ES2940769T3 - Sistema y método para impresión de construcción en 3D - Google Patents

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S Scott Crump
J Samuel Batchelder
Jacobson Susan M Hayes
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Abstract

Un sistema de fabricación aditiva a gran escala (10) para imprimir una estructura (17) incluye un sistema de extrusión (11, 12, 14, 16) y un sistema de tricotado (20). El sistema de extrusión incluye una boquilla (11) configurada para recibir un suministro (14) de material estructural y dispensar selectivamente el material estructural en forma fluida, y un primer pórtico (12) configurado para mover la boquilla (11) a lo largo de trayectorias definidas según a una estructura (17) para ser impresa de tal manera que el material estructural (14) se pueda dispensar a lo largo de las trayectorias de herramientas para imprimir una serie de capas estructurales (231), donde la serie de capas estructurales (231) se unen para formar todas o una parte de la estructura (17). El sistema de tejido (20) incluye un alimentador de cable (222) configurado para alimentar un suministro de material de cable a una ubicación próxima a un curso actual de bucles (31, 230) que se extiende por encima de una superficie superior (244) de una capa estructural actual o que se extiende por encima de una superficie base en regiones donde no se ha impreso ninguna capa estructural, y un dispositivo de enganche (228) configurado para enganchar el material de remolque y llevarlo a través de la corriente curso de bucles (356) para formar un curso posterior de bucles (380) entretejido con el curso actual de bucles (356). Un controlador (38) está configurado para operar el sistema de tejido (11, 12, 14, 16) para formar cursos posteriores adicionales de bucles (380), cada uno entretejido con un curso actual de bucles (356) después de cada una de las series de capas estructurales. (231), donde los cursos de bucles entretejidos crean (356, 380) una red de refuerzo de bucles tejidos incrustados en la estructura (17), y donde la serie de capas estructurales (231) están unidas entre sí. y un dispositivo de enganche (228) configurado para enganchar el material de remolque y llevarlo a través del curso actual de bucles (356) para formar un curso posterior de bucles (380) entretejidos con el curso actual de bucles (356). Un controlador (38) está configurado para operar el sistema de tejido (11, 12, 14, 16) para formar cursos posteriores adicionales de bucles (380), cada uno entretejido con un curso actual de bucles (356) después de cada una de las series de capas estructurales. (231), donde los cursos de bucles entretejidos crean (356, 380) una red de refuerzo de bucles tejidos incrustados en la estructura (17), y donde la serie de capas estructurales (231) están unidas entre sí. y un dispositivo de enganche (228) configurado para enganchar el material de remolque y llevarlo a través del curso actual de bucles (356) para formar un curso posterior de bucles (380) entretejidos con el curso actual de bucles (356). Un controlador (38) está configurado para operar el sistema de tejido (11, 12, 14, 16) para formar cursos posteriores adicionales de bucles (380), cada uno entretejido con un curso actual de bucles (356) después de cada una de las series de capas estructurales. (231), donde los cursos de bucles entretejidos crean (356, 380) una red de refuerzo de bucles tejidos incrustados en la estructura (17), y donde la serie de capas estructurales (231) están unidas entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método para impresión de construcción en 3D
Antecedentes
La presente descripción se refiere a la construcción de estructuras en forma de capas utilizando un sistema de fabricación aditiva según el preámbulo de la reivindicación 1, como se conoce a partir del documento US 2017/129153 A1. Más en particular, la presente descripción se refiere a la impresión de estructuras reforzadas a gran escala usando un sistema de fabricación aditivo basado en extrusión. La invención también se refiere a un método respectivo.
Las técnicas de construcción modernas usan una variedad de materiales para crear estructuras de construcción a gran escala. El hormigón forma la base de la mayoría de las estructuras a gran escala modernas y se usa en una variedad de entornos para desempeñar diversos papeles de soporte, refuerzo y estructurales. Las principales ventajas del hormigón son su resistencia y rigidez cuando se comprime, y su capacidad para ser vertido o extrudido como fluido que se puede aplicar fácilmente y formar en formas o figuras estructurales. Otros materiales que tienen estas propiedades y que se usan en las técnicas de construcción modernas incluyen, pero no se limitan a, cemento, resinas, polímeros y cerámicas.
Se puede hacer referencia a la impresión de estructuras a gran escala en forma de capas usando técnicas de fabricación aditiva como impresión de construcción en 3D (3DCP). Las técnicas para la impresión de construcción en 3D típicamente extruden material de construcción fluido en forma de capas desde una extrusora o una boquilla de bombeo transportada en un pórtico o brazo robótico y movida en trayectorias de herramientas en 2D (es decir, planas) o 3D. El material de construcción que sale de la boquilla típicamente toma una forma que es complementaria a la forma de la salida de la boquilla. Se puede hacer referencia a los elementos extrudidos del material de construcción como caminos extrudidos, extrudidos apilados o losas. Los elementos extrudidos se unen en sus superficies de interfaz. En una construcción típica por capas de estructuras de hormigón, un sistema de bombeo de hormigón utiliza una boquilla de un tamaño que permite la impresión de paredes estructurales mediante el apilado vertical de una única columna de losas de hormigón. En estas estructuras de hormigón impresas, la mayoría de las interfaces ocurren en un plano horizontal (x-y).
