WO2022033636A2 - Düsenvorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen bauteils und verfahren - Google Patents

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Niklas Nolte
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    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials

Definitions

  • Nozzle device for producing a three-dimensional component and method
  • the invention relates to a nozzle device for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete, a material application system, a production system and a method for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete.
  • Nozzle devices for producing a three-dimensional component are known in principle. With nozzle devices, materials are sprayed onto a substrate or onto layers of material. The production of components with atomized material is usually used for applications in which only low requirements are placed on the shape and/or positional accuracy.
  • embankments are provided with shotcrete to secure them against slipping.
  • tunnel portals are regularly formed with shotcrete.
  • these applications have in common that essentially no geometrically defined components or structures are created that are subject to high accuracy requirements.
  • known methods for atomizing a material are generally characterized in that they require a great deal of manual effort. je The more defined the geometry to be produced with the method is to be formed, the more precisely the material has to be applied. This precise application of the material requires continuous control of the application geometry and continuous monitoring of the quality of the material applied. In addition, the precise application, accompanied by process interruptions and with a correspondingly designed nozzle device, regularly results in the nozzle device becoming clogged and having to be cleaned manually. An automated production of components without manual intervention is currently not possible with such nozzle devices.
  • a nozzle device for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete, comprising a nozzle unit with a material guide which has a material inlet for introducing a material, in particular a concrete, and a nozzle element fluidically coupled to the material inlet for applying the material, in particular the concrete, which is arranged on the nozzle unit.
  • the invention is based on the finding that the automated production of a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete, is only possible if a stable process is set up and if blockages in the system, so-called nozzle clogs, are avoided.
  • the nozzle device for producing a three-dimensional component from a material enables the establishment of such a process and the avoidance of nozzle blockages, among other things, in that the nozzle element can be cleaned at predefined time intervals and/or after detection of a nozzle blockage and/or can be replaced.
  • the nozzle device is designed to produce a three-dimensional component from one material.
  • the material may consist of or comprise one component or two or more components.
  • the nozzle device for producing a three-dimensional component can be designed from two or more materials.
  • the nozzle device is in particular for running a Shotcrete process or method formed.
  • the two-part nozzle device with the nozzle unit and the nozzle element allows the compensation of fluctuating concrete consistency.
  • multi-stage concrete atomization with separate mass flow controllers for the compressed air and upstream atomization or nebulization of the accelerator is made possible in order to ensure that the accelerator is evenly mixed into the concrete, as will be explained in more detail below.
  • the concrete temperature can be actively controlled by adding tempered compressed air in order to be able to compensate for temperature fluctuations.
  • the nozzle device enables the use of high-frequency vibrations in the nozzle unit and/or in the nozzle element in order to improve the spraying behavior. Furthermore, a geometry correction of the applied material layer is made possible on the basis of robust sensor data.
  • the nozzle unit has the material guide with the material inlet.
  • the material guide can be, for example, a line, a pipe and/or a concrete hose.
  • the material guide is preferably arranged and designed to transport, convey and/or direct concrete.
  • the material inlet is in particular arranged and designed in such a way that the material guide can be filled with a material, in particular concrete, by means of it.
  • the nozzle device includes the nozzle element.
  • the nozzle member is fluidly coupled to the material inlet. Fluidically coupled means in particular that a fluid can reach the nozzle element from the material inlet, in particular without significant losses. The fluidic coupling can take place, for example, by means of hoses, lines and/or pipes.
  • the nozzle element is fluidically coupled to the material inlet by means of the material guide.
  • the nozzle element preferably has a material inlet end and a spray end arranged opposite the material inlet end. The spray end is the distal end of the nozzle assembly.
  • the material inlet end of the nozzle element is preferably set up in such a way that the material can enter the nozzle element.
  • the nozzle element is also preferably set up in such a way that the material can be brought from the material inlet end to the injection end.
  • the spraying end of the nozzle element is preferably designed in such a way that it enables a sprayed concrete process.
  • the nozzle element is preferably arranged on the nozzle unit in an exchangeable manner.
  • the nozzle element can, for example, be made of an elastic material, in particular an elastic plastic.
  • Adjacent to the spraying end, the nozzle element preferably has a spraying section, which in particular can have a round cross section.
  • the nozzle element and/or the spray section can be designed as a spoon nozzle, tongue nozzle, flat jet nozzle and/or as a slit nozzle.
  • the nozzle element is in particular arranged and designed in order to apply the material, in particular on a component base and/or on a material layer.
  • the application of the material is in particular a spraying of the material.
  • a preferred embodiment variant of the nozzle device is characterized in that it comprises a nozzle element interface which is arranged and designed to form a connection between the nozzle unit and the nozzle element.
  • the connection can be formed, for example, in a positive and/or non-positive manner.
  • the connection is preferably a mechanical connection for forming the fluidic coupling.
  • the nozzle element interface can have a centering and/or locking unit.
  • the nozzle element interface is designed for automatic insertion and/or replacement of the nozzle element on the nozzle unit.
  • the nozzle element interface is also preferably arranged and designed in such a way that the material and preferably other substances can reach the nozzle element from the nozzle unit.
  • the nozzle element interface has a material interface, a first compressed air interface, a second compressed air interface and/or an accelerator interface.
  • the material interface is preferably arranged and designed in such a way that the material reaches the nozzle element from the nozzle unit.
  • the first compressed air interface is preferably designed in such a way that compressed air at a first pressure can reach the nozzle element from the nozzle unit.
  • the second compressed air interface is preferably designed in such a way that compressed air at a second pressure, which is preferably different from the first pressure, can reach the nozzle element from the nozzle unit.
  • the accelerator interface is preferably arranged and designed in such a way that an accelerator reaches the nozzle element from the nozzle unit.
  • One or both of the compressed air interfaces can also be formed with the accelerator interface in a collection interface.
  • the accelerator is mixed with compressed air upstream of the nozzle element interface, so that the accelerator is atomized in the nozzle unit.
  • the nozzle device comprises a cleaning unit that is set up to clean the nozzle unit and/or the nozzle element, in particular with a pressurized fluid, preferably water and/or air, and/or a cleaning element , in particular a cleaning pig or a cleaning ball.
  • the cleaning unit can be set up to clean lines and/or supply units coupled to the nozzle device.
  • the cleaning unit is preferably set up to introduce a fluid into lines carrying compressed air in order to generate the pressurized fluid.
  • the nozzle device and the cleaning unit are in particular arranged and designed in such a way that the pressurized fluid is fed to the material guide.
  • the cleaning element is designed in particular for cleaning, in particular for mechanical cleaning, of the material guide.
  • the cleaning element can preferably be introduced into the material guide with a fluid. It is particularly preferred that, after the cleaning element has been inserted into the material guide, the material guide is blown out with a fluid, in particular compressed air.
  • the material guide and/or other hoses and/or lines have pressure sensors that are set up to compare target pressures with actual pressures. It is therefore preferred that the control device explained in more detail below is set up to receive pressure signals from the pressure sensors and compare the actual pressures with target pressures and, if a predefined difference between the target and actual pressure is exceeded, a blockage characterizing congestion signal generated.
  • the blockage signal can be received by the cleaning unit, for example, and preferably triggers a cleaning process.
  • the nozzle device has volume and/or mass flow sensors, the control device being set up to compare desired values of a volume and/or mass flow with actual values of the volume and/or mass flow.
  • the nozzle device have filling level sensors for monitoring the filling level, in particular within the material guide. Furthermore, it is preferred that the nozzle device is set up to monitor a cleaning status. The nozzle device preferably has status sensors for monitoring the cleaning status. In a further preferred embodiment variant of the nozzle device, it is provided that it comprises a blow-out unit for cleaning the nozzle device.
  • the blow-out unit and the nozzle unit are preferably set up such that material components that cannot be used by the nozzle unit and/or the nozzle element are disposed of by the blow-out unit. Material components that cannot be used by the nozzle unit and/or the nozzle element are, in particular, coarse material components that cannot be passed through the nozzle element.
  • the blow-out unit preferably has a blow-out opening.
  • the blow-out unit can, for example, be or include a blow-out valve, which is also preferably designed to be based on a pinch valve.
  • the nozzle device comprises a material flow control unit acting within the material guide for controlling a material flow of the material.
  • the material flow control unit can be designed as a pinch valve, for example.
  • the material flow control unit is in particular arranged and designed to control, preferably initiate and/or interrupt the material flow, in particular the concrete flow.
  • the nozzle device has a material pressure sensor, in particular a concrete pressure sensor, arranged within the material guide.
  • the material pressure sensor is arranged and designed to monitor target and actual pressures of the material, in particular of the concrete, in order to set up a nozzle wear detection and/or a blockage detection.
  • the nozzle device includes a sensor unit for geometry correction.
  • the sensor unit can, for example, comprise at least one radar module or be designed as a radar module. It is particularly preferred that the sensor unit has two or more radar modules.
  • the radar module is preferably set up to detect a spacing between the nozzle device and a layer of material applied with the nozzle device.
  • a radar module can advantageously be used to detect the spacing between the nozzle device and the material layer Way be used because a radar module does not require a clear line of sight between the radar module and material layer, as required by laser or camera-based systems, such as those that work on the basis of triangulation or the time-of-flight principle.
  • the spacing preferably relates to the spacing between the nozzle element, in particular a spraying end of the nozzle element, and a layer of material.
  • the sensor unit has at least one laser measuring unit that is set up to detect a spacing between the nozzle device and a material layer applied with the nozzle device. It is particularly preferred that the sensor unit has two or more laser measuring units.
  • the sensor unit comprises at least one profile sensor module for detecting dimensions of a material layer applied with the nozzle unit or is designed as a profile sensor module for detecting dimensions of a material layer applied with the nozzle unit. It is particularly preferred that the sensor technology unit has two or more profile sensor modules.
  • the nozzle unit preferably includes the sensor unit, in particular the radar module and/or the profile sensor module, so that it is not exchanged for the nozzle element. Furthermore, a longitudinal extent of the nozzle element is preferably taken into account when determining the spacing and/or the dimensions.
  • a manufacturing system equipped with the nozzle device comprises a control system that is set up to control and/or regulate a material layer height by adjusting a nozzle advance or a robot speed and/or a material volume flow, in particular that determined by the sensor unit Spacing between the nozzle device and the layer of material is taken into account.
  • the material volume flow can be controlled or regulated, for example, by adjusting a pump output, in particular a concrete pump.
  • the control system can also be part of the nozzle device and/or the material application system. It is particularly preferred that the control system includes the control device described below.
  • control system is set up to adjust the nozzle feed as a function of the application height of the material layer detected by the sensor unit to compensate for inaccuracies between a CAD Adapt path planning and the real order process or to compensate for inaccuracies in the material feed.
  • control system is set up to adapt the nozzle position depending on the dimension of the material layer detected by the sensor unit.
  • control system can be set up to adapt the nozzle position as a function of the spacing of two adjacent material layers detected by the sensor unit, in order in particular to compensate for errors in the case of a planar application.
  • the nozzle device comprises a vibration unit for introducing vibrations, which is preferably set up to introduce the vibrations into the nozzle unit and/or nozzle device.
  • the vibration unit is designed in particular to initiate high-frequency vibrations.
  • the vibration unit can, for example, emit ultrasound and is an ultrasound unit.
  • the invention is based, inter alia, on the knowledge that introducing vibrations, in particular ultrasonic vibrations, into the nozzle element improves the application quality, in particular the spray quality, thus enabling a more homogeneous application of material and reducing the risk of nozzle clogging.
  • the nozzle device comprises a control device.
  • the control device is preferably arranged and configured to receive a distance signal characterizing a distance between the nozzle element and a layer of material produced from the sensor unit, and/or to receive a size signal characterizing a dimension of a layer of material produced from the sensor unit, and on the basis of the distance signal and /or the size signal to generate a control signal for controlling a handling unit guiding the nozzle device.
  • the control signal is set up in particular to control the handling unit in such a way that an advance of the nozzle element is adjusted.
  • the control signal can alternatively or additionally control the handling unit guiding the nozzle device in such a way that a distance between the nozzle device, in particular the nozzle element, and the material layer to be produced or produced is adjusted.
  • control device is arranged and designed to characterize a material consistency of the material to receive consistency signal and to generate and send a consistency correction signal.
  • the consistency correction signal can be used, for example, to control a temperature control unit, which will be explained in more detail below, since the material consistency can be controlled via the temperature of the compressed air that is added.
  • the nozzle device preferably includes a consistency sensor.
  • the consistency sensor can be designed as a viscosity sensor, for example, in order to detect a viscosity of the material and to generate the consistency signal on this basis.
  • the viscosity as a feature of the consistency can be used advantageously for determining a consistency.
  • a further preferred embodiment variant of the nozzle device provides that the control device is arranged and designed to receive a blockage signal characterizing a blockage or to detect a blockage and to initiate cleaning with a cleaning signal, in particular by means of the cleaning unit, and/or to send an exchange signal generate, which causes a handling unit to replace the nozzle element.
