WO2022214547A1 - Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils, lastabtragungselement, bewehrung zur verwendung innerhalb eines bauteils und additiv gefertigtes bauteil - Google Patents

Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils, lastabtragungselement, bewehrung zur verwendung innerhalb eines bauteils und additiv gefertigtes bauteil Download PDF

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WO2022214547A1
WO2022214547A1 PCT/EP2022/059133 EP2022059133W WO2022214547A1 WO 2022214547 A1 WO2022214547 A1 WO 2022214547A1 EP 2022059133 W EP2022059133 W EP 2022059133W WO 2022214547 A1 WO2022214547 A1 WO 2022214547A1
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load transfer
reinforcement
transfer element
component
building material
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Juergen Mayer
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Peri Se
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    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
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    • E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
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    • E04G21/0463—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom control mechanisms, e.g. to automate concrete distribution
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    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/12—Mounting of reinforcing inserts; Prestressing

Definitions

  • the invention relates to a method for the additive manufacturing of a component from a building material, according to which a material dispensing unit separates the building material in layers, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a computer program and an additively manufactured component.
  • the invention relates to a load transfer element according to the preamble of claim 22, and a reinforcement for use within a component, in particular within an additively manufactured component.
  • Methods for the additive manufacturing of three-dimensional objects are known for the manufacture of models, prototypes, tools and end products, for example.
  • Starting materials in the form of liquids, powder or filaments made of thermoplastics are deposited by a print head attached to an end effector of an actuator device in order to build up the object layer by layer on the basis of 3D data of the object to be manufactured.
  • Such a method is also referred to, among other things, as a “generative manufacturing method” or “3D printing”.
  • 3D concrete printing means that buildings can be produced more quickly and at lower cost. With the help of a 3D concrete printer, concrete structures can be realized quickly and inexpensively, with the greatest freedom of design at the same time.
  • reinforcements are known from the construction industry for reinforcing components.
  • the bonding of the building material with the reinforcement can result in an increased bearing capacity and/or tensile strength.
  • the combination of a 3D printer and the use of reinforcement is sometimes difficult, especially when it comes to minimizing manual intervention as much as possible.
  • formwork anchors are used in the construction industry, which extend from one formwork component to the opposite formwork component, i.e. from one side of the formwork to the other side of the formwork, in order to hold the formwork in place during To stabilize filling and curing of the additional component.
  • the formwork anchors can then be removed again in order to detach the formwork from the finished component.
  • the object of the present invention is to provide a method for the additive manufacturing of components that ensures additional reinforcement of the component and preferably high process reliability.
  • the present invention is also based on the object of providing an advantageous computer program and a particularly robust, additively manufactured component that can preferably be produced quickly and inexpensively.
  • the object is achieved for the method with the features listed in claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 21.
  • the object is achieved by the features of claim 22, with regard to the reinforcement by the features of claim 23 and with regard to the additively manufactured component by claim 24.
  • a method for the additive manufacturing of a component from a building material is provided.
  • the component to be manufactured can in particular be part of a building or a formwork that is also mentioned below.
  • the component can also be a complete structure or a act complete formwork.
  • any components can be additively manufactured according to the invention.
  • structures can be structures of all kinds, but in particular protective structures, such as buildings for housing and residence of people or animals, protective walls, dykes, shelters, enclosures, military and fortification systems, city walls and prison walls.
  • a structure can also be a traffic structure, for example a street, a pedestrian walkway, a bridge or a tunnel.
  • Supply and disposal structures such as wells, sewage treatment plants, dams, chimneys or temporary structures can also be manufactured additively within the scope of the invention.
  • a structural part of a structure can in particular be a functional component of a structure, in particular a functionally or geometrically connected part of the structure, such as a wall, a support or a staircase.
  • a part of a building made up of several components of the building (for example a storey or floor of a building) can also be summarized under the term “component” within the scope of the invention.
  • the formwork or formwork component described below can also be a component within the scope of the invention, in particular if the formwork component or formwork then forms part of the structure, for example the outer part of a wall of the structure.
  • a base can be provided on which the component is reached.
  • a subsoil can be understood in particular as a subsoil and/or a foundation on which the structure or component is erected.
  • the underground can also be a floor of a multi-storey building or a mobile, movable underground.