La resistencia de una estructura impresa en 3D típicamente es direccionalmente dependiente o anisotrópica. La anisotropía puede ocurrir tanto en el material a granel como entre elementos impresos o capas como consecuencia de las interfaces. Típicamente, la resistencia de las interfaces regirá el desempeño estructural general, porque la resistencia de la unión en la interfaz de dos elementos o losas de hormigón será menor que la resistencia del material a granel. Como tal, una estructura impresa en 3D típica tiene menos resistencia en la dirección z (sustancialmente perpendicular a las interfaces de capas planas) con relación a la resistencia en las direcciones x e y.
En los métodos de fabricación tradicionales, la debilidad inherente del hormigón se supera usando barras de refuerzo como refuerzo. La barra de refuerzo típicamente tiene un enrejado o una disposición paralela a intervalos separados regulares para proporcionar propiedades de resistencia uniformes a la estructura. La barra de refuerzo se coloca en un molde de hormigón antes del llenado del molde para formar una losa de cimentación, de modo que el hormigón pueda llenarse alrededor de la barra de refuerzo sin perturbaciones después de la inserción. Al crear estructuras impresas en 3D usando extrusión por capas, esta manera de usar barras de refuerzo es problemática porque una extrusora debe evitar la colisión con la barra de refuerzo preestablecida. La adición de fibras a una mezcla de hormigón también se puede usar para crear una red interna más fuerte en todo el material a granel, pero no añade una resistencia significativa entre capas. Existe la necesidad de técnicas que se puedan usar para aumentar la resistencia z de las estructuras impresas en 3D a gran escala, tales como las impresas a partir de hormigón.
Compendio
La reivindicación 1 define el aparato según la invención y la reivindicación 12 define el método según la invención.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es una vista frontal de un sistema de fabricación aditiva configurado para imprimir piezas con uno o más paneles tejidos internos.
La FIG. 2 es una vista esquemática de un sistema de extrusión y una realización del sistema de tejer de un sistema de fabricación aditiva.
La FIG. 3 es una vista de la parte que se imprime junto con el tejido de un panel tejido interno.
La FIG. 4A es una vista esquemática de una pieza y una parte externa de un panel en una primera posición.
La FIG. 4B es una vista esquemática de una pieza y una parte externa de un panel en una posición vertical.
La FIG. 4C es una vista esquemática de una hilada superior de bucles tejidos en un panel por encima de una superficie superior de una pieza que se imprime
La FIG. 5 es una vista esquemática de otro sistema de tejer de la presente descripción.
La FIG. 6 es una vista esquemática de una parte de formación de bucles del sistema de tejer ilustrado en la FIG. 5. La FIG. 7 es otra vista esquemática de la parte de formación de bucles del sistema de tejer ilustrado en la FIG. 5. La FIG. 8 es una vista esquemática de una estructura parcialmente impresa.
La FIG. 9 es una vista esquemática de una estructura impresa.
Descripción detallada
La presente descripción se dirige a un dispositivo y a un método para la impresión en 3D por capas de una estructura a gran escala, simultáneamente con la creación de una red de refuerzo incrustada que abarca una pluralidad de capas que forman la estructura usando un filamento de refuerzo. La red de refuerzo se crea usando un dispositivo de formación de bucles o de tejer para tejer capas o hiladas entre sí de material de bucle, de manera que al menos una parte de la hilada superior de bucles se extienda por encima de las capas de material estructural a medida que se extrude la capa de la estructura. De esta manera, la red de refuerzo interconecta las capas de material estructural en una forma de capa intermedia, aumentando la resistencia de la estructura impresa en una dirección (dirección z) sustancialmente normal a las capas impresas.
Aunque la impresión de estructuras de hormigón a gran escala se trata en la presente descripción, la presente descripción no se limita a la impresión de hormigón. Más bien, se puede utilizar cualquier material que fluya y luego se asiente o se cure en un período de tiempo relativamente corto. Materiales ejemplares, pero no limitativos, incluyen cementos, resinas, polímeros y cerámicas.
La presente descripción utiliza un suministro de filamento o filamentos de refuerzo que se tejen en una estructura que se extiende entre las capas del extrudido formando hiladas de bucles entretejidas o bucles periódicos que se extienden por encima de la capa extrudida. La hilada de bucles o bucles periódicos se usa para la interconexión a una capa posterior de la estructura tejida, dando como resultado, de este modo, una red de filamentos de refuerzo de capa intermedia dentro de la estructura impresa. La estructura entretejida se puede formar tejiendo bucles de una manera unidireccional o perlar de una manera bidireccional.
