RU2814831C2

RU2814831C2 - System for producing elements based on mortar

Info

Publication number: RU2814831C2
Application number: RU2022101556A
Authority: RU
Inventors: Керстен ОПДЕНБУШ; Ян БЛАКМЕР; Бруно Мигель НУНЕС ЛОБО; Луц ПИРЦИК; Таня ХОФМАНН
Original assignee: Сэн-Гобэн Вебер
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2024-03-05

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to a system for realizing method for 3D printing of construction elements (10) containing hydraulic binder and aggregates. System comprises mixing device (40), outlet (20), which is nozzle (50), at least one sensor (30), first controller (60) and computer-controlled printer. Mixing device (40) is configured to mix composition of dry mortar containing hydraulic binder and aggregates with water to form wet mortar. Pumping device (50) is made with possibility of pumping and supply of wet mortar to outlet (20). Sensor (30) is configured to measure in real time at least two physical properties of wet mortar on its path from said mixing device to said outlet. These physical properties include viscosity and at least one of flow rate and density. First controller (60) is configured to adjust the ratio between water and dry mortar depending on the value of at least one of said at least two physical properties. Printer has a head containing outlet (20), which is configured to apply layer (11) of mortar on previous layer (12) of mortar.

EFFECT: high reliability of the system and high efficiency of 3D printing of building elements.

11 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к системе для реализации и способу для получения элементов, содержащих гидравлическое вяжущее и заполнители.The present invention relates to a system for the implementation and method for producing elements containing hydraulic binders and aggregates.

Элементы на основе бетона или строительного раствора могут иметь различные формы и функции, и в настоящем тексте термин «элемент» охватывает стены, стеновые покрытия (например, шпаклевки или штукатурки), клеевые покрытия, полы, покрытия для полов или составы для полов (например, стяжки), декоративные или функциональные объекты и т.д. Изготовление таких элементов обычно включает смешивание состава сухого строительного раствора, содержащего гидравлическое вяжущее и заполнители, с водой для образования влажного строительного раствора. Затем этому влажному строительному раствору придают форму или наносят его в соответствии с желаемым использованием перед схватыванием и затвердеванием для образования затвердевшего строительного раствора.Concrete or mortar-based elements can take a variety of forms and functions, and in this text the term “element” includes walls, wall coverings (e.g. putties or plasters), adhesive coatings, floors, floor coverings or flooring compounds (e.g. screeds), decorative or functional objects, etc. The manufacture of such elements typically involves mixing a dry mortar composition containing hydraulic binders and aggregates with water to form a wet mortar. This wet mortar is then shaped or applied according to the desired use before setting and curing to form a hardened mortar.

Автоматизация или механизация таких способов может обеспечить преимущества с точки зрения стоимости и производительности и может включать перекачку влажного раствора к выпуску, из которого влажный раствор наливается, выдавливается или выдается.Automation or mechanization of such methods may provide cost and productivity advantages and may involve pumping the wet solution to an outlet from which the wet solution is poured, extruded or dispensed.

Изобретение направлено на обеспечение системы, которая является надежной и может гарантировать хорошее качество конечного элемента.The invention aims to provide a system that is reliable and can guarantee good quality of the final element.

С этой целью задачей изобретения является система по п.1 формулы изобретения.For this purpose, the object of the invention is a system according to claim 1 of the claims.

Авторы изобретения определили, что измерение в реальном времени вязкости влажного строительного раствора и, по меньшей мере, одного другого свойства, выбранного из расхода и плотности, может иметь большое преимущество с точки зрения прочности и контроля качества. Такое измерение может, например, позволить обнаружить проблемы с перекачкой и, следовательно, избежать любого риска блокировки. Это также может позволить пользователю определить, что состав строительного раствора или соотношение смешивания, то есть массовое соотношение между водой и сухим строительным раствором не подходят для цели.The inventors have determined that real-time measurement of wet mortar viscosity and at least one other property selected from flow rate and density can be of great benefit in terms of strength and quality control. Such a measurement could, for example, allow problems with pumping to be detected and therefore any risk of blockage to be avoided. It may also allow the user to determine that the mortar composition or mixing ratio, i.e. the mass ratio between water and dry mortar, is not suitable for the purpose.

Плотность представляет собой удельную плотность влажного строительного раствора, выраженную, например, в кг/м³. Расход представляет собой мгновенный расход переносимого влажного строительного раствора, выраженный, например, в кг/ч или л/ч.Density is the specific density of the wet mortar, expressed, for example, in kg/m ³ . The flow rate is the instantaneous flow rate of the transferred wet mortar, expressed, for example, in kg/h or l/h.

Способ реализации посредством системы может, например, представлять собой способ укладки пола (например, стяжки) на горизонтальную строительную подложку, такую как плита, или нанесения клея для плитки на строительную подложку, или для набрасывания штукатурки на вертикальную строительную подложку, такую как кирпичная стена, или для напыления бетона.The method of implementation by the system may, for example, be a method of laying a floor (for example, a screed) on a horizontal building substrate, such as a slab, or applying tile adhesive to a building substrate, or for throwing plaster on a vertical building substrate, such as a brick wall, or for spraying concrete.

Система согласно изобретению особенно подходит для реализации 3D способа (трехмерного) печатания. В таком случае, способ представляет собой способ 3D печатания, и система дополнительно содержит управляемый компьютером принтер, имеющий головку, содержащую выпуск, который приспособлен для нанесения слоя строительного раствора на предыдущий слой строительного раствора.The system according to the invention is particularly suitable for implementing a 3D printing method. In such a case, the method is a 3D printing method, and the system further comprises a computer-controlled printer having a head including an outlet that is adapted to apply a layer of mortar to a previous layer of mortar.