  • the component including the subsurface is transported to its intended installation site after additive manufacturing.
  • any surface on which the component can be erected (permanently or temporarily) can be used as a subsurface.
  • the proposed method can also be used to produce a plurality of components, possibly also components that are not connected to one another.
  • a material output unit separates the building material in layers along a predetermined print path.
  • the print path can be calculated based on the 3D data of the component. Corresponding process steps are already known from conventional 3D printing.
  • the 3D data of the component can in particular be three-dimensional CAD data.
  • the component can be represented in the data in particular by point clouds, edge models, surface models and/or volume models.
  • a control device can be provided which controls and/or regulates the method or individual method steps.
  • the control device can be set up to calculate the print path using the entered 3D data.
  • the control device can be set up, for example, to calculate a virtual model of the component in the known STL format (“Standard Triangulation/Tessellation Language” format) from the 3D data of the component.
  • STL format Standard Triangulation/Tessellation Language
  • the component data can be described using triangular facets. The principle is known and is therefore not described in detail.
  • An STL interface is a standard interface of many CAD systems.
  • the control device can be set up to initially calculate STL data for further processing from any 3D CAD data.
  • the control device can also be set up to record and further process 3D data that is already in STL format. In principle, any other data format can also be provided.
  • the control device can be set up to use the STL data (or other 3D data) to convert the component data into printer data for a 3D print ( or for additive manufacturing).
  • the control device can be provided, among other things, to convert the 3D data or STL data into individual layers to be printed (so-called "slicing"), after which the print paths are calculated for the individual layers in order to specify the movements of the material output unit.
  • the control device can be set up to control the material output unit as a function of the printed webs and/or to regulate the application or the separation of the building material.
  • the material dispensing unit is designed as a nozzle, print head or extruder in order to dispense the building material.
  • At least one load transfer element extends into the pressure path (or beyond it, as will be described below).
  • the material output unit separates the building material onto the load transfer element located in the print path. Provision is made for a load transfer element located in a displacement path of the material output unit to be at least temporarily pushed out of the print path by the material output unit, while the material output unit separates the building material along the specified print path.
  • the pressure or the movement of the material output unit can take place regardless of the positions of the load transfer elements. Unintentional damage to the material output unit or its actuators can be avoided in this way. Because the load transfer elements are displaced from the material output unit, the material output unit can finally work without interruption. This can lead to a reduced construction time. the Load transfer elements therefore do not have to be inserted manually or automatically in layers. This can be an advantage because the need to lay the load transfer elements in layers usually requires equal pressure on both sides of the reinforcement and/or may require the pressure to be temporarily interrupted. In a preferred embodiment, the load transfer elements can be designed to be flexible or at least partially flexible in order to enable displacement.
  • the at least one load transfer element is designed in particular to absorb and dissipate tensile forces. In this way, the load transfer element is able to stabilize the component particularly well, in particular a formwork that is then filled with an additional building material.
  • the pressure track runs at least in sections along a reinforcement, starting from which the at least one load transfer element extends into the pressure track.
  • the load transfer elements can be positioned and/or attached to any mounts or objects.
  • Reinforcements are known in principle and can be used arbitrarily within the scope of the invention. Any kind of reinforcement or reinforcement can be provided that increases the load-bearing capacity in combination with the building material.
  • the load transfer elements are preferably introduced into the reinforcement or connected to the reinforcement before the additive manufacturing of the component.
  • the load transfer elements can be attached to the reinforcement, for example. In principle, however, the load transfer elements can also be inserted loosely into the reinforcement - this is generally not preferred, however.
  • the reinforcement can be set up or laid by a specialist, preferably before the start of the building material separation by the material output unit.
  • the reinforcement can optionally be connected to other components and/or to the subsoil with a connection reinforcement or in some other way. However, a free-standing, ie unconnected reinforcement can also be provided if necessary.
  • the position of the reinforcement can be taken into account in the 3D data when calculating the pressure path.
  • the finished component can be significantly reinforced mechanically.
  • the proposed method for the additive manufacturing of a formwork component is used.
  • the component can therefore be a formwork component.
  • the component can be a complete formwork (ie a hollow form in the manner of a casting mold) made up of two formwork components running parallel to one another.
  • the invention is very particularly advantageous for additive manufacturing of a formwork or at least one formwork component of a formwork.
