines die Viskosität charakterisierenden Messwerts für die Stromaufnahme für den Antrieb der Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung kann der Wasserzufluss der Misch- und Pumpvorrichtung derart gesteuert werden, dass die Viskosität in einem bestimmten Wertebereich gehalten wird, wobei vorzugsweise ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Viskosität vorgesehen sind.
Auf Basis dieses Messwerts kann der Wasserzufluss gesteuert werden, um die Viskosität in einem bestimmten Bereich zu halten. Es können ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Viskosität vorgesehen sein.
Bei Überschreiten des oberen Grenzwertes und/oder bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes der Viskosität kann der Wasserzufluss der Misch- und Pumpvorrichtung entsprechend angepasst werden, wobei durch einen erhöhten Wasserzufluss die Viskosität verringert wird und durch einen verringerten Wasserzufluss die Viskosität erhöht wird.
Bei Überschreiten des oberen Grenzwertes bzw. bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes kann die Wasserzuflussmenge entsprechend gesteuert bzw. eingestellt werden. Durch erhöhten Wasserzufluss kann die Viskosität verringert werden, durch verringerten Wasserzufluss kann die Viskosität erhöht werden. Die Verarbeitung der Daten und Steuerung des Ventils für den Wasserzufluss kann von der Steuereinheit übernommen werden. Je nach Trockenmaterial ist das Verhältnis zwischen benötigtem Wasser und Trockenmaterial für eine optimale Viskosität unterschiedlich, weshalb eine Datenbank für unterschiedliche Materialien vorhanden sein kann, welche je nach Material zugehörige obere und untere Grenzwerte für die Viskosität enthält. Somit kann mittels der Messung der Stromaufnahme eine hochgenaue Viskositätsregelung durchgeführt werden.
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.
Die voreingestellten Wertebereiche können sozusagen als Katalog dienen, um entsprechende Druckerund 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 Aufbau barkeit, 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.
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. 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.
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.
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.
Somit kann, wenn sich der ausgegebene Baustoff von der erwarteten Soll-Ausgabe unterscheidet, eine Echtzeitoptimierung vorgenommen werden.
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.
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.
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.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang mittels einer synchronisierten Rückkopplungssteuerung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. 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.
Die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs können einen Wassergehalt, einen Druck, insbesondere im Schlauch, oder eine Materialtemperatur umfassen.
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.
Der wenigstens eine erste Sensor kann somit als Drucksensor, Temperatursensor oder Wassergehaltsensor ausgeführt sein.
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.
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.
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.
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. Der wenigstens eine zweite Sensor kann als Thermometer, Feuchtigkeitssensor oder Durchflusssensor ausgeführt sein.
Der wenigstens eine zweite Sensor kann im Bereich der Misch- und Pumpvorrichtung oder an der Steuereinheit oder an einem Gehäuse der Steuereinheit angeordnet sein.
Der wenigstens eine weitere Sensor kann als induktiver Sensor ausgeführt sein.
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.
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.
Die Materialausgabeeinheit kann ebenfalls mit der Steuereinheit kommunikationsverbunden sein.
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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark vereinfachtes schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Systems.
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 oder welcher fortlaufend während des Fertigungsvorgangs wenigstens zwei erste physikalische Parameter des angemischten Baustoffs direkt inline misst;
- 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.
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).
Die Misch- und Pumpvorrichtung 5 ist mit einem Aktuator 5a, insbesondere einem Schrittmotor oder dergleichen, weicher 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.
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.
Die Materialausgabeeinheit 3 kann in weiteren Ausführungsbeispielen ebenfalls mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden sein (durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet).
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.
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 nicht dargestellten Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung 5 benötigten elektrischen Strom ermöglichen.