3D печатание, также известное как аддитивное производство, представляет собой способ, при котором управляемый компьютером робот создает трехмерные объекты путем нанесения материала слой за слоем. К преимуществам таких способов относятся меньшие трудозатраты, меньшие потери материалов и возможность получения предметов сложной формы. Таким образом, можно изготавливать различные материалы, например, полимеры или металлы.3D printing, also known as additive manufacturing, is a technique in which a computer-controlled robot creates three-dimensional objects by depositing material layer by layer. The advantages of such methods include lower labor costs, less loss of materials and the ability to obtain objects of complex shape. In this way, various materials, such as polymers or metals, can be produced.

Также была предложена трехмерная печать элементов из бетона или строительных растворов. Эти способы, также называемые контурным изготовлением или печатью цементирующими красками, в настоящее время реализуются в приложениях объемного строительства, и их преимущества заключаются в интеграции процессов проектирования, планирования и строительства в сочетании с повышенной автоматизацией и рационализацией строительных процессов. Экономия на рабочих затратах, снижение потерь и расхода материалов, отказ от опалубки, сокращение продолжительности проектов и капиталовложений, а также повышение безопасности рабочего места являются другими движущими факторами этой технологии. В известных способах, влажный строительный раствор непрерывно производится путем смешивания состава сухого строительного раствора с водой, перекачивается и транспортируется к головке принтера управляемого компьютером принтера, обычно робота или портального робота, а затем наносится в виде слоя на предыдущий слой раствора, обычно экструдированного через сопло. Головка принтера перемещается по заданной схеме, точно материализуясь, например, в сложные геометрические формы, разработанные архитекторами для получения конечного объекта.3D printing of concrete or mortar elements has also been proposed. These techniques, also called contour fabrication or cementitious ink printing, are now being implemented in volumetric construction applications and benefit from the integration of design, planning and construction processes coupled with increased automation and streamlining of construction processes. Savings in labor costs, reduction in wastage and material consumption, elimination of formwork, reduction in project duration and capital investment, and improved workplace safety are other driving factors of this technology. In known methods, wet mortar is continuously produced by mixing a dry mortar composition with water, pumped and transported to the printer head of a computer-controlled printer, typically a robot or gantry robot, and then layered onto a previous layer of mortar, typically extruded through a nozzle. The printer head moves in a predetermined pattern, precisely materializing, for example, into complex geometric shapes designed by architects to produce the final object.

Ключевой проблемой в процессе является то, что влажный строительный раствор должен быть достаточно текучим, чтобы его можно было перекачивать и транспортировать при технологическом процессе, но после нанесения в виде слоя он должен иметь достаточно высокое механическое сопротивление, чтобы выдерживать нагрузку от следующих верхних слоев без разрушения. Использование быстро схватывающихся цементов, например, полученных путем добавления ускорителей схватывания или других модифицирующих реологию агентов к влажному строительному раствору непосредственно перед нанесением слоя, было предложено для обеспечения повышенного предела текучести уложенного материала по сравнению с материал сразу после смешивания или во время этапа перекачки. Также были предложены текучие бетоны со сверхвысокими характеристиками (UHPC) с прочностью на сжатие, по меньшей мере, 100 МПа в течение 28 дней. Однако эти известные технологии имеют некоторые недостатки, поскольку нанесение слоя на слой, который уже начал схватываться и затвердевать, приводит к слабой прочности связи между слоями и, следовательно, к не монолитному материалу, который может демонстрировать низкую несущую способность, особенно когда конструкция подвергается сдвигу или растяжению. Поскольку добавки предусмотрены в виде водных растворов, также может возникнуть риск растрескивания материала из-за избытка воды. Кроме того, после того, как добавки были добавлены и смешаны в строительном растворе рядом с печатным соплом, обычно с помощью статического смесителя, не остается никакой возможности для какой-либо корректировки материала, так что любые проблемы, возникающие при смешивании сухого раствор с водой, не могут быть исправлены. С другой стороны, добавление ускорителей и загустителей на стадии смешивания или перекачивания приведет к появлению профилей скорости потока в трубах, что приведет к проблемам из-за переменного распределения времени пребывания влажного строительного раствора.A key challenge in the process is that the wet mortar must be fluid enough to be pumped and transported in the process, but once applied as a layer it must have a high enough mechanical resistance to withstand the load of subsequent overlying layers without breaking. . The use of fast-setting cements, such as those produced by adding set accelerators or other rheology-modifying agents to wet mortar immediately prior to layer application, has been proposed to provide increased yield strength to the laid material compared to the material immediately after mixing or during the pumping step. Ultra-high performance concretes (UHPC) with a compressive strength of at least 100 MPa at 28 days have also been proposed. However, these known technologies have some disadvantages, since applying layer on layer that has already begun to set and harden results in weak bond strength between layers and, therefore, in a non-monolithic material that can exhibit low load-bearing capacity, especially when the structure is subjected to shear or stretching Since the additives are provided in aqueous solutions, there may also be a risk of cracking of the material due to excess water. Additionally, once the additives have been added and mixed into the mortar next to the printing nozzle, usually using a static mixer, there is no room for any adjustments to the material, so any problems encountered when mixing the dry mortar with water are eliminated. cannot be corrected. On the other hand, adding accelerators and thickeners at the mixing or pumping stage will result in flow velocity profiles in the pipes, leading to problems due to variable residence time distribution of the wet mortar.

В этом отношении, изобретение также направлено на обеспечение улучшенной системы 3D печатания, которая преодолевает вышеупомянутые проблемы. В частности, изобретение направлено на улучшение качества печатания за счет обеспечения полного контроля качества печатающего материала.In this regard, the invention also aims to provide an improved 3D printing system that overcomes the above-mentioned problems. In particular, the invention is aimed at improving printing quality by providing complete quality control of the printing material.