  • the use of the invention should not be understood to be limited to the additive manufacturing of a formwork or a formwork component.
  • the aforesaid compression is performed from both sides of the reinforcement in order to erect a double-sided, so-called "lost formwork" around the reinforcement.
  • Such formwork can be used, for example, in buildings or parts of buildings that do not have to have a high load-bearing capacity (e.g. individual walls).
  • the cavity between such formwork can either remain free or be provided with insulation.
  • the formwork is filled with an additional building material.
  • conventional concrete is preferably introduced into the finished formwork.
  • the additional building material can be the same building material that is also used for the additive manufacturing of the component. However, it can also be a different building material.
  • the additional building material that is introduced into the formwork can be conventional concrete and the building material for additive manufacturing can be concrete that is specifically suitable for additive manufacturing.
  • the concrete recipe can thus preferably differ.
  • different types of materials can also be provided, such as plastic for manufacturing the formwork and concrete for filling the formwork. Any combination is possible.
  • fresh concrete fresh concrete
  • mortar is used as the building material.
  • a concrete recipe with small aggregate is preferred.
  • a concrete can be provided which sets quickly and in particular has a high green strength.
  • any other building material can also be provided which can be suitable for the manufacture or construction of buildings or their components, in particular polymer concrete, gypsum, clay, a plastic, preferably a thermoplastic but also metals or alloys.
  • any building materials can be provided within the scope of the invention.
  • the component can be made from one, two, three, four or even more starting materials or building materials.
  • different concrete mixtures, plastics, metals and/or alloys can be combined with one another as desired.
  • the pressure path runs parallel to the reinforcement, at least in sections.
  • the pressure track is spaced from the reinforcement or is immediately adjacent to the reinforcement.
  • the pressure web can also overlap with the reinforcement in order to bring the building material at least partially into the reinforcement during production.
  • the stability of the component can optionally be further increased.
  • the reinforcement is a reinforcement mat and/or a reinforcement cage and/or a reinforcement bar (in particular one or more quasi-free-standing reinforcement bars which are fastened to a substrate, for example) and/or a reinforcement wire or a reinforcement cable (e.g. one or more prestressed reinforcement wires/reinforcement cables).
  • the reinforcement can in particular be made of reinforcement steel or structural steel.
  • the reinforcement can also have carbon or carbon fibers, glass fibers, wood and/or plastic or be formed from these materials.
  • the reinforcement can have, among other things, so-called reinforcement mats (lattice-like structures) and/or reinforcement cages and/or reinforcement rods.
  • the reinforcement is preferably formed from at least one reinforcement cage or has at least one reinforcement cage, since a reinforcement cage can be set up freely with sufficient mechanical stability.
  • Reinforcement cages are usually formed from two or more reinforcement mats that are connected parallel to one another with as much torsion resistance as possible to ensure that the reinforcement cage is stable after it has been set up and cannot or only insignificantly sway or "wobble". Normalized standard reinforcement cages can preferably be provided.
  • a conventional reinforcement can be advantageously integrated into 3D-printed concrete structures and the reinforcement can be further increased by the load transfer elements.
  • the reinforcement can have a number of horizontal struts and a number of vertical struts, particularly if it has a reinforcement mat or a reinforcement cage.
  • the vertical struts preferably run in the perpendicular direction of the ground and the horizontal struts preferably run orthogonally to the vertical struts.
  • the vertical direction is to be understood in relation to the plumb to the substrate and the horizontal direction is to be understood at right angles thereto.
  • the at least one load transfer element is fastened to the reinforcement.
  • the at least one load transfer element can rest, for example, on two horizontal struts of the reinforcement that are offset from one another, for example on the horizontal struts of a reinforcement cage that are spaced apart from one another or on two adjacent reinforcement meshes of the same height level, and can optionally be fastened to one or more of the horizontal struts and/or vertical struts.
  • the at least one load transfer element does not necessarily have to rest on the reinforcement and can then, for example, also be attached only to the side of the reinforcement.
  • this attachment can in principle be of any type. Any form-fitting, force-fitting and/or material-fit fastening techniques can thus be provided, such as gluing, welding, suitable reshaping or fastening using additional aids such as lashing elements (e.g. cable ties). In special cases it can even be provided that the at least one load transfer element is designed in one piece with the reinforcement.