  • the control device is arranged and designed to control a mass flow-controlled independent compressed air supply to the material atomization units explained in more detail below.
  • control device can be arranged and designed to initiate and/or end a material application by actuating the material flow control unit.
  • control device is arranged and designed to receive and/or generate a wear signal and to generate a replacement signal based on the wear signal, which causes a handling unit to replace the nozzle element.
  • the wear signal can be generated, for example, on the basis of a comparison of setpoint pressures with actual pressures.
  • the control device can be arranged and designed to generate the wear signal on the basis of a comparison of setpoint pressures with actual pressures.
  • control device is arranged and configured to preventively detect a blockage and to initiate cleaning with a cleaning signal, in particular by means of the cleaning unit, and/or to generate an exchange signal that causes a handling unit to exchange the nozzle element.
  • the control device can be set up to detect a pressure of the compressed air at a constant compressed air volume flow and to preventively detect a blockage when a compressed air threshold value is exceeded.
  • control device is arranged and designed to control a volume flow-controlled accelerator supply in order to compensate for changes in a metered quantity of accelerator due to wear on pumps or fluctuating pressure conditions.
  • control device controls an amount of accelerator added as a function of a metered amount of cement in the concrete in order to achieve a defined ratio of cement amount to accelerator amount.
  • control device can be arranged and designed to control the ratio of cement quantity to accelerator quantity in the application process as a function of a predefined material strength, which specifies the ratio of accelerator to cement, in particular in order to adapt the application process to component requirements.
  • control device can be arranged and designed to control the ratio of cement quantity to accelerator quantity in the application process as a function of the material viscosity of the concrete in the nozzle element detected by a viscosity sensor in order to compensate for fluctuating concrete viscosity.
  • control device can be arranged and designed to adjust the material application temperature by adding compressed air at a predefined temperature, in particular by controlling a temperature control unit. The compressed air is in particular tempered.
  • the nozzle device comprises a first material atomization unit which is arranged and designed to mix and/or atomize the material with air.
  • the first material atomization unit is designed in particular as a first concrete atomization unit.
  • the nozzle device can include a second material atomization unit, in particular a second concrete atomization unit, which is arranged and designed to mix and/or atomize the material with air and an accelerator.
  • the nozzle element comprises the first material atomization unit and/or the second material atomization unit.
  • the material atomization units can, for example, comprise a chamber which is arranged and designed such that the material passes through it, for example with a straight direction of passage.
  • the material atomization units have connections for compressed air and/or the accelerator, so that the compressed air and/or the accelerator can be introduced into the aforementioned chambers. This makes it possible for the material to be mixed and/or atomized in the material atomization units with air or with air and the accelerator.
  • the nozzle device comprises a first compressed air inlet which is preferably coupled to a first pressure sensor.
  • the nozzle device can include a second compressed air inlet, which is preferably coupled to a second pressure sensor. Provision can also be made for the first compressed air inlet and/or the first pressure sensor to be coupled to the first material atomization unit and/or the second compressed air inlet and/or the second pressure sensor to be coupled to the second material atomization unit, in particular by means of a first compressed air line and/or a second compressed air line.
  • the separate provision of compressed air for the first material atomization unit and the second material atomization unit makes it possible for the first material atomization unit and the second material atomization unit to be provided with compressed air with different parameters, in particular with different pressures or mass flows. This enables constant flow conditions in the nozzle element and, as a result, constant application quality or spray quality even when the atomization is partially clogged.
  • the mixing of accelerator and concrete is improved compared to single-stage spraying.
  • the nozzle device includes a two-component nozzle for atomizing the accelerator with compressed air.
  • the two-component nozzle is preferably fluidically coupled to a compressed air inlet and an accelerator inlet, by means of which compressed air and an accelerator can be routed to the two-component nozzle.
  • This compressed air inlet is preferably with coupled to a pressure regulator, which taps off compressed air from a compressed air line, which preferably leads to one of the material atomization units.
  • the nozzle device comprises a broaching unit, in particular a needle valve, which is arranged and designed to clean the two-substance nozzle by broaching material, with the broaching unit preferably comprising a broaching needle for moving into the two-substance nozzle.
  • the two-component nozzle is arranged upstream of the first material atomization unit and/or upstream of the second material atomization unit in the flow direction of the accelerator. This enables an atomized accelerator to be made available to the first and/or second material atomization unit. This ensures improved mixing of the accelerator into the material or into the concrete and further improves the effectiveness of the accelerator.
  • the nozzle device in another preferred embodiment, it includes a temperature sensor for determining the temperature of the material, with the material guide preferably including the temperature sensor.
  • the nozzle device comprises a temperature control unit for temperature control of the material, in particular by heating and/or cooling compressed air to be supplied to the material.
  • the heated and/or cooled compressed air can be provided, for example, to the material inside the first material atomization unit and/or inside the second material atomization unit.
  • the temperature sensor is coupled to the temperature control unit and provides a temperature signal from the temperature sensor characterizing the temperature of the material, and the temperature control unit is set up to set the temperature of the material and/or the compressed air on the basis of the temperature signal.
  • a material application system for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete, in particular for a shotcrete method, comprising a nozzle device, in particular a nozzle device according to one of the embodiment variants described above, wherein the Nozzle device is coupled to a material supply unit, in particular a concrete supply unit, in such a way that material, in particular concrete, can be provided for one or the nozzle unit.
  • the material application system is set up in particular to apply the material by means of a nozzle unit to spray nozzle element.
  • the material supply unit is also preferably set up to provide material under pressure and/or volume flow control.
  • a preferred embodiment of the material application system is characterized in that it includes a cleaning device.
  • the cleaning device is designed such that it can be guided into the nozzle element with a cleaning section, in particular starting from a distal end or spraying end of the nozzle element.
  • the cleaning device is set up to loosen or eliminate blockages by mechanical action and/or by introducing a fluid.
  • the cleaning device, in particular the cleaning section preferably comprises a fluid channel with a cleaning outlet which can be guided into the nozzle element.
  • the cleaning section preferably has a rod-shaped geometry, with the external dimensions of the cleaning section for insertion into the nozzle element being designed to correspond to the internal dimensions of the nozzle element.
  • the outer dimensions of the cleaning section are preferably smaller than the inner dimensions of the nozzle element, with a size ratio of one of the inner dimensions to one of the outer dimensions preferably being less than 95%, less than 90%, less than 80% or less than 50%. Further, it is preferable that the aspect ratio is greater than 10%, greater than 20%, or greater than 30%.
  • the cleaning device, in particular the cleaning section is preferably designed as or comprises a fluid-carrying cleaning lance.
  • the cleaning device can be arranged stationary, so that the nozzle element is moved to the cleaning device in order to carry out cleaning.
  • the nozzle element can be moved to the cleaning device, for example, in such a way that an opening axis of the nozzle element and a cleaning axis of the cleaning section are aligned essentially coaxially.
  • An axial movement of the nozzle element in the direction of the cleaning device can then be carried out in order to introduce the cleaning section into the nozzle element, so that mechanical cleaning takes place.
  • a fluid flow can be effected from the cleaning outlet, so that the nozzle element is fluidically cleaned.
  • this has a nozzle element deposit for nozzle elements.
  • the nozzle element storage is used to store the nozzle elements that are not in use.
  • the material application system comprises a first fluid supply unit, in particular a compressed air supply unit, which is coupled to the nozzle device in such a way that the nozzle device can be supplied with a first fluid, preferably air, in particular compressed air.
  • the first fluid supply unit is coupled to the material supply unit, in particular to a material supply line between the material supply unit and the nozzle device. It is particularly preferred that a compressed air valve is arranged between the first fluid supply unit and the material supply unit, in particular the material supply line, in order to control a first fluid flow to the material supply unit. It is preferred that the material application system has one, two or more fluid flow controllers, which is or are designed for mass flow and/or volume flow control of the fluid flow and/or other fluid flows.
  • Another preferred embodiment of the material application system is characterized in that it comprises an additive supply unit, in particular an accelerator supply unit, which is coupled to the nozzle device in such a way that an additive, in particular an accelerator, can be supplied to the material, in particular to the concrete, in particular within the nozzle device.
  • the additive supply unit is set up in particular in such a way that a volume flow-controlled supply of additive, in particular an accelerator supply, takes place.
  • the additive supply unit preferably comprises a low-pulsation worm pump for dosing the additive, in particular the accelerator.
  • a further preferred embodiment variant of the material application system comprises a second fluid supply unit, in particular a water supply unit, which is coupled, in particular fluidically coupled, to the nozzle unit, the nozzle device, the material supply unit, the first fluid supply unit and/or the additive supply unit, in order to supply a second fluid, in particular water, to this , to provide.
  • the second fluid can, for example, also be used by the cleaning unit and/or the cleaning device for cleaning the nozzle device.
  • one or the control device comprises a memory unit in which a material model is stored which contains relationships between the geometry, in particular material layer height, material layer width and material layer shape, and/or material consistency of the applied material layer as a function of process parameters, in particular pressures, volume flows, nozzle distances and/or feed speeds, in order to adapt the process parameters in a defined manner during the ongoing process in such a way that continuously changing geometries of the applied layer of material or material properties result.
  • control device may be set up to automatically generate a previously described material model by automatically adapting the process parameters and automatically detecting the resulting geometry and material consistency. It is particularly preferred that methods for machine learning, for example neural networks, are used when generating the material model.
  • control device is set up to control and/or regulate a movement of the nozzle element in such a way that the cleaning device with the cleaning section is inserted into the nozzle element. It is further preferred that the control device controls a flow of fluid through the cleaning device into the nozzle element.
  • the fluid flow is preferably provided by a fluid pump.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a manufacturing system comprising a material application system according to one of the embodiment variants described above and/or a nozzle device according to one of the embodiment variants described above, and a first handling unit for moving the nozzle device in order to move a material , in particular concrete, to be applied, in particular to be sprayed on, and/or a second handling unit for handling the nozzle element, in particular for replacing the nozzle element.
  • the first handling unit and/or the second handling unit can be designed, for example, as a robot, in particular as an articulated-arm robot.
  • the second handling unit can be designed as a mechanical holder or include it.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete, comprising the step of: applying, in particular spraying, the material, in particular the concrete, with a nozzle arranged on a nozzle unit first nozzle element.
  • the nozzle element is arranged interchangeably on the nozzle unit and the method comprises the steps: removing the first nozzle element and arranging a second nozzle element, and applying, in particular spraying, the material, in particular the concrete, with the interchangeably arranged on the nozzle unit second nozzle element.
  • this comprises the step: cleaning the first nozzle element and/or the second nozzle element while this or these are arranged on the nozzle unit and/or while they are stored in a nozzle element deposit is or are. Furthermore, the method can include the step: cleaning the nozzle unit.
  • the cleaning preferably takes place with a fluid and/or with a cleaning element.
  • the cleaning takes place in predefined cleaning cycles and/or when a blockage is detected.
  • the method comprises the step: detecting a spacing between the nozzle unit and a layer of material applied with the nozzle unit, and/or detecting dimensions of the layer of material applied with the nozzle unit.
  • the method comprises the step: automatic addition of lubricants and/or a cement slurry to the material application system when the plant is started, in order to ensure that the concrete can be pumped.
  • the method can include the step of: pressure-based detection of the lubricant in the material application system in order to pump it until the first batch of concrete reaches the nozzle device.
  • the lubricant can be detected by conductive or other limit level sensors. It can also be preferred that the or a limit level sensor is used to detect the concrete and/or the cleaning status in the material guide.
  • the method can include the step of: opening a concrete and/or an accelerator valve when starting the nozzle device after a defined target pressure has been reached, in order to ensure an accelerator effect and/or so that the accelerator proportion does not exceed a threshold value, from which, for example, the material guide or the nozzle element is clogged.
  • the method may include the step of: sequence-controlled nozzle element start, in which the accelerator is only added after a predefined time and after the addition of concrete and compressed air, in order to prevent nozzle clogging.
  • the method may include the step of: sequence-controlled nozzle element stop, in which the accelerator addition is terminated and after a predefined time after the accelerator addition has been completed, the addition of concrete and compressed air is terminated.
  • the method and its possible developments have features or method steps that make them particularly suitable for being used for a nozzle device and/or a material application system and/or a manufacturing system and their developments.
  • design variants and design details of the further aspects and their possible developments reference is also made to the previously given description of the corresponding features and developments of the nozzle device.
  • Figure 1 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • FIG. 2 a schematic, two-dimensional detailed view of an exemplary embodiment of a nozzle device
  • FIG. 3 a further schematic, two-dimensional detailed view of an exemplary embodiment of a nozzle device
  • Figure 4 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 5 a schematic method.
  • Figure 1 shows a material application system 1.
  • the material application system 1 includes a
  • Nozzle device 100 a concrete preparation unit 2, a first Fluid supply unit, which is designed as a compressed air supply unit 14, an accelerator supply unit 28 and a second fluid supply unit, which is designed as a water supply unit 34.
  • the concrete supply unit 2, the compressed air supply unit 14 and the accelerator supply unit 28 are connected to the nozzle device 100 by means of lines, in particular fluidically coupled.
