EP4655154A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen und aufbauvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen und aufbauvorrichtung

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Publication number
EP4655154A1
EP4655154A1 EP24703479.6A EP24703479A EP4655154A1 EP 4655154 A1 EP4655154 A1 EP 4655154A1 EP 24703479 A EP24703479 A EP 24703479A EP 4655154 A1 EP4655154 A1 EP 4655154A1
Authority
EP
European Patent Office
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accumulation
layer
construction
solidification
layers
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703479.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carl Fruth
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Fit AG
Original Assignee
Fit AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Fit AG filed Critical Fit AG
Publication of EP4655154A1 publication Critical patent/EP4655154A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29C64/00—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
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F10/10—Formation of a green body
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
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    • B29C64/321—Feeding
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    • 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
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    • 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
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing components and a construction device.
  • Additive manufacturing processes in particular layer-building processes, are known from the state of the art.
  • Layer-building processes are used to manufacture components from solidifiable material applied in layers, such as resin, plastic, metal or ceramic. Layers of a building material are successively applied on top of one another. Before the next layers are applied, the areas in the respective layers corresponding to the cross-section of the object to be manufactured are selectively solidified. Solidification takes place, for example, by locally heating a powdered layered raw material with the aid of a radiation source.
  • Additive manufacturing processes are typically used to produce small quantities, for example to produce prototypes or in small series production. Additive manufacturing processes are also particularly suitable for producing components with complex geometries. For these reasons, additive manufacturing processes are used primarily for relatively small, relatively complex components made of metal or plastic in the areas of toolmaking, automotive engineering, aerospace engineering and medical technology. The components produced in this way typically have dimensions of up to around 100 centimeters. Many components are only a few centimeters in size. Additive manufacturing processes are also being used in the construction industry, in particular in the production of precast concrete parts for building and civil engineering. Well-known processes are the extrusion of concrete strands and particle bed printing of concrete parts. This gives rise to various problems, in particular in connection with the production of components with component sizes of several meters.
  • An object of the present invention is to provide a universal layer construction technique which is also suitable for the production of large components.
  • a first method according to the invention for producing components takes place with the aid of a construction device, wherein the construction device comprises a preferably transportable material accumulation device which is designed for layer-by-layer accumulation of material, in particular of solidifiable material (construction material), in layer planes by preferably applying the material flatly to a stationary, i.e.
  • the material accumulation device follows a predetermined construction path is moved from location to location in a construction direction, and wherein at preferably each of these locations on the construction surface a layered accumulation of material and at at least a number of these locations a selective solidification of certain areas of the layered accumulated material in a number of layers, i.e. in one or more layers, of the material accumulation takes place.
  • a second method according to the invention for producing components takes place with the aid of a building device, the building device comprising a preferably transportable material accumulation device which is designed for the layer-by-layer accumulation of material, in particular of non-solidifiable material (e.g. support material), in layer planes by preferably applying the material over a large area to a stationary, i.e. immovable, immobile building surface to form a material accumulation, which layer planes are aligned obliquely to the surface of the building surface, and the building device furthermore comprising a material addition device which is designed for the selective, i.e.
  • a transportable material accumulation device which is designed for the layer-by-layer accumulation of material, in particular of solidifiable material (construction material) in layer planes by preferably applying the material flatly to a construction surface to form a material accumulation, which layer planes are aligned obliquely to the surface of the construction surface
  • a material solidification device which is designed for the selective solidification of certain regions of the accumulated material in a number of layers, i.e. in one
  • the layered accumulation of the material is carried out in such a way that a geometrically defined surface of the accumulation of material is formed layer by layer, in particular by pouring on granular material, thereby forming a fill, or by spreading on spreadable material, in particular granular material mixed with liquid, or gel-like material.
  • a shapeless building material is used for the layered accumulation.
  • pourable materials are used as granular materials (particulate material).
  • granular materials include sand, clay, glass, expanded clay, expanded glass, gravel, grit, activated carbon, plastic powder and metal powder as well as mixtures of such materials, also in different grain sizes.
  • spreadable gels or pastes are used as spreadable materials, or the above-mentioned pourable materials when mixed with a liquid, for example with oil, water, thixotropic agent, fluidifier, plasticizer or concrete admixture.
  • Layered piling means piling up material in successive, superimposed layers. In other words, the material is placed on top of each other in layers.
  • Piling is understood to mean the formation of a Accumulation, i.e. a heap. The accumulation of material serves as a particle bed in the sense of additive manufacturing.
  • the build-up surface is stationary, the accumulation of material and thus the component to be manufactured are not moved.
  • the component areas to be selectively solidified also remain stationary, i.e. they remain in one place and are not moved. This applies during the movement of the material accumulation device and/or until the accumulation of material has ended and/or until the production of the last section of the component to be manufactured has been completed and/or until the areas to be solidified have been completely or essentially completely solidified. After complete solidification, the components can be moved to another location for further use. In contrast to all previously known additive manufacturing processes in a particle bed, this is a stationary additive component manufacturing process.
  • the accumulation of material in layer planes that are aligned obliquely to the surface of the build-up surface means that the layer planes are not aligned parallel to the surface of the build-up surface, but form an acute angle of between 0° and 90° with it. This angle is included between the plane of the applied layer and the plane of the surface of the build-up plane.
  • Layer planes in a repose or strike angle between 30 and 60 ° to the surface of the build-up area With a suitable inclination of the layer planes, slipping of the material applied layer by layer and thus subsequent changes to the defined geometric surface of the material accumulation are avoided.
  • a suitable inclination of the layer planes ensures that the layers of the material accumulation and their defined geometric surface as well as, if applicable, the material selectively applied to or introduced into the material accumulation remain stable and can be selectively solidified in a precise manner.
  • the invention is particularly suitable for the production of large components.
  • the component to be produced has a box size of between 0.3 m and 500 m.
  • the building device comprises a mechanical guide system which defines a building path along which the material accumulation device is movable.
  • the material accumulation device has a preferably rectangular frame, which is designed as a guide for an accumulation unit movable within and/or along the frame.
  • the Width of the frame more precisely the width on which the accumulation unit can accumulate material on the building surface, determines the width of the building field.
  • the accumulation unit comprises a material dispensing unit, such as a nozzle or the like.
  • the material accumulation device comprises a feeding device connected to the material output unit for conveying the material.
  • the material accumulation device is designed to accumulate the material in layers such that the layer planes are inclined opposite to the construction direction.
  • the material accumulation device is designed to accumulate the material in layers with defined layer thicknesses, in particular in thin layers.
  • the material accumulation device is designed to accumulate the material in layers with layer thicknesses between 0.3 mm and 30 mm.
  • the layers are applied in such a way that successive layers are applied parallel to one another.
  • the thicknesses of successive layers can differ from one another.
  • the material accumulation device is designed to accumulate the material in layers with different layer thicknesses.
  • at least one layer of the material is applied to each location on the construction surface. In this case, only a small area of the entire construction surface is provided with a layer. Due to the formation of slanted layers of material on the construction surface, the thickness of the accumulation of material within a location on the construction surface is different at each location.
  • the material accumulation device is designed for accumulating different materials in layers.
  • the construction device comprises a plurality of material accumulation devices, each of these material accumulation devices being designed to accumulate a different material in layers.
  • the materials applied in layers can be selectively solidifiable build-up materials or non-solidifiable build-up materials.
  • the material solidification device is designed to apply or introduce solidification material and/or solidification energy onto or into the material accumulation for selective solidification of the material. If solidification material is used, this can be, for example, glue or the like. If solidification energy is used for layer-by-layer or layer-spanning solidification used, this can be, for example, high-energy radiation, such as laser radiation.
  • the material solidification device serves for applying or introducing material
  • the material solidification device according to an embodiment of the invention has the same structural and functional features as the material accumulation device.
  • the material solidification device is designed to solidify the building material by activating it with the aid of suitable measures.
  • the material already accumulated in layers or the material selectively applied or introduced can already be an activatable building material, for example because it is already a building material mixed from different components; or the existing building material can be activated or activated by adding solidification material.
  • solidification material is selectively introduced into the building material, in particular additional building material or binder for hardening the building material.
  • the material solidification device is designed to selectively solidify material by curing.
  • the material solidification device is designed for selectively solidifying material by chemical activation with a binder, such as magnesite cement, Portland cement, gypsum or water glass.
  • a binder such as magnesite cement, Portland cement, gypsum or water glass.
  • the material solidification device is designed for selectively solidifying material by applying single- or multi-component adhesives, such as cyanoacrylate, polyurethane or epoxy.
  • the material solidification device is designed for selectively solidifying material by melting.
  • the local solidification of the construction material can be achieved by melted materials such as thermoplastics.
  • the material solidification device is fixedly or movably connected to the material accumulation device, in particular to its frame.
  • the material solidification device and the material accumulation device form a movement unit in this way, so that the material solidification device can be handled or transported together with the material accumulation device.
  • the entire assembly device is transportable, preferably together with those devices that form a movement unit with the material accumulation device.
  • the frame is transportable. In this way, it is easily possible to transport the device, in whole or in parts, to another location after the completion of a component for the immediate assembly of another component.
  • the predetermined construction path consists of path sections, each of these path sections being assigned to one of the locations at which the material is accumulated layer by layer.
  • the movement of the material accumulation device along the build-up path from location to location takes place at intervals. This means that material can be accumulated at any location, in particular to produce a layer, and optionally a selective solidification can take place before the material accumulation device is moved along the path to the next location.
  • a fresh material fill or coating is provided in the form of a material layer by means of a material accumulation device which is movable in the direction of construction and which is then selectively solidified.
  • This layer is inclined at a suitable fill or coating angle, preferably between 30° and 60°.
  • the material accumulation device is moved layer by layer by one layer thickness in the direction of construction.
  • the material accumulation device is displaced from place to place in the feed direction by one layer thickness in order to build up the component layer by layer.
  • the free volume created by the layer displacement is filled with building material, for example by a doctor blade, and if necessary, compacted in the new layer.
  • At least one layer i.e. one or more layers, of the material is accumulated.
  • the layer-by-layer accumulation of material takes place at all locations to which the material accumulation device is moved during the manufacture of the at least one component, while the solidification of the accumulated material takes place either at all locations or only at selected locations, i.e. from time to time or not after each application of a layer.
  • the solidification of the accumulated material takes place layer by layer, in particular for each layer or for selected layers.
  • selective solidification takes place in a number of layers of the material accumulation.
  • a selective solidification of regions within a layer and/or a selective solidification of regions extending over several layers takes place, wherein one or more regions applied to or introduced into the accumulation of material are connected to one or more other regions of the underlying layers.
  • At least one part of a component is produced at each location in such a way that after a number of movements of the material accumulation device along the defined construction path from location to location, at least one part to be produced is produced.
  • Component consisting of interconnected parts .
  • the construction area of the construction device is not limited from the outset by the dimensions of a substrate or construction plate or a container.
  • a demarcated process space in the conventional sense is not necessary for the implementation of the invention.