  • reinforcement is not absolutely necessary. Provision can also be made, for example, for the at least one load transfer element to be attached to a holder or other object and/or to rest on a holder or other object. Fastening to the subsoil on which the building is erected, or to a connecting reinforcement, can optionally be provided.
  • the reinforcement is arranged between two parallel pressure tracks.
  • load transfer elements preferably extend on both sides of the reinforcement into the respective pressure path.
  • separate load transfer elements can be provided on each side of the reinforcement.
  • a particularly good reinforcement can result if the at least one load transfer member extending from the first compression track to the second compression track through the reinforcement.
  • the at least one load transfer element extends beyond the pressure path in order to protrude or protrude laterally from the finished component after the building material has been separated.
  • the load transfer elements can also end within the pressure path or end with the side surface of the component.
  • the load transfer elements protrude beyond the pressure track, they can be color-coded so that the extent of the building material cover or concrete cover, i.e. the lateral overlap of the load transfer element with the building material, is made visible in the finished component (e.g. a wall or a formwork component). becomes.
  • the finished component e.g. a wall or a formwork component.
  • a load transfer element that is still visible can indicate insufficient building material coverage and suggest rework.
  • the load transfer elements if they later protrude laterally from the finished component, have a thread or other fastening option for a flat support element, such as a support element, at least on their protruding, free ends.
  • a flat support element such as a support element
  • one load transfer element is used for each layer to be deposited.
  • 0.1 to 20 load transfer elements are provided per square meter of formwork, e.g. B. 0.2 to 10 load transfer elements, 0.4 to 5 load transfer elements or exactly one load transfer element, the number of load transfer elements depending on the diameter and/or the material of the load transfer elements and accordingly more or fewer load transfer elements per square meter of formwork can be provided.
  • the load transfer element which is pushed out of the printing path, is a load transfer element that is located in the displacement path of the material delivery unit and is of a building material layer to be subsequently deposited, which is pushed at least temporarily out of the printing path by the material delivery unit, while the material dispensing unit deposits the building material along the predetermined print path of a (vertically) underlying layer of building material.
  • the at least one load transfer element is connected to the reinforcement via an articulated connection.
  • the articulated connection can be designed, for example, in the manner of a film hinge, ie in particular by a cross-sectional narrowing of the load transfer element.
  • the at least one load transfer element is designed to be elastic at least in sections (e.g. in the area of one of its ends or also in a central area), in particular to enable the load transfer element to be deflected transversely to its longitudinal axis.
  • the articulated connection and/or the sectionally elastic section of the load transfer element are designed to enable the section of the load transfer element extending into the pressure path to be displaceable by the material output unit.
  • the deformability or the elasticity of the load transfer element or the articulation can be selected in such a way that the load transfer element can be displaced by the material dispensing unit out of the displacement path of the material dispensing unit and can bend sufficiently and reversibly for this purpose, preferably, but not necessarily, without an (irreversible) plastic experience deformation.
  • the at least one load transfer element when the material output unit has moved further along the print path, the at least one load transfer element then experiences a restoring force and moves independently at least substantially, particularly preferably completely, back into the original position and alignment.
  • the articulated connection and/or the sectionally elastic section of the load transfer element are designed to enable the section of the load transfer element that has been displaced from the printed web by the material dispensing unit to reset itself.
  • the at least one load transfer element can preferably be pivoted at least in the direction of the pressure path or counter to the direction of the pressure path.
  • the at least one load transfer element can have a vertically running pivot axis, which preferably runs parallel to the vertical struts of the reinforcement or to the plumb line on the ground.
  • the load transfer element can be pivotable or the vertical pivot axis can be positioned in such a way that the load transfer element can be pivoted out of the displacement path of the print head.
  • the load transfer elements can thus be in a resting state in a plan view of the subsoil in the pressure path (sometimes independently of the actual altitude).
  • the at least one load transfer element is made of a rustproof material.
  • a rustproof material for the configuration of the at least one load transfer element has proven to be particularly suitable, since the building material or concrete cover of the load transfer element is usually comparatively small, since the load transfer element extends into the pressure path (or even beyond).
  • the load transfer element can thus be particularly susceptible to subsequent corrosion.
  • the use of a rustproof material can be advantageous.