  • the concrete preparation unit 2 is fluidically coupled to the material line 10 with the nozzle device 100 .
  • a first concrete pressure sensor 6 and a concrete volume flow sensor 8 act within the material line 10.
  • the concrete preparation unit 2 is coupled to a waste water unit 4, the waste water unit 4 having a pinch valve.
  • the compressed air supply unit 14 is coupled to the nozzle device 100 by means of compressed air lines, with two compressed air lines leading from the compressed air supply unit 14 to the nozzle device 100 .
  • a first compressed air line includes a first temperature control unit 16 and a first mass flow controller 18.
  • the first temperature control unit 16 can be used to control or set the temperature of the compressed air that is made available.
  • a mass flow of the compressed air made available can be adjusted by means of the first mass flow controller 18 .
  • a second compressed air line Like the first compressed air line, a second compressed air line includes a second temperature control unit 20 and a second mass flow controller 22. Between the second mass flow controller 22 and the nozzle device 100 there is also a pressure controller 24 for removing pressure-controlled compressed air, with the outgoing line also leading into the nozzle device 100 and in particular fluidically coupled to the two-component nozzle 149 for atomizing the accelerator.
  • a fluidic connection can be set up between the compressed air supply unit 14 and the material line 10 via a compressed air valve 12 and between the compressed air supply unit 14 and the accelerator supply unit 28 by means of a compressed air valve 26, with the compressed air being able to be used to clean the lines with compressed air.
  • the accelerator supply unit 28 is also coupled to the nozzle device 100 via a line.
  • An accelerator pressure sensor 30 and an accelerator volume flow sensor 32 are provided within this line.
  • the water supply unit 34 is fluidically coupled to the concrete supply unit 2 and the accelerator supply unit 28 in order to enable the lines to be cleaned with water.
  • the water valves 36 - 40 are provided for this purpose.
  • the material application system 1 also includes a cleaning device 46 with a cleaning lance 110.
  • the cleaning lance 110 can be inserted into the nozzle element with a cleaning section.
  • a high-pressure line 42 leads from the water supply unit 34 , by means of which a nozzle element 106 can be cleaned in combination with the cleaning lance 110 and a high-pressure pump 44 .
  • the water supply unit 34 can provide a fluid, for example, which emerges from a cleaning opening of the cleaning lance 110.
  • the nozzle device 100 comprises a cleaning unit 160 which is set up to clean the nozzle unit 101 and/or the nozzle element 106, in particular with a pressurized fluid, preferably water, and/or a cleaning element, in particular a cleaning pig.
  • a cleaning unit 160 which is set up to clean the nozzle unit 101 and/or the nozzle element 106, in particular with a pressurized fluid, preferably water, and/or a cleaning element, in particular a cleaning pig.
  • FIGS. 2 and 3 show a detailed view of the nozzle device 100.
  • Concrete reaches the material inlet 104 via the material line 10.
  • the material inlet 104 is coupled to a material guide 102, which extends in particular from the material inlet 104 to the nozzle element 106.
  • a viscosity sensor 158 is arranged downstream of the material inlet 104 and is set up to measure the consistency, in particular the viscosity, of the material, here the concrete.
  • the nozzle device 100 comprises a first compressed air inlet 136 with a first pressure sensor 138 and a second compressed air inlet 140 with a second pressure sensor 142.
  • the nozzle device 100 comprises a third compressed air inlet 144 for the compressed air tapped off at the pressure regulator 24, which is fluidically coupled to the two-component nozzle 149 is.
  • the nozzle device 100 comprises an accelerator inlet 146 with an accelerator pressure sensor 148 which is fluidically coupled to the two-component nozzle 149 .
  • the accelerator is atomized with the supplied compressed air.
  • the material guide 102 is set up in such a way that the material, in particular the concrete, can be brought from the material inlet 104 to the nozzle element 106 . Also provided within the material guide 102 is a second concrete pressure sensor 152 and a material flow control unit 154, which can act as a concrete valve. A concrete flow can be started or stopped by controlling the material flow control unit 154 .
  • a temperature sensor 134 is provided downstream from the material flow controller 154 .
  • the temperature sensor 134 preferably sends a temperature signal a control device 156, which in turn controls the first temperature control unit 16 and/or the second temperature control unit 20 in order to regulate a temperature of the concrete.
  • the concrete enters the nozzle element 106, which has a first concrete atomizing unit 114 and a second concrete atomizing unit 118.
  • the concrete is mixed with compressed air.
  • the compressed air is made available to the first concrete spraying unit 114 by means of a compressed air supply line 116 which is coupled to one of the compressed air inlets 136, 140.
  • the concrete is additionally mixed with additional compressed air and an atomized accelerator.
  • the compressed air and the atomized accelerator are made available to the second concrete spraying unit 118 by means of the compressed air and accelerator supply line 120 .
  • the compressed air for the second concrete atomizing unit is preferably provided at the compressed air inlet 136 , 140 which is not fluidically coupled to the first concrete atomizing unit 114 .
  • the compressed air and accelerator supply line 120 is also fluidically coupled to the two-component nozzle 149 .
  • a blow-out unit 130 with a blow-out 132, for example a blow-out opening.
  • the nozzle device 100 also includes a sensor unit 122.
  • the sensor unit 122 includes a radar module 124 and a profile sensor module 126.
  • the radar module 124 is preferably set up to detect a spacing between the nozzle device 100 and a material layer applied with the nozzle device 100.
  • the profile sensor module 126 is set up in particular to detect dimensions of a material layer applied with the nozzle device 100 .
  • the nozzle device 100 also comprises a nozzle element interface 128 which is arranged and designed to form a connection between the nozzle unit 101 and the nozzle element 106 .
  • the nozzle member 106 preferably extends from the distal spraying end 112 to a proximal material inlet end.
  • a cavity preferably extends from the material inlet end to the injection end 112 . Within the cavity, concrete can pass from the material inlet end to the spray end 112.
  • the material inlet end faces the nozzle unit 101 during normal operation.
  • the spray end 112 faces away from the nozzle unit 101 during normal operation.
  • the cross-section of the nozzle element adjacent to the spray end 112 may have a dimension of 3 mm to 48 mm, for example.
  • the nozzle element 106 is arranged on the nozzle unit 101 in an exchangeable manner.
  • the nozzle element interface 120 is set up in such a way that the nozzle element 106 can be removed from the nozzle unit 101 and placed back on the nozzle unit 101 in an automated manner.
  • the nozzle device 100 also includes an ultrasonic unit 150.
  • the ultrasonic unit 150 is set up to introduce vibrations into the nozzle unit 101 and/or nozzle device 100 and/or into the nozzle element 106. The ultrasonic vibrations improve the spray quality.
  • FIG. 4 shows a production system 200 with a first handling unit 202 and a second handling unit 204.
  • a material application system 1 is arranged on the first handling unit 202. It is particularly preferred that only the nozzle device 100 is moved by the first handling unit and the other components of the material application system 1 are arranged statically and are coupled to the nozzle device 100 by means of elastic lines, for example.
  • the second handling unit 204 of the manufacturing system 200 is arranged and designed in particular to remove the nozzle element 106 from the nozzle unit 101 and to arrange a second nozzle element 108 on the nozzle unit 101 .
  • a method for producing a three-dimensional component from a material in particular a shotcrete component made from concrete, can be implemented in an advantageous manner.
  • these components enable a fully automatic process with independent error handling, which reduces the manual effort and can therefore be operated by just one person.
  • the manufacturing system 200, the material application system 1 and/or the nozzle device 100 reduces scrap and rework due to a higher process quality.
  • FIG. 5 shows a method for producing a three-dimensional component from a material, in particular a shotcrete component made from concrete.
  • a material is applied, in particular sprayed, which can be concrete, for example.
  • the application is carried out with a first nozzle element 106 arranged to be exchangeable on a nozzle unit 101.
  • the first nozzle element 106 is removed and a second nozzle element 108 is arranged.
  • a material is applied, in particular sprayed, using second nozzle element 108, which is arranged interchangeably on nozzle unit 101 .are, cleaned. In addition, cleaning can also be done while they are stored in a nozzle element tray.
  • step 308 a distance between the nozzle unit 101 and a material layer applied with the nozzle unit 101 is detected.
  • step 310 the dimensions of the layer of material applied with the nozzle unit 101 are recorded.
  • control device 158 Viscosity Sensor
  • first handling unit 204 second handling unit

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung (100) zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, ein Materialauftragsystem (1), ein Fertigungssystem (200) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Düsenvorrichtung (100) zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, umfassend eine Düseneinheit (101) mit einer Materialführung (102), die einen Materialeinlass (104) zum Einleiten eines Materials, insbesondere eines Betons, aufweist, und ein mit dem Materialeinlass (104) fluidisch gekoppeltes Düsenelement (106) zum Aufträgen des Materials, insbesondere des Betons, das vorzugsweise austauschbar an der Düseneinheit (101) angeordnet ist.

Description

Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, ein Materialauftragsystem, ein Fertigungssystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton.
Düsenvorrichtungen zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils sind grundsätzlich bekannt. Mit Düsenvorrichtungen werden Materialien verdüst auf einen Untergrund oder auf Materialschichten aufgetragen. Die Herstellung von Bauteilen mit verdüstern Material wird üblicherweise für Anwendungen eingesetzt, bei denen lediglich geringe Anforderungen an die Form- und/oder Positionsgenauigkeit gestellt werden.
Beispielsweise werden Böschungen mit Spritzbeton versehen, um diese gegen Abrutschen zu sichern. Darüber hinaus werden regelmäßig Tunnelportale mit Spritzbeton ausgebildet. Diese Anwendungen haben jedoch gemein, dass im Wesentlichen keine geometrisch definierten Bauteile oder Strukturen geschaffen werden, an die hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden.
Darüber hinaus sind bekannte Verfahren zum Verdüsen eines Materials in der Regel dadurch gekennzeichnet, dass diese einen hohen manuellen Aufwand erfordern. Je definierter die mit dem Verfahren herzustellende Geometrie ausgebildet werden soll, desto präziser ist das Material aufzutragen. Dieser präzise Auftrag des Materials erfordert eine kontinuierliche Regelung der Auftragsgeometrie sowie eine kontinuierliche Überwachung der Qualität des aufgetragenen Materials. Darüber hinaus führt der präzise Auftrag, einhergehend mit Prozessunterbrechungen und mit einer entsprechend ausgebildeten Düsenvorrichtung regelmäßig dazu, dass die Düsenvorrichtung verstopft und manuell gereinigt werden muss. Eine automatisierte Herstellung von Bauteilen ohne manuelle Eingriffe ist mit derartigen Düsenvorrichtungen derzeit nicht möglich.
Üblicherweise ist es nicht zulässig, dass ein Spritzbetonprozess während der Herstellung einer Struktur unterbrochen wird, da dies die Qualität des Bauteils in unzulässiger Weise verringert. Darüber hinaus ist es ein Nachteil der vorbekannten Lösungen, dass ein Beschleuniger lediglich ungleichmäßig in den Beton gemischt wird und daher höher dosiert werden muss als theoretisch notwendig. Dies führt zu höheren Bauteilkosten, steigert die Wahrscheinlichkeit für ein Verstopfen der Düsenvorrichtungen und kann im ungünstigsten Fall die Langzeitfestigkeit des Bauteils beeinflussen. Darüber hinaus ist es ein Nachteil der bisher eingesetzten Systeme, dass deren Mischwerke oder Verdüsungseinrichtungen einen hohen zusätzlichen Reinigungsaufwand erfordern und darüber hinaus bereits bei kurzen Stillständen die Gefahr besteht, dass aufgrund des Vorhandenseins von Beschleuniger und Betonmischwerk eine unerwünschte Aushärtung erfolgt.
Bei Verdüsungseinrichtungen besteht weiterhin der Nachteil, dass diese allein aufgrund der hohen Viskosität und der Partikelgrößen der eingesetzten Beschleuniger verstopfen. Darüber hinaus wird im Stand der Technik ein System verwendet, das eine Vielzahl unterschiedlicher Düsenspitzen mit unterschiedlicher Geometrie aufweist, um somit unterschiedliche Auftragsgeometrien zu ermöglichen. Dies reduziert jedoch die Flexibilität und insbesondere die Bewegungsfreiheit des Systems. Ein weiterer Nachteil bekannter Systeme ist, dass die Zuführung der gesamten Druckluft über einen einzelnen Massenstromregler erfolgt, so dass sich bei einem Zusetzen einer der Zerstäuberstufen die Mengenverhältnisse der Druckluft der Zerstäuberstufen derart verändern, dass ein Verstopfen der Düse begünstigt wird.