Mit einer steigenden Stromaufnahme für den Antrieb der Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung 5 kann auch auf eine steigende Viskosität des angemischten Baustoffs geschlossen werden. Der wenigstens eine weitere Sensor 9 bzw. einer der Sensoren in der Misch- und Pumpvorrichtung 5 kann zur Messung der Stromaufnahme der Mischspindel oder des Mischmotors bzw. des Aktuators, welcher die Misch- und Pumpvorrichtung 5 antreibt, verwendet werden. Auf Basis dieser gemessenen Stromaufnahme kann auf die Viskosität des Baustoffs 4 bzw. des gemischten Materials (vorzugsweise bestehend aus Wasser und Trockenmaterial) geschlossen werden. Je höher die gemessene Stromaufnahme, umso höher die Viskosität des Materials (mit steigender Stromaufnahme steigt auch die Viskosität, d. h. das Material wird zähflüssiger und umgekehrt). In Abhängigkeit von diesem Messwert kann der Wasserzufluss über den Aktuator 5a gesteuert werden, um die Viskosität in einem bestimmten Bereich zu halten. Es können ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Viskosität vorgesehen sein. Bei Überschreiten des oberen Grenzwertes und bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes kann der Aktuator 5a aktiviert werden und die Wasserzuflussmenge entsprechend steuern bzw. einstellen. Durch erhöhten Wasserzufluss kann die Viskosität verringert werden, durch verringerten Wasserzufluss kann die Viskosität erhöht werden. Die Verarbeitung der Daten und Steuerung des Ventils für den Wasserzufluss kann von der Steuereinheit 7 übernommen werden. Je nach Trockenmaterial ist das Verhältnis zwischen benötigtem Wasser und Trockenmaterial für eine optimale Viskosität unterschiedlich, weshalb eine Datenbank für unterschiedliche Materialien vorhanden sein kann, welche je nach Material zugehörige obere und untere Grenzwerte für die Viskosität enthält. Somit kann mittels der Messung der Stromaufnahme eine hochgenaue Viskositätsregelung durchgeführt werden.
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.
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.
Die Datenbasis 7b kann mit der Steuereinheit 7 kommunikationsverbunden oder in einem nicht näher dargestellten Speicherelement der Steuereinheit 7 vorhanden sein.
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.
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.
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.
Die Steuereinheit 7 kann dazu eingerichtet sein, den Fertigungsvorgang mittels einer synchronisierten Rückkopplungssteuerung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. Die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs 4 können einen Wassergehalt, einen Druck und/oder eine Materialtemperatur umfassen.
Der angemischte Baustoff 4 kann Beton, Mörtel, Ton, Lehm oder einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen.
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.
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.
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.
Eine vereinfacht angedeutete Anzeigeeinheit des Systems 1 ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Bezugszeichenliste:
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

Claims
P a t e n t a n s p r ü c h e System (1) zur additiven Fertigung von Bauwerken (2) 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, wenigstens umfassend:
- die Materialausgabeeinheit (3);
- 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, 6a, 6b), 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, 6a, 6b) kommunikationsverbunden ist, welche wenigstens die gemessenen ersten physikalischen Parameter des wenigstens einen ersten Sensors (6, 6a, 6b) als Eingangssignale erhält und welche ferner dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang wenigstens in Abhängigkeit von den ersten physikalischen Parametern des wenigstens einen ersten Sensors (6, 6a, 6b) automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. System (1) nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung bestimmt oder von wenigstens einem zweiten Sensor
(8), der mit der Steuereinheit (7) kommunikationsverbunden ist, vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs, gemessen wird, 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 der Fertigungsumgebung automatisch in Echtzeit fortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. System (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein weiterer physikalischer Parameter des angemischten Baustoffs (4) bestimmt oder, insbesondere online oder inline von wenigstens einem weiteren Sensor
(9), der mit der Steuereinheit (7) kommunikationsverbunden ist, vorzugsweise fortlaufend während des Fertigungsvorgangs, gemessen wird, 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. System (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, 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 für die physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs (4) zu vergleichen. System (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, 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. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (7) zum fortlaufenden Anpassen und/oder Optimieren des Fertigungsvorgangs dazu eingerichtet ist:
- die Misch- und Pumpvorrichtung (5) entsprechend anzusteuern und/oder
- eine eingestellte Schichthöhe 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. System 0 nach Anspruch 4, 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang unverändert zu lassen, wenn die erhaltenen physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs (4) innerhalb der bestimmten vorgegebenen Wertebereiche liegen. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, den Fertigungsvorgang mittels einer synchronisierten Rückkopplungssteuerung automatisch in Echtzeitfortlaufend anzupassen und/oder zu optimieren. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs (4) einen Wassergehalt, einen Druck und/oder eine Materialtemperatur umfassen.