  • the use of a rustproof material is also not absolutely necessary, for example if the reinforcement itself is made of a rustproof material or if subsequent corrosion of the load transfer element is not important.
  • the at least one load transfer element is made of a plastic, a sheet metal material, a textile, a metal (e.g. steel or iron) or a combination of the materials mentioned. This list is not to be understood as conclusive.
  • the at least one load transfer element can also be formed from individual fibers or fiber strands (e.g. from glass fibers, carbon fibers etc.), even from fibers of a fundamentally brittle material.
  • a fiber composite for example a combination of a plastic and textile fibers, such as Kevlar fibers, can be particularly suitable. Kevlar fibers and fiber bundles can generally be well suited, as they are not able to stretch much in length.
  • a composite material with a plastic matrix can also be sufficiently flexible.
  • the material output unit is attached to an end effector of an actuator device and is moved by the actuator device along the print path.
  • the end effector is preferably designed as a trolley of an actuator device designed as a gantry crane unit. Such a system is also known under the term “portal printer”.
  • the end effector can also be designed as the end effector of a robot, in particular an industrial robot.
  • a six-axis robot or another movement system for example a hexapod or a five-axis system or a combination of several movement units can be provided in order to move the material output unit.
  • the material dispensing unit can be moved in at least one translational degree of freedom, preferably in at least two translational degrees of freedom, in order to dispense the building material, in particular by the actuator device. Due to the possibility of movement along two translational degrees of freedom, for example, a straight wall of a building or a formwork component of a formwork can be manufactured additively.
  • a material output unit that can be moved along all translational degrees of freedom enables a flexible production of any three-dimensional structures or three-dimensional components of structures on the subsoil.
  • the material dispensing unit can even be moved in at least four degrees of freedom, in particular in all three translational degrees of freedom and at least one rotational degree of freedom.
  • a movement along five degrees of freedom (preferably all three translational degrees of freedom and two rotational degrees of freedom) and very particularly preferably along all six degrees of freedom can particularly preferably be provided.
  • the material output unit is movable in all translational degrees of freedom and additionally in one or more rotational degrees of freedom, the individual printed webs can be deposited with the greatest flexibility.
  • the geometry of the component can be specified in almost any way. For example, a tilting of the material delivery unit and/or a rotation of the material delivery unit during the separation of the building material can be provided.
  • the material dispensing unit is aligned vertically or orthogonally to the substrate on which the component is erected, while the material dispensing unit is moved along the printing path and separates the building material.
  • a vertical separation of the building material is technically particularly easy to implement and usually leads to a particularly good result.
  • the at least one load transfer element can be displaced out of the displacement path by the material dispensing unit, a vertical separation of the building material can be advantageously suitable within the scope of the invention.
  • the material dispensing unit is aligned at an angle to parallel to the substrate on which the component is erected, while the material dispensing unit is moved along the pressure path and separates the building material in the direction of the reinforcement.
  • An oblique separation of the building material can be provided in particular when the at least one load transfer element is rigid. A collision with the material output unit can then be avoided by oblique or parallel deposition, in which case the building material can still be deposited on the load transfer elements of the current layer that are located in the printing path.
  • the material delivery unit can be designed to deliver the building material in a defined form, for example in printed webs with rectangular or rounded edges.
  • the individual printed webs can, for example, be applied with a rectangular (square or oblong), round or oval cross-section.
  • the material dispensing unit preferably dispenses the building material in the intended wall thickness of the component to be printed.
  • the material dispensing unit can optionally have lateral guide legs, in particular two opposing guide legs, in order to laterally stabilize and/or shape the building material during discharge.
  • the material output unit is designed to selectively separate print webs from different building materials and/or that the material output unit can be exchanged manually or preferably automatically, with each material output unit being set up to separate a specific building material.
  • the flexibility of the method can be further improved by the possibility of depositing different building materials and/or different cross-sectional geometries.
  • the invention also relates to a computer program, comprising control commands which, when the program is executed by a control device, cause the latter to carry out a method according to the statements above and below.
  • the control device can be designed as a microprocessor. Instead of a microprocessor, any other device for implementing the control device can also be provided, for example one or more arrangements of discrete electrical components on a printed circuit board, a programmable logic controller (PLC), an application-specific integrated circuit (ASIC) or another programmable circuit, for example also a field programmable gate array (FPGA), a programmable logic array (PLA), and/or a commercial computer.