El proceso de fabricación de hacer la red de refuerzo creando una serie de bucles periódicos interconectados o hiladas de bucles utiliza un proceso que es similar al 'tejido' de textiles. De este modo, se hará referencia a la fabricación de hiladas de bucles o bucles periódicos como tejer en adelante en esta solicitud.
Los bucles periódicos o hiladas de bucles se forman a medida que la estructura se imprime en forma de capas para evitar que la red de refuerzo tejida interfiera con el movimiento de la boquilla de extrusión durante la operación de impresión. Típicamente, no es posible usar un panel de refuerzo tejido previamente o una malla tipo tela cuando se imprime una estructura de hormigón con un sistema de fabricación aditiva porque la longitud del panel tejido que se extiende por encima de la capa impresa previamente interferiría con el movimiento de la boquilla. Para una estructura grande o alta, sería difícil manipular la altura de un panel tejido previamente en una ubicación que no interfiera con la impresión de una capa de la capa o capas de material de construcción, tal como hormigón.
La presente descripción incluye el tejido de hiladas o capas en una estructura a gran escala sustancialmente en una dirección z (capa intermedia) a medida que la estructura se imprime en forma de capas. La presente descripción incluye tejer hiladas en bucle mientras que la estructura se imprime de manera que un número seleccionado de hiladas en bucle o partes de bucles periódicos se extiendan por encima de la superficie superior de la estructura. Formando la red de refuerzo a medida que se imprime la estructura a gran escala, la presente descripción evita la complicación que de otro modo se experimentaría cuando se intenta incorporar una red de malla de barras de refuerzo preexistente a medida que la boquilla de extrusión se mueve sin interferencias a lo largo de la hilada.
Las hiladas se pueden tejer a medida que se imprime la estructura de manera que la red de refuerzo tejida se extienda desde cerca de una capa inferior de la estructura hasta cerca de una capa superior de la estructura. Debido a que la red de refuerzo tejida se extiende a través de las capas de la estructura de hormigón, la red de refuerzo tejida aumenta la resistencia de la estructura de hormigón en una dirección sustancialmente normal a las capas impresas con relación a las estructuras impresas sin la estructura tejida.
En algunas realizaciones, la estructura que se imprime se somete a vibración. Utilizar vibraciones elimina los vacíos del material y mejora la encapsulación de la red de refuerzo tejida dentro de la estructura.
Opcionalmente, las hiladas tejidas se pueden poner en tensión antes de que las capas se asienten por completo. Con el uso de tensado opcional durante la impresión de una estructura de hormigón, la estructura de hormigón impresa puede tener una resistencia sustancialmente equivalente a la de la estructura de hormigón pretensado, lo que mejora la resistencia a los efectos de impacto y choque de vibraciones externas, ya sean ambientales o artificiales.
Los sistemas de fabricación aditiva para imprimir estructuras de hormigón en forma de capas utilizan una boquilla conectada a una fuente de hormigón. Dependiendo del tamaño de la estructura deseada, la boquilla se puede transportar por un brazo robótico, una grúa o un pórtico soportado por una estructura situada alrededor de la estructura que se imprime. Un controlador controla el movimiento de la boquilla y el flujo de hormigón a través de la boquilla en base a una representación digital cortada de la estructura. El sistema de fabricación aditiva ejemplar para imprimir estructuras de hormigón en forma de capas incluye las patentes de EE. UU. de Khoshnevis N° 8.992.679, 7.850.388, 8.801.415, 7.814.937, 7.841.849, 8.308.470, 8.863.773, 8.029.710, 7.878.789, 7.153.454, 7.874.825 y 8.568.121.
La FIG. 1 es una vista esquemática de un sistema de fabricación aditiva 10 ejemplar para imprimir una estructura a gran escala con una red de refuerzo de capa intermedia. Como se muestra en la FlG. 1, el sistema 10 incluye un pórtico 12 que mueve una boquilla de extrusión 11 en x, y y z. El sistema 10 incluye un suministro 14 de material fluido, tal como hormigón, que se acopla a la boquilla de extrusión 11 con una manguera de alimentación flexible 16. Se puede utilizar una bomba para proporcionar un flujo deseado de hormigón a la boquilla 11 y una válvula 18 cerca de la boquilla 11 se manipula para controlar un flujo de hormigón a través de la boquilla 11 para imprimir la estructura 17 en forma de capas. Debido a la viscosidad y la textura del hormigón, el espesor típico de la capa extrudida que se usa en la industria oscila desde alrededor de 6,35 mm (1/4”) hasta alrededor de 76,2 mm (3”) dependiendo de las configuraciones geométricas de la estructura que se imprime.