Относительно способа 3D печатания, он позволяет получить конструкционный элемент хорошего качества за счет использования строительного раствора, который может схватываться и затвердевать с нормальной скоростью, без обязательной необходимости добавления специальных добавок, которые должны быть добавлены непосредственно перед этапом нанесения. Благодаря своим тиксотропным свойствам, используемые строительные растворы имеют низкую вязкость при более высоких скоростях сдвига, так что они могут быть легко перекачаны и транспортированы по системе, но демонстрируют немедленное наращивание структурной прочности, как только материал покидает печатное сопло, так что слои нового строительного раствора могут выдержать другие слои даже до схватывания и затвердевания. Такое осаждение «мокрым по мокрому» позволяет улучшить адгезию и прочность соединения между последовательными слоями с тем, чтобы получить монолитный элемент. В итоге, механические свойства конечного элемента конструкции сравнимы со свойствами обычных монолитных бетонных элементов.Regarding the 3D printing method, it produces a good quality structural element by using a mortar that can set and harden at a normal speed, without necessarily requiring the addition of special additives that must be added immediately before the application step. Due to their thixotropic properties, the mortars used have low viscosity at higher shear rates so that they can be easily pumped and transported through the system, but exhibit an immediate increase in structural strength as soon as the material leaves the printing nozzle, so that layers of new mortar can withstand other layers even before setting and hardening. This wet-on-wet deposition improves adhesion and bond strength between successive layers to produce a monolithic element. As a result, the mechanical properties of the final structural element are comparable to those of conventional monolithic concrete elements.

Предпочтительно, чтобы указанные, по меньшей мере, два физических свойства влажного строительного раствора могли быть записаны на машиночитаемый носитель. Записанные измерения затем могут быть использованы в целях контроля качества, например, чтобы доказать, что способ был правильно реализован. В таком случае, система, следовательно, содержит машиночитаемый носитель данных, выполненный с возможностью хранения указанных, по меньшей мере, двух физических свойств влажного строительного раствора.Preferably, said at least two physical properties of the wet mortar can be recorded on a computer readable medium. The recorded measurements can then be used for quality control purposes, for example to prove that a method has been implemented correctly. In such a case, the system therefore comprises a computer-readable storage medium configured to store said at least two physical properties of the wet mortar.

Свойства, которые измеряются в режиме реального времени, предпочтительно, включают, помимо вязкости, плотности и расхода, температуру влажного строительного раствора. Предпочтительно, по меньшей мере, три или, по меньшей мере, четыре из этих свойств измеряются в режиме реального времени во время подачи. Например, может быть измерена плотность, расход, вязкость и температура.The properties that are measured in real time preferably include, in addition to viscosity, density and flow rate, the temperature of the wet mortar. Preferably, at least three or at least four of these properties are measured in real time during feeding. For example, density, flow rate, viscosity and temperature can be measured.

Два или более физических свойства обычно независимо измеряются одним или более датчиками. Таким образом, это исключает случай, когда первое физическое свойство измеряется датчиком, а затем измерение используется для вычисления второго физического свойства. В таком случае, второе физическое свойство нельзя назвать «измеряемым».Two or more physical properties are typically measured independently by one or more sensors. Thus, this eliminates the case where a first physical property is measured by a sensor and then the measurement is used to calculate a second physical property. In this case, the second physical property cannot be called “measurable”.

Каждое из этих свойств может быть измерено использованием специального датчика. Таким образом, система может содержать специальный датчик для каждого физического свойства. В качестве альтернативы и предпочтительно, несколько или даже все из этих свойств измеряются с использованием одного и того же датчика. Затем система содержит датчик, выполненный с возможностью измерения нескольких свойств. Предпочтительно, вязкость и, по меньшей мере, одно из текучести и плотности влажного строительного раствора измеряются одновременно с использованием одного и того же датчика. Затем датчик может одновременно измерять вязкость и, по меньшей мере, одно из расхода и плотности влажного строительного раствора.Each of these properties can be measured using a special sensor. Thus, the system may contain a specific sensor for each physical property. Alternatively and preferably, several or even all of these properties are measured using the same sensor. The system then includes a sensor configured to measure multiple properties. Preferably, the viscosity and at least one of the fluidity and density of the wet mortar are measured simultaneously using the same sensor. The sensor can then simultaneously measure viscosity and at least one of flow rate and density of the wet mortar.

Датчик, предпочтительно, относится к датчику Кориолисового типа и может одновременно измерять (и обычно независимо) плотность, расход, вязкость и температуру влажного строительного раствора.The sensor is preferably a Coriolis type sensor and can simultaneously (and usually independently) measure the density, flow rate, viscosity and temperature of the wet mortar.

Датчик Кориолисового типа, предпочтительно, содержит измерительную трубку, проводящую влажный строительный раствор при одновременном измерении плотности, расхода, вязкости и температуры влажного строительного раствора.The Coriolis type sensor preferably includes a measuring tube that conducts the wet mortar while simultaneously measuring the density, flow rate, viscosity and temperature of the wet mortar.

Датчик Кориолисового типа, предпочтительно, содержит не более одной, то есть ровно/только одну измерительную трубку.The Coriolis type sensor preferably contains at most one, that is, exactly/only one measuring tube.

Предпочтительно, измерительная трубка представляет собой прямую измерительную трубку.Preferably, the measuring tube is a straight measuring tube.

Предшествующий уровень техники, раскрывающий такой датчик Кориолисового типа, включает, например, патенты DE 10220827 A1 и EP 1502085 B1.Prior art disclosing such a Coriolis-type sensor includes, for example, DE 10220827 A1 and EP 1502085 B1.