  • a second long component of this component width can be attached to a first long component with a limited component width in order to double the component width, etc.
  • the material accumulation device can be moved from its first operating position to an immediately adjacent second operating position after the first component has been produced, etc.
  • a correspondingly adapted second assembly path is preferably provided for the production of the second component.
  • the assembly path is defined such that the at least one component to be manufactured is connected to an already existing component which at least partially, namely with a connecting area for connecting the component to be manufactured, is arranged on the construction surface.
  • the construction surface is the surface of a piece of land.
  • the material is preferably piled up on a concrete, tar or gravel surface.
  • the construction area is formed by a suitable, sufficiently solid, load-bearing base, i.e. the ground.
  • the construction surface is provided by a suitable object, such as a construction plate. In this case too, however, the construction surface remains stationary during the manufacture of the component, i.e. is not moved.
  • Another advantage is that materials can be processed that require a very long time to solidify. All that is needed is a sufficiently large area of land, for example outdoors, on which the manufactured component can remain for the required period of time in order to solidify. This may, for example, be a period of 28 days for concrete or an even longer period if the component is manufactured at low temperatures, such as 3° or 5° Celsius.
  • the mounting surface runs horizontally in relation to the direction of gravity. However, the mounting surface can also run at an angle to this.
  • the mounting surface has a flat surface.
  • the mounting surface can also have a non-flat surface.
  • the predetermined build path is defined as a function of the shape of the surface of the build area.
  • the build path is defined as a function of the surface shape of the build area.
  • the material accumulation device is moved from one location on the build surface to another location on the build surface between two successive layer application processes.
  • the movement of the material accumulation device from location to location is a substantially horizontal movement and/or a movement which is substantially parallel to the surface of the build-up area.
  • the build-up path can be straight or curved.
  • the material accumulation (material filling or material spreading) is supported for a certain material-specific time and/or over a defined construction length by side walls in the construction direction until sufficient green part strength is achieved.
  • sufficient green part strength means sufficient stability of the component so that it is not damaged by the flow away of unsolidified build-up material.
  • this necessary support is ensured during the stabilization period by laterally applied material fills or material removals. This is particularly useful when large, essentially curved components are manufactured.
  • the layer thickness is constant over the width and/or length of the build-up field, whereby the control of the material accumulation device can be carried out particularly easily.
  • the layer thickness is varied over the width and/or length of the build-up field, in particular such that the layer thickness decreases towards the inside of the curve and/or increases towards the outside of the curve.
  • the accumulation of material serves at least partially as a support for the at least one component to be produced or one of its parts, at least during the period in which the solidification of the at least one component to be produced or its part has not yet taken place to such an extent as to ensure inherent stability of the component or its part.
  • the presence of a Support is provided until substantially complete consolidation or until consolidation is complete.
  • the material accumulation device is designed to accumulate additional material for lateral support of the layered accumulation of material along the construction direction.
  • the accumulation of this additional material does not necessarily have to take place layer by layer.
  • the additional material can be a support material that is not suitable as a construction material and/or construction material.
  • building and/or support material is poured onto the lateral boundaries of the building field and these material pours remain there until sufficient green part strength has been achieved in the activated areas of the component.
  • a formwork is used for lateral support of the layered accumulation of material along the direction of construction, in particular a stationary formwork or a sliding formwork that can be moved with the material accumulation device or independently of it.
  • the formwork is preferably formed by retaining walls. According to one embodiment of the invention, this formwork remains there until the activated areas of the component have developed sufficient green part strength.
  • the assembly device comprises at least one material storage container and at least one feed device connecting the material storage container to the material accumulation device, designed to convey the material.
  • the at least one material storage container is preferably connected to the material accumulation device in such a way that it moves along with the material accumulation device in the direction of the build-up path.
  • several devices of the erection device are connected to one another in such a way that they move along with the material accumulation device in the direction of the erection path or in such a way that they allow a movement of the material accumulation device in the erection direction.
  • the construction device comprises a control unit for the coordinated, i.e. coordinated, operation of the devices of the construction device.
  • the method according to the invention can be carried out with the aid of a computer using a data processing unit which is suitably designed to control the functions of the devices of the construction device, in particular by providing control data which define the construction path.
  • the material accumulated in layers is a solidifiable material (building material, component-forming material) which is then selectively solidified.
  • components are produced layer by layer from building material.
  • a method according to claim 1 and/or a construction device according to claim 10 is used.
  • a first material in particular a support material
  • a second material is either applied in layers to the pile of material or selectively introduced into the pile of material, displacing the first material piled up in layers and/or filling existing cavities in the first material piled up in layers and/or mixing with the first material piled up in layers, the first and/or the second material being a solidifiable material and being solidified following the pile-up or application or introduction.
  • Selective introduction of the second material is understood to mean the introduction of material not in layers, but in particular locally, at specific points.
  • the second material is in particular a construction material or a covering material, i.e.
  • a material for producing a second component which envelops the first component to be produced.
  • a component is manufactured by means of a support material applied in layers.
  • a method according to claim 2 and/or a construction device according to claim 11 is used.
  • the selective application or introduction of the second material takes place by means of injection, in particular with the aid of a suitable nozzle.
  • the first material is applied in the same way as the build-up material in the first build-up variant. If the first material is displaced by the selectively applied second material, the first material can be completely or almost completely displaced.
  • the displacement of the first material does not have to take place layer by layer, but can take place across layers, i.e. across a large number of layers.
  • the second material can be introduced into areas across layers.
  • different second materials can be introduced into different areas of the first material.
  • the second materials introduced do not have to be solid or spreadable materials. Liquids can also be introduced into the interior of the component to be produced as second materials. With the help of this second design variant, components made of different materials, in particular components with locally different material properties, can be manufactured particularly easily.
  • the construction device comprises a material removal device which is designed to selectively remove material accumulated in layers from the material accumulation at locations at which material is then selectively introduced into the material accumulation.
  • the material removal device preferably cooperates with the material addition device, in particular it is connected to the material addition device in such a way that both devices form a movement unit.
  • the selectively introduced second material can be a solidification material which forms a separation volume for the building material, so that the component is separated from the rest of the building material over a plurality of layers.
  • the second material can also be introduced by the solidification device.
  • additional reinforcing material is introduced into the material accumulation or applied to the material accumulation.
  • the component to be produced is reinforced by introducing one or more reinforcing materials into selected areas of the as yet unsolidified construction material. Even a single layer applied to the construction surface is understood as an accumulation within the meaning of the patent.
  • the reinforcing material can be introduced or applied selectively or in layers. Examples of suitable reinforcing materials are essentially fibrous materials such as glass fibers, carbon fibers, natural fibers and metal fibers.
  • the building material contains substances for increasing the angle of repose of the building material.
  • At least one functional element is additionally selectively introduced into the accumulation of material, in particular into the as yet unsolidified construction material and/or into the as yet unsolidified support material, by displacing material and/or by filling existing cavities in the material.
  • a procedure can be carried out both in conjunction with the first construction variant and in conjunction with the second construction variant.
  • hybrid components can be easily manufactured, i.e. components that consist of one or more materials and additionally have embedded Have functional elements.
  • These functional elements can be parts or components, such as rods, pipes or cables, or electrical or electronic parts, such as sensors.
  • the functional elements are not introduced arbitrarily, but in a targeted manner in specific orientations or in specific areas in the not yet solidified building material or in non-solidified areas of the building material.
  • reinforcements can be integrated into the components to be manufactured in almost any way by using reinforcement structures as functional elements.
  • These reinforcement structures for example in the form of metallic rods, can be welded within the not yet solidified construction material according to one embodiment of the invention, for example using one of the following welding methods: resistance welding, welding in the absence of oxygen without inert gas or active gas, MIG-MAG welding.
  • the assembly device comprises a functional element addition device for selectively applying or introducing at least one functional element onto or into the accumulation of material.
  • Selective application or introduction is understood to mean not layer-by-layer, but in particular point-by-point, local application or introduction of the functional element.
  • the application or introduction of the functional element can also be carried out manually.
  • all of the elements directly intended for the application or introduction of material onto or into the Material accumulation and all equipment or equipment components directly used to solidify the material are connected to the material accumulation device in such a way that they are moved from place to place together with the material accumulation device.
  • the assembly device is designed in such a way that the manufactured components can be easily removed from the accumulation of material after they have solidified.
  • the components manufactured according to the invention can subsequently be subjected to surface treatment if required.
  • the invention is particularly suitable for the production of large concrete components, in particular components with component sizes of several meters.
  • the invention is particularly suitable for the production of precast concrete parts for building and civil engineering. Since such concrete parts are particularly easy and inexpensive to produce, such concrete parts are particularly suitable for use as permanent formwork at another location.
  • the components can be manufactured on site. This means that there is no need to transport components from a precast plant to the site, which can reduce transport costs, which can be considerable for large components.
  • the invention provides a universal layer construction technique that is also suitable for the production of large components.
  • the application of the invention is not limited to precast concrete parts or the construction sector.
  • the invention With its advantages, it can also be used for classic additive manufacturing of small components, even using plastics or metals.
  • Fig. 1 Parts of a construction device and a component to be manufactured in a side view
  • Fig. 2 Parts of a construction device and a component to be manufactured in a perspective view from the front
  • Fig. 3 Parts of a construction device and a component to be produced in a perspective view from the side
  • Fig. 7 a part of a component to be manufactured in section
  • Fig. 8 a part of a component to be manufactured in section
  • Fig. 9 a part of a component to be manufactured in section
  • Fig. 10 a part of a component to be manufactured in section
  • Fig. 11 a part of a component to be manufactured in section
  • Fig. 12 a part of a component to be manufactured in section.
  • a first exemplary embodiment describes the layer-by-layer accumulation of solidifiable material (building material, component-forming material), which is then selectively solidified.
  • a building device 1 is used for this purpose.
  • a rectangular frame 4 that can be moved in the building direction 2 is part of a transportable material accumulation device 3 of the building device 1.
  • the frame 4 serves as a guide for an accumulation unit 5 that can be moved along the frame 4 and with the help of which solidifiable building material 11 is applied in flat layers 21 to a building surface 20, whereby a material accumulation 22 with a defined surface 26 is formed, see Fig. 1.
  • a material accumulation 22 with a defined surface 26 is formed, see Fig. 1.
  • only the last layers 21 of the material accumulations 22 are shown.
  • the movement of the accumulation unit 5 along the longitudinal beams of the frame 4 is indicated in Fig. 1 with a double arrow; in addition, the accumulation unit 5 can also be moved along the transverse beams of the frame 4.
  • a nozzle 10 of the accumulation unit 5 is used to dispense material.
  • the layer planes 23 are aligned at an angle 25 obliquely to the surface of the construction area 20 and are inclined against the construction direction 2.
  • the construction area 20 is the ground, which does not have to be an essentially flat surface, see Fig. 3.
  • the frame 4 is moved layer by layer following a defined build path 19 in the build direction 2 from place to place over the build surface 20, see Fig. 2.