El sistema 10 incluye un mecanismo de tejer 20 que se lleva por un pórtico de mecanismo de tejer 22, ya sea un brazo robótico, una grúa o un pórtico soportado por una estructura, que mueven el mecanismo de tejer 20 en x, y y z. El pórtico de mecanismo de tejer 22 puede estar separado del pórtico 12, o el pórtico 12 también puede llevar el mecanismo de tejer 20. Según la invención reivindicada, el mecanismo de tejer 20 se puede dotar con el sistema de fabricación aditiva 10 o no según la invención reivindicada, se puede proporcionar como un accesorio al sistema 10. Un suministro de material de refuerzo 25, tal como alambre enrollado en un carrete o bobina, proporciona material al mecanismo de tejer 20 de manera que una red de refuerzo de capa intermedia 31 se pueda tejer a medida que se imprime la estructura 17. Dependiendo de la configuración del sistema, el suministro de material 25 se puede realizar por el pórtico de mecanismo de tejer 22, el pórtico 12 o se puede situar a una distancia del pórtico o bien 12 o bien 22.
El sistema 10 también incluye un controlador 34, que puede incluir uno o más circuitos de control configurados para monitorizar y operar los componentes del sistema 10. Por ejemplo, una o más de las funciones de control realizadas por el controlador 34 se pueden implementar en hardware, software, microprograma y similares, o una combinación de los mismos. El controlador 34 puede comunicarse a través de la línea de comunicación 36 con el pórtico 12, la válvula 18, el mecanismo de tejer 20 y, opcionalmente, el pórtico de mecanismo de tejer 22 y diversos sensores, dispositivos de calibración, dispositivos de visualización y/o dispositivos de entrada de usuario.
El sistema 10 y/o el controlador 34 también pueden comunicarse con un ordenador 38, que puede incluir uno o más sistemas basados en ordenador discretos que se comunican con el sistema 12 y/o el controlador 34, y pueden estar separados del sistema 12 o, alternativamente, pueden ser un componente interno del sistema 12. El ordenador 38 incluye hardware basado en ordenador, tal como dispositivos de almacenamiento de datos, procesadores, módulos de memoria y similares para generar y almacenar la trayectoria de herramientas e instrucciones de impresión relacionadas. El ordenador 38 puede transmitir estas instrucciones a los componentes del sistema, típicamente a través del controlador 34, para realizar operaciones de impresión.
Se puede crear un modelo digital representativo de una estructura a ser impresa dibujando una estructura usando un programa de diseño asistido por ordenador (CAD). Las regiones del modelo digital que se han de reforzar por una red de refuerzo se dividen en paneles de baja curvatura. La red de refuerzo tejida típicamente es normal a las capas cortadas, pero puede formar un ángulo con relación a las capas cortadas. La representación digital se corta y se prepara para la fabricación FDM según las prácticas estándar de fabricación aditiva.
El modelo digital y/o las instrucciones para imprimir el modelo se pueden cargar en el ordenador 38. El ordenador 38 se puede comunicar con el controlador 34, que sirve para dirigir el sistema 10 para imprimir la estructura. El material se deposita en capas a lo largo de trayectorias de herramientas dictadas por los requisitos de diseño de la estructura, y que se construyen unas sobre otras para formar la estructura. Para incorporar una red de refuerzo tejida, el mecanismo de tejer 20 forma la red para que tenga una altura que exceda la altura del material depositado para permitir que las próximas hiladas de la red sean tejidas al tiempo que no se interfiere con la deposición de material.
Una combinación ejemplar del sistema de tejer de red de filamentos de extrusión y refuerzo a gran escala se ilustra en 200 en la FIG. 2 y una estructura ejemplar que se imprime con una red de refuerzo interna se ilustra en la FIG. 3. El sistema 200 incluye un sistema de extrusión 202, tal como un sistema de extrusión de hormigón, y un sistema de tejer 220 que se mueven y operan en secuencia o independientes uno de otro para imprimir una estructura de una manera capa por capa con una o más redes de refuerzo tejidas internas que se extienden desde cerca de una capa inferior hasta cerca de una capa superior de la estructura.
El sistema de extrusión 202 incluye un primer pórtico 204 que mueve una boquilla 206 en base a las trayectorias de herramientas que se generan para las capas cortadas, como se trató anteriormente. La boquilla 206 descarga el hormigón fluido en una serie de caminos en base a las trayectorias de herramientas generadas. El hormigón fluido está formulado para fluir desde la boquilla para formar un filamento de una anchura y altura seleccionadas y para curar en una cantidad de tiempo suficiente para evitar la deformación cuando se imprimen capas de hormigón adicionales para formar la estructura.
En una realización, el sistema de tejer 220 incluye una fuente 222 de alambre o material de arrastre que se suministra a un cabezal de tejer 225 que se transporta por un segundo pórtico 224. A modo de ejemplo no limitado, la fuente 222 de material de arrastre se puede enrollar en un carrete o bobina. El cabezal de tejer 225 incluye un dispositivo de alimentación 226 que se utiliza para alimentar un material de arrastre cerca de o a través de una hilada de bucles anterior de una red de refuerzo que se teje. Un material ejemplar no limitativo que se puede utilizar para tejer un panel incluye alambre de metal flexible, y en algunos casos fibra de carbono donde el alambre de metal o la fibra de carbono se pueden recubrir para evitar la corrosión y/o hacer que el material sea más compatible con el material de construcción.