Измерение в реальном времени указанных, по меньшей мере, двух свойств происходит во время подачи влажного строительного раствора к выпуску, например, к соплу. Следовательно, свойства не измеряются на выпуске, например, на сопле. Они обязательно измеряются до того, как влажный строительный раствор попадет в выпуск. Кроме того, измерения в реальном времени не производятся в месте смешивания. Свойства обязательно измеряются после этапа смешивания.Real-time measurement of said at least two properties occurs while the wet mortar is supplied to an outlet, for example a nozzle. Therefore, properties are not measured at the outlet, such as the nozzle. They must be measured before wet mortar enters the outlet. In addition, real-time measurements are not taken at the mixing point. Properties must be measured after the mixing stage.

Предпочтительно, измерение в реальном времени указанных, по меньшей мере, двух свойств влажного строительного раствора происходит сразу после этапа смешивания. Поэтому датчик (датчики), предпочтительно, размещать как можно ближе к насосному устройству.Preferably, real-time measurement of said at least two properties of the wet mortar occurs immediately after the mixing step. Therefore, it is preferable to place the sensor(s) as close as possible to the pumping device.

Предпочтительно, соотношение между водой и сухим строительным раствором (соотношение смешивания) может быть отрегулировано в зависимости от значения, по меньшей мере, одного из указанных, по меньшей мере, двух физических свойств. Это соотношение, предпочтительно, регулируется в реальном времени. Соотношение, следовательно, может регулироваться непрерывно, когда смешивание выполняется непрерывным образом, или соотношение может регулироваться полунепрерывно, когда смешивание выполняется так, чтобы получить партию влажного строительного раствора. Соотношение смешивания соответствует соотношению, используемому на этапе смешивания, то есть этап смешивания выполняется с указанным соотношением смешивания, и это соотношение смешивания может регулироваться в зависимости от измеренного значения (значений).Preferably, the ratio between water and dry mortar (mixing ratio) can be adjusted depending on the value of at least one of the at least two physical properties. This ratio is preferably adjusted in real time. The ratio can therefore be adjusted continuously when mixing is carried out in a continuous manner, or the ratio can be adjusted semi-continuously when mixing is carried out so as to produce a batch of wet mortar. The mixing ratio corresponds to the ratio used in the mixing step, that is, the mixing step is performed with a specified mixing ratio, and this mixing ratio can be adjusted depending on the measured value(s).

Авторы изобретения действительно определили, что было особенно выгодно контролировать и регулировать в реальном времени соотношение смешивания в зависимости от физических свойств влажного строительного раствора. Поэтому в способе, предпочтительно, используется система контроля с обратной связью, которая непрерывно контролирует соотношение компонентов смеси для получения стабильных значений некоторых физических свойств влажного строительного раствора. Система контроля с обратной связью, предпочтительно, использует привод (средство для регулирования расхода смешиваемой воды), по меньшей мере, один датчик (для измерения физических свойств влажного строительного раствора) и контроллер (для управления приводом).The inventors indeed determined that it was particularly advantageous to monitor and adjust in real time the mixing ratio depending on the physical properties of the wet mortar. Therefore, the method preferably uses a feedback control system that continuously monitors the mixture ratio to obtain stable values for certain physical properties of the wet mortar. The feedback control system preferably uses an actuator (means for controlling the flow rate of the mixed water), at least one sensor (for measuring the physical properties of the wet mortar) and a controller (for controlling the actuator).

В таком варианте выполнения, система содержит первый контроллер, выполненный с возможностью регулировки соотношения смешивания в зависимости от значения, по меньшей мере, одного из указанных, по меньшей мере, двух физических свойств.In such an embodiment, the system includes a first controller configured to adjust the mixing ratio depending on the value of at least one of the at least two physical properties.

Система согласно изобретению, предпочтительно, дополнительно содержит источник воды и средство для регулирования дозировки воды для смешивания. Указанные средства, предпочтительно, управляются первым контроллером. Средства для регулирования дозировки смешиваемой воды включают, например, клапан и расходомер.The system according to the invention preferably further comprises a water source and means for controlling the dosage of mixing water. Said means are preferably controlled by a first controller. The means for controlling the dosage of the mixed water includes, for example, a valve and a flow meter.

Предпочтительно, предварительно определенное значение или, соответственно, предварительно определенный диапазон устанавливается, по меньшей мере, для одного из указанных, по меньшей мере, двух физических свойств, и соотношение смешивания регулируется так, чтобы указанное, по меньшей мере, одно из указанных, по меньшей мере, двух физических свойств было равно указанному заранее определенному значению, соответственно, находящемуся в указанном заранее определенном диапазоне. Заранее определенное значение или диапазон могут зависеть, по меньшей мере, от одного параметра, выбранного из температуры или влажности влажного строительного раствора и/или окружающей среды, давления строительного раствора и, для способа трехмерной печати, скорости печати.Preferably, a predetermined value or, respectively, a predetermined range is set for at least one of the at least two physical properties, and the mixing ratio is adjusted so that the at least one of at least at least two physical properties were equal to the specified predetermined value, respectively, being within the specified predetermined range. The predetermined value or range may depend on at least one parameter selected from the temperature or humidity of the wet mortar and/or the environment, the mortar pressure, and, for a 3D printing method, the printing speed.

Описанная система управления с обратной связью является особенно выгодной для системы 3D печатания.The described feedback control system is particularly advantageous for a 3D printing system.

Гидравлическое связующее, предпочтительно, выбирают из обычных портландцементов (OPC), алюминатных цементов кальция (CAC), цементов на основе сульфоалюмината кальция (CSA), негидратированной извести, гашеной извести, измельченных гранулированных доменных шлаков, летучей золы и их смесей. Гидравлическое связующее, предпочтительно, содержит ОРС. OPC даже, предпочтительно, является основным или даже единственным гидравлическим связующим.The hydraulic binder is preferably selected from ordinary Portland cements (OPC), calcium aluminate cements (CAC), calcium sulfoaluminate cements (CSA), unhydrated lime, slaked lime, ground granulated blast furnace slag, fly ash and mixtures thereof. The hydraulic binder preferably contains OPC. OPC is even, preferably, the main or even the only hydraulic binder.