Die geringe Automatisierbarkeit des Verfahrens geht mit Veränderungen der Bauindustrie einher. Durch einen verstärkten Fachkräftemangel in der Bauindustrie ist von einem Rückgang der Produktivitätsmengen vor dem Hintergrund stagnierender Produktivität auszugehen. Bislang wurden in der Bauindustrie lediglich einfache Tätigkeiten automatisiert. Im Betonbau betrifft dies beispielsweise die Produktion einfacher standardisierter Bauteile, wie zum Beispiel Stützen oder Wände, die in Palettenumlaufanlagen produziert werden. Nicht standardisierte Bauteile mit individuellen Abmessungen erfordern zur Produktion hingegen einen hohen manuellen Aufwand zur Herstellung der notwendigen Schalung. Ferner sind die Anforderungen aus einschlägigen Normen bei der Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Betonbauteilen, zu berücksichtigen. Neben der hohen zu fertigenden Bauteilqualität für die Bauindustrie ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass in der Branche ein hoher Kostendruck herrscht.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, ein Materialauftragsystem, ein Fertigungssystem und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine Automatisierbarkeit eines Spritzbetonverfahrens ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, umfassend eine Düseneinheit mit einer Materialführung, die einen Materialeinlass zum Einleiten eines Materials, insbesondere eines Betons, aufweist, und ein mit dem Materialeinlass fluidisch gekoppeltes Düsenelement zum Aufträgen des Materials, insbesondere des Betons, das an der Düseneinheit angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das automatisierte Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, lediglich dann möglich ist, wenn ein stabiler Prozess eingerichtet ist und wenn Verstopfungen des Systems, sogenannte Düsenstopfer, vermieden werden. Die Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material ermöglicht die Einrichtung eines solchen Prozesses und die Vermeidung von Düsenstopfern unter anderem dadurch, dass das Düsenelement in vordefinierten Zeitabständen und/oder nach Erkennen eines Düsenstopfers gereinigt werden kann und/oder austauschbar ist.
Die Düsenvorrichtung ist zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material ausgebildet. Das Material kann aus einem Bestandteil oder aus zwei oder mehr Bestandteilen bestehen oder diese umfassen. Darüber hinaus kann die Düsenvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus zwei oder mehr Materialien ausgebildet sein. Die Düsenvorrichtung ist insbesondere zur Ausführung eines Spritzbetonprozesses bzw. -verfahrens ausgebildet. Insbesondere ermöglicht die zweiteilige Düsenvorrichtung mit der Düseneinheit und dem Düsenelement den Ausgleich von schwankender Betonkonsistenz. Darüber hinaus wird eine mehrstufige Betonverdüsung mit separaten Massenstromreglern für die Druckluft und vorgeschalteter Verdüsung bzw. Vernebelung des Beschleunigers, um ein gleichmäßiges Untermischen des Beschleunigers in den Beton zu gewährleisten, wie es im Folgenden noch näher erläutert wird, ermöglicht. Darüber hinaus kann eine aktive Temperierung der Betontemperatur durch Zugabe temperierter Druckluft erfolgen, um Temperaturschwankungen ausgleichen zu können.
Außerdem ermöglicht die Düsenvorrichtung den Einsatz hochfrequenter Schwingungen in der Düseneinheit und/oder in dem Düsenelement, um das Sprühverhalten zu verbessern. Ferner wird eine Geometriekorrektur der aufgetragenen Materialschicht auf Basis von robusten Sensordaten ermöglicht.
Die Düseneinheit weist die Materialführung mit dem Materialeinlass auf. Die Materialführung kann beispielsweise eine Leitung, ein Rohr und/oder ein Betonschlauch sein. Die Materialführung ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, um Beton zu transportieren, zu fördern und/oder zu leiten. Der Materialeinlass ist insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass mittels diesem die Materialführung mit einem Material, insbesondere Beton, befüllbar ist.
Darüber hinaus umfasst die Düsenvorrichtung das Düsenelement. Das Düsenelement ist fluidisch mit dem Materialeinlass gekoppelt. Fluidisch gekoppelt bedeutet insbesondere, dass ein Fluid von dem Materialeinlass zu dem Düsenelement gelangen kann, insbesondere ohne wesentliche Verluste. Die fluidische Kopplung kann beispielsweise mittels Schläuchen, Leitungen und/oder Rohren erfolgen. Insbesondere ist das Düsenelement mittels der Materialführung fluidisch mit dem Materialeinlass gekoppelt. Das Düsenelement weist vorzugsweise ein Materialeingangsende und ein dem Materialeingangsende gegenüberliegend angeordnetes Spritzende auf. Das Spritzende ist das distale Ende der Düsenvorrichtung. Das Materialeingangsende des Düsenelements ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Material in das Düsenelement gelangen kann. Das Düsenelement ist ferner vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Material vom Materialeingangsende hin zum Spritzende verbringbar ist. Das Spritzende des Düsenelements ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses einen Spritzbetonprozess ermöglicht. Das Düsenelement ist vorzugsweise austauschbar an der Düseneinheit angeordnet. Das Düsenelement kann beispielsweise aus einem elastischen Material, insbesondere aus einem elastischen Kunststoff, ausgebildet sein. Angrenzend an das Spritzende weist das Düsenelement vorzugsweise einen Spritzabschnitt auf, der insbesondere einen runden Querschnitt aufweisen kann. Ferner kann das Düsenelement und/oder der Spritzabschnitt als Löffeldüse, Zungendüse, Flachstrahldüse und/oder als Schlitzdüse ausgebildet sein.
Darüber hinaus ist das Düsenelement insbesondere angeordnet und ausgebildet, um das Material aufzutragen, insbesondere auf einer Bauteilunterlage und/oder auf einer Materialschicht. Das Aufträgen des Materials ist insbesondere ein Spritzen des Materials.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Düsenelementschnittstelle umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Verbindung der Düseneinheit mit dem Düsenelement auszubilden. Die Verbindung kann beispielsweise form- und/oder kraftschlüssig ausgebildet sein. Die Verbindung ist vorzugsweise eine mechanische Verbindung zum Ausbilden der fluidischen Kopplung. Die Düsenelementschnittstelle kann eine Zentrier- und/oder Verriegelungseinheit aufweisen. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Düsenelementschnittstelle zum automatischen Ein- und/oder Auswechseln des Düsenelements an der Düseneinheit ausgebildet ist.
Die Düsenelementschnittstelle ist ferner vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass das Material und vorzugsweise weitere Stoffe von der Düseneinheit zu dem Düsenelement gelangen können. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Düsenelementschnittstelle eine Materialschnittstelle, eine erste Druckluftschnittstelle, eine zweite Druckluftschnittstelle und/oder eine Beschleunigerschnittstelle aufweist.
Die Materialschnittstelle ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass das Material von der Düseneinheit zum Düsenelement gelangt. Die erste Druckluftschnittstelle ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass Druckluft mit einem ersten Druck von der Düseneinheit zu dem Düsenelement gelangen kann. Die zweite Druckluftschnittstelle ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass Druckluft mit einem zweiten Druck, der vorzugsweise verschieden von dem ersten Druck ist, von der Düseneinheit zu dem Düsenelement gelangen kann. Die Beschleunigerschnittstelle ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass ein Beschleuniger von der Düseneinheit zu dem Düsenelement gelangt. Eine oder beide der Druckluftschnittstellen kann bzw. können auch mit der Beschleunigerschnittstelle in einer Sammelschnittstelle ausgebildet sein. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Beschleuniger stromaufwärts von der Düsenelementschnittstelle mit Druckluft gemischt wird, sodass eine Verdüsung des Beschleunigers in der Düseneinheit erfolgt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Reinigungseinheit umfasst, die eingerichtet ist, um die Düseneinheit und/oder das Düsenelement zu reinigen, insbesondere mit einem druckbeaufschlagten Fluid, vorzugsweise Wasser und/oder Luft, und/oder einem Reinigungselement, insbesondere einem Reinigungsmolch oder einem Reinigungsball. Darüber hinaus kann die Reinigungseinheit eingerichtet sein, um mit der Düsenvorrichtung gekoppelte Leitungen und/oder Versorgungseinheiten zu reinigen.
Die Reinigungseinheit ist vorzugsweise eingerichtet, ein Fluid in druckluftführende Leitungen einzubringen, um das druckbeaufschlagte Fluid zu erzeugen. Die Düsenvorrichtung und die Reinigungseinheit sind insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass das druckbeaufschlagte Fluid der Materialführung zugeführt wird. Das Reinigungselement ist insbesondere zur Reinigung, insbesondere zur mechanischen Reinigung, der Materialführung ausgebildet.
Das Reinigungselement ist vorzugsweise mit einem Fluid in die Materialführung einführbar. Es ist insbesondere bevorzugt, das nach dem Einführen des Reinigungselements in die Materialführung, die Materialführung mit einem Fluid, insbesondere Druckluft, ausgeblasen wird.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Materialführung und/oder weitere Schläuche und/oder Leitungen Drucksensoren aufweisen, die eingerichtet sind, um Soll- mit Ist- Drücken zu vergleichen. Es ist daher bevorzugt, dass die im Folgenden noch näher erläuterte Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, dass diese Drucksignale der Drucksensoren empfängt und die Ist-Drücke mit Soll-Drücken vergleicht und bei einem Überschreiten einer vordefinierten Differenz zwischen Soll- und Ist-Druck ein eine Verstopfung charakterisierendes Verstopfungssignal erzeugt. Das Verstopfungssignal kann beispielsweise von der Reinigungseinheit empfangen werden und bewirkt vorzugsweise eine Auslösung eines Reinigungsvorgangs. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Düsenvorrichtung Volumen- und/oder Massestromsensoren aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, Sollwerte eines Volumen- und/oder Massestroms mit Istwerten des Volumen- und/oder Massestroms zu vergleichen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Düsenvorrichtung Füllstandssensoren zur Überwachung des Füllstands insbesondere innerhalb der Materialführung aufweisen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Düsenvorrichtung eingerichtet ist, um einen Reinigungszustand zu überwachen. Die Düsenvorrichtung weist vorzugsweise Zustandssensoren zur Überwachung des Reinigungszustands auf. ln einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine Ausblaseinheit zum Reinigen der Düsenvorrichtung umfasst. Die Ausblaseinheit und die Düseneinheit sind vorzugsweise eingerichtet, das nicht von der Düseneinheit und/oder dem Düsenelement verwendbare Materialkomponenten von der Ausblaseinheit entsorgt werden. Nicht von der Düseneinheit und/oder dem Düsenelement verwendbare Materialkomponenten sind insbesondere grobe Materialkomponenten, die nicht durch das Düsenelement hindurchführbar sind. Die Ausblaseinheit weist vorzugsweise eine Ausblasöffnung auf. Die Ausblaseinheit kann beispielsweise ein Ausblasventil sein oder dieses umfassen, das ferner vorzugsweise quetschventilbasiert ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine innerhalb der Materialführung wirkende Materialflusssteuereinheit zum Steuern eines Materialflusses des Materials umfasst. Die Materialflusssteuereinheit kann beispielsweise als ein Quetschventil ausgebildet sein. Die Materialflusssteuereinheit ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, um den Materialfluss, insbesondere den Betonfluss, zu steuern, vorzugsweise einzuleiten und/oder zu unterbrechen. Durch die Integration einer Materialflusssteuereinheit in die Düsenvorrichtung wird der Materialfluss mit einer geringen Beabstandung zum Düsenelement gesteuert, insbesondere eingeleitet und/oder unterbrochen. Im Gegensatz zu bekannten Steuereinheiten in der Nähe einer Betonbereitstellungseinheit kann somit ein präziseres Starten und Stoppen des Materialflusses ermöglicht werden.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Düsenvorrichtung einen innerhalb der Materialführung angeordneten Materialdrucksensor, insbesondere einen Betondrucksensor, aufweist. Der Materialdrucksensor ist zur Überwachung von Soll- und Ist-Drücken des Materials, insbesondere des Betons, angeordnet und ausgebildet, um vorzugsweise eine Düsenverschleißerkennung und/oder eine Verstopfungserkennung einzurichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine Sensorikeinheit zur Geometriekorrektur umfasst. Die Sensorikeinheit kann beispielsweise mindestens ein Radarmodul umfassen oder als ein Radarmodul ausgebildet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sensorikeinheit zwei oder mehr Radarmodule aufweist. Das Radarmodul ist vorzugsweise eingerichtet, eine Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung und einer mit der Düsenvorrichtung aufgetragenen Materialschicht zu detektieren. Ein Radarmodul kann zur Detektion der Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung und der Materialschicht in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, da ein Radarmodul keine freie Sicht zwischen Radarmodul und Materialschicht erfordert, wie es laser- oder kamerabasierte Systeme erfordern, beispielsweise solche, die auf Basis einer Triangulation oder des Time-of-Flight Prinzips funktionieren. Die Beabstandung betrifft vorzugsweise die Beabstandung zwischen dem Düsenelement, insbesondere einem Spritzende des Düsenelements, und einer Materialschicht.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Sensorikeinheit mindestens eine Lasermesseinheit aufweist, die eingerichtet, eine Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung und einer mit der Düsenvorrichtung aufgetragenen Materialschicht zu detektieren. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sensorikeinheit zwei oder mehr Lasermesseinheiten aufweist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Sensorikeinheit mindestens ein Profilsensormodul zur Erfassung von Abmessungen einer mit der Düseneinheit aufgetragenen Materialschicht umfasst oder als ein Profilsensormodul zur Erfassung von Abmessungen einer mit der Düseneinheit aufgetragenen Materialschicht ausgebildet ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sensorikeinheit zwei oder mehr Profilsensormodule aufweist. Vorzugsweise umfasst die Düseneinheit die Sensorikeinheit, insbesondere das Radarmodul und/oder das Profilsensormodul, sodass diese nicht mit dem Düsenelement ausgetauscht wird. Ferner vorzugsweise wird bei der Bestimmung der Beabstandung und/oder der Abmessungen eine Längserstreckung des Düsenelements berücksichtigt.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass ein mit der Düsenvorrichtung ausgestattetes Fertigungssystem ein Steuerungssystem umfasst, das eingerichtet ist, eine Materialschichthöhe durch Anpassen eines Düsenvorschubs bzw. einer Robotergeschwindigkeit und/oder eines Materialvolumenstroms zu steuern und/oder zu regeln, wobei insbesondere die von der Sensorikeinheit ermittelte Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung und der Materialschicht berücksichtigt wird. Der Materialvolumenstrom kann beispielsweise durch eine Anpassung einer Pumpleistung, insbesondere einer Betonpumpe, gesteuert bzw. geregelt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Steuerungssystem auch Teil der Düsenvorrichtung und/oder des Materialauftragsystems sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Steuerungssystem die im Folgenden beschriebene Steuerungsvorrichtung umfasst.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Steuerungssystem eingerichtet ist, um den Düsenvorschub in Abhängigkeit der durch die Sensorikeinheit erfassten Auftragshöhe der Materialschicht zur Kompensation von Ungenauigkeiten zwischen einer CAD- Bahnplanung und dem realen Auftragsprozess oder zur Kompensation von Ungenauigkeiten der Materialzuführung anzupassen.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das Steuerungssystem eingerichtet ist, um die Düsenposition in Abhängigkeit der durch die Sensorikeinheit erfassten Abmessung der Materialschicht anzupassen. Darüber hinaus kann das Steuerungssystem eingerichtet sein, um die Düsenposition in Abhängigkeit der durch die Sensorikeinheit erfassten Beabstandung von zwei nebeneinander liegenden Materialschichten anzupassen, um insbesondere Fehler bei einem flächigen Auftrag auszugleichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine Schwingungseinheit zur Einleitung von Schwingungen umfasst, die vorzugsweise eingerichtet ist, die Schwingungen in die Düseneinheit und/oder Düsenvorrichtung einzuleiten. Die Schwingungseinheit ist insbesondere zur Einleitung hochfrequenter Schwingungen ausgebildet. Die Schwingungseinheit kann beispielsweise Ultraschall emittieren und ist eine Ultraschalleinheit. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass mit der Einleitung von Schwingungen, insbesondere von Ultraschallschwingungen, in das Düsenelement die Auftragsqualität, insbesondere die Sprühqualität, verbessert und somit ein homogenerer Materialauftrag ermöglicht und das Risiko eines Düsenstopfers reduziert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine Steuerungsvorrichtung umfasst. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, um ein einen Abstand zwischen dem Düsenelement und einer erzeugten Materialschicht charakterisierendes Abstandssignal von der Sensorikeinheit zu empfangen, und/oder ein eine Abmessung einer erzeugten Materialschicht charakterisierendes Größensignal von der Sensorikeinheit zu empfangen, und auf Grundlage des Abstandssignals und/oder des Größensignals ein Steuersignal zur Steuerung einer die Düsenvorrichtung führende Handhabungseinheit zu erzeugen.