Típicamente, se inserta una fila inicial próxima a una capa inferior de la estructura de hormigón que se imprime. Ejemplos no limitativos de la fila inicial (fila i-4 en la FIG. 3) incluyen una pieza inicial preformada con bucles preformados, o una o más hiladas preformadas del material de arrastre.
Un dispositivo de tracción 227 tira del material de arrastre cerca o a través de la hilada anterior de bucles o bucles en la pieza inicial. Una vez que el material de arrastre se coloca cerca o a través de la hilada de bucles formada anteriormente (i+1 en la FIG. 3), un dispositivo en forma de gancho 228 engancha el material de arrastre y tira del cable hacia el segundo pórtico 224 para formar la siguiente hilada de bucles (i+2 en la FIG. 3). El movimiento del dispositivo en forma de gancho 228 está controlado por un actuador tal como un servomotor, para formar la siguiente hilada en bucle (i+2 en la FIG. 3). El número de bucles en cualquier fila en particular se puede aumentar o disminuir en los extremos de la fila.
En algunos casos, los extremos de la fila de hilada de material de arrastre se pueden cortar, tal como a modo de ejemplo no limitativo, mediante un cortador llevado por el dispositivo de tracción 226. Los extremos cortados del material de arrastre se pueden sujetar, anudar, pegar o tejer en la tela. En algunos casos, los extremos cortados del material de arrastre se pueden colocar dentro del hormigón extrudido de manera que cuando el hormigón extrudido se solidifique, los extremos se retienen en el mismo.
Además, las hiladas se pueden tejer para proporcionar un borde terminado en cada fila que no requiere un mecanismo de captura. Rematar una fila 'superior' tejida, tal como por ejemplo con ganchillo, puede ser beneficioso para asegurar aún más la integridad de la red.
Haciendo referencia a la FIG. 3, a medida que se forma la siguiente hilada de bucles 230a por el dispositivo en forma de gancho 228, se coloca un miembro suficientemente rígido 240 en la hilada de bucles 230a donde el miembro suficientemente rígido 240 se asegura a los cables 242, 244 que están configurados para mover el miembro suficientemente rígido 240 y por lo tanto la hilada de los bucles 230 a medida que la estructura de hormigón se imprime. Los cables 242, 244 se ilustran y describen.
Lo que se entiende por un miembro suficientemente rígido es que dependiendo de la función deseada, el miembro puede ser flexible o rígido. Por ejemplo, cuando el miembro 240 se usa para controlar la ubicación de los bucles y no para poner los bucles en tensión, entonces sería suficiente un miembro flexible tal como un alambre. No obstante, cuando la red de refuerzo de capa intermedia se ha de colocar en tensión, entonces se puede utilizar un miembro rígido para retener la red de refuerzo de capa intermedia en tensión a medida que las capas de la estructura se curan.
Haciendo referencia a las FIGS. 4A-C, las hiladas de bucles 230a que se extienden por encima de la superficie superior de la pieza 231 que se imprime se manipulan para permitir que la boquilla 206 imprima la capa de hormigón sin interferencia de las hiladas. Haciendo referencia a la FIG. 4A, los cables 242 y 244 mueven las hiladas a una ubicación donde la boquilla 206 puede extrudir la capa de hormigón 231 i. Una vez que se imprime la capa de hormigón, los cables 242 y 242 mueven las hiladas para que sean sustancialmente perpendiculares a una superficie superior de la estructura de hormigón que se imprime, como se ilustra en la FIG. 4B.
Las hiladas de bucles 230 se manipulan a medida que se imprimen las capas de hormigón como se ilustra en las FIGS. 4A y 4B hasta que la pieza alcanza una altura seleccionada en las hiladas de bucles 230a. Una vez que se alcanza la altura seleccionada, la boquilla 206 se mueve a una ubicación seleccionada, de manera que los cables 242 y 244 puedan mover la hilada de bucles 230a a una ubicación seleccionada donde el sistema de tejer 220 puede crear otra hilada de bucles 230(a+1). En algunos casos, el miembro suficientemente rígido 240 de la hilada tejida previamente se retiene en la pieza que se imprime. En otros casos, el miembro suficientemente rígido 240 de la hilada tejida previamente se retira de la hilada a medida que se imprime la pieza.
Una vez que se forma la siguiente hilada de bucles 230(a+1), otro miembro suficientemente rígido 240i se coloca a través de la hilada de bucles 230(a+1) y los cables 242i y 244i se unen al miembro suficientemente rígido 240i, como se ilustra en la FIG. 4C.
Los miembros rígidos 240, 240i y los cables 242, 242i y 244, 244i se pueden usar entonces para manipular la hilada de bucles 230, 230i, todos respectivamente, por encima de la superficie superior de la pieza 231 a medida que las capas se imprimen como se ilustra en las FIGS. 4A y 4B. Una vez que la pieza se imprime en las hiladas, la siguiente hilada de bucles 230(a+2) se teje entonces como se ilustra en la FIG. 4c . El proceso se repite hasta que la pieza se imprime con la impresora en 3D.