Заполнители, предпочтительно, выбирают из кремнистых, известковых заполнителей, таких как молотый известняк или песок, и их смесей. Максимальный размер заполнителей, предпочтительно, меньше или равен 3 мм, даже 2 мм или 1 мм из-за ограниченных сечений насосного устройства и сопла.Aggregates are preferably selected from siliceous aggregates, calcareous aggregates such as ground limestone or sand, and mixtures thereof. The maximum size of aggregates is preferably less than or equal to 3 mm, even 2 mm or 1 mm due to the limited cross-sections of the pumping device and nozzle.

Сухой строительный раствор, предпочтительно, также содержит добавки, особенно добавки, выбранные из супер пластификаторов, загустителей, ускорителей, замедлителей схватывания и их смесей. Загустители могут быть органическими или неорганическими. Сухой строительный раствор, предпочтительно, содержит неорганические загустители, способные увеличивать предел текучести строительного раствора в состоянии покоя, такие как набухающие глины. Ускорители и замедлители схватывания представляют собой добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание и/или твердение гидравлического вяжущего.The dry mortar preferably also contains additives, especially additives selected from super plasticizers, thickeners, accelerators, retarders and mixtures thereof. Thickeners can be organic or inorganic. The dry mortar preferably contains inorganic thickeners capable of increasing the resting yield strength of the mortar, such as swelling clays. Set accelerators and retarders are additives that accelerate or retard the setting and/or hardening of a hydraulic binder.

Состав сухого строительного раствора, предпочтительно, подбирается таким образом, чтобы влажный строительный раствор проявлял тиксотропные свойства. Тиксотропное поведение является, предпочтительно, таким, что вязкость влажного строительного раствора увеличивается в 50 раз или более за 1 секунду после выхода из печатающего сопла.The composition of the dry mortar is preferably selected in such a way that the wet mortar exhibits thixotropic properties. The thixotropic behavior is preferably such that the viscosity of the wet mortar increases by 50 times or more within 1 second of leaving the printing nozzle.

Система согласно изобретению, предпочтительно, содержит хранилище сухого строительного раствора и дозирующее устройство. Дозирующее устройство, предпочтительно, содержит электронные расходомеры и клапаны для достижения высокого уровня точности для соотношения смешивания (например, менее 0,1%).The system according to the invention preferably contains a dry mortar storage and a dosing device. The dosing device preferably contains electronic flow meters and valves to achieve a high level of accuracy for the mixing ratio (eg less than 0.1%).

Соотношение компонентов смеси (т.е. массовое отношение воды к сухому строительному раствору), предпочтительно, составляет от 0,1 до 0,2.The mixing ratio (ie the mass ratio of water to dry mortar) is preferably from 0.1 to 0.2.

Насосное устройство, предпочтительно, содержит преобразователь частоты для регулирования скорости накачки.The pumping device preferably includes a frequency converter to control the pumping speed.

Влажный строительный раствор, предпочтительно, передается по шлангу.The wet mortar is preferably conveyed through a hose.

Плотность влажного строительного раствора обычно составляет от 1800 до 2500 кг/м³, предпочтительно, от 2000 до 2400 кг/м³.The wet mortar density is typically between 1800 and 2500 kg/m ³ , preferably between 2000 and 2400 kg/m ³ .

Расход влажного строительного раствора во время подачи обычно находится между 100 и 20000 л/ч, предпочтительно, между 150 и 1000 л/ч.The flow rate of wet mortar during delivery is usually between 100 and 20,000 l/h, preferably between 150 and 1000 l/h.

Вязкость влажного строительного раствора во время подачи, предпочтительно, находится между 400 до 3000 cП, обычно, между 800 до 1600 cП (l Пуаз=0,1 Pa.s).The viscosity of the wet mortar at the time of delivery is preferably between 400 and 3000 cP, usually between 800 and 1600 cP (l Poise=0.1 Pa.s).

Температура влажного строительного раствора во время подачи, предпочтительно, составляет от 10 до 50°C, обычно от 15 до 40°C и даже от 20 до 35°C.The temperature of the wet mortar at the time of feeding is preferably from 10 to 50°C, usually from 15 to 40°C and even from 20 to 35°C.

Давление влажного строительного раствора во время подачи, предпочтительно, находится между 5 и 60 бар, особенно, ниже 45 бар.The pressure of the wet mortar during delivery is preferably between 5 and 60 bar, especially below 45 bar.

Выпуском может быть, например, сопло, из которого может быть нанесен, выдавлен, выдан или распылен влажный строительный раствор.The outlet may be, for example, a nozzle from which wet mortar can be applied, extruded, dispensed or sprayed.

Когда способ, реализованный системой согласно изобретению, представляет способ 3D печатания, система (называемая системой 3D печатания) дополнительно содержит управляемый компьютером принтер, имеющий головку, содержащую выпуск, и который выполнен с возможностью нанесения слоя строительного раствора на предыдущий слой строительного раствора.When the method implemented by the system according to the invention is a 3D printing method, the system (called a 3D printing system) further comprises a computer-controlled printer having a head containing an outlet, and which is configured to apply a layer of mortar on the previous layer of mortar.

Принтер может быть любым устройством, способным позиционировать и перемещать печатающую головку в соответствии с полученными инструкциями. Это может быть, например, робот или портальный робот. Печатающая головка содержит печатающее сопло, через которое влажный строительный раствор выдавливается для образования слоя. Сопло может иметь любую адаптированную форму.A printer can be any device capable of positioning and moving a print head according to instructions received. This could be, for example, a robot or a gantry robot. The print head contains a print nozzle through which wet mortar is extruded to form a layer. The nozzle can have any adapted shape.