  • a material storage container 6 is connected to the material accumulation device 3 in such a way that it moves in the direction of the build path 19.
  • a feed device for conveying the build material 11, which connects the storage container 6 to the accumulation unit 5, is shown in the Example is not necessary because the storage container 6 is directly connected to the accumulation unit 5.
  • gravel is used as the building material 11.
  • a solidification device 7 for the selective solidification of the building material 11 is connected to the frame 4 and moves with it, see Fig. 4.
  • cement is used as the solidification material (not shown) for the solidification and is introduced into the building material 11 with the aid of the solidification device 7.
  • the solidification material is introduced into the material accumulation 22 via a nozzle 8 which can be moved along the frame 4.
  • the movements of the nozzle 8 along the frame 4 are indicated in Fig. 4 with the two double arrows.
  • a radiation source (not shown) can be movably attached to the frame 4 instead of the nozzle 8.
  • the regions 24 of the building material 11 activated in this way remain stationary until the component 13 has completely hardened.
  • the assembly path 19 is predetermined by a suitable mechanical guidance system (not shown).
  • the material accumulation 22 is, from the time at which the building material 11 leaves the accumulation unit 5, until the
  • a second embodiment describes the manufacture of a component 13 by means of a support material 15 applied in layers.
  • a first material here a support material 15
  • a second material here a construction material 11
  • the introduction takes place by displacing the first material 15 accumulated in layers.
  • the first material 15 is a Rock of suitable grain size as support material and in the second
  • Material 11 is a concrete which can be solidified by hardening.
  • a third embodiment also describes the manufacture of a component 13 by means of a support material 15 applied in layers.
  • the second material a building material 11
  • the second material is also applied in layers, see Fig. 8, for which purpose the existing material accumulation device 3 is equipped accordingly or two material accumulation devices are used.
  • the application of the second material 11 also takes place here by displacing the first material 15 accumulated in layers.
  • a fourth embodiment also describes the manufacture of a component 13 by means of a support material applied in layers.
  • a construction material 11 is applied in layers. This serves to form a concrete component 13.
  • a further second material is also selectively introduced into the material accumulation 22, namely a foam material 17 suitable for insulation, which is introduced into areas immediately adjacent to the construction material 11 in such a way that it envelops the areas 24 of the concrete component 13 to be solidified, see Fig. 9. This results in a precast concrete component 13 with an insulating shell.
  • a fifth embodiment describes the production of a component 13 on the basis of one of the previous embodiments, wherein at least one functional element 18 is introduced into the material accumulation 22.
  • reinforcement elements in the form of metal rods are introduced as functional elements 18 into the material accumulation 22 selectively at defined locations in defined spatial directions while displacing the not yet solidified construction material 11, see Fig. 10.
  • a further second material is also selectively introduced into the material accumulation 22, namely a rust protection material which is introduced into areas immediately adjacent to the reinforcement element 18 in such a way that it envelops the reinforcement element 18.
  • a further second material is also selectively introduced into the material accumulation 22, namely a rust protection material which is introduced into areas immediately adjacent to the reinforcement element 18 in such a way that it envelops the reinforcement element 18.
  • a further second material is also selectively introduced into the material accumulation 22, namely a rust protection material which is introduced into areas immediately adjacent to the reinforcement element 18 in such a way that it envelops the reinforcement element 18.
  • Fig. 11 shows a variant of the fifth embodiment in which a multi-part component 13 is produced from different materials, wherein a construction material 11 which is selectively activated in regions 24 and which is simultaneously also a covering material for a functional element 18 is applied in layers, so that the component 13 is produced in layers from the construction material 11 at least in partial regions, while other partial regions within the material accumulation 22 consist of other construction materials 17 which are selectively introduced, not in layers.
  • Fig. 12 shows a sixth embodiment in which a
  • Component 13 is made of different materials.
  • the construction material 11, which also serves as a support material is applied layer by layer and the component 13 is produced at least in partial areas layer by layer by solidification of construction material 11.
  • the construction of other partial areas within the construction material 11 serving as a support material takes place, as in the second embodiment, with the aid of another construction material 17, which is not applied layer by layer but is selectively introduced while displacing the construction material 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufbauvorrichtung (1) für die Herstellung von Bauteilen (13) sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (13). Um eine universelle Schichtaufbautechnik bereitzustellen, die sich auch für die Herstellung von großen Bauteilen eignet, wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (13) mit Hilfe einer Aufbauvorrichtung (1) vorgeschlagen, welche Aufbauvorrichtung (1) eine Materialanhäufungseinrichtung (3) umfaßt, die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material (11, 15,...) in Schichtebenen (23) durch Aufbringen des Materials (11, 15,...) auf eine ortsfeste Aufbaufläche (20) unter Ausbildung einer Materialanhäufung (22), welche Schichtebenen (23) schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche (20) ausgerichtet sind, wobei die Materialanhäufungseinrichtung (3) einem vorgegebenen Aufbaupfad (19) folgend von Ort zu Ort bewegt wird, wobei an vorzugsweise jedem dieser Orte auf der Aufbaufläche (20) eine schichtweise Anhäufung von Material (11, 15,...) und an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche (24) des schichtweise angehäuften Materials (11, 15, in einer Anzahl von Schichten (21) der Materialanhäufung (22) erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Aufbauvorrichtung
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen sowie eine Aufbauvorrichtung .
Additive Fertigungsverfahren, insbesondere Schichtaufbauverfahren, sind aus dem Stand der Technik bekannt . Schichtbauverfahren dienen zur Herstellung von Bauteilen aus schichtweise aufgebrachtem, verfestigbarem Material , wie Harz , Kunststof f , Metall oder Keramik . Dabei werden Schichten eines Aufbaumaterials sukzessive übereinander auf getragen . Vor dem Aufträgen der j eweils nächsten Schichten werden die dem Querschnitt des zu fertigenden Obj ekts entsprechenden Stellen in den j eweiligen Schichten selektiv verfestigt . Das Verfestigen erfolgt beispielsweise durch lokales Erhitzen eines pulverförmigen Schichtrohmaterials mit Hil fe einer Strahlungsquelle .
Typischerweise werden additive Fertigungsverfahren für die Herstellung geringer Stückzahlen verwendet , beispielsweise zur Fertigung von Prototypen oder in der Kleinserienfertigung . Additive Fertigungsverfahren eignen sich darüber hinaus besonders zur Herstellung von Bauteilen mit kompli z ierter Geometrie . Aus diesen Gründen werden additive Fertigungsverfahren vor allem für aus Metall oder Kunststof f bestehende , vergleichsweise kleine , vergleichsweise komplexe Bauteile in den Bereichen Werkzeugbau, Automobiltechnik, Luft- und Raumfahrttechnik und Medi zintechnik angewendet . Die auf diese Weise hergestellten Bauteile weisen typischerweise Dimensionen bis ca . 100 Zentimeter auf . Viele Bauteile sind nur einige Zentimeter groß . Es wird dazu übergegangen, additive Fertigungsverfahren auch im Bauwesen anzuwenden, insbesondere bei der Herstellung von Betonfertigteilen für den Hoch- und Tiefbau . Bekannte Verfahren sind das Extrudieren von Betonsträngen und das Partikelbett-Drucken von Betonteilen . Hieraus ergeben sich verschiedene Probleme , insbesondere im Zusammenhang mit der Herstellung von Bauteile mit Bauteilgrößen von mehreren Metern .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine universelle Schichtaufbautechnik bereitzustellen, die sich auch für die Herstellung von großen Bauteilen eignet .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bzw . eine Aufbauvorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 gelöst . Vorteilhafte Aus führungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die im Folgenden im Zusammenhang mit den Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäßen Aufbauvorrichtungen und umgekehrt .
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen findet mit Hil fe einer Aufbauvorrichtung statt , wobei die Aufbauvorrichtung eine vorzugsweise transportable Materialanhäufungseinrichtung umfaßt , die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material , insbesondere von verfestigbarem Material (Aufbaumaterial ) , in Schichtebenen durch vorzugsweise flächiges Aufbringen des Materials auf eine orts feste , d . h . unbewegliche , immobile Aufbaufläche unter Ausbildung einer Materialanhäufung, welche Schichtebenen schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, und wobei die Materialanhäufungseinrichtung einem vorgegebenen Aufbaupfad folgend in einer Aufbaurichtung von Ort zu Ort bewegt wird, und wobei an vorzugsweise j edem dieser Orte auf der Aufbaufläche eine schichtweise Anhäufung von Material und an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche des schichtweise angehäuften Materials in einer Anzahl von Schichten, d . h . in einer oder mehreren Schichten, der Materialanhäufung erfolgt .
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen findet mit Hil fe einer Aufbauvorrichtung statt , wobei die Aufbauvorrichtung eine vorzugsweise transportable Materialanhäufungseinrichtung umfaßt , die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material , insbesondere von nicht verfestigbarem Material ( z . B . Stüt zmaterial ) , in Schichtebenen durch vorzugsweise flächiges Aufbringen des Materials auf eine orts feste , d . h . unbewegliche , immobile Aufbaufläche unter Ausbildung einer Materialanhäufung, welche Schichtebenen schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, und wobei die Aufbauvorrichtung darüber hinaus eine Materialhinzufügungseinrichtung umfaßt , die ausgebi ldet ist zum selektiven, d . h . nicht schichtweisen, sondern punktuellen bzw . nicht flächigen, Auf- oder Einbringen von Material , insbesondere von verfestigbarem Material (Aufbaumaterial ) , auf bzw . in die Materialanhäufung, und wobei die Materialanhäufungseinrichtung einem vorgegebenen Aufbaupfad folgend in einer Aufbaurichtung von Ort zu Ort bewegt wird, und wobei an vorzugsweise edem dieser Orte auf der Aufbaufläche eine schichtweise Anhäufung von Material und an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Auf- oder Einbringen von Material auf bzw . in die Materialanhäufung erfolgt , und wobei an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche des schichtweise angehäuften Materials in einer Anzahl von Schichten, d . h . in einer oder mehreren Schichten, der Materialanhäufung und/oder ein Verfestigen des selektiv auf bzw . in die Materialanhäufung auf- oder eingebrachten Materials erfolgt .
Eine erste erfindungsgemäße Aufbauvorrichtung für die Herstellung von Bauteilen umfaßt eine vorzugsweise transportable Materialanhäufungseinrichtung, die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material , insbesondere von verfestigbarem Material (Aufbaumaterial ) in Schichtebenen durch vorzugsweise flächiges Aufbringen des Materials auf eine Aufbaufläche unter Ausbildung einer Materialanhäufung, welche Schichtebenen schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, und eine Materialverfestigungseinrichtung, die ausgebildet ist zum selektiven Verfestigen bestimmter Bereiche des angehäuften Materials in einer Anzahl von Schichten, d . h . in einer oder mehreren Schichten, der Materialanhäufung .