  • PLC programmable logic controller
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field programmable gate array
  • PLA programmable logic array
  • the invention also relates to a load transfer element, which extends along a longitudinal axis, for load transfer along the longitudinal axis, preferably for use within an additively manufactured component. Provision is made for the load transfer element to have an articulated connection and/or at least one elastic section in order to enable a pivoting movement of the load transfer element transversely to the longitudinal axis.
  • the invention also relates to a reinforcement for use within a component, in particular within an additively manufactured component, having at least one load transfer element protruding laterally from the reinforcement.
  • the invention also relates to an additively manufactured component, produced by a method according to the above and following statements, having a reinforcement that is encased by a building material applied in layers.
  • the invention also relates to a device for additively manufacturing a component from a building material, which is set up to carry out a method according to the above and following statements.
  • the device has a material dispensing unit for the building material in order to deposit the building material in layers along a predetermined printing path.
  • the values and parameters described here are deviations or fluctuations of ⁇ 10% or less, preferably ⁇ 5% or less, more preferably ⁇ 1% or less, and very particularly preferably ⁇ 0.1% or less of the respectively named Include value or parameter, provided that these deviations are not excluded in the implementation of the invention in practice.
  • the specification of ranges by means of initial and final values also includes all those values and fractions that are enclosed by the range specified in each case, in particular the initial and final values and a respective mean value.
  • the invention also relates to a method, independent of claim 1, for the additive manufacturing of a component from a building material, according to which a material output unit deposits the building material in layers along a predetermined printing path. It is provided that at least one load transfer element extends into the pressure path, with the material dispensing unit depositing the building material onto the load transfer element located in the pressure path.
  • FIG. 1 shows a material dispensing unit during the separation of a building material according to the invention for the additive manufacturing of a formwork component in several layers of building material along a reinforcement with several load transfer elements extending into the pressure path;
  • FIG. 2 shows the additive manufacturing of a formwork around a reinforcement, with the load transfer elements according to the invention
  • FIG. 3 shows a material dispensing unit which deposits the building material vertically adjacent to the reinforcement
  • FIG. 4 shows a material dispensing unit which separates the building material obliquely adjacent to the reinforcement
  • FIG. 5 shows an individual illustration of a load transfer element connected to a vertical strut of the reinforcement via an articulated connection.
  • FIG. 1 the principle of the method according to the invention is indicated schematically and by way of example.
  • a material dispensing unit 3 is provided, which separates the building material 2 in layers along a predetermined print path D.
  • the print path D is shown in dashed lines in FIG. 1 and the movement of the material output unit 3 is indicated by an arrow.
  • the additively manufactured component can in particular be formwork 1 made from two formwork components 1' running parallel to one another (cf., for example, FIGS. 3 and 4).
  • the invention is suitable for the production of any desired component 1 or even an entire building and is therefore not to be understood as being limited to the production of a formwork 1 or a formwork component 1′.
  • the invention is particularly advantageous for the production of a so-called "lost" formwork 1, which is optionally (but not necessarily) filled with an additional building material (not shown) and which forms part of the later component.
  • the building material 2 for additive manufacturing and/or the additional building material can in particular be a flowable mixed concrete. In principle, however, any building material 2 can be provided, for example a plastic or gypsum.
  • the component 1 can be erected on a substructure 4 .
  • the pressure path D runs at least in sections along a reinforcement 5, which can have, for example, a reinforcement mat (cf. FIG. 1) or an entire reinforcement cage (cf. FIGS. 2 to 4).
  • the reinforcement 5 can be set up on the base 4 and optionally connected to the base 4, for example via a so-called connection reinforcement (not shown).
  • the pressure track D is preferably spaced apart from the reinforcement 5, as shown in FIGS. But this is not necessarily the point.
  • At least one load transfer element 7 is provided, which extends from the reinforcement 5 into the pressure path D, with the material output unit 3 separating the building material 2 onto the load transfer element 7 located in the pressure path D, which can be seen particularly well in Figure 1.