Das Steuersignal ist insbesondere eingerichtet, um die Handhabungseinheit derart zu steuern, dass ein Vorschub des Düsenelements angepasst wird. Darüber hinaus kann das Steuersignal alternativ oder ergänzend die die Düsenvorrichtung führende Handhabungseinheit derart steuern, dass ein Abstand zwischen der Düsenvorrichtung, insbesondere des Düsenelements, und der zu erzeugenden bzw. der erzeugten Materialschicht angepasst wird.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, um ein eine Materialkonsistenz des Materials charakterisierendes Konsistenzsignal zu empfangen und ein Konsistenzkorrektursignal zu erzeugen und zu senden. Mit dem Konsistenzkorrektursignal kann beispielsweise eine im Folgenden noch näher erläuterte Temperiereinheit gesteuert werden, da die Materialkonsistenz über die Temperatur der hinzugefügten Druckluft steuerbar ist.
Die Düsenvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Konsistenzsensor. Der Konsistenzsensor kann beispielsweise als Viskositätssensor ausgebildet sein, um eine Viskosität des Materials zu detektieren und auf dieser Grundlage das Konsistenzsignal zu erzeugen. Die Viskosität als ein Merkmal der Konsistenz kann in vorteilhafterweise für die Ermittlung einer Konsistenz verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung sieht vor, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, um ein eine Verstopfung charakterisierendes Verstopfungssignal zu empfangen oder eine Verstopfung zu detektieren und mit einem Reinigungssignal eine Reinigung zu veranlassen, insbesondere mittels der Reinigungseinheit, und/oder ein Austauschsignal zu erzeugen, das eine Handhabungseinheit veranlasst, das Düsenelement auszutauschen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, um eine massestromgeregelte unabhängige Druckluftzufuhr zu den im Folgenden noch näher erläuterten Materialverdüsungseinheiten zu steuern. Dadurch können konstante Strömungsverhältnisse in dem Düsenelement und infolgedessen eine konstante Auftrags- insbesondere Sprühqualität ermöglicht werden. Darüber hinaus kann dies auch bei teilweise verstopfter Verdüsung ermöglicht werden. Ergänzend oder alternativ kann die unabhängige Druckluftzufuhr auch volumenstromgeregelt sein.
Darüber hinaus kann die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet sein, einen Materialauftrag durch Ansteuerung der Materialflusssteuereinheit einzuleiten und/oder zu beendigen.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, ein Verschleißsignal zu empfangen und/oder zu erzeugen und auf Grundlage des Verschleißsignals ein Austauschsignal zu erzeugen, das eine Handhabungseinheit veranlasst, das Düsenelement auszutauschen. Das Verschleißsignal kann beispielsweise auf Grundlage eines Vergleichs von Soll-Drücken zu Ist-Drücken erzeugt werden. Die Steuerungsvorrichtung kann angeordnet und ausgebildet sein, das Verschleißsignal auf Grundlage eines Vergleichs von Soll-Drücken zu Ist-Drücken zu erzeugen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, eine Verstopfung präventiv zu detektieren und mit einem Reinigungssignal eine Reinigung zu veranlassen, insbesondere mittels der Reinigungseinheit, und/oder ein Austauschsignal zu erzeugen, das eine Handhabungseinheit veranlasst, das Düsenelement auszutauschen. Die Steuerungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um bei konstantem Druckluftvolumenstrom einen Druck der Druckluft zu erfassen und bei Überschreiten eines Druckluftschwellwertes eine Verstopfung präventiv zu detektieren.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, eine volumenstromgeregelte Beschleunigerzufuhr zu steuern, um Änderungen einer dosierten Beschleunigermenge durch Verschleiß an Pumpen oder schwankende Druckverhältnisse zu kompensieren. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eine Beschleunigerzugabemenge in Abhängigkeit einer dosierten Zementmenge des Betons steuert, um ein definiertes Verhältnis von Zementmenge zu Beschleunigermenge zu erzielen. Außerdem kann die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet sein, um das Verhältnis von Zementmenge zu Beschleunigermenge im Auftragsprozess in Abhängigkeit einer vordefinierten Materialfestigkeit zu steuern, welche das Verhältnis von Beschleuniger zu Zement vorgibt, um insbesondere den Auftragsprozess an Bauteilanforderungen anzupassen.
Ferner kann die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet sein, um das Verhältnis von Zementmenge zu Beschleunigermenge im Auftragsprozess in Abhängigkeit der durch einen Viskositätssensor erfassten Materialviskosität des Betons in dem Düsenelement zu steuern, um eine schwankende Betonviskosität auszugleichen. Darüber hinaus kann die Steuerungsvorrichtung angeordnet und ausgebildet sein, um die Materialauftragstemperatur durch Zugabe von Druckluft mit einer vordefinierten Temperatur anzupassen, insbesondere durch Ansteuerung einer Temperiereinheit. Die Druckluft ist insbesondere temperiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine erste Materialverdüsungseinheit umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, um das Material mit Luft zu vermischen und/oder zu zerstäuben. Die erste Materialverdüsungseinheit ist insbesondere als eine erste Betonverdüsungseinheit ausgebildet. Darüber hinaus kann die Düsenvorrichtung eine zweite Materialverdüsungseinheit, insbesondere eine zweite Betonverdüsungseinheit, umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, das Material mit Luft und einem Beschleuniger zu vermischen und/oder zu zerstäuben. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass das Düsenelement die erste Materialverdüsungseinheit und/oder die zweite Materialverdüsungseinheit umfasst. Die Materialverdüsungseinheiten können beispielsweise eine Kammer umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, dass das Material durch diese hindurchtritt, beispielsweise mit einer geraden Durchtrittsrichtung. Es ist ferner bevorzugt, dass die Materialverdüsungseinheiten Anschlüsse für Druckluft und/oder den Beschleuniger aufweisen, so dass die Druckluft und/oder der Beschleuniger in die im Vorherigen genannten Kammern einleitbar ist bzw. sind. Dadurch wird ermöglicht, dass in den Materialverdüsungseinheiten das Material mit Luft bzw. mit Luft und dem Beschleuniger vermischt und/oder zerstäubt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese einen ersten Drucklufteingang umfasst, der vorzugsweise mit einem ersten Drucksensor gekoppelt ist. Darüber hinaus kann die Düsenvorrichtung einen zweiten Drucklufteingang umfassen, der vorzugsweise mit einem zweiten Drucksensor gekoppelt ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der erste Drucklufteingang und/oder der erste Drucksensor mit der ersten Materialverdüsungseinheit und/oder der zweite Drucklufteingang und/oder der zweite Drucksensor mit der zweiten Materialverdüsungseinheit gekoppelt ist bzw. sind, insbesondere mittels einer ersten Druckluftleitung und/oder einer zweiten Druckluftleitung.
Durch die separate Bereitstellung von Druckluft für die erste Materialverdüsungseinheit und die zweite Materialverdüsungseinheit wird ermöglicht, dass der ersten Materialverdüsungseinheit und der zweiten Materialverdüsungseinheit Druckluft mit unterschiedlichen Parametern, insbesondere mit unterschiedlichen Drücken oder Massenströmen, bereitgestellt werden kann. Dadurch werden konstante Strömungsverhältnisse in dem Düsenelement und infolgedessen eine konstante Auftragsqualität bzw. Sprühqualität auch bei teilweise verstopfter Verdüsung ermöglicht. Darüber hinaus wird durch das Verdüsen des Betons in zwei Stufen, also insbesondere in der ersten Materialverdüsungseinheit und in der zweiten Materialverdüsungseinheit, die Vermischung von Beschleuniger und Beton gegenüber einer einstufigen Verdüsung verbessert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Zweistoffdüse zur Zerstäubung des Beschleunigers mit Druckluft umfasst. Die Zweistoffdüse ist vorzugsweise mit einem Drucklufteinlass und einem Beschleunigereinlass fluidisch gekoppelt, mittels derer eine Druckluft und ein Beschleuniger zur Zweistoffdüse leitbar sind. Dieser Drucklufteinlass ist vorzugsweise mit einem Druckregler gekoppelt, der von einer Druckluftleitung, die vorzugsweise zu einer der Materialverdüsungseinheiten führt, eine Druckluft abzapft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese eine Räumeinheit umfasst, insbesondere ein Nadelventil, das angeordnet und ausgebildet ist, die Zweistoffdüse durch Räumen von Material zu reinigen, wobei vorzugsweise die Räumeinheit eine Räumnadel zur Bewegung in die Zweistoffdüse umfasst. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Zweistoffdüse in Stromrichtung des Beschleunigers vor der ersten Materialverdüsungseinheit und/oder vor der zweiten Materialverdüsungseinheit angeordnet ist. Dadurch wird ermöglicht, dass der ersten und/oder zweiten Materialverdüsungseinheit ein zerstäubter Beschleuniger zur Verfügung gestellt wird. Dadurch wird ein verbessertes Untermischen des Beschleunigers in das Material bzw. in den Beton gewährleistet und die Wirksamkeit des Beschleunigers wird weiter verbessert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Düsenvorrichtung ist vorgesehen, dass diese einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur des Materials umfasst, wobei vorzugsweise die Materialführung den Temperatursensor umfasst. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Düsenvorrichtung eine Temperiereinheit zur Temperierung des Materials, insbesondere durch Erwärmen und/oder Kühlen einer dem Material zuzuführenden Druckluft umfasst. Die erwärmte und/oder gekühlte Druckluft kann beispielsweise dem Material innerhalb der ersten Materialverdüsungseinheit und/oder innerhalb der zweiten Materialverdüsungseinheit bereitgestellt werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Temperatursensor mit der Temperiereinheit gekoppelt ist und ein die Temperatur des Materials charakterisierendes Temperatursignal des Temperatursensors bereitstellt, und die Temperiereinheit eingerichtet ist, auf Grundlage des Temperatursignals die Temperatur des Materials und/oder der Druckluft einzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Materialauftragsystem zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, insbesondere für ein Spritzbetonverfahren, umfassend eine Düsenvorrichtung, insbesondere eine Düsenvorrichtung nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei die Düsenvorrichtung mit einer Materialbereitstellungseinheit, insbesondere einer Betonbereitstellungseinheit, derart gekoppelt ist, dass für eine bzw. die Düseneinheit Material, insbesondere Beton, bereitstellbar ist. Das Materialauftragsystem ist insbesondere eingerichtet, um das Material mittels eines von der Düseneinheit umfassten Düsenelements zu spritzen. Die Materialbereitstellungseinheit ist ferner vorzugsweise eingerichtet, um Material druck- und/oder volumenstromgeregelt bereitzustellen.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Materialauftragsystems zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine Reinigungsvorrichtung umfasst. Die Reinigungsvorrichtung ist insbesondere mit einem Reinigungsabschnitt in das Düsenelement hineinführbar ausgebildet, insbesondere von einem distalen Ende bzw. Spritzende des Düsenelements ausgehend. Die Reinigungsvorrichtung ist eingerichtet, um Verstopfungen durch mechanische Einwirkung und/oder durch Einbringen eines Fluids zu lösen bzw. zu beseitigen. Die Reinigungsvorrichtung, insbesondere der Reinigungsabschnitt, umfasst vorzugsweise einen Fluidkanal mit einem Reinigungsauslass, der in das Düsenelement hineinführbar ist.