Eine zweite erfindungsgemäße Aufbauvorrichtung für die Herstellung von Bauteilen umfaßt eine vorzugsweise transportable Materialanhäufungseinrichtung, die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material , insbesondere von nicht verfestigbarem Material ( z . B . Stützmaterial ) in Schichtebenen durch vorzugsweise flächiges Aufbringen des Materials auf eine Aufbaufläche unter Ausbildung einer Materialanhäufung, welche Schichtebenen schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, und eine Materialhinzufügungseinrichtung zum selektiven, d . h . nicht schichtweisen, sondern punktuellen bzw . nicht flächigen, Auf- oder Einbringen von Material , insbesondere von verfestigbarem Material (Aufbaumaterial ) , auf bzw . in die Materialanhäufung, und eine Materialverfestigungseinrichtung, die ausgebildet ist zum Verfestigen des selektiv auf bzw . in die Materialanhäufung auf- oder eingebrachten Materials in einer Anzahl von Schichten, d . h . in einer oder mehreren Schichten, der Mat er i al anhäuf ung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt das schichtweise Anhäufen des Materials derart , daß Schicht für Schicht eine geometrisch definierte Oberfläche der Materialanhäufung gebildet wird, insbesondere mittels Aufschütten von körnigem Material , wodurch eine Schüttung gebildet ist , oder mittels Aufstreichen von streichfähigem Material , insbesondere von körnigem Material , das mit Flüssigkeit vermi scht ist , oder von gel förmigem Material . Anders ausgedrückt wird für das schichtweise Anhäufen ein formloses Baumaterial verwendet .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung werden als körnige Materialien (partikel förmiges Material ) schüttfähige Materialien verwendet . Beispiele hierfür sind : Sand, Ton, Glas , Blähton, Blähglas , Kieselsplitt , Splitt , Aktivkohle , Kunststof fpulver und Metallpulver sowie Mischung aus solchen Materialien, auch in verschiedenen Korngrößen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung werden al s streichfähige Materialien streichfähige Gele oder Pasten verwendet , oder die oben genannten schütt fähigen Materialien, wenn sie mit einer Flüssigkeit vermischt sind, beispielsweise mit Öl , Wasser, Thixotrophirmittel , Verflüssiger, Plastif i zierer oder Betonzusatzmittel .
Schichtweises Anhäufen bedeutet ein Anhäufen von Material in aufeinander folgenden, übereinander liegenden Schichten . Mit anderen Worten wird das Material übereinander in Schichten gelegt . Unter dem Anhäufen wird dabei die Bildung einer Anhäufung, d . h . eines Haufens , verstanden . Die Materialanhäufung dient als Partikelbett im Sinne der additiven Fertigung .
Durch das Bewegen der Materialanhäufungseinrichtung über die Aufbaufläche entlang des Aufbaupfades von Ort zu Ort sind im Prinzip Bauteile unbegrenzter Länge herstellbar .
Da die Aufbaufläche orts fest ist , werden auch die Materialanhäufung und damit das herzustellende Bauteil nicht bewegt . Insbesondere bleiben damit auch die selektiv zu verfestigenden Bauteilbereiche orts fest , d . h . diese verbleiben an einem Ort und werden nicht bewegt . Dies gilt während der Bewegung der Materialanhäufungseinrichtung und/oder bis zur Beendigung des Anhäufens von Material und/oder bis zum Abschluß der Herstellung des letzten Teilstücks des herzustellenden Bauteils und/oder bis zur vollständigen oder im wesentlichen vollständigen Verfestigung der zu verfestigenden Bereiche . Nach einer vollständigen Verfestigung können die Bauteile zur weiteren Verwendung an einen anderen Ort verbracht werden . Im Unterschied zu allen bisher bekannten additiven Fertigungsverfahren im Partikelbett handelt es sich um eine stationäre additive Bauteil fertigung .
Das Anhäufen von Material in Schichtebenen, die schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, bedeutet , daß die Schichtebenen nicht parallel zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet sind, sondern mit dieser einen spitzen Winkel zwischen 0 ° und 90 ° einschließen . Dieser Winkel ist zwischen der Ebene der aufgebrachten Schicht und der Ebene der Oberfläche der Aufbauebene eingeschlossen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung werden die
Schichtebenen in einen Schütt- oder Streichwinkel zwischen 30 und 60 ° zu der Ober fläche der Aufbaufläche auf gebracht . Bei einer geeigneten Schrägstellung der Schichtebenen wird ein Abrutschen des schichtweise aufgebrachten Materials und damit eine nachträgliche Änderung der definierten geometrischen Oberfläche der Materialanhäufung vermieden .
Bei orts fester Aufbaufläche und sich in Aufbaurichtung bewegender Materialanhäufungseinrichtung gewährleistet eine geeignete Schrägstellung der Schichtebenen, daß die Schichten der Materialanhäufung und deren definierte geometrische Oberfläche sowie gegebenenfalls das selektiv auf bzw . in die Materialanhäufung auf- oder eingebrachte Material stabil liegen bleibt und auf präzise Weise selektiv verfestigt werden kann .
Die Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung großer Bauteile . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das herzustellende Bauteil em Boxmaß zwischen 0 , 3 m und 500 m auf .
Da große Bauteilen naturgemäß auch verhältnismäßig schwer sind, können sich bei dem Verfestigungsprozeß erhebliche interne Spannungen aufbauen . Große Bauteile können auch sehr lange Verfestigungs zeiten haben . Es ist daher wirtschaftlich sinnvoll , diese Bauteile während des Aufbauprozesses nicht zu bewegen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung ein mechanisches Führungssystem, das einen Aufbaupfad vorgibt , entlang dem die Materialanhäufungseinrichtung bewegbar ist .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist die Materialanhäufungseinrichtung einen vorzugsweise rechteckigen Rahmen auf , der als Führung für eine innerhalb und/oder entlang des Rahmens bewegbare Anhäufungseinheit ausgebildet ist . Die Breite des Rahmens , genauer gesagt die Breite , auf der die Anhäufungseinheit Material auf der Aufbaufläche anhäufen kann, bestimmt die Breite des Aufbaufeldes .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Anhäufungseinheit eine Materialausgabeeinheit , wie eine Düse oder dergleichen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Materialanhäufungseinrichtung eine mit der Materialausgabeeinheit verbundene Zuführeinrichtung für die Förderung des Materials .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum Anhäufen des Materials in Schichten derart , daß die Schichtebenen entgegen der Aufbaurichtung geneigt sind .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum Anhäufen des Materials in Schichten mit definierten Schichtdicken, insbesondere in dünnen Schichten . Insbesondere ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum Anhäufen des Materials in Schichten mit in Schichten mit Schichtdicken zwischen 0 , 3 mm und 30 mm .
Im einfachsten Fall erfolgt das Aufbringen der Schichten derart , daß aufeinanderfolgende Schichten parallel zueinander aufgebracht werden . Dabei können sich die Schichtdicken aufeinanderfolgende Schichten voneinander unterscheiden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum Anhäufen des Materials in Schichten mit verschiedenen Schichtdicken . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird bei der Bildung der Materialanhäufung j eweils an einem Ort der Aufbaufläche j eweils mindestens eine Schicht des Materials aufgebracht . Dabei wird j eweils nur ein kleiner Bereich der gesamten Aufbaufläche mit einer Schicht versehen . Aufgrund der Bildung schräger Materialschichten auf der Aufbaufläche ist die Dicke der Materialanhäufung innerhalb eines Ortes der Aufbaufläche an j eder Stelle unterschiedlich .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum schichtweisen Anhäufen unterschiedlicher Materialien .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung mehrere Materialanhäufungseinrichtungen, wobei j ede dieser Materialanhäufungseinrichtungen ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen eines anderen Materials .
Bei den schichtweise aufgebrachten Materialien kann es sich um selektiv verfestigbare Aufbaumaterialien oder um nicht-verfestigbare Aufbaumaterialien handeln .
Das selektive Verfestigen kann mit verschiedenen Verfestigungsmechanismen oder Verfahren erfolgen . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet zum Auf- oder Einbringen von Verfestigungsmaterial und/oder Verfestigungsenergie auf bzw . in die Materialanhäufung zum selektiven Verfestigen des Materials . Wird Verfestigungsmaterial verwendet , kann es sich dabei z . B . um Leim oder dergleichen handeln . Wird zum schichtweisen oder schichtübergrei fenden Verfestigen Verfestigungsenergie verwendet , kann es sich dabei z . B . um energiereiche Strahlung, wie Laserstrahlung, handeln .