En algunos casos, los extremos de la fila de hilada de material de arrastre se pueden cortar si se desea, dependiendo de los requisitos de rigidez y flexibilidad. En algunos casos, los extremos cortados del material de arrastre se colocarían internamente dentro del material extrudido de manera que cuando el material extrudido se solidifique, los extremos se retienen dentro del mismo.
Las hiladas de los paneles tejidos no se tensan a medida que las capas e hiladas se imprimen y tejen, respectivamente. Los paneles tejidos aumentan la resistencia en una dirección sustancialmente normal a las capas, en la medida que los paneles proporcionan una conexión de capa intermedia.
En algunos casos, el panel tejido se puede colocar bajo tensión para proporcionar una estructura de hormigón pretensado o pretenso. Típicamente, las losas de hormigón se pretensan usando varillas de metal que abarcan un molde y se vierte hormigón en el molde y alrededor de las varillas de metal. Las varillas de metal se ponen bajo tensión durante el proceso de curado. Las varillas permanecen bajo tensión hasta que se cura la capa de hormigón, lo que proporciona propiedades físicas mejoradas a la estructura de hormigón.
No obstante, cuando una estructura se imprime en forma de capas, algunas de las capas de hormigón se curan a medida que se imprime la estructura. No es posible colocar la red tejida completada en tensión en una capa de hormigón curado, en la medida que algunas de las capas de hormigón están curadas. No obstante, la tasa de curado del hormigón es conocida y se puede manipular a través de formulación. Como tal, cuando una capa está a punto de ser curada, los cables 242 y 244 pueden poner una fuerza hacia arriba sobre el miembro suficientemente rígido 240. La fuerza hacia arriba se mantiene hasta que la capa se cura. Una vez que la capa esté curada, la parte de la estructura tejida estará bajo tensión en esa capa.
Como tal, las capas de hormigón se pueden imprimir y las hiladas de material tejido se pueden tejer y manipular hasta que una capa impresa anterior esté casi curada. Luego, la fuerza hacia arriba se pone sobre el miembro rígido 240 para poner el panel tejido en tensión hasta que se cura la capa. El proceso se repite hasta que la estructura se imprime con un panel bajo tensión.
Otra realización del dispositivo de tejer se ilustra en las FIGS. 5-7 en 300. El dispositivo de tejer 300 se puede utilizar con el sistema de extrusión 202 y se puede dotar con el sistema de extrusión 202 o se puede proporcionar como un accesorio del sistema de extrusión 202, como se describió anteriormente. El sistema de tejer 300 se puede transportar por el pórtico de extrusión o un pórtico de sistema de tejer separado, como se describió anteriormente. El sistema de tejer 300 incluye una fuente 302 de material de arrastre descrito anteriormente que se suministra a un cabezal de tejer 304. El sistema de tejer 300 se puede utilizar para tejer una red de refuerzo de capa intermedia usando el material de arrastre. No obstante, el sistema de tejer 300 forma la red de refuerzo de capa intermedia a medida que el hormigón se extrude como la capa superior, en lugar de formar la hilada de bucles y luego extrudir el hormigón, como se trató anteriormente.
La fuente 302 de material de refuerzo se enrolla en un carrete 306, como se ilustra en la FIG. 5. No obstante, la fuente de material también puede incluir un carrete, una fileta o cualquier otra fuente adecuada que permita que el material de arrastre se alimente al cabezal de tejer 304 de una manera controlada.
Para imprimir la estructura 350 con bucles periódicos, se proporciona una pieza inicial 311 con bucles separados 313 como capa inicial para el material de arrastre 307 para formar los bucles periódicos. En algunas realizaciones, la pieza inicial 311 puede ser una placa o una tira de metal, y los bucles separados 313 pueden ser cáncamos.
A medida que el cabezal de tejer 304 se mueve en la dirección de la flecha 310, el material de arrastre se desenrolla del carrete 306. A medida que se desenrolla el material de arrastre, el material 307 pasa a través de una abertura en una guía 308 para alimentar correctamente el material de arrastre al cabezal de tejer 304. El material de arrastre pasa luego a través de una abertura 312 en una placa de alineación 314 que mantiene el material de arrastre en la alineación correcta con los bucles tejidos previamente.
La abertura 312 está situada a una distancia D por encima de una superficie inferior 316 de la placa de alineación 314. A medida que el cabezal de tejer 304 se mueve en la dirección de la flecha 310, la superficie inferior 316 o bien engancha una superficie superior 352 de la estructura 350 que se imprime o bien está ligeramente por encima de la superficie superior 352. La ubicación de la abertura 312 por encima de la superficie inferior 316 junto con el peso del material extrudido 354 en la hilada de bucles 380 que se imprimen mantiene el material de arrastre 307 en tensión de manera que el material de arrastre 307 se sitúe aproximadamente a la misma distancia D por encima de la superficie superior. Con el material de arrastre situado aproximadamente a la distancia D por encima de la superficie superior de la estructura que se imprime, el material de arrastre se sitúa dentro de la siguiente capa extrudida, y no en la interfaz entre capas.