  • the reinforcement 5 can be arranged between two parallel pressure tracks D, as is shown in FIG. 2, for example. At least one load transfer element 7 can then be provided on each side of the reinforcement 5 . However, load transfer elements 7 can also be provided, which extend from one side of the reinforcement 5 to the other side of the reinforcement 5, ie protrude into both pressure paths D. This is indicated in FIG. 2 by dashed lines.
  • the at least one load transfer element 7 can be fastened to the reinforcement and/or rest on two horizontal struts 8 of the reinforcement 5 that are offset from one another.
  • the load transfer element 7 can also be completely covered laterally by the building material 2, which is generally preferred.
  • the load transfer elements 7 are distributed along the print path D and are distributed over several layers to be deposited.
  • the use of as many load transfer elements 7 as possible can lead to an even and gentle load transfer.
  • the number or density of the load transfer elements 7 in the subsequent component 1 can result from the diameter of the load transfer elements 7 .
  • a load transfer element 7' (see Figure 1) of a subsequent or higher building material layer located in the acute displacement path of the material output unit 3 can be pushed at least temporarily out of the printing web D by the material output unit 3, while the material output unit 3 the building material 2 along the current pressure path D separates.
  • FIG. 1 shows an example of how the material output unit 3 shifts or bends one of the load transfer elements 7′ out of its movement path. The load transfer element 7' can then move back into its original position due to an elastic restoring force.
  • the load transfer elements 7 can, for example, be connected to the reinforcement 5 via an articulated connection 10 .
  • An example of a joint connection 10 in the manner of a film hinge is shown in FIG.
  • the articulated connection 10 or the film hinge can be formed by a cross-sectional reduction and in particular enable a movement in or against the print web D/advance direction of the material output unit 3 (cf. arrows in FIG. 5).
  • the load transfer elements 7 can also be elastic at least on a section of their longitudinal axis L (cf. FIG. 5), in particular to enable bending/pivoting transversely to the longitudinal axis L.
  • the load transfer elements 7 can also be designed to be completely elastic—however, an elastic design of one of the ends or of a central part can already be sufficient.
  • the load transfer element 7 can be connected to the reinforcement 5, for example a vertical strut 9 of the reinforcement 5, in any desired manner.
  • a welded connection 11 is indicated in FIG.
  • the load transfer element 7 can have cross braces 12 or other anchor elements in order to create an even better connection with the respective building material layer. Recesses or cross-sectional tapering can also be optionally provided.
  • the load transfer element 7 is preferably made of a rustproof material.
  • the load transfer element 7 can be made of a plastic, a sheet metal material (in particular a stainless sheet metal material), a textile or a composite material, in particular a combination of the materials mentioned.
  • the material output unit 3 can be attached to an end effector (not shown) of an actuator device (also not shown).
  • a corresponding device for the additive manufacturing of the component can be designed, for example, as a so-called portal printer.
  • the actuator device is able to move the end effector or the material output unit 3 along the print path D in preferably several degrees of freedom.
  • the material dispensing unit 3 In order to separate the building material 2, provision can be made for the material dispensing unit 3 to be aligned vertically with respect to the substrate 4 on which the component 1 is erected (cf. FIG. 3).
  • the load transfer elements 7 are not shown in FIGS. Vertical separation is particularly suitable when the load transfer elements 7 are designed to be flexible and can be displaced by the material dispensing unit 3, as shown in FIG.
  • an oblique to parallel orientation of the material delivery unit 3 relative to the substrate 4 can also be suitable in order to deposit the building material 2 in the direction of the reinforcement 5, as indicated in FIG. In this way, a collision between the material dispensing unit 3 and the load transfer elements 7 of higher building material layers can be avoided.
  • orientation of the material output unit 3 can be flexibly adjusted during additive manufacturing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (1) aus einem Baustoff (2), wo- nach eine Materialausgabeeinheit (3) den Baustoff (2) schichtweise entlang einer vorgegebenen Druck- bahn (D) abscheidet. Es ist vorgesehen, dass sich wenigstens ein Lastabtragungselement (7) bis in die Druckbahn (D) erstreckt. Die Materialausgabeeinheit (3) scheidet den Baustoff (2) auf das sich in der Druckbahn (D) befindliche Lastabtragungselement (7) ab, wobei ein sich in einem Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit (3) befindliches Lastabtragungselement (7') von der Materialausgabeeinheit (3) zumindest vorübergehend aus der Druckbahn (D) geschoben wird, während die Materialausgabeein- heit (3) den Baustoff (2) entlang der vorgegebenen Druckbahn (D) abscheidet.