Dient die Materialverfestigungseinrichtung zum Auf- oder Einbringen von Material , weist die Materialverfestigungseinrichtung gemäß einer Aus führungs form der Erfindung dieselben konstruktiven und funktionalen Merkmale auf , wie die Materialanhäufungseinrichtung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet , das Aufbaumaterial zu verfestigen, indem dieses mit Hil fe geeigneter Maßnahmen aktiviert wird . Hierzu kann das bereits schichtweise angehäufte Material oder das selektiv auf- oder eingebrachte Material bereits ein aktivierbares Aufbaumaterial sein, beispielsweise weil es bereits ein aus verschieden Komponenten gemischtes Aufbaumaterial ist ; oder das vorhandene Aufbaumaterial wird durch Zugabe von Verfestigungsmaterial aktivierbar oder aktiviert . Zu diesem Zweck wird Verfestigungsmaterial selektiv in das Aufbaumaterial eingebracht , insbesondere weiteres Aufbaumaterial oder Binder zum Aushärten des Aufbaumaterials .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet zum selektiven Verfestigen von Material durch Aushärten .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet zum selektiven Verfestigen von Material durch chemische Aktivierung mit einem Binder, wie beispielsweise Magnesitzement , Portlandzement , Gips oder Wasserglas . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet zum selektiven Verfestigen von Material durch das Aufbringen von ein- oder mehrkomponentigen Klebstof fen, wie Cyanacrylat , Polyurethan oder Epoxid .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung ausgebildet zum selektiven Verfestigen von Material durch Auf schmel zen . Beispielsweise kann die lokale Verfestigung des Aufbaumaterials durch auf geschmol zene Materialien wie z . B . Thermoplaste erfolgen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialverfestigungseinrichtung mit der Materialanhäufungseinrichtung fest oder bewegbar verbunden, insbesondere mit deren Rahmen . Vorzugsweise bilden Material Verfestigungseinrichtung und Materialanhäufungseinrichtung auf diese Weise eine Bewegungseinheit , so daß sich die Materialverfestigungseinrichtung zusammen mit der Materialanhäufungseinrichtung handhaben bzw . transportieren läßt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die gesamte Aufbauvorrichtung, j edenfalls aber die Materialanhäufungseinrichtung, vorzugsweise zusammen mit denj enigen Einrichtungen, die mit der Materialanhäufungseinrichtung eine Bewegungseinheit bilden, transportierbar . Insbesondere ist der Rahmen transportierbar . Auf diese Weise ist es einfach möglich, die Vorrichtung, insgesamt oder in Teilen, nach der Fertigstellung eines Bauteils an einen anderen Ort zum unmittelbaren Aufbau eines weiteren Bauteils zu transportieren . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung besteht der vorgegebene Aufbaupfad aus Pfadabschnitten, wobei j eder dieser Pfadabschnitte einem der Orte zugeordnet ist , an dem ein schichtweises Anhäufen des Materials erfolgt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt das Bewegen der Materialanhäufungseinrichtung entlang des Aufbaupfades von Ort zu Ort in Intervallen . Das bedeutet , daß an j edem Ort Material angehäuft werden kann, insbesondere zum Erzeugen einer Schicht , und gegebenenfalls ein selektives Verfestigen erfolgen kann, bevor die Materialanhäufungseinrichtung entlang des Pfades an den nächsten Ort bewegt wird .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird durch eine in Aufbaurichtung bewegliche Materialanhäufungseinrichtung eine frische Materialschüttung bzw . Materialstreichung in Form einer Materialschicht bereitstellt , die anschließend selektiv verfestigt wird . Diese Schicht ist um einen geeigneten Schüttoder Streichwinkel geneigt , vorzugsweise zwischen 30 ° und 60 ° .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird die Materialanhäufungseinrichtung Schicht für Schicht um eine Schichtstärke in Aufbaurichtung bewegt . Mit anderen Worten wird die Materialanhäufungseinrichtung in Vorschubrichtung um eine Schichtstärke von Ort zu Ort verset zt , um das Bauteil Schicht für Schicht auf zubauen . Das durch den Schichtversatz entstandene freie Volumen wird beispielsweise durch einen Rakel mit Aufbaumaterial aufgefüllt und gegebenenfalls noch in der neuen Schicht verdichtet .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird nach j eder Bewegung der Materialanhäufungseinrichtung entlang des Aufbaupfades , d . h . an j edem Ort bzw . an allen Orten, an die die Aufbauvorrichtung während der Herstellung des wenigstens einen Bauteils bewegt wird, wenigstens eine Schicht , d . h . eine oder mehrere Schichten, des Materials angehäuft .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt das schichtweise Anhäufen von Material an allen Orten, in die die Materialanhäufungseinrichtung während der Herstellung des wenigstens einen Bauteils bewegt wird, während das Verfestigen des angehäuften Materials entweder an allen Orten oder lediglich an ausgewählten Orten erfolgt , d . h . von Zeit zu Zeit bzw . nicht nach j edem Aufbringen einer Schicht .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt das Verfestigen des angehäuften Materials schichtweise , insbesondere für j ede Schicht oder für ausgewählte Schichten . Mit anderen Worten erfolgt ein selektives Verfestigen in einer Anzahl von Schichten der Materialanhäufung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt ein selektives Verfestigen von Bereichen innerhalb einer Schicht und/oder aber es erfolgt ein selektives Verfestigen von Bereichen, die sich über mehrere Schichten erstrecken ( schichtübergrei fendes Verfestigen) , wobei ein oder mehrere auf bzw . in die Materialanhäufung auf- oder eingebrachte Bereiche mit einem oder mehreren anderen Bereichen der darunterliegenden Schichten verbunden werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird an j edem Ort wenigstens ein Teilstück eines Bauteils hergestellt , derart , daß sich nach einer Anzahl von Bewegungen der Materialanhäufungseinrichtung entlang des definierten Aufbaupfades von Ort zu Ort wenigstens ein herzustellendes Bauteil ergibt , das aus miteinander verbundenen Teilstücken besteht .
Anders als bei bekannten Schichtbauverfahren ist bei der vorliegenden Erfindung das Baufeld der Aufbauvorrichtung nicht von vornherein durch die Abmessungen einer Substrat- oder Aufbauplatte oder eines Behälters begrenzt . Ein abgegrenzter Prozeßraum im herkömmlichen Sinn ist für die Aus führung der Erfindung nicht erforderlich .
Trotz der potentiell unbegrenzten Länge des herzustellenden Bauteils ist dessen Breite zwar durch die Arbeitsbreite der Aufbauvorrichtung beschränkt . Eine entsprechend breite Aufbaufläche vorausgesetzt , ist es gemäß einer Aus führungs form der Erfindung j edoch möglich, mehrere Materialanhäufungseinrichtungen nebeneinander anzuordnen und gleichzeitig zu betreiben, um die Breite des herzustellenden Bauteils entsprechend zu vergrößern .
Steht nur eine Materialanhäufungseinrichtung zur Verfügung, kann gemäß einer Aus führungs form der Erfindung an ein erstes langes Bauteil mit einer begrenzten Bauteilbreite ein zweites langes Bauteil dieser Bauteilbreite angebaut werden, um die Bauteilbreite zu verdoppeln usw . Zu diesem Zweck kann die Materialanhäufungseinrichtung nach der Herstellung des ersten Bauteils aus ihrer ersten Betriebsposition in eine unmittelbar benachbarte zweite Betriebsposition bewegt werden usw . Für die Herstellung des zweiten Bauteils wird vorzugsweise ein entsprechend angepaßter zweiter Aufbaupfad bereitgestellt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Aufbaupfad derart definiert , daß das wenigstens eine herzustellende Bauteil mit einem bereits vorhandenen Bauteil verbunden wird, das zumindest teilweise , nämlich mit einem Verbindungsbereich zur Anbindung des herzustellenden Bauteils , auf der Aufbaufläche angeordnet ist . Durch die beschriebene Flexibilität hinsichtlich des Aufbaupfades läßt sich ein Anbau an ein vorhandenes Bauteil , die Reparatur eines vorhandenen Bauteils oder das Vervollständigen eines Bauteils , insbesondere zur Bauteilherstellung in mehreren Schritten, bewerkstelligen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Aufbaufläche die Oberfläche eines Grundstücks . Mit anderen Worten gibt es keine Substratplatte , Aufbauplatte oder dergleichen Vorrichtungskomponente . Vorzugsweise erfolgt das Anhäufen des Materials auf einer Beton- , Teer- oder Schotterf läche . Im einfachsten Fall wird das Baufeld von einem geeigneten, ausreichend festen, tragfähigen Boden, d . h . dem Erdboden, gebildet . Alternativ dazu wird die Aufbaufläche durch einen geeigneten Gegenstand bereitgestellt , wie beispielsweise eine Aufbauplatte . Auch in diesem Fall bleibt die Aufbaufläche j edoch während der Herstellung des Bauteils orts fest , wird also nicht bewegt .
Von Vorteil ist es auch, daß Materialien verarbeiten werden können, die eine sehr lange Zeit bis zu ihrer Verfestigung benötigen . Es wird lediglich eine ausreichend große Grundstücks fläche benötigt , beispielsweise unter freiem Himmel , auf der das hergestellte Bauteil zum Zweck seiner Verfestigung für den benötigten Zeitraum verbleiben kann . Dabei kann es sich beispielsweise um einen Zeitraum von 28 Tagen für Beton oder um einen noch längeren Zeitraum handeln, falls die Bauteilherstellung bei niedrigen Temperaturen stattfindet , wie beispielsweise bei 3 ° oder 5 ° Celsius . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung verläuft die Aufbaufläche hori zontal bezogen auf die Richtung der Schwerkraft . Die Aufbaufläche kann j edoch auch schräg dazu verlaufen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist die Aufbaufläche eine ebene Oberfläche auf . Die Aufbaufläche kann edoch auch eine nicht-ebene Oberfläche aufweisen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der vorgegebene Aufbaupfad in Abhängigkeit von dem Verlauf der Oberfläche der Aufbaufläche definiert . Mit anderen Worten wird der Aufbaupfad als Funktion der Oberflächengestalt der Aufbaufläche definiert .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird die Materialanhäufungseinrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichtaufbringvorgängen von einem Ort der Aufbaufläche zu einem anderen Ort der Aufbaufläche bewegt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Bewegung der Materialanhäufungseinrichtung von Ort zu Ort eine im wesentlichen hori zontal verlaufende Bewegung und/oder eine Bewegung, die im wesentlichen parallel zu der Oberf läche der Aufbaufläche verläuft . Der Aufbaupfad kann dabei geradlinig oder kurvig sein .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist es vorgesehen, die Materialanhäufung (Materialschüttung bzw . Materialstreichung) eine gewisse materialspezi fische Zeit und/oder über eine definierte Aufbaulänge durch Seitenwände in Aufbaurichtung zu stützen, bis eine ausreichende Grünteil festigkeit erreicht ist . Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn große , im wesentlichen lange Bauteile hergestellt werden . Eine ausreichende Grünteil festigkeit bedeutet in diesem Fall eine ausreichende Stabilität des Bauteils , um nicht durch das Wegfließen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial beschädigt zu werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist es vorgesehen, diese notwendige Stützung während der Stabilisierungs zeit durch seitlich angebrachte Materialschüttungen bzw . Materialstreichungen sicherzustellen . Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn große , im wesentlichen gekrümmte Bauteile hergestellt werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Schichtstärke über die Breite und/oder Länge des Aufbaufeldes konstant , wodurch die Steuerung der Materialanhäufungseinrichtung besonders einfach ausgeführt werden kann .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist bei gekrümmten Aufbaupfaden vorgesehen, die Schichtstärke über die Breite und/oder Länge des Aufbaufeldes zu verändern, insbesondere derart sich die Schichtstärke in Richtung Kurveninneres verringert und/oder sich in Richtung Kurvenäußeres erhöht .