A medida que el cabezal de tejer 304 se mueve en la dirección de la flecha 310 a lo largo de una trayectoria de herramienta prevista, un primer sensor 318 montado en la placa de alineación 314 detecta la presencia de un bucle 356 formado previamente que se extiende por encima de la superficie superior 352 de la estructura 350 que se imprime. El primer sensor 318 envía una señal al controlador para hacer que el cabezal de tejer 304 se alinee con el bucle 356 situado cerca de un extremo trasero 320 de la placa de alineación 314, y señalar que el proceso de tejer ocurra para ese bucle. El primer sensor 318 puede ser cualquier sensor adecuado incluyendo, pero no limitado a, un sensor óptico.
Haciendo referencia a las FIGS. 6-9, un segundo sensor 322 en la placa de alineación 314 se sitúa en una posición del material de arrastre 307 a través del bucle 356. Un actuador 326 tal como, pero no limitado a, un servomotor, recibe una señal en base a la ubicación detectada del material de arrastre 307 para hacer que el dispositivo en forma de gancho 324 pase a través del bucle 356 y tire del material de arrastre 307 a través del bucle 356 para comenzar la creación de un bucle.
El actuador 326 luego hace que el dispositivo en forma de gancho 324 levante el material de arrastre 307 hacia arriba para enganchar una superficie arqueada 321 cerca del extremo trasero 320. La superficie arqueada 321 actúa como una guía para asegurar que el bucle recién formado 357 tenga un tamaño constante dentro de una hilada de bucles 382 y entre hiladas de bucles 382, 384, de manera que la red de refuerzo esté formada por bucles de tamaño constante. Los bucles de tamaño constante aseguran que el material de arrastre recto se sitúe dentro de una capa y que al menos una parte de los bucles superiores se extienda por encima de la capa de material de construcción recién depositada.
Una vez que se forma el nuevo bucle, el cabezal de tejer 304 se mueve en la dirección de la flecha 310. No obstante, el dispositivo en forma de gancho 324 permanece sujetando el bucle 357 en su lugar a medida que la boquilla 206 pasa por detrás del cabezal de tejer 304 donde el material de construcción se deposita en una capa superior 354 que cubre el material de arrastre 307 y una parte del bucle 357, mientras que deja expuesta una parte superior del bucle 357. El peso de la capa de deposición mantiene el bucle en su ubicación correcta para las capas tejidas posteriores.
En algunos casos, el dispositivo en forma de gancho 324 puede colocar el bucle 357 en una posición no vertical, para evitar la interferencia con la boquilla de deposición 206 cuando el material 354 se deposita alrededor del bucle 357. Después de que la boquilla 206 pasa el bucle 357, el dispositivo en forma de gancho 324 puede manipular luego el bucle 357 de vuelta a una ubicación deseada, tal como sustancialmente vertical. Tras la cobertura parcial de un bucle individual 357, el dispositivo en forma de gancho 324 se manipula lejos del bucle 357, y el hormigón 354 retiene el bucle en la posición seleccionada.
Haciendo referencia a la FIG. 9, el proceso se repite para cada bucle en una hilada de bucles para formar una estructura en capas 400 con una red de refuerzo de capa intermedia 402 a través de las capas de la estructura 400. Como se ilustra, la pieza inicial 311 con la pluralidad de bucles 313 se utiliza como la primera hilada de bucles. Como se mencionó anteriormente, el número de bucles en una fila de hilada se puede aumentar o disminuir en los extremos de la fila.
Haciendo referencia a la FIG. 9, cuando se está formando una hilada final de red de refuerzo y la capa de material, hay varias opciones para rematar la red. Se podría insertar un miembro rígido en la parte superior de los bucles expuestos para retener los bucles en una ubicación seleccionada, y se podría aplicar una pasada final de material para cubrir la red de refuerzo dentro de la estructura. Los bucles también se pueden dejar expuestos y cortar. Además, la hilada superior de bucles se puede cubrir sin el uso de un miembro rígido. Opcionalmente, se podría tejer un borde terminado en la fila superior para mantener juntos los bucles superiores.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de fabricación aditiva a gran escala (10) para imprimir estructuras, el sistema que comprende: un sistema de extrusión (202) que comprende:
una boquilla (11) configurada para recibir un suministro de material estructural y para dispensar selectivamente el material estructural en forma fluida; y
un primer pórtico (12) configurado para mover la boquilla (11) a lo largo de trayectorias de herramientas definidas según una estructura (17) a ser impresa de manera que el material estructural se pueda dispensar a lo largo de las trayectorias de herramientas para imprimir una serie de capas estructurales,
en donde la serie de capas estructurales se unen entre sí para formar la totalidad o una parte de la estructura (17); caracterizado por
un sistema de tejer (220; 300) que comprende:
un alimentador de arrastre (226; 304) configurado para alimentar un suministro de material de arrastre (307) a una ubicación próxima a una hilada actual de bucles (230a) que se extiende por encima de una superficie superior de una capa estructural actual o que se extiende por encima de una superficie base en regiones donde no se ha impreso ninguna capa estructural; y
un dispositivo de enganche (228) configurado para enganchar el material de arrastre (307) y traerlo a través de la hilada actual de bucles (230a) para formar una hilada posterior de bucles entretejida con la hilada actual de bucles (230a); y
un controlador (34) configurado para operar el sistema de tejer (220; 300) para formar hiladas de bucles posteriores adicionales cada una entretejida con una hilada actual de bucles (230a) después de que se imprima cada una de las series de capas estructurales, en donde los hiladas de bucles entrelazadas crean una red de refuerzo de bucles tejidos incrustados en la estructura (17), y en donde la serie de capas estructurales están atadas entre sí.