Ferner vorzugsweise weist der Reinigungsabschnitt eine stabförmige Geometrie auf, wobei die Außenabmessungen des Reinigungsabschnitts zur Einführung in das Düsenelement korrespondierend zu den Innenabmessungen des Düsenelements ausgebildet sind. Die Außenabmessungen des Reinigungsabschnitts sind vorzugsweise geringer als die Innenabmessungen des Düsenelements, wobei vorzugsweise ein Größenverhältnis aus einer der Innenabmessungen zu einer der Außenabmessungen weniger als 95%, weniger als 90%, weniger als 80% oder weniger als 50% beträgt. Ferner ist es bevorzugt, dass das Größenverhältnis größer als 10%, größer als 20% oder größer als 30% beträgt. Die Reinigungsvorrichtung, insbesondere der Reinigungsabschnitt, ist vorzugsweise als eine fluidführende Reinigungslanze ausgebildet oder umfasst diese.
Die Reinigungsvorrichtung kann ortsfest angeordnet sein, sodass das Düsenelement zur Reinigungsvorrichtung bewegt wird, um eine Reinigung durchzuführen. Das Düsenelement kann beispielsweise derart zur Reinigungsvorrichtung bewegt werden, dass eine Öffnungsachse des Düsenelements und eine Reinigungsachse des Reinigungsabschnitts im Wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Anschließend kann eine axiale Bewegung des Düsenelements in Richtung der Reinigungsvorrichtung durchgeführt werden, um den Reinigungsabschnitt in das Düsenelement einzuführen, sodass eine mechanische Reinigung erfolgt. Darüber hinaus kann ein Fluidstrom aus dem Reinigungsauslass bewirkt werden, sodass das Düsenelement fluidisch gereinigt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Materialauftragsystems ist vorgesehen, dass dieses eine Düsenelementablage für Düsenelemente aufweist. Die Düsenelementablage dient zur Ablage der sich nicht im Einsatz befindlichen Düsenelemente. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Materialauftragsystem eine erste Fluidbereitstellungseinheit umfasst, insbesondere eine Druckluftbereitstellungseinheit, die mit der Düsenvorrichtung derart gekoppelt ist, dass der Düsenvorrichtung ein erstes Fluid, vorzugsweise Luft, insbesondere Druckluft, bereitstellbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Materialauftragsystems ist vorgesehen, dass die erste Fluidbereitstellungseinheit mit der Materialbereitstellungseinheit, insbesondere mit einer Materialzuleitung zwischen der Materialbereitstellungseinheit und der Düsenvorrichtung, gekoppelt ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass zwischen der ersten Fluidbereitstellungseinheit und der Materialbereitstellungseinheit, insbesondere der Materialzuleitung, ein Druckluftventil angeordnet ist, um einen ersten Fluidstrom zu der Materialbereitstellungseinheit zu steuern. Es ist bevorzugt, dass das Materialauftragsystem einen, zwei oder mehrere Fluidstromregler aufweist, der bzw. die zur Massenstrom- und/oder Volumenstromregelung des Fluidstroms und/oder weiterer Fluidströme ausgebildet ist oder sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Materialauftragsystems zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine Zusatzmittelbereitstellungseinheit umfasst, insbesondere eine Beschleunigerbereitstellungseinheit, die mit der Düsenvorrichtung derart gekoppelt ist, dass ein Zusatzmittel, insbesondere ein Beschleuniger, dem Material, insbesondere dem Beton, zuführbar ist, insbesondere innerhalb der Düsenvorrichtung. Die Zusatzmittelbereitstellungseinheit ist insbesondere derart eingerichtet, dass eine volumenstromgeregelte Zusatzmittelzufuhr, insbesondere Beschleunigerzufuhr, erfolgt. Die Zusatzmittelbereitstellungseinheit umfasst vorzugsweise eine pulsationsarme Schneckenpumpe zum Dosieren des Zusatzmittels, insbesondere des Beschleunigers.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Materialauftragsystems umfasst eine zweite Fluidbereitstellungseinheit, insbesondere eine Wasserbereitstellungseinheit, die mit der Düseneinheit, der Düsenvorrichtung, der Materialbereitstellungseinheit, der ersten Fluidbereitstellungseinheit und/oder der Zusatzmittelbereitstellungseinheit gekoppelt ist, insbesondere fluidisch gekoppelt ist, um diesen ein zweites Fluid, insbesondere Wasser, bereitzustellen. Das zweite Fluid kann beispielsweise auch von der Reinigungseinheit und/oder der Reinigungsvorrichtung zur Reinigung der Düsenvorrichtung verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Materialauftragsystems ist vorgesehen, dass eine bzw. die Steuerungsvorrichtung eine Speichereinheit umfasst, in der ein Materialmodell hinterlegt ist, welches Zusammenhänge zwischen Geometrie, insbesondere Materialschichthöhe, Materialschichtbreite und Materialschichtform, und/oder Materialkonsistenz der aufgetragenen Materialschicht in Abhängigkeit von Prozessparametern, insbesondere Drücken, Volumenströmen, Düsenabständen und/oder Vorschubgeschwindigkeiten, abbildet, um im laufenden Prozess die Prozess para meter definiert derart anzupassen, dass sich kontinuierlich änderbare Geometrien der aufgetragenen Materialschicht oder Materialeigenschaften ergeben.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, ein im Vorherigen beschriebenes Materialmodell automatisiert zu erzeugen, indem die Prozessparameter automatisiert angepasst und die resultierende Geometrie und Materialkonsistenz automatisch erfasst werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass bei der Erzeugung des Materialmodells Verfahren zum maschinellen Lernen, beispielsweise neuronale Netze, eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, eine Bewegung des Düsenelements derart zu steuern und/oder zu regeln, dass die Reinigungsvorrichtung mit dem Reinigungsabschnitt in das Düsenelement eingeführt wird. Es ist ferner bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung einen Fluidstrom durch die Reinigungsvorrichtung in das Düsenelement steuert. Der Fluidstrom wird vorzugsweise von einer Fluidpumpe bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe, gelöst durch ein Fertigungssystem, umfassend ein Materialauftragsystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten und/oder eine Düsenvorrichtung nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, und eine erste Handhabungseinheit zur Bewegung der Düsenvorrichtung, um ein Material, insbesondere Beton, aufzutragen, insbesondere aufzuspritzen, und/oder eine zweite Handhabungseinheit zur Handhabung des Düsenelements, insbesondere zum Austausch des Düsenelements.
Die erste Handhabungseinheit und/oder die zweite Handhabungseinheit kann bzw. können beispielsweise als ein Roboter, insbesondere als ein Knickarmroboter ausgebildet sein. Die zweite Handhabungseinheit kann darüber hinaus als mechanische Halterung ausgebildet sein oder diese umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, umfassend den Schritt: Aufträgen, insbesondere Spritzen, des Materials, insbesondere des Betons, mit einem an einer Düseneinheit angeordneten ersten Düsenelement. Es ist bevorzugt, dass das Düsenelement austauschbar an der Düseneinheit angeordnet ist und das Verfahren die Schritte umfasst: Entnahme des ersten Düsenelements und Anordnen eines zweiten Düsenelements, und Aufträgen, insbesondere Spritzen, des Materials, insbesondere des Betons, mit dem an der Düseneinheit austauschbar angeordneten zweiten Düsenelement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass dieses den Schritt umfasst: Reinigen des ersten Düsenelements und/oder des zweiten Düsenelements während dieses bzw. diese an der Düseneinheit angeordnet ist bzw. sind und/oder während dieses bzw. diese in einer Düsenelementablage gelagert ist bzw. sind. Ferner kann das Verfahren den Schritt umfassen: Reinigen der Düseneinheit.
Das Reinigen erfolgt vorzugsweise mit einem Fluid und/oder mit einem Reinigungselement. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Reinigen in vordefinierten Reinigungszyklen und/oder bei Erkennen einer Verstopfung erfolgt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt umfasst: Detektieren einer Beabstandung zwischen der Düseneinheit und einer mit der Düseneinheit aufgetragenen Materialschicht, und/oder Erfassung von Abmessungen der mit der Düseneinheit aufgetragenen Materialschicht.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das Verfahren den Schritt umfasst: Automatische Zugabe von Schmiermitteln und/oder einer Zementschlemme in das Materialauftragsystem beim Starten der Anlage, um eine Pumpbarkeit des Betons zu gewährleisten. Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: druckbasierte Detektion des Schmiermittels im Materialauftragsystem, um dieses so lange zu pumpen, bis die erste Betoncharge die Düsenvorrichtung erreicht. Darüber hinaus kann eine Detektion des Schmiermittels durch konduktive oder andere Grenzstandsensorik erfolgen. Es kann ferner bevorzugt sein, dass die oder eine Grenzstandsensorik zur Detektion des Betons und/oder des Reinigungszustandes in der Materialführung eingesetzt wird.
Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Öffnen eines Beton- und/oder eines Beschleunigerventils beim Starten der Düsenvorrichtung nach Erreichen eines definierten Soll-Drucks, um eine Beschleunigerwirkung sicherzustellen und/oder sodass der Beschleunigeranteil einen Schwellwert nicht überschreitet, ab dem beispielsweise die Materialführung oder das Düsenelement verstopft. Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: sequenzgesteuerter Düsenelementstart, bei dem der Beschleuniger erst nach einer vordefinierten Zeit und nach der Hinzugabe von Beton und Druckluft hinzugegeben wird, um Düsenstopfer zu verhindern. Hierdurch wird beim Starten des Verfahrens vermieden, dass der Beschleuniger den Beton innerhalb des Düsenelements und/oder der Düseneinheit erstarren lässt und das Düsenelement unbrauchbar wird.
Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: sequenzgesteuerter Düsenelementstopp, bei dem die Beschleunigerzugabe beendet wird und nach einer vordefinierten Zeit nach Beendigung der Beschleunigerzugabe die Hinzugabe von Beton und Druckluft beendet wird. Der sequenzgesteuerte Düsenelementstopp hat den Vorteil, dass sich beim Beenden des Verfahrens kein oder wenig Beschleuniger in dem Düsenelement und/oder der Düseneinheit befindet und somit ein zügiges Erstarren von Beton vermieden wird.
Das Verfahren und seine möglichen Fortbildungen weisen Merkmale bzw. Verfahrensschritte auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, für eine Düsenvorrichtung und/oder ein Materialauftragsystem und/oder ein Fertigungssystem und ihre Fortbildungen verwendet zu werden. Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen der Düsenvorrichtung verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform eines Materialauftragsystems;
Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Düsenvorrichtung;
Figur 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Düsenvorrichtung;
Figur 4: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform eines Fertigungssystems; und
Figur 5: ein schematisches Verfahren.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt ein Materialauftragsystem 1. Das Materialauftragsystem 1 umfasst eine
Düsenvorrichtung 100, eine Betonbereitstellungseinheit 2, eine erste Fluidbereitstellungseinheit, die als Druckluftbereitstellungseinheit 14 ausgebildet ist, eine Beschleunigerbereitstellungseinheit 28 und eine zweite Fluidbereitstellungseinheit, die als Wasserbereitstellungseinheit 34 ausgebildet ist. Die Betonbereitstellungseinheit 2, die Druckluftbereitstellungseinheit 14 und die Beschleunigerbereitstellungseinheit 28 sind mittels Leitungen mit der Düsenvorrichtung 100 verbunden, insbesondere fluidisch gekoppelt.