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung dient die Materialanhäufung, insbesondere die nicht verfestigten Anteile der Materialanhäufung, zumindest teilweise als Stüt ze für das wenigstens eine herzustellende Bauteil oder eines seiner Teilstücke , zumindest während desj enigen Zeitraums , in dem die Verfestigung des wenigstens einen herzustellenden Bauteils oder seines Teilstücks noch nicht soweit erfolgt ist , um eine Eigenstabilität des Bauteils oder seines Teilstücks zu gewährleisten . Anders ausgedrückt ist das Vorhandensein einer Stütze bis zur im wesentlichen vollständigen Verfestigung oder bis zum Abschluß der Verfestigung vorgesehen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Materialanhäufungseinrichtung ausgebildet zum Anhäufen von zusätzlichem Material zur seitlichen Stützung der schichtweise angehäuften Materialanhäufung entlang der Aufbaurichtung . Das Anhäufen dieses zusätzlichen Materials muß dabei nicht notwendigerweise schichtweise erfolgen . Bei dem zusätzlichen Material kann es s ich um ein nicht als Aufbaumaterial geeignetes Stützmaterial und/oder um Aufbaumaterial handeln .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird an den seitlichen Begrenzungen des Aufbaufeldes Aufbau- und/oder Stützmaterial angeschüttet und diese Materialschüttungen verbleiben dort bis zur Ausbildung einer ausreichenden Grünteil festigkeit der aktivierten Bereiche des Bauteils .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung dient eine Schalung zur seitlichen Stützung der schichtweisen angehäuften Materialanhäufung entlang der Aufbaurichtung, insbesondere eine orts feste Schalung oder eine mit der Materialanhäufungseinrichtung oder unabhängig davon bewegbare Gleitschalung . Die Schalung wird dabei vorzugsweise durch Stützwände gebildet . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung verbleibt diese Schalung dort bis zur Ausbildung einer ausreichenden Grünteil festigkeit der aktivierten Bereiche des Bauteils .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung wenigstens einen Materialvorratsbehälter und wenigstens eine den Materialvorratsbehälter mit der Materialanhäufungseinrichtung verbindende Zuführeinrichtung, ausgebildet zur Förderung des Materials . Dabei ist der wenigstens eine Materialvorratsbehälter mit der Materialanhäufungseinrichtung vorzugsweise derart verbunden ist , daß er sich in Richtung des Aufbaupfades mit der Materialanhäufungseinrichtung mitbewegt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind mehrere Einrichtungen der Aufbauvorrichtung, vorzugsweise alle Einrichtungen der Aufbauvorrichtung mit Ausnahme der möglicherweise vorgesehenen Schalungswände , derart miteinander verbunden, daß sie sich in Richtung des Aufbaupfades mit der Materialanhäufungseinrichtung mitbewegen oder derart, daß sie eine Bewegung der Materialanhäufungseinrichtung in Aufbaurichtung zulassen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung eine Steuereinheit zum koordinierten, d . h . aufeinander abgestimmten Betrieb der Einrichtungen der Aufbauvorrichtung . Das erfindungsgemäße Verfahren kann rechnergestützt mit Hil fe einer Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden, die auf geeignete Weise ausgebildet ist , die Funktionen der Einrichtungen der Aufbauvorrichtung zu steuern, insbesondere unter Bereitstellung von Steuerdaten, die den Aufbaupfad definieren .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das schichtweise angehäufte Material ein verfestigbares Material (Aufbaumaterial , bauteilbildendes Material ) , welches anschließend selektiv verfestigt wird . Bei dieser ersten Aufbauvariante erfolgt mit anderen Worten eine schichtweise Herstellung von Bauteilen aus Aufbaumaterial . Vorzugsweise kommt ein Verfahren nach Anspruch 1 und/oder eine Aufbauvorrichtung nach Anspruch 10 zur Anwendung . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird ein erstes Material , insbesondere ein Stützmaterial , schichtweise angehäuft und ein zweites Material wird unter Verdrängung des schichtweise angehäuften ersten Materials und/oder unter Aus füllung vorhandener Hohlräume in dem schichtweise angehäuften ersten Material und/ oder unter Vermischung mit dem schichtweise angehäuften ersten Material entweder schichtweise auf die Materialanhäufung aufgebracht oder selektiv in die Materialanhäufung eingebracht , wobei das erste und/oder das zweite Material ein verfestigbares Material ist und im Anschluß an das Anhäufen bzw . Auf- oder Einbringen verfestigt wird . Unter einem selektiven Einbringen des zweiten Materials wird dabei ein nicht schichtweises , sondern insbesondere lokales , punktuelles Einbringen von Material verstanden . Bei dem zweiten Material handelt es sich insbesondere um ein Aufbaumaterial oder um ein Umhüllungsmaterial , d . h . ein Material zur Herstellung eines zweiten Bauteils , welches das herzustellende erste Bauteil umhüllt . Bei dieser zweiten Aufbauvariante erfolgt mit anderen Worten eine Herstellung eines Bauteils mittels eines schichtweise aufgebrachten Stützmaterials . Vorzugsweise kommt ein Verfahren nach Anspruch 2 und/oder eine Aufbauvorrichtung nach Anspruch 11 zur Anwendung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung erfolgt das selektive Auf- oder Einbringen des zweiten Materials mittels Einspritzen, insbesondere mit Hil fe einer geeigneten Düse .
Das Aufbringen des ersten Materials erfolgt analog zur Aufbringung des Aufbaumaterials bei der ersten Aufbauvariante . Erfolgt ein Verdrängen des ersten Materials durch das selektiv eingebrachte zweite Material , kann das erste Material vollständig oder fast vollständig verdrängt werden . Die Verdrängung des ersten Materials muß hierbei nicht schichtweise erfolgen, sondern kann schichtübergrei fend, d . h . über eine Viel zahl von Schichten erfolgen . Anders ausgedrückt kann das zweite Material in schichtübergrei fende Bereiche eingebracht werden . Insbesondere können bei dieser Aufbauvariante in verschiedene Bereiche des ersten Materials verschieden zweite Materialien eingebracht werden . Bei den eingebrachten zweiten Materialien muß es sich nicht um feste oder streichfähige Materialien handeln . Als zweite Materialien können auch Flüssigkeiten in das Innere des herzustellenden Bauteils eingebracht werden . Mit Hil fe dieser zweiten Aus führungsvariante lassen sich Bauteile aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere Bauteile mit lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften, besonders einfach herstellen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung eine Materialentfernungseinrichtung, die ausgebildet ist zum selektiven Entfernen von schichtweise angehäuftem Material aus der Materialanhäufung an Stellen, an denen anschließend ein selektives Einbringen von Material in die Materialanhäufung erfolgt . Die Materialentfernungseinrichtung wirkt vorzugsweise mit der Materialhinzufügungseinrichtung zusammen, insbesondere ist es mit der Materialhinzufügungseinrichtung derart verbunden, daß beide Einrichtungen eine Bewegungseinheit bilden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung kann das selektiv eingebrachte zweite Material ein Verfestigungsmaterial sein, das ein Trennvolumen für das Aufbaumaterial bildet , so daß das Bauteil über eine Viel zahl von Schichten vom Rest des Aufbaumaterials abgetrennt wird . In diesem Fall kann das zweite Material auch von der Verfestigungseinrichtung eingebracht werden . Sofern das als Aufbaumaterial nicht bereits von vornherein ein aus verschiedenen Komponenten zusammengesetztes Material ist , das auch ein Verstärkungsmaterial umfaßt , werden gemäß einer Aus führungs form der Erfindung zusätzlich Verstärkungsmaterial in die Materialanhäufung eingebracht oder auf die Materialanhäufung aufgebracht werden . Anders ausgedrückt erfolgt eine Verstärkung des herzustellenden Bauteils , indem in ausgewählte Bereiche des noch nicht verfestigten Aufbaumaterials ein oder mehrere Verstärkungsmaterialien eingebracht werden . Bereits eine einzige , auf die Aufbaufläche aufgebrachte Schicht wird im Sinne des Patents als eine Anhäufung verstanden . Das Einoder Aufbringen des Verstärkungsmaterials kann dabei selektiv oder schichtweise erfolgen . Beispiele für geeigneten Verstärkungsmaterialien sind im wesentlichen faserige Stof fe wie Glas fasern, Carbonfasern, Naturfasern und Metall fasern .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung enthält das Aufbaumaterial Stof fe zur Erhöhung des Schüttwinkel s des Aufbaumaterials .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird zusätzlich wenigstens ein Funktionselement unter Verdrängung von Material und/oder unter Aus füllung vorhandener Hohlräume in dem Material selektiv in die Materialanhäufung eingebracht , insbesondere in das noch nicht verfestigte Aufbaumaterial und/oder in das noch nicht verfestigte Stützmaterial . Ein solches Vorgehen kann sowohl in Verbindung mit der ersten Aufbauvariante als auch in Verbindung mit der zweiten Aufbauvariante erfolgen .
Auf diese Weise lassen sich auf einfache Weise hybride Bauteile herstellen, d . h . Bauteile , die aus einem oder mehreren Materialien bestehen und zusätzlich eingebettete Funktionselemente aufweisen . Bei diesen Funktionselementen kann es sich um Bauteile oder Bauteilkomponenten handeln, wie Stangen, Rohre oder Kabel , oder um elektrische oder elektronische Bauteile , wie z . B . Sensoren . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung werden die Funktionselemente nicht willkürlich, sondern gezielt in speziellen Orientierungen oder in spezielle Bereiche in das noch nicht verfestigte Aufbaumaterial oder in nicht verfestigte Bereiche des Aufbaumaterials eingebracht .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung lassen sich Bewehrungen nahezu auf beliebige Weise in die herzustellenden Bauteile integrieren, indem als Funktionselemente Bewehrungsstrukturen verwendet werden . Diese Bewehrungsstrukturen, beispielsweise in Form metallischer Stäbe , können gemäß einer Aus führungs form der Erfindung innerhalb des noch nicht verfestigten Aufbaumaterials verschweißt werden, beispielsweise mit Hil fe eines der folgenden Schweißverfahren : Widerstandschweißen, Schweißen unter Sauerstof f abschluß ohne Inertgas oder Aktivgas , MIG-MAG-Schweißen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfaßt die Aufbauvorrichtung eine Funktionselementhinzufügungseinrichtung zum selektiven Auf- oder Einbringen wenigstens eines Funktionselements auf bzw . in die Materialanhäufung . Unter einem selektiven Auf- oder Einbringen wird dabei ein nicht schichtweises , sondern insbesondere ein punktuelles , lokales Auf- oder Einbringen des Funktionselements verstanden . Das Aufoder Einbringen des Funktionselements kann alternativ aber auch manuell erfolgen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind alle unmittelbar zum Auf- oder Einbringen von Material auf bzw . in die Materialanhäufung sowie alle unmittelbar zum Verfestigen des Materials dienenden Einrichtungen bzw . Einrichtungs komponenten derart mit der Materialanhäufungseinrichtung verbunden, daß sie zusammen mit der Materialanhäufungseinrichtung von Ort zu Ort mitbewegt werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Aufbauvorrichtung derart ausgeführt , daß die hergestellten Bauteile nach ihrer Verfestigung ohne weiteres aus der Materialanhäufung entnommen werden können .
Die nach der Erfindung hergestellten Bauteile können anschließend bei Bedarf einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden .
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Herstellung von großen Bauteilen aus Beton, insbesondere von Bauteilen mit Bauteilgrößen von mehreren Metern . Die Erfindung eignet sich vor allem für die Herstellung von Betonfertigteilen für den Hoch- und Tiefbau . Da solche Betonteile besonders einfach und preiswert herstellbar sind, eignen sich solche Betonteile insbesondere zur Verwendung als verlorene Schalung an einem weiteren Ort .
Ganz besonders vorteilhaft ist es , daß die Herstellung der Bauteile auf der Baustelle erfolgen kann . Somit ist ein Transport von Bauteilen von einem Fertigteilwerk auf die Baustelle nicht erforderlich, wodurch Transportkosten gesenkt werden können, die bei großen Bauteilen erheblich sein können .
Mit der Erfindung wird eine universelle Schichtaufbautechnik bereitgestellt , die sich auch für die Herstellung von großen Bauteilen eignet . Dabei ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Betonfertigteile bzw . den Baubereich beschränkt . Die Erfindung läßt sich mit ihren Vorteilen auch für die klassische additive Fertigung auch kleiner Bauteile , auch unter Verwendung von Kunststof fen oder Metallen, nutzen .