Головка, возможно, может содержать средство для добавления к влажному строительному раствору непосредственно перед его нанесением в виде слоя, любого дополнительного компонента, такого как добавки, заполнители или волокна.The head may optionally contain a means for adding to the wet mortar, immediately before it is applied as a layer, any additional component such as additives, aggregates or fibers.

Скорость печати, предпочтительно, составляет от 50 до 1000 мм/с, например от 50 до 300 мм/с. Толщина слоя обычно варьируется от 5 до 40 мм, предпочтительно, от 10 до 20 мм. Ширина слоев обычно варьируется от 20 до 200 мм, обычно от 40 до 120 мм.The printing speed is preferably from 50 to 1000 mm/s, for example from 50 to 300 mm/s. The layer thickness usually varies from 5 to 40 mm, preferably from 10 to 20 mm. The width of the layers usually varies from 20 to 200 mm, usually from 40 to 120 mm.

Система трехмерной печати, предпочтительно, дополнительно содержит, по меньшей мере, одно из следующих дополнительных устройств:The 3D printing system preferably further comprises at least one of the following additional devices:

- второй контроллер, выполненный с возможностью управления печатающей головкой, например, положением и скоростью печатающей головки,- a second controller configured to control the print head, for example, the position and speed of the print head,

- третий контроллер, выполненный с возможностью управления дозировкой сухого строительного раствора и/или смешиванием компонентов сухого строительного раствора,- a third controller configured to control the dosage of dry mortar and/or mixing of dry mortar components,

- центральный главный контроллер, выполненный с возможностью управления всей системой и процессом, главным образом выполненный с возможностью управления, по меньшей мере, одним из первого и второго контроллеров.- a central main controller configured to control the entire system and process, primarily configured to control at least one of the first and second controllers.

По меньшей мере, один, предпочтительно каждый, и особенно первый, контроллер, предпочтительно, содержит или реализуется посредством компьютерного средства, такого как процессор, для приема инструкций и/или данных и для генерации машинных инструкций, выполняемых другими контроллерами системы и/или посредством конкретных устройств системы. По меньшей мере, некоторые, предпочтительно все, контроллеры, предпочтительно, являются программируемыми логическими контроллерами (PLC). Компьютерное средство также может включать в себя, по меньшей мере, помимо одного процессора, машиночитаемый носитель данных, хранящий инструкции компьютерной программы, которые при исполнении могут генерировать вышеупомянутые машинные инструкции. Несколько контроллеров могут использовать один и тот же процессор и/или один и тот же машиночитаемый носитель. Некоторые контроллеры могут также содержать графический пользовательский интерфейс (GUI) для отображения информации, относящейся к печати, и/или для обеспечения ввода от пользователя.At least one, preferably each, and especially the first, controller preferably contains or is implemented by computer means, such as a processor, for receiving instructions and/or data and for generating machine instructions executed by other system controllers and/or through specific system devices. At least some, preferably all, of the controllers are preferably programmable logic controllers (PLC). The computer means may also include, in addition to at least one processor, a computer-readable storage medium storing computer program instructions that, when executed, can generate the aforementioned machine instructions. Multiple controllers may use the same processor and/or the same computer-readable media. Some controllers may also contain a graphical user interface (GUI) to display print-related information and/or to provide input from the user.

Следовательно, термин «управление», используемый в настоящем документе, может включать в себя создание машинных инструкций, выполняемых управляемым устройством, например смесительным устройством, насосным устройством или другим контроллером.Therefore, the term "control" as used herein may include the creation of machine instructions executed by a controlled device, such as a mixing device, pumping device, or other controller.

Центральный главный контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью приема данных модели, определяющих трехмерную модель строительного элемента для печати, и для управления первым и вторым контроллерами в соответствии с упомянутыми данными модели и/или в соответствии с вводом от пользователя. Центральный главный контроллер может, например, использоваться для ввода через интерфейс, такой как графический интерфейс пользователя, желаемую скорость печати и/или желаемую высоту или ширину слоев строительного раствора.The central main controller is preferably configured to receive model data defining a three-dimensional model of a building element to be printed, and to control the first and second controllers in accordance with said model data and/or in accordance with input from a user. The central master controller may, for example, be used to input, via an interface such as a graphical user interface, the desired print speed and/or the desired height or width of the mortar layers.

Первый контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью приема инструкций от центрального главного контроллера, для приема данных от датчика (датчиков) и для управления средствами регулирования расхода воды для смешивания. Инструкции, полученные от центрального главного контроллера, зависят, например, от скорости печати или от высоты или ширины слоев, которые должны быть нанесены. Данные датчика (датчиков) включают значения физических свойств влажного раствора, таких как его плотность, расход, вязкость и/или температура. Первый контроллер может дополнительно получать данные, включающие давление в насосном устройстве.The first controller is preferably configured to receive instructions from the central master controller to receive data from the sensor(s) and to control the mixing water flow control means. The instructions received from the central master controller depend, for example, on the printing speed or on the height or width of the layers to be printed. The sensor(s) data includes values for the physical properties of the wet solution, such as its density, flow rate, viscosity and/or temperature. The first controller may further receive data including pressure in the pumping device.

Кроме того, первый контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью управления насосным устройством, например, для регулирования скорости накачки.In addition, the first controller is preferably configured to control the pumping device, for example to regulate the pumping speed.

Первый контроллер также может быть выполнен с возможностью управления третьим контроллером. В качестве альтернативы, первый контроллер может быть выполнен с возможностью непосредственного управления дозировкой сухого строительного раствора и/или смешиванием компонентов сухого строительного раствора.The first controller may also be configured to control the third controller. Alternatively, the first controller may be configured to directly control the dosing of the dry mortar and/or the mixing of the dry mortar components.