2. El sistema (10) de la reivindicación 1, en donde el sistema de tejer (220; 300) comprende además:
un actuador (326) configurado para mover el dispositivo de enganche (228) para formar la hilada posterior de bucles entretejida con la hilada actual de bucles (230a).
3. El sistema (10) de la reivindicación 1, en donde el sistema de tejer (220; 300) comprende además:
un dispositivo de corte configurado para cortar el material de arrastre (307) en una ubicación seleccionada.
4. El sistema (10) de la reivindicación 1, y que comprende además un suministro de material de arrastre (307) seleccionado de uno o más de acero, fibra de vidrio o fibra de carbono.
5. El sistema (10) de la reivindicación 1, y que comprende además:
uno o más miembros rígidos (240) configurados para ser colocados dentro de la totalidad o una parte de una hilada actual de bucles (230a); y
uno o más actuadores (242; 244) en donde cada actuador (242; 244) mueve el uno o más miembros rígidos (240) fuera del camino del sistema de extrusión y, al hacerlo así, el uno o más miembros rígidos (240) se enganchan con la hilada actual de bucles (230a) para mover por ello la totalidad de una parte de la hilada actual de bucles (230a) a una posición desplazada de manera que el sistema de extrusión (202) pueda dispensar una siguiente capa estructural sin interferencia de la hilada actual de bucles (230a).
6. El sistema (10) de la reivindicación 1, y que comprende además un sensor en el alimentador de arrastre (226; 304) configurado para identificar una ubicación de un bucle en la hilada actual de bucles (230a) y, en respuesta, enviar una señal al controlador (34).
7. El sistema (10) de la reivindicación 1, y que comprende además un sensor (318, 322) en el dispositivo de enganche (228) configurado para situar el material de arrastre (307) a través de un bucle en la hilada actual de bucles (230a) y, en respuesta, enviar una señal al controlador (34) iniciando el dispositivo de enganche (228) para enganchar el material de arrastre (307) y traerlo a través del bucle.
8. El sistema (10) de la reivindicación 1, en donde la boquilla (11) está configurada para formar capas que oscilan desde alrededor de 6,35 mm (1/4”) hasta alrededor de 76,2 mm (3”) de espesor.
9. El sistema (10) de la reivindicación 1, en donde el dispositivo de enganche (228) es un dispositivo en forma de gancho.
10. El sistema (10) de la reivindicación 1, en donde el material estructural comprende hormigón.
11. El sistema (10) de la reivindicación 1, y que comprende además:
un segundo pórtico (22) configurado para mover el sistema de tejer (220; 300) en base a señales del controlador (34).
12. Un método de impresión de una estructura a gran escala en forma de capas, el método que comprende proporcionar una hilada de bucles existente;
tejer un material de arrastre a través de un primer bucle de la hilada de bucles existente usando un dispositivo de enganche para crear un bucle tejido;
cubrir el material de arrastre con una capa de material estructural fluido e incrustar el bucle mientras que se mantiene la exposición de la parte superior del primer bucle tejido para un bucle tejido posterior;
repetir los pasos de tejer y cubrir para formar una serie de bucles incrustados en una capa de material estructural; formar una hilada posterior de bucles tejidos con la primera hilada de bucles en serie para formar una capa adicional de una red de refuerzo tejida;
imprimir capas adicionales de la estructura alrededor de la segunda hilada de bucles de manera que una superficie superior de la estructura esté a una altura seleccionada en la siguiente hilada de bucles; y
repetir los pasos de tejer e imprimir para crear capas posteriores en donde el material de arrastre crea una red de refuerzo incrustada dentro de la estructura.
13. El método de la reivindicación 12, y que comprende además:
depositar el material fluido como una capa extrudida sobre el material de arrastre de manera que una superficie superior de la estructura esté a una altura seleccionada en la hilada de bucles de manera que una parte superior de la hilada de bucles se sitúe por encima de la superficie superior de la estructura que se imprime.
14. El método de la reivindicación 12, en donde el material estructural comprende hormigón.
15. El método de la reivindicación 12, en donde proporcionar la primera hilada de bucles comprende: proporcionar una pieza inicial que tiene la primera hilada de bucles asegurada a la misma.
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