Neben den hier beschriebenen Aus führungs formen der Erfindung sind weitere Aus führungs formen möglich, insbesondere Aus führungs formen, bei denen ein schichtweises Anhäufen von Material , insbesondere durch Schütten oder Streichen, und ein selektives Auf- oder Einbringen von Material und/oder Funktionselementen auf bzw . in die Materialanhäufung auf andere Weise miteinander kombiniert wird, insbesondere unter Verwendung anderer Materialien oder Materialkombinationen und/oder unter Verwendung anderer Verfestigungserfordernisse und/oder Verfestigungsverfahren . Auf diese Weise können sehr unterschiedliche Bauteile hergestellt werden . Dies macht die erfindungsgemäße Schichtbautechnik universell anwendbar . Dabei werden vorzugsweise mindestens die folgenden Merkmale der Erfindung immer beibehalten : Es erfolgt ein schichtweises Anhäufen sowie ein selektives Verfestigen von Material . Die Aufbaufläche ist orts fest . Zumindest eine Materialanhäufungseinrichtung wird, einem vorgegebenen Aufbaupfad folgend, von Ort zu Ort bewegt . Die Schichtebenen sind schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche ausgerichtet .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 Teile einer Aufbauvorrichtung und eines herzustellenden Bauteils in einer Seitenansicht ,
Fig . 2 Teile einer Aufbauvorrichtung und eines herzustellenden Bauteils in einer perspektivischen Ansicht von vorn, Fig. 3 Teile einer Aufbauvorrichtung und eines herzustellenden Bauteils in einer perspektivischen Ansicht von der Seite,
Fig. 4 Teile einer Aufbauvorrichtung von vorn,
Fig. 5 Teile einer Aufbauvorrichtung und eines herzustellenden Bauteils von der Seite,
Fig. 6 Teile einer Aufbauvorrichtung und eines herzustellenden Bauteils von vorn,
Fig. 7 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt,
Fig. 8 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt,
Fig. 9 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt,
Fig. 10 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt,
Fig. 11 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt,
Fig. 12 einen Teil eines herzustellenden Bauteils im Schnitt.
Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Alle Ausführungsbeispiele beschreiben die Herstellung von Betonfertigteilen. Ein erstes Aus führungsbeispiel beschreibt das schichtweise Anhäufen von verfestigbarem Material (Aufbaumaterial , bauteilbildendes Material ) , das anschließend selektiv verfestigt wird . Hierzu dient eine Aufbauvorrichtung 1 . Ein in Aufbaurichtung 2 bewegbarer, rechteckiger Rahmen 4 ist Teil einer transportablen Materialanhäufungseinrichtung 3 der Aufbauvorrichtung 1 . Der Rahmen 4 dient als Führung für eine entlang des Rahmens 4 bewegbare Anhäufungseinheit 5 , mit deren Hil fe verfestigbares Aufbaumaterial 11 in flächigen Schichten 21 auf eine Aufbaufläche 20 aufgebracht wird, wodurch eine Materialanhäufung 22 mit einer definierten Oberfläche 26 gebildet wird, siehe Fig . 1 . In den Figuren sind immer nur die zuletzt aufgebrachten Schichten 21 der Materialanhäufungen 22 dargestellt .
Die Bewegung der Anhäufungseinheit 5 entlang der Längsholme des Rahmens 4 ist in Fig . 1 mit einem Doppelpfeil angedeutet , zusätzlich läßt sich die Anhäufungseinheit 5 auch entlang der Querholme des Rahmens 4 bewegen . Eine Düse 10 der Anhäufungseinheit 5 dient zur Materialausgabe . Die Schichtebenen 23 sind unter einem Winkel 25 schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche 20 ausgerichtet und dabei entgegen der Aufbaurichtung 2 geneigt . Als Aufbaufläche 20 dient der Erdboden, der keine im wesentlichem ebene Fläche sein muß , siehe Fig . 3 .
Der Rahmen 4 wird Schicht um Schicht einem definierten Aufbaupfad 19 folgend in Aufbaurichtung 2 von Ort zu Ort über die Aufbaufläche 20 bewegt , siehe Fig . 2 . Ein Materialvorratsbehälter 6 ist mit der Materialanhäufungseinrichtung 3 derart verbunden, daß er sich in Richtung des Aufbaupfades 19 mitbewegt . Eine Zuführeinrichtung für die Förderung des Aufbaumaterials 11 , die den Vorratsbehälter 6 mit der Anhäufungseinheit 5 verbindet , ist in dem gezeigten Beispiel nicht erforderlich, da der Vorratsbehälter 6 unmittelbar mit der Anhäufungseinheit 5 verbunden ist . In dem hier beschriebenen Beispiel wird Schotter als Aufbaumaterial 11 verwendet .
Anschließend erfolgt an allen oder ausgewählten Orten ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche 24 des Aufbaumaterials 11 , so daß sich nach und nach die miteinander verbundenen Teilstücke 12 des herzustellenden Bauteils 13 ergeben . Eine Verfestigungseinrichtung 7 zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials 11 ist mit dem Rahmen 4 verbunden und wird mit diesem mitbewegt , siehe Fig . 4 . In dem hier beschriebenen Beispiel wird zum Verfestigen Zement als Verfestigungsmaterial (nicht dargestellt ) verwendet und mit Hil fe der Verfestigungseinrichtung 7 in das Aufbaumaterial 11 eingebracht . Das Verfestigungsmaterial wird über eine entlang des Rahmens 4 bewegbare Düse 8 in die Materialanhäufung 22 eingebracht . Die Bewegungen der Düse 8 entlang des Rahmens 4 ist in Fig . 4 mit den beiden Doppelpfeilen angedeutet . Erfolgt das Verfestigen alternativ z . B . mittels Energieeintrag, kann anstelle der Düse 8 eine Strahlungsquelle (nicht dargestellt ) beweglich an dem Rahmen 4 befestigt sein .
Die derart aktivierten Bereiche 24 des Aufbaumaterials 11 bleiben bis zur vollständigen Aushärtung des Bauteils 13 orts fest .
Der Aufbaupfad 19 ist durch ein geeignetes mechanisches Führungssystem (nicht dargestellt ) vorgegeben .
Die Materialanhäufung 22 wird, von dem Zeitpunkt an, zu dem das Aufbaumaterial 11 die Anhäufungseinheit 5 verläßt , bis zu dem
Zeitpunkt , an dem eine ausreichende Grünteil festigkeit der aktivierten Bereiche 24 des Bauteils 13 vorliegt , durch Wände 9 seitlich in Aufbaurichtung 2 gestützt , siehe Fig . 5 . Alternativ wird die Materialanhäufung 22 , von dem Zeitpunkt an, zu dem das Aufbaumaterial 11 die Anhäufungseinheit 5 verläßt , bis zu dem Zeitpunkt , an dem eine ausreichende Grünteil festigkeit der aktivierten Bereiche 24 des Bauteils 13 vorliegt , durch Materialschüttungen 10 seitlich in Aufbaurichtung 2 gestützt , siehe Fig . 6 , wobei diese Materialschüttungen 10 an den seitlichen Begrenzungen des bewegl ichen Rahmens 4 angeschüttet werden . Für die Materialschüttungen 10 wird das Aufbaumaterial oder ein von dem Aufbaumaterial verschiedenes Stützmaterial verwendet .
Die Bewegung der Materialanhäufungseinrichtung 3 von Ort zu Ort entlang eines vorgegebenen Aufbaupfades 19 sowie die im Zusammenhang mit dem ersten Aus führungsbeispiel beschriebenen Einrichtungen der Aufbauvorrichtung 1 kommen in identischer oder geeignet abgewandelter Weise auch bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Aus führungsbeispielen zur Anwendung .
Ein zweites Aus führungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Bauteils 13 mittels eines schichtweise aufgebrachten Stützmaterials 15 . Hierzu wird mit einer entsprechend ausgeführten Aufbauvorrichtung 1 , wie im Zusammenhang mit dem ersten Aus führungsbeispiel beschrieben, ein erstes Material , hier ein Stützmaterial 15 , schichtweise angehäuft und ein zweites Material , hier ein Aufbaumaterial 11 , wird mit Hil fe einer Materialhinzufügungseinrichtung 16 von Zeit zu Zeit selektiv und schichtübergrei fend in die Materialanhäufung 22 eingebracht , z . B . mittels Einspritzen mit Hil fe einer Düse , siehe Fig . 7 . Das Einbringen erfolgt in dem hier illustrierten Beispiel unter Verdrängung des schichtweise angehäuften ersten Materials 15 . So handelt es sich beispielsweise bei dem ersten Material 15 um ein Gestein geeigneter Körnung als Stützmaterial und bei dem zweiten
Material 11 um einen Beton, der durch Aushärten verfestigbar ist .
Ein drittes Aus führungsbeispiel beschreibt ebenfalls die Herstellung eines Bauteils 13 mittels eines schichtweise aufgebrachten Stützmaterials 15 . Abweichend von dem zweiten Aus führungsbeispiel wird j edoch das zweite Material , ein Aufbaumaterial 11 , ebenfalls schichtweise aufgebracht , siehe Fig . 8 , zu welchem Zweck die vorhandene Materialanhäufungseinrichtung 3 entsprechend ausgerüstet ist oder aber zwei Materialanhäufungseinrichtungen zur Anwendung kommen . Das Aufbringen des zweiten Materials 11 erfolgt auch hier unter Verdrängung des schichtweise angehäuften ersten Materials 15 .
Ein viertes Aus führungsbeispiel beschreibt ebenfalls die Herstellung eines Bauteils 13 mittels eines schichtweise aufgebrachten Stützmaterials . Als zweites Material wird schichtweise ein Aufbaumaterial 11 aufgebracht . Dieses dient der Bildung eines Betonbauteils 13 . Während der Bewegung entlang des Aufbaupfades 19 wird von Zeit zu Zeit zusätzlich ein weiteres zweites Material selektiv in die Materialanhäufung 22 eingebracht , nämlich ein zur Dämmung geeignetes Schaummaterial 17 , das in unmittelbar zu dem Aufbaumaterial 11 benachbarte Bereiche eingebracht wird derart , daß es die zu verfestigenden Bereiche 24 des Betonbauteils 13 umhüllt , siehe Fig . 9 . Es ergibt sich damit ein Betonfertigteil 13 mit einer Dämmhül le .
Nicht dargestellt ist eine Variante des vierten Aus führungsbeispiels , bei der an definierten Orten eine zusätzliche Schicht auf die Materialanhäufung 22 aufgebracht wird, die als Feuchtigkeitsversiegelung für das gedämmte Betonfertigteil 13 dient . Ein fünftes Aus führungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Bauteils 13 auf der Grundlage eines der vorherigen Aus führungsbeispiele , wobei wenigstens ein Funktionselement 18 in die Materialanhäufung 22 eingebracht wird . Im gezeigten Beispiel werden als Funktionselemente 18 Bewehrungselemente in Form von Metallstäben unter Verdrängung von noch nicht verfestigtem Aufbaumaterial 11 selektiv an definierten Stellen in definierten Raumrichtungen in die Materialanhäufung 22 eingebracht , siehe Fig . 10 .