Первый контроллер, предпочтительно, содержит память, выполненную с возможностью записи последовательных значений, по меньшей мере, одного физического свойства влажного строительного раствора. Эта функция может, например, быть интересной в рамках системы контроля качества.The first controller preferably includes a memory configured to record sequential values of at least one physical property of the wet mortar. This function could, for example, be of interest within a quality control system.

Первый контроллер называется замкнутым контроллером или контроллером с обратной связью. Таким образом, регулировка расхода воды для смешивания производится посредством системы управления с обратной связью. Может быть использован любой известный контроллер, например PID контроллер.The first controller is called a closed-loop controller or closed-loop controller. Thus, the mixing water flow rate is adjusted through a feedback control system. Any known controller can be used, for example a PID controller.

Согласно предпочтительному признаку, первый контроллер может быть выполнен с возможностью определения по значениям, полученным, по меньшей мере, для одного физического свойства влажного строительного раствора, соответствует ли строительный состав заданным техническим условиям, например, с точки зрения состава. В отрицательном случае, первый контроллер может быть выполнен с возможностью остановки печати. Эта функция может быть реализована для обеспечения безопасных условий процесса и/или для предотвращения использования пользователями системы несоответствующего или несовместимого раствора.According to a preferred feature, the first controller may be configured to determine, from the values obtained for at least one physical property of the wet mortar, whether the mortar composition meets predetermined specifications, for example, in terms of composition. In the negative case, the first controller may be configured to stop printing. This feature may be implemented to ensure safe process conditions and/or to prevent system users from using an inappropriate or incompatible solution.

Изобретение теперь будет описано более подробно со ссылкой на неограничивающий пример системы, показанной на фиг.1.The invention will now be described in more detail with reference to a non-limiting example of the system shown in FIG. 1.

Фиг.1 показывает пример системы согласно изобретению.Figure 1 shows an example of a system according to the invention.

Система на фиг.1 представляет собой систему 3D печатания, содержащую принтер, имеющий печатающую головку 20, выполненную с возможностью выдавливания влажного строительного раствора через сопло с тем, чтобы нанести слой влажного строительного раствора 11 на предыдущий слой 12 строительного раствора и для получения строительного элемента 10. Принтер представляет собой, например, промышленный робот или портальный робот, и влажный раствор может подаваться к головке по шлангу.The system of FIG. 1 is a 3D printing system comprising a printer having a print head 20 configured to extrude wet mortar through a nozzle so as to apply a layer of wet mortar 11 to a previous layer of mortar 12 to produce a building element 10 The printer is, for example, an industrial robot or a gantry robot, and the wet solution can be supplied to the head through a hose.

Строительный элемент 10 может быть, например, стеной, элементом моста, декоративным элементом, сложной опалубкой для заливки бетона и т.д.The building element 10 may be, for example, a wall, a bridge element, a decorative element, a complex formwork for pouring concrete, etc.

Влажный строительный раствор получают путем смешивания состава сухого строительного раствора с водой в смесительном устройстве 40. Смешивание производится с определенной пропорцией смешивания.Wet mortar is produced by mixing the dry mortar composition with water in the mixing device 40. Mixing is carried out with a certain mixing proportion.

Состав сухого строительного раствора хранится в бункере 80. Альтернативно, система может включать несколько бункеров или контейнеров, содержащих каждый из компонентов композиции сухого строительного раствора, а также средства для смешивания соответствующих количеств каждого компонента с целью получения желаемой композиции сухого строительного раствора.The dry mortar composition is stored in a bin 80. Alternatively, the system may include a plurality of bins or containers containing each of the components of the dry mortar composition, as well as means for mixing appropriate amounts of each component to obtain the desired dry mortar composition.

Композиция сухого строительного раствора включает, например, портландцемент, кремнистые заполнители, известняковый наполнитель, модификаторы реологии, добавки и волокна.The dry mortar composition includes, for example, Portland cement, siliceous aggregates, limestone filler, rheology modifiers, additives and fibers.

Вода хранится в водопроводе 71, и дозировка воды (влияющая на соотношение смешивания) регулируется посредством средства 72, содержащего, например, клапан и расходомер. Влажный строительный раствор непрерывно перекачивается через насосное устройство 50, которое представляет собой, например, насос, такой как винтовой насос. Влажный строительный раствор перекачивается и передается к печатающей головке 20, и на его пути от смесительного устройства 40 к печатающей головке 20, по меньшей мере, одно из его физических свойств измеряется датчиком 30 в режиме реального времени. Измерение, предпочтительно, проводится вблизи смесительного устройства.Water is stored in the water supply 71, and the water dosage (affecting the mixing ratio) is controlled by means 72 containing, for example, a valve and a flow meter. The wet mortar is continuously pumped through a pumping device 50, which is, for example, a pump such as a screw pump. The wet mortar is pumped and transferred to the print head 20, and on its way from the mixing device 40 to the print head 20, at least one of its physical properties is measured by the sensor 30 in real time. The measurement is preferably carried out close to the mixing device.

Датчик 30 представляет собой, например, датчик Кориолисового типа, который может одновременно измерять плотность, расход, вязкость и температуру влажного строительного раствора. Система также может содержать другой датчик 31, способный измерять другие свойства, например давление.The sensor 30 is, for example, a Coriolis type sensor that can simultaneously measure the density, flow rate, viscosity and temperature of a wet mortar. The system may also include another sensor 31 capable of measuring other properties, such as pressure.

Система, показанная на фиг.1, управляется несколькими контроллерами. Эти контроллеры, предпочтительно, содержат процессоры для приема инструкций и/или данных и для генерации машинных инструкций, выполняемых другими контроллерами или конкретными устройствами. Эти контроллеры могут быть программируемыми логическими контроллерами (PLC).The system shown in Fig. 1 is controlled by several controllers. These controllers preferably include processors for receiving instructions and/or data and for generating machine instructions that are executed by other controllers or specific devices. These controllers can be programmable logic controllers (PLC).