Die Betonbereitstellungseinheit 2 ist mit der Materialleitung 10 mit der Düsenvorrichtung 100 fluidisch gekoppelt. Innerhalb der Materialleitung 10 wirkt ein erster Betondrucksensor 6 und ein Betonvolumenstromsensor 8. Darüber hinaus ist die Betonbereitstellungseinheit 2 mit einer Abwassereinheit 4 gekoppelt, wobei die Abwassereinheit 4 ein Quetschventil aufweist.
Die Druckluftbereitstellungseinheit 14 ist mittels Druckluftleitungen mit der Düsenvorrichtung 100 gekoppelt, wobei zwei Druckluftleitungen von der Druckluftbereitstellungseinheit 14 zur Düsenvorrichtung 100 führen. Eine erste Druckluftleitung umfasst eine erste Temperiereinheit 16 und einen ersten Massenstromregler 18. Mittels der ersten Temperiereinheit 16 kann die Temperatur der zur Verfügung gestellten Druckluft geregelt bzw. eingestellt werden. Mittels des ersten Massenstromreglers 18 kann ein Massenstrom der zur Verfügung gestellten Druckluft eingestellt werden.
Eine zweite Druckluftleitung umfasst analog zur ersten Druckluftleitung eine zweite Temperiereinheit 20 und einen zweiten Massenstromregler 22. Zwischen dem zweiten Massenstromregler 22 und der Düsenvorrichtung 100 ist ferner ein Druckregler 24 zur Entnahme einer druckgeregelten Druckluft vorgesehen, wobei die abgehende Leitung ebenfalls in die Düsenvorrichtung 100 führt und insbesondere fluidisch mit der Zweistoffdüse 149 zur Zerstäubung des Beschleunigers gekoppelt ist. Darüber hinaus ist eine fluidische Verbindung zwischen der Druckluftbereitstellungseinheit 14 und der Materialleitung 10 über ein Druckluftventil 12 und zwischen der Druckluftbereitstellungseinheit 14 und der Beschleunigerbereitstellungseinheit 28 mittels eines Druckluftventils 26 einrichtbar, wobei die Druckluft verwendet werden kann, um die Leitungen mit Druckluft zu reinigen.
Die Beschleunigerbereitstellungseinheit 28 ist ebenfalls über eine Leitung mit der Düsenvorrichtung 100 gekoppelt. Innerhalb dieser Leitung ist ein Beschleunigerdrucksensor 30 sowie ein Beschleunigervolumenstromsensor 32 vorgesehen. Die Wasserbereitstellungseinheit 34 ist mit der Betonbereitstellungseinheit 2 und der Beschleunigerbereitstellungseinheit 28 fluidisch gekoppelt, um eine Reinigung der Leitungen mit Wasser zu ermöglichen. Hierfür sind die Wasserventile 36 - 40 vorgesehen. Das Materialauftragsystem 1 umfasst ferner eine Reinigungsvorrichtung 46 mit einer Reinigungslanze 110. Die Reinigungslanze 110 ist mit einem Reinigungsabschnitt in das Düsenelement einführbar. Darüber hinaus geht von der Wasserbereitstellungseinheit 34 eine Hochdruckleitung 42 ab, mittels derer in Kombination mit der Reinigungslanze 110 und einer Hochdruckpumpe 44 ein Düsenelement 106 gereinigt werden kann. Die Wasserbereitstellungseinheit 34 kann beispielsweise ein Fluid bereitstellen, das aus einer Reinigungsöffnung der Reinigungslanze 1 10 austritt.
Ferner umfasst die Düsenvorrichtung 100 eine Reinigungseinheit 160, die eingerichtet ist, um die Düseneinheit 101 und/oder das Düsenelement 106 zu reinigen, insbesondere mit einem druckbeaufschlagten Fluid, vorzugsweise Wasser, und/oder einem Reinigungselement, insbesondere einem Reinigungsmolch.
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Detailansicht der Düsenvorrichtung 100. Beton gelangt über die Materialleitung 10 zu dem Materialeinlass 104. Der Materialeinlass 104 ist mit einer Materialführung 102 gekoppelt, die sich insbesondere von dem Materialeinlass 104 hin zu dem Düsenelement 106 erstreckt. Stromabwärts von dem Materialeinlass 104 ist ein Viskositätssensor 158 angeordnet, der eingerichtet ist, die Konsistenz, insbesondere die Viskosität, des Materials, hier des Betons, zu messen. Ferner umfasst die Düsenvorrichtung 100 einen ersten Drucklufteinlass 136 mit einem ersten Drucksensor 138 und einen zweiten Drucklufteinlass 140 mit einem zweiten Drucksensor 142. Darüber hinaus umfasst die Düsenvorrichtung 100 einen dritten Drucklufteinlass 144 für die am Druckregler 24 abgezapfte Druckluft, der mit der Zweistoffdüse 149 fluidisch gekoppelt ist. Ferner umfasst die Düsenvorrichtung 100 einen Beschleunigereinlass 146 mit einem Beschleunigerdrucksensor 148, der mit der Zweistoffdüse 149 fluidisch gekoppelt ist. In der Zweistoffdüse 149 wird der Beschleuniger mit der zugeführten Druckluft zerstäubt.
Die Materialführung 102 ist derart eingerichtet, dass das Material, insbesondere der Beton, von dem Materialeinlass 104 bis zum Düsenelement 106 verbringbar ist. Innerhalb der Materialführung 102 ist ferner ein zweiter Betondrucksensor 152 sowie eine Materialflusssteuereinheit 154 vorgesehen, die als Betonventil wirken kann. Durch die Ansteuerung der Materialflusssteuereinheit 154 kann ein Betonfluss gestartet oder gestoppt werden.
Flussabwärts von der Materialflusssteuereinheit 154 ist ein Temperatursensor 134 vorgesehen. Der Temperatursensor 134 sendet vorzugsweise ein Temperatursignal an eine Steuerungsvorrichtung 156, die wiederum die erste Temperiereinheit 16 und/oder die zweite Temperiereinheit 20 ansteuert, um eine Temperatur des Betons zu regeln. Weiter flussabwärts gelangt der Beton in das Düsenelement 106, das eine erste Betonverdüsungseinheit 114 und eine zweite Betonverdüsungseinheit 1 18 aufweist. In der ersten Betonverdüsungseinheit 114 wird der Beton mit einer Druckluft vermischt. Die Druckluft wird der ersten Betonverdüsungseinheit 1 14 mittels einer Druckluftzuleitung 116, die mit einem der Drucklufteinlässe 136, 140 gekoppelt ist, zur Verfügung gestellt. In der zweiten Betonverdüsungseinheit 118 wird der Beton zusätzlich mit weiterer Druckluft und einem zerstäubten Beschleuniger vermengt. Die Druckluft und der zerstäubte Beschleuniger werden der zweiten Betonverdüsungseinheit 1 18 mittels der Druckluft- und Beschleunigerzuleitung 120 zur Verfügung gestellt. Die Druckluft für die zweite Betonverdüsungseinheit wird vorzugsweise bei dem Drucklufteinlass 136, 140 bereitgestellt, der nicht mit der ersten Betonverdüsungseinheit 114 fluidisch gekoppelt ist. Druckluft- und Beschleunigerzuleitung 120 ist ferner mit der Zweistoffdüse 149 fluidisch gekoppelt.
Zur Reinigung der Düsenvorrichtung 100 ist diese mit einer Ausblaseinheit 130 mit einer Ausblasung 132, beispielsweise einer Ausblasöffnung, versehen.
Die Düsenvorrichtung 100 umfasst darüber hinaus eine Sensorikeinheit 122. Die Sensorikeinheit 122 umfasst ein Radarmodul 124 und ein Profilsensormodul 126. Das Radarmodul 124 ist vorzugsweise eingerichtet, eine Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung 100 und einer mit der Düsenvorrichtung 100 aufgetragenen Materialschicht zu detektieren. Das Profilsensormodul 126 ist insbesondere eingerichtet, um Abmessungen einer mit der Düsenvorrichtung 100 aufgetragenen Materialschicht zu erfassen.
Die Düsenvorrichtung 100 umfasst darüber hinaus eine Düsenelementschnittstelle 128, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Verbindung der Düseneinheit 101 mit dem Düsenelement 106 auszubilden.
Das Düsenelement 106 erstreckt sich vorzugsweise von dem distalen Spritzende 112 hin zu einem proximalen Materialeinlassende. Von dem Materialeinlassende hin zu dem Spritzende 112 erstreckt sich vorzugsweise ein Hohlraum. Innerhalb des Hohlraums kann Beton vom Materialeinlassende hin zum Spritzende 1 12 gelangen. Das Materialeinlassende ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Düseneinheit 101 zugewandt. Das Spritzende 112 ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Düseneinheit 101 abgewandt. Der Querschnitt des Düsenelements angrenzend an das Spritzende 112 kann beispielsweise eine Abmessung von 3 mm bis 48 mm aufweisen. Das Düsenelement 106 ist austauschbar an der Düseneinheit 101 angeordnet. Die Düsenelementschnittstelle 120 ist derart eingerichtet, dass das Düsenelement 106 automatisiert von der Düseneinheit 101 entnehmbar und wieder an der Düseneinheit 101 anordenbar ist.
Die Düsenvorrichtung 100 umfasst darüber hinaus eine Ultraschalleinheit 150. Die Ultraschalleinheit 150 ist eingerichtet, um Schwingungen in die Düseneinheit 101 und/oder Düsenvorrichtung 100 und/oder in das Düsenelement 106 einzuleiten. Die Ultraschallschwingungen verbessern die Sprühqualität.
Figur 4 zeigt ein Fertigungssystem 200 mit einer ersten Handhabungseinheit 202 und einer zweiten Handhabungseinheit 204. An der ersten Handhabungseinheit 202 ist ein Materialauftragsystem 1 angeordnet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass lediglich die Düsenvorrichtung 100 von der ersten Handhabungseinheit bewegt wird und die weiteren Komponenten des Materialauftragsystems 1 statisch angeordnet und beispielsweise mittels elastischer Leitungen mit der Düsenvorrichtung 100 gekoppelt sind. Die zweite Handhabungseinheit 204 des Fertigungssystems 200 ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, um das Düsenelement 106 von der Düseneinheit 101 zu entnehmen und ein zweites Düsenelement 108 an der Düseneinheit 101 anzuordnen.
Mit dem Materialauftragsystem 1 und/oder mit dem Fertigungssystem 200 und/oder mit der Düsenvorrichtung 100 kann ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, in vorteilhafter Weise realisiert werden. Insbesondere ermöglichen diese Komponenten einen vollautomatischen Prozess mit selbstständiger Fehlerbehandlung, die den manuellen Aufwand reduziert und somit von lediglich einer Person bedient werden kann. Darüber hinaus reduziert das Fertigungssystem 200, das Materialauftragsystem 1 und/oder die Düsenvorrichtung 100 den Ausschuss und die Nacharbeit aufgrund einer höheren Prozessqualität.
Ferner wird eine höhere Genauigkeit zwischen CAD-Planung und Produktionsprozess ermöglicht, die die Entwicklungsaufwände für neue Bauteile reduziert. Darüber hinaus ist das Fertigungssystem 200, das Materialauftragsystem 1 und/oder die Düsenvorrichtung 100 flexibel einsetzbar, da das System durch die Temperaturkompensation in kalten und auch in heißen Regionen verwendbar ist. Darüber hinaus ermöglicht das Fertigungssystem 200, das Materialauftragsystem 1 und die Düsenvorrichtung 100 neue Anwendungsfälle für das Herstellen von dreidimensionalen Betonbauteilen, nämlich durch die Anpassung der Auftragsgeometrie während des laufenden Prozesses. Figur 5 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton. In Schritt 300 wird ein Material aufgetragen, insbesondere gespritzt, das beispielsweise Beton sein kann. Das Aufträgen erfolgt mit einem an einer Düseneinheit 101 austauschbar angeordneten ersten Düsenelement 106. In Schritt 302 wird das erste Düsenelement 106 entnommen und ein zweites Düsenelement 108 wird angeordnet. In Schritt 304 wird ein Material aufgetragen, insbesondere gespritzt, mit dem an der Düseneinheit 101 austauschbar angeordneten zweiten Düsenelement 108. In Schritt 306 wird das erste Düsenelement 106 und/oder das zweite Düsenelement 108 während dieses bzw. diese an der Düseneinheit 106 angeordnet ist bzw. sind, gereinigt. Darüber hinaus kann das Reinigen auch erfolgen, während diese in einer Düsenelementablage gelagert sind.
In Schritt 308 erfolgt eine Detektion einer Beabstandung zwischen der Düseneinheit 101 und einer mit der Düseneinheit 101 aufgetragenen Materialschicht. In Schritt 310 werden die Abmessungen der mit der Düseneinheit 101 aufgetragenen Materialschicht erfasst.