Nicht dargestellt ist eine Variante des fünften Aus führungsbeispiels , bei der von Zeit zu Zeit zusätzlich ein weiteres zweites Material selektiv in die Materialanhäufung 22 eingebracht , nämlich ein Rostschut zmaterial , das in unmittelbar zu dem Bewehrungselement 18 benachbarte Bereiche eingebracht wird derart , daß es das Bewehrungselement 18 umhüllt . Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ein gedämmtes Betonfertigteil 18 mit einer umhüllten Bewehrung herstellen .
Fig . 11 zeigt eine Variante des fünften Aus führungsbeispiels , bei der ein mehrteiliges Bauteil 13 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt wird, wobei ein Aufbaumaterial 11 , das in Bereichen 24 selektiv aktiviert wird, das gleichzeitig auch ein Umhüllungsmaterial für ein Funktionselement 18 ist , schichtweise aufgebracht wird, so daß das Bauteil 13 zumindest in Teilbereichen schichtweise aus dem Aufbaumaterial 11 erzeugt wird, während andere Teilbereiche innerhalb des Materialanhäufung 22 aus anderen Aufbaumaterialien 17 bestehen, die selektiv, nicht in Schichten eingebracht sind .
Fig . 12 zeigt ein sechstes Aus führungsbeispiel , bei dem ein
Bauteil 13 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt wird . Dabei wird, wie in dem ersten Aus führungsbeispiel , das Aufbaumaterial 11 , das gleichzeitig auch als Stützmaterial dient , schichtweise aufgebracht und das Bauteil 13 wird zumindest in Teilbereichen schichtweise durch Verfestigung von Aufbaumaterial 11 erzeugt . Der Aufbau anderer Teilbereiche innerhalb des als Stützmaterial dienendes Aufbaumaterials 11 erfolgt hingegen, wie bei dem zweiten Aus führungsbeispiel , mit Hil fe eines anderen Aufbaumaterials 17 , das nicht schichtweise aufgebracht , sondern unter Verdrängung des Aufbaumaterials 11 selektiv eingebracht wird .
Weitere Aus führungsbeispiele können durch beliebige Kombination der beschriebenen und illustrierten Beispiel und Varianten gebildet werden .
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein . Diese Merkmale bzw . Merkmalskombinationen können j eweils eine selbständige Erfindung begründen, deren Inanspruchnahme ausdrücklich vorbehalten ist .
Bei der Angabe einer eine Erfindung definierenden Merkmalskombination müssen einzelne Merkmale aus der Beschreibung eines Aus führungsbeispiels nicht zwingend mit einem oder mehreren oder allen anderen in der Beschreibung dieses Aus führungsbeispiels angegebenen Merkmalen kombiniert werden; diesbezüglich ist ede Unterkombination von Merkmalen eines oder mehrerer Aus führungsbeispiele ausdrücklich mitof fenbart .
Außerdem können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung umformuliert als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale können umformuliert als gegenständliche Merkmale der Vorrichtung Verwendung finden . Auf diese Weise umformulierte Merkmale sind impli zit mitof fenbart .
Bezugs zeichenliste
1 Aufbauvorrichtung
2 Aufbaurichtung
3 Materialanhäufungseinrichtung
4 Rahmen
5 Anhäufungseinheit
6 Vorratsbehälter
7 Verfestigungseinrichtung
8 Düse für Verfestigungsmaterial
9 Stützwand
10 Düse für Aufbaumaterial
11 Aufbaumaterial
12 Teilstück
13 herzustellendes Bauteil
14 Verfestigungsmaterial
15 Stützmaterial
16 Materialhinzufügungseinrichtung
17 weiteres Aufbaumaterial
18 Funktionselement
19 Aufbaupfad
20 Aufbaufläche
21 Schicht
22 Materialanhäufung
23 Schichtebene
24 Verfestigungsbereich
25 Winkel
26 Oberfläche einer Schicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (13) mit Hilfe einer Aufbauvorrichtung (1) , welche Aufbauvorrichtung (1) eine Materialanhäufungseinrichtung (3) umfaßt, die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material (11, 15, ...) in Schichtebenen (23) durch Aufbringen des Materials (11, 15, ...) auf eine ortsfeste Aufbaufläche (20) unter Ausbildung einer Materialanhäufung (22) , welche Schichtebenen
(23) schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche (20) ausgerichtet sind, wobei die Materialanhäufungseinrichtung (3) einem vorgegebenen Aufbaupfad (19) folgend von Ort zu Ort bewegt wird, wobei an vorzugsweise jedem dieser Orte auf der Aufbaufläche (20) eine schichtweise Anhäufung von Material (11, 15, ...) und an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche (24) des schichtweise angehäuften Materials (11, 15, ...) in einer Anzahl von Schichten (21) der
Materialanhäufung (22) erfolgt.
2. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (13) mit Hilfe einer Aufbauvorrichtung (1) , welche Aufbauvorrichtung (2) eine Materialanhäufungseinrichtung (3) umfaßt, die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material (11, 15, ...) in Schichtebenen (23) durch Aufbringen des Materials (11, 15, ...) auf eine ortsfeste Aufbaufläche (23) unter Ausbildung einer Materialanhäufung (22) , welche Schichtebenen
(23) schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche (23) ausgerichtet sind, welche Aufbauvorrichtung (1) darüber hinaus eine Materialhinzufügungseinrichtung (16) umfaßt, die ausgebildet ist zum selektiven Auf- oder Einbringen von Material (11, 15, ...) auf bzw. in die Materialanhäufung (22) , wobei die Materialanhäufungseinrichtung (3) einem vorgegebenen Aufbaupfad (19) folgend von Ort zu Ort bewegt wird, wobei an vorzugsweise jedem dieser Orte auf der Aufbaufläche (22) eine schichtweise Anhäufung von Material (11, 15, ...) und an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Auf- oder Einbringen von Material (11, 15, ...) auf bzw. in die Materialanhäufung (22) erfolgt, und wobei an zumindest einer Anzahl dieser Orte ein selektives Verfestigen bestimmter Bereiche (24) des schichtweise angehäuften Materials (11, 15, ...) in einer Anzahl von Schichten (21) der Materialanhäufung (22) und/ oder ein Verfestigen des selektiv auf bzw. in die Materialanhäufung (22) auf- oder eingebrachten Materials (11, 15, ...) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schichtweise Anhäufen des Materials (11, 15, ...) derart erfolgt, daß Schicht für Schicht eine definierte Oberfläche (26) der Materialanhäufung (22) gebildet wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaufläche (20) die Oberfläche eines Grundstücks ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialanhäufung (22) zumindest teilweise als Stütze für das wenigstens eine herzustellende Bauteil (13) oder eines seiner Teilstücke (12) dient, zumindest während derjenigen Zeitspanne, in der die Verfestigung des wenigstens einen herzustellenden Bauteils (13) oder seines Teilstücks (12) noch nicht soweit erfolgt ist, um eine Eigenstabilität des Bauteils (13) oder seines Teilstücks (12) zu gewährleisten .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schichtweise angehäufte Material (11, 15, ...) ein verfestigbares Material ist, welches anschließend selektiv verfestigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Material (15, ...) schichtweise angehäuft wird und ein zweites Material (11, ...) unter Verdrängung des schichtweise angehäuften ersten Materials (15, ...) und/oder unter Ausfüllung vorhandener Hohlräume in dem schichtweise angehäuften ersten Material (15, ...) und/oder unter Vermischung mit dem schichtweise angehäuften ersten Material
(15, ...) entweder schichtweise auf die Materialanhäufung (22) aufgebracht oder selektiv in die Materialanhäufung (22) eingebracht wird, wobei das erste und/oder das zweite Material (15, 11, ...) ein verfestigbares Material ist und im Anschluß an das Anhäufen bzw. Auf- oder Einbringen verfestigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Verstärkungsmaterial in die Materialanhäufung (22) eingebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens ein Funktionselement (18) unter Verdrängung von Material (11, 15, ...) und/oder unter
Ausfüllung vorhandener Hohlräume in dem Material (11, 15, ...) selektiv in die Materialanhäufung (22) eingebracht wird.
10. Aufbauvorrichtung (1) für die Herstellung von Bauteilen, umfassend eine Materialanhäufungseinrichtung (3) , die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material (11, 15, ...) in Schichtebenen (23) durch Aufbringen des Materials (11, 15, ...) auf eine
Aufbaufläche (20) unter Ausbildung einer Materialanhäufung (22) , welche Schichtebenen (23) schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche (20) ausgerichtet sind, und eine Materialverf estigungseinrichtung (7) , die ausgebildet ist zum selektiven Verfestigen bestimmter Bereiche (24) des angehäuften Materials (11, 15, ...) in einer Anzahl von Schichten (21) der Materialanhäufung (22) .
11. Aufbauvorrichtung (1) für die Herstellung von Bauteilen (13) , umfassend eine Materialanhäufungseinrichtung ( 3 ) , die ausgebildet ist zum schichtweisen Anhäufen von Material (11, 15, ...) in Schichtebenen (23) durch Aufbringen des Materials (11, 15, ...) auf eine Aufbaufläche (20) unter Ausbildung einer Materialanhäufung (22) , welche Schichtebenen (23) schräg zu der Oberfläche der Aufbaufläche (20) ausgerichtet sind, eine Materialhinzufügungseinrichtung (16) zum selektiven Aufoder Einbringen von Material (11, 15, ...) auf bzw. in die Materialanhäufung (22) , und eine Materialverf estigungseinrichtung (7) , die ausgebildet ist zum selektiven Verfestigen bestimmter Bereiche (24) des schichtweise angehäuften Materials (11, 15, ...) und/oder zum Verfestigen des selektiv auf bzw. in die Materialanhäufung (22) auf- oder eingebrachten Materials (11, 15, ...) in einer Anzahl von Schichten (21) der Materialanhäufung (22) .
12. Aufbauvorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, umfassend ein mechanisches Führungssystem, das einen Aufbaupfad (19) vorgibt, entlang dem die Materialanhäufungseinrichtung (3) bewegbar ist.
13. Aufbauvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialanhäufungseinrichtung (3) einen Rahmen (4) aufweist, der als Führung für eine innerhalb und/oder entlang des Rahmens (4) bewegbare Anhäufungseinheit (5) ausgebildet ist.
14. Aufbauvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialverfestigungseinrichtung (7) ausgebildet ist zum Aufoder Einbringen von Verfestigungsmaterial (14) und/oder Verfestigungsenergie auf bzw. in die Materialanhäufung (22) zur selektiven Verfestigen des Materials (11, 15, ...) .
15. Aufbauvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, umfassend eine Funktionselementhinzufügungseinrichtung zum selektiven Auf- oder Einbringen wenigstens eines
Funktionselements (18) auf bzw. in die Materialanhäufung (22) .
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