Центральный главный контроллер 90 выполнен с возможностью приема данных модели, определяющих трехмерную модель строительного элемента 10, подлежащего печати. Эти данные модели обычно хранятся на машиночитаемом носителе 92 данных. Центральный главный контроллер 90 может управляться контроллером 91, которым может вручную управлять пользователь, например, для запуска или остановки системы или для регулировки скорости печати. По меньшей мере, один из контроллеров 90 и 91 содержит интерфейс, например графический интерфейс пользователя.The central main controller 90 is configured to receive model data defining a three-dimensional model of the building element 10 to be printed. This model data is typically stored on a computer readable storage medium 92. The central main controller 90 may be controlled by the controller 91, which can be manually controlled by the user, for example, to start or stop the system or to adjust the printing speed. At least one of the controllers 90 and 91 includes an interface, such as a graphical user interface.

Центральный главный контроллер 90 также выполнен с возможностью управления первым контроллером 60 и вторым контроллером 21, например, путем генерации машинных инструкций, выполняемых этими контроллерами. Эти инструкции представляют собой, например, инструкции по изменению скорости печати и/или высоты или ширины слоев согласно данным модели или инструкциям, данным пользователем.The central main controller 90 is also configured to control the first controller 60 and the second controller 21, for example, by generating machine instructions to be executed by these controllers. These instructions are, for example, instructions to change the print speed and/or the height or width of the layers according to the model data or instructions given by the user.

Второй контроллер 21 управляет печатающей головкой 20. Он выполнен с возможностью приема инструкций от центрального главного контроллера 90 и генерации машинных инструкций для управления, например, положением и скоростью печатающей головки 20.The second controller 21 controls the print head 20. It is configured to receive instructions from the central main controller 90 and generate machine instructions to control, for example, the position and speed of the print head 20.

Первый контроллер 60 управляет системой для управления и регулирования физических свойств влажного строительного раствора, посредством регулировки соотношения смешивания. Он выполнен с возможностью приема данных от датчиков 30 и 31 и, как следствие, корректировки расхода смешиваемой воды и, следовательно, соотношения смешивания путем генерации инструкций, выполняемых средством 72.The first controller 60 controls the system to control and regulate the physical properties of the wet mortar by adjusting the mixing ratio. It is configured to receive data from sensors 30 and 31 and, as a result, adjust the flow rate of the water being mixed and, therefore, the mixing ratio by generating instructions carried out by means 72.

Первый контроллер 60 обычно сравнивает в реальном времени измеренное значение, например вязкость влажного строительного раствора, с заранее определенным диапазоном для расчета отклонения регулирования и, если необходимо, корректирует дозировку воды (и, следовательно, соотношение смешивания), регулируя расход воды.The first controller 60 typically compares a real-time measured value, such as wet mortar viscosity, with a predetermined range to calculate a control deviation and, if necessary, adjusts the water dosage (and therefore the mixing ratio) by adjusting the water flow rate.

Первый контроллер 60 может также генерировать инструкции, выполняемые насосным устройством 50, например, чтобы регулировать скорость накачки согласно желаемой скорости печати.The first controller 60 may also generate instructions to be executed by the pumping device 50, for example, to adjust the pumping speed according to a desired printing speed.

Первый контроллер 60 может также генерировать инструкции, выполняемые третьим контроллером 100, который может управлять дозировкой сухого строительного раствора, например расходом сухого строительного раствора. Третий контроллер 100 может также управлять смешиванием отдельных компонентов сухого строительного раствора.The first controller 60 may also generate instructions executable by the third controller 100, which may control the dosage of dry mortar, such as the flow rate of dry mortar. The third controller 100 may also control the mixing of individual dry mortar components.

Claims

1. A system for implementing a method for 3D printing of building elements (10) containing hydraulic binders and fillers, wherein the system contains:

- a mixing device (40) configured to mix a dry mortar composition containing hydraulic binder and aggregates with water to form a wet mortar,

- outlet (20), which is a nozzle,

- pumping device (50), configured to pump and supply wet mortar to outlet (20),

- at least one sensor (30) configured to measure in real time at least two physical properties of the wet mortar on its way from said mixing device to said outlet, these physical properties including viscosity and at least one of flow and density,

– a first controller (60) configured to regulate the ratio between water and dry mortar depending on the value of at least one of the at least two physical properties, and

– a computer-controlled printer having a head containing said outlet (20), which is configured to apply a layer (11) of mortar to the previous layer (12) of mortar.

2. The system of claim 1, further comprising a computer-readable storage medium configured to store said at least two physical properties of the wet mortar.

3. System according to claim 1, wherein the sensor (30) is a Coriolis type sensor.

4. The system according to claim 3, wherein the Coriolis type sensor (30) comprises a measuring tube configured to conduct wet mortar and simultaneously measure the density, flow rate, viscosity and temperature of the wet mortar.

5. The system of claim 4, wherein the Coriolis-type sensor comprises only one measuring tube.

6. The system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a source (71) of water and means (72) for regulating the dosage of water for mixing, wherein the first controller (60) is configured to control said means (72) for regulating the dosage mixed water.

7. System according to claim 6, in which the means (72) for regulating the dosage of mixing water comprises a valve and a flow meter.

8. The system according to any one of claims 1-7, additionally containing the following additional devices:

- a second controller (21) configured to control the printer,

- a central main controller (90), configured to control at least one of the first (60) and second (21) controllers.

9. The system according to any one of claims 1 to 8, in which the first controller (60) is configured to control the pumping device (50).

10. The system according to any one of claims 1 to 9, wherein at least some of the controllers, preferably all of the controllers (60, 21, 90, 100) are programmable logic controllers.

11. The system according to any of the preceding paragraphs, further comprising a storage (80) for dry mortar and a dosing device.