BEZUGSZEICHEN
1 Materialauftragsystem
2 Betonbereitstellungseinheit
4 Abwassereinheit mit Quetschventil
6 erster Betondrucksensor
8 Betonvolumenstromsensor
10 Materialleitung
12 Druckluftventil
14 Druckluftbereitstellungseinheit
16 erste Temperiereinheit
18 erster Massenstromregler
20 zweite Temperiereinheit
22 zweiter Massenstromregler
24 Druckregler
26 Druckluftventil
28 Beschleunigerbereitstellungseinheit
30 Beschleunigerdrucksensor
32 Beschleunigervolumenstromsensor
34 Wasserbereitstellungseinheit
36 erstes Wasserventil
38 zweites Wasserventil
40 drittes Wasserventil
42 Hochdruckleitung
44 Hochdruckpumpe
46 Reinigungsvorrichtung
100 Düsenvorrichtung
101 Düseneinheit
102 Matenalführung 104 Materialeinlass
106 Düsenelement
108 zweites Düsenelement
110 Reinigungslanze
112 Spritzende
114 erste Betonverdüsungseinheit
116 Druckluftzuleitung
118 zweite Betonverdüsungseinheit
120 Druckluft- und Beschleunigerzuleitung
122 Sensorikeinheit
124 Radarmodul
126 Profilsensormodul
128 Düsenelementschnittstelle
130 Ausblaseinheit
132 Ausblasung
134 Temperatursensor
136 erster Drucklufteinlass
138 erster Drucksensor
140 zweiter Drucklufteinlass
142 zweiter Drucksensor
144 dritter Drucklufteinlass
146 Beschleunigereinlass
148 Beschleunigerdrucksensor
149 Zweistoffdüse
150 Ultraschalleinheit
152 zweiter Betondrucksensor
154 Materialflusssteuereinheit
156 Steuerungsvorrichtung 158 Viskositätssensor
160 Reinigungseinheit
200 Fertigungssystem
202 erste Handhabungseinheit 204 zweite Handhabungseinheit

Claims

- 27 -
ANSPRÜCHE Düsenvorrichtung (100) zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, umfassend eine Düseneinheit (101) mit einer Materialführung (102), die einen Materialeinlass (104) zum Einleiten eines Materials, insbesondere eines Betons, aufweist, und ein mit dem Materialeinlass (104) fluidisch gekoppeltes Düsenelement (106) zum Aufträgen des Materials, insbesondere des Betons, das vorzugsweise austauschbar an der Düseneinheit (101) angeordnet ist. Düsenvorrichtung (100) nach dem vorherigen Anspruch, umfassend eine Düsenelementschnittstelle (128), die angeordnet und ausgebildet ist, eine Verbindung der Düseneinheit (101) mit dem Düsenelement (106) auszubilden, und wobei vorzugsweise die Düsenelementschnittstelle (128) eine Materialschnittstelle, eine erste Druckluftschnittstelle, eine zweite Druckluftschnittstelle und/oder eine Beschleunigerschnittstelle aufweist. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Reinigungseinheit (160), die eingerichtet ist, um die Düseneinheit (101) und/oder das Düsenelement (106) zu reinigen, insbesondere mit einem druckbeaufschlagten Fluid, vorzugsweise Wasser, und/oder einem Reinigungselement, insbesondere einem Reinigungsmolch. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Ausblaseinheit (130) zum Reinigen der Düsenvorrichtung (100), und wobei vorzugsweise die Ausblaseinheit (130) und die Düseneinheit (101) eingerichtet sind, das nicht von der Düseneinheit (101) verwendbare Materialkomponenten von der Ausblaseinheit (130) entsorgt werden. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine innerhalb der Materialführung (102) wirkende Materialflusssteuereinheit (154) zum Steuern eines Materialflusses, die insbesondere als ein Quetschventil ausgebildet ist, und/oder einen Materialdrucksensor (152), insbesondere einen Betondrucksensor, innerhalb der Materialführung (102).
6. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Sensorikeinheit (122) zur Geometriekorrektur, wobei die Sensorikeinheit (122) mindestens ein Radarmodul (124) umfasst oder als ein Radarmodul (124) ausgebildet ist, und vorzugsweise das Radarmodul (124) eingerichtet ist, eine Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung (100) und einer mit der Düsenvorrichtung (100) aufgetragenen Materialschicht zu detektieren, und/oder wobei die Sensorikeinheit (122) mindestens ein Profilsensormodul (126) zur Erfassung von Abmessungen einer mit der Düsenvorrichtung (100) aufgetragenen Materialschicht umfasst oder als ein Profilsensormodul (126) zur Erfassung von Abmessungen einer mit der Düsenvorrichtung (100) aufgetragenen Materialschicht ausgebildet ist.
7. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Schwingungseinheit (150) zur Einleitung von Schwingungen, die vorzugsweise eingerichtet ist, die Schwingungen in die Düseneinheit (101) und/oder Düsenvorrichtung (100) einzuleiten.
8. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Steuerungsvorrichtung (156), die angeordnet und ausgebildet ist, ein einen Abstand zwischen dem Düsenelement (106) und einer erzeugten Materialschicht charakterisierendes Abstandssignal von der Sensorikeinheit (122) zu empfangen, und/oder ein eine Abmessung einer erzeugten Materialschicht charakterisierendes Größensignal zu empfangen, und auf Grundlage des Abstandssignals und/oderdes Größensignals ein Steuersignal zur Steuerung einer die Düsenvorrichtung (101) führende Handhabungseinheit zu erzeugen, und/oder ein eine Materialkonsistenz des Materials charakterisierendes Konsistenzsignal zu empfangen und ein Konsistenzkorrektursignal zu erzeugen und zu senden, und/oder ein eine Verstopfung charakterisierendes Verstopfungssignal zu empfangen oder eine Verstopfung zu detektieren und mit einem Reinigungssignal eine Reinigung zu veranlassen, insbesondere mittels der Reinigungseinheit (160), und/oder ein Austauschsignal zu erzeugen, das eine Handhabungseinheit veranlasst, das Düsenelement (106) auszutauschen, und/oder einen Materialauftrag durch Ansteuerung der Materialflusssteuereinheit (154) einzuleiten und/oder zu beendigen. . Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine erste Materialverdüsungseinheit (1 14), insbesondere eine erste Betonverdüsungseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, das Material mit Luft zu vermischen und/oder zu zerstäuben, und/oder eine zweite Materialverdüsungseinheit (118), insbesondere eine zweite Betonverdüsungseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, das Material mit Luft und einem Beschleuniger zu vermischen und/oder zu zerstäuben, wobei vorzugsweise das Düsenelement (106) die erste Materialverdüsungseinheit (1 14) und/oder die zweite Materialverdüsungseinheit (118) umfasst. 0. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen ersten Drucklufteingang (136), der vorzugsweise mit einem ersten Drucksensor (138) gekoppelt ist, und/oder einen zweiten Drucklufteingang (140), der vorzugsweise mit einem zweiten Drucksensor (142) gekoppelt ist, wobei vorzugsweise der erste Drucksensor (138) mit der ersten Materialverdüsungseinheit (1 14) und/oder der zweite Drucksensor (142) mit der zweiten Materialverdüsungseinheit (118) gekoppelt ist bzw. sind. 1 . Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Zweistoffdüse (149) zur Zerstäubung des Beschleunigers mit Druckluft, und vorzugsweise eine Räumeinheit, insbesondere ein Nadelventil, das angeordnet und ausgebildet ist, die Zweistoffdüse (149) durch Räumen von Material zu reinigen, wobei vorzugsweise die Räumeinheit eine Räumnadel zur Bewegung in die Zweistoffdüse (149) umfasst, wobei vorzugsweise die Zweistoffdüse (149) in Materialstromrichtung vor der ersten Materialverdüsungseinheit (114) und/oder vor der zweiten Materialverdüsungseinheit (118) angeordnet ist. Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Temperatursensor (134) zur Ermittlung der Temperatur des Materials, wobei vorzugsweise der Temperatursensor (134) innerhalb der Materialführung (102) angeordnet ist, und/oder eine Temperiereinheit (16, 20) zur Temperierung des Materials, insbesondere durch Erwärmen und/oder Kühlen einer dem Material zuzuführenden Druckluft. Materialauftragsystem (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, insbesondere für ein Spritzbetonverfahren, umfassend eine Düsenvorrichtung (100), insbesondere eine Düsenvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-12, wobei die Düsenvorrichtung (100) mit einer Materialbereitstellungseinheit (2), insbesondere einer Betonbereitstellungseinheit, derart gekoppelt ist, dass für eine bzw. die Düseneinheit (101) Material, insbesondere Beton, bereitstellbar ist. Materialauftragsystem (1) nach dem vorherigen Anspruch 13, umfassend eine Reinigungsvorrichtung (46), die eingerichtet ist, das Düsenelement zu reinigen, wobei vorzugsweise die Reinigungsvorrichtung (46) eine fluidführende Reinigungslanze umfasst oder als solche ausgebildet ist. Materialauftragsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 13-14, umfassend eine erste Fluidbereitstellungseinheit (14), insbesondere eine Druckluftbereitstellungseinheit, die mit der Düsenvorrichtung (100) derart - 31 - gekoppelt ist, dass der Düsenvorrichtung (100) ein erstes Fluid, vorzugsweise Luft, insbesondere Druckluft, bereitstellbar ist. alauftragsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 13-15, wobei die erste Fluidbereitstellungseinheit (14) mit der Materialbereitstellungseinheit (2), insbesondere mit einer Materialzuleitung (10) zwischen der Materialbereitstellungseinheit (2) und der Düsenvorrichtung (100), gekoppelt ist, und vorzugsweise zwischen der ersten Fluidbereitstellungseinheit (14) und der Materialbereitstellungseinheit (2), insbesondere der Materialzuleitung (10), ein Druckluftventil (12) angeordnet ist, um einen ersten Fluidstrom zu der Materialbereitstellungseinheit (2) zu steuern. alauftragsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 13-16, umfassend eine Zusatzmittelbereitstellungseinheit (28), insbesondere eine Beschleunigerbereitstellungseinheit, die mit der Düsenvorrichtung (100) derart gekoppelt ist, dass ein Zusatzmittel, insbesondere ein Beschleuniger, dem Material, insbesondere dem Beton, zuführbar ist, insbesondere innerhalb der Düsenvorrichtung (100). alauftragsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 13-17, umfassend eine zweite Fluidbereitstellungseinheit (34), insbesondere eine Wasserbereitstellungseinheit, die mit der Düseneinheit (101), der Düsenvorrichtung (100), der Materialbereitstellungseinheit (2), der ersten Fluidbereitstellungseinheit (14) und/oder der
Zusatzmittelbereitstellungseinheit (28) gekoppelt ist, um diesen ein zweites Fluid, insbesondere Wasser, bereitzustellen. ngssystem (200), umfassend ein Materialauftragsystem (1) nach einem der Ansprüche 13-18 und/oder eine Düsenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-12, und eine erste Handhabungseinheit (202) zur Bewegung der Düsenvorrichtung (100), um ein Material, insbesondere Beton, aufzutragen, und/oder - 32 - eine zweite Handhabungseinheit (204) zur Handhabung des Düsenelements (106), insbesondere zum Austausch des Düsenelements (106). Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material, insbesondere eines Spritzbetonbauteils aus Beton, vorzugsweise mit einer Düsenvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 -12 und/oder einem Materialauftragsystem (1) nach einem der Ansprüche 13-18 und/oder einem Fertigungssystem (200) nach Anspruch 19, umfassend den Schritt:
Aufträgen, insbesondere Spritzen, des Materials, insbesondere des Betons, mit einem an einer Düseneinheit (101) angeordneten ersten Düsenelement (106). Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 20, wobei das Düsenelement austauschbar an der Düseneinheit angeordnet ist, umfassend die Schritte:
Entnahme des ersten Düsenelements (106) und Anordnen eines zweiten Düsenelements (108), und
Aufträgen, insbesondere Spritzen, des Materials, insbesondere des Betons, mit dem an der Düseneinheit (101) austauschbar angeordneten zweiten Düsenelement (108). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 20-21 , umfassend den Schritt:
Reinigen des ersten Düsenelements (106) und/oder des zweiten Düsenelements (108) während dieses bzw. diese an der Düseneinheit (101) angeordnet ist bzw. sind und/oder während dieses bzw. diese in einer Düsenelementablage gelagert ist bzw. sind, wobei vorzugsweise das Reinigen mit einem Fluid, mit einem Reinigungselement und/oder mit einer Reinigungsvorrichtung erfolgt, und/oder wobei vorzugsweise das Reinigen in vordefinierten Reinigungszyklen und/oder bei Erkennen einer Verstopfung erfolgt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 20-22, umfassend den Schritt:
Detektieren einer Beabstandung zwischen der Düsenvorrichtung (100) und einer mit der Düsenvorrichtung (100) aufgetragenen Materialschicht, und/oder - 33 -
Erfassung von Abmessungen der mit der Düsenvorrichtung (100) aufgetragenen Materialschicht.
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