10. System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wenigstens eine physikalische Kenngröße der Fertigungsumgebung eine Umgebungstemperatur, eine Umgebungsfeuchtigkeit, einen Wasserdurchfluss, insbesondere vorder Misch- und Pumpvorrichtung (5), eine Wassertemperatur, insbesondere in oder vor der Misch- und Pumpvorrichtung (5) oder eine Gesamtmenge von, insbesondere von der Misch- und Pumpvorrichtung (5), verbrauchtem Wasser umfasst.
11. System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine weitere physikalische Parameter des angemischten Baustoffs (4) eine Viskosität ist.
12. System (1) nach Anspruch 11 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Viskosität des angemischten Baustoffs aus einem für den Antrieb einer Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung (5) benötigten elektrischen Strom bestimmt wird.
13. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine erste Sensor (6, 6a, 6b) dazu geeignet ist, fortlaufend während des Fertigungsvorgangs die wenigstens zwei ersten physikalischen Parameter des angemischten Baustoffs (4) direkt inline auf seinem Weg von der Misch- und Pumpvorrichtung (5) zu der Materialausgabeeinheit (3), insbesondere an einem Auslass der Misch- und Pumpvorrichtung (5) bzw. zu Beginn des Weges des angemischten Baustoffs (4) zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung (5) und der Materialausgabeeinheit (3) zu messen.
14. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (7) zusätzlich mit einer Cloud (10) oder einer Datenspeichereinheit (11) verbunden ist, auf welchen die von den ersten, zweiten und weiteren Sensoren (6, 6a, 6b, 8, 9) erhaltenen Messdaten gespeichert werden.
15. System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Datenbasis (7b) als Tabelle oder Datenbank ausgeführt ist, 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. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine erste Sensor (6) als Drucksensor (6a), Temperatursensor oder Wassergehaltssensor (6b) ausgeführt ist. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine erste Sensor (6, 6a, 6b) in oder an einem Sensorrohr (6c), insbesondere zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung (5) und der Materialausgabeeinheit (3), weiter insbesondere im Bereich eines Beginns einer Strecke zwischen der Misch- und Pumpvorrichtung (5) und der Materialausgabeeinheit (3), angeordnet ist. System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine zweite Sensor (8) als Thermometer, Feuchtigkeitssensor oder Durchflusssensor ausgeführt ist. System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine zweite Sensor (8) im Bereich der Misch- und Pumpvorrichtung (5) oder an der Steuereinheit (7) oder an einem Gehäuse (7a) der Steuereinheit (7) angeordnet ist. System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine weitere Sensor (9) als induktiver Sensor ausgeführt ist. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der angemischte Baustoff (4) Beton, Mörtel, Ton, Lehm odereinen thermoplastischen Kunststoff aufweist. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass über ein Human-Machine-Interface, HMI, oder eine Webschnittstelle auf die Steuereinheit (7) und/oder auf die Cloud (10) und/oder auf die Datenspeichereinheit (11) zugegriffen werden kann. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Materialausgabeeinheit (3) mit der Steuereinheit (7) kommunikationsverbunden ist. System (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit einer steigenden Stromaufnahme für den Antrieb der Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung (5) auch auf eine steigende Viskosität des angemischten Baustoffs geschlossen wird. System (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in Abhängigkeit eines die Viskosität charakterisierenden Messwerts für die Stromaufnahme für den Antrieb der Mischspindel der Misch- und Pumpvorrichtung (5) der Wasserzufluss der Misch- und Pumpvorrichtung (5) derart gesteuert wird, dass die Viskosität in einem bestimmten Wertebereich gehalten wird, wobei vorzugsweise ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Viskosität vorgesehen sind. System (1) nach Anspruch 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Überschreiten des oberen Grenzwertes und/oder bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes der Viskosität der Wasserzufluss der Misch- und Pumpvorrichtung (5) entsprechend angepasst wird, wobei durch einen erhöhten Wasserzufluss die Viskosität verringert wird und durch einen verringerten Wasserzufluss die Viskosität erhöht wird.
EP23790673.0A 2022-10-21 2023-10-18 System zur additiven fertigung von bauwerken oder bauteilen von bauwerken Pending EP4605188A1 (de)

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