Description

Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils. Lastabtraqunqselement, Bewehrung zur Verwendung innerhalb eines Bauteils und additiv gefertigtes Bauteil
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102021 108666.3 in Anspruch, deren Inhalt durch Verweis hierin vollständig mit aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils aus einem Baustoff, wonach eine Materialausgabeeinheit den Baustoff schichtweise abscheidet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm und ein additiv gefertigtes Bauteil.
Ferner betrifft die Erfindung ein Lastabtragungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 22, sowie eine Bewehrung zur Verwendung innerhalb eines Bauteils, insbesondere innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils.
Verfahren zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten sind zur Fertigung von beispielsweise Modellen, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten bekannt. Dabei werden Ausgangsmaterialien in Form von Flüssigkeiten, Pulver oder Filamenten aus thermoplastischen Kunststoffen von einem an einem Endeffektor einer Aktuatoreinrichtung befestigten Druckkopf abgeschieden, um auf Grundlage von 3D- Daten des zu fertigenden Objekts das Objekt schichtweise aufzubauen. Ein derartiges Verfahren wird unter anderem auch als "generatives Fertigungsverfahren" oder "3D-Druck" bezeichnet.
Mittlerweile ist es auch bekannt, additive Fertigungsverfahren zur Fertigung von ganzen Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken (beispielsweise Wänden oder Schalungen) zu verwenden. Die additive Fertigung von Bauwerken oder deren Bauteilen vermag die Produktivität im Bauwesen erheblich zu steigern. Durch den so genannten "3D-Betondruck" werden Bauwerke schneller und zu geringeren Kosten herstellbar. Mithilfe eines 3D-Betondruckers lassen sich Betonstrukturen schnell und kostengünstig realisieren, bei gleichzeitig größter Gestaltungsfreiheit.
Zur Verstärkung von Bauteilen sind aus dem Bauwesen sogenannte Bewehrungen bekannt. Durch den Verbund des Baustoffs mit der Bewehrung, beispielsweise einem Bewehrungsstahl, kann sich eine erhöhte Trag- und/oder Zugfestigkeit ergeben. Die Kombination aus einem 3D-Drucker und dem Einsatz einer Bewehrung gestaltet sich mitunter als schwierig, insbesondere wenn es gilt, händische bzw. manuelle Eingriffe möglichst zu minimieren.
Um eine gute Verbindung zwischen dem Baustoff und der Bewehrung herzustellen ist es bekannt, zunächst eine Schalung um die Bewehrung herum zu "drucken" und die Schalung anschließend mit einem zusätzlichen Baustoff zu befüllen. Die Schalung steht somit zunächst in der Regel völlig frei und ist dadurch anfällig für horizontale Kräfte. Der Druck des in die Schalung eingefüllten zusätzlichen Baustoffs, beispielsweise Betons, kann die Schalung schließlich auseinanderdrücken oder sogar zerbrechen.
Um die Stabilität einer klassischen Schalung (beispielsweise einer Holzschalung) zu erhöhen, werden im Bauwesen sogenannte Schalungsanker eingesetzt, die sich von einem Schalungsbauteil zu dem gegenüberliegenden Schalungsbauteil, also von einer Seite der Schalung zu der anderen Seite der Schalung erstrecken, um die Schalung während des Befüllens und Aushärtens des zusätzlichen Bauteils zu stabilisieren. Anschließend können die Schalungsanker wieder entfernt werden, um die Schalung von dem fertigen Bauteil zu lösen. Diese manuellen Arbeitsschritte sind vergleichsweise aufwändig und im Rahmen einer additiven Fertigung der Schalung nicht durchführbar. Insbesondere ergibt sich das Problem einer Kollision der Schalungsanker mit der Materialausgabeeinheit des 3D-Betondruckers.
Nicht zuletzt aus diesem Grund kommt die additive Fertigung im Bauwesen, insbesondere im Fall von mehrstöckigen Bauwerken mit Bewehrungen, in der heutigen Praxis noch nicht regelmäßig zum Einsatz.
In Anbetracht des bekannten Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen bereitzustellen, das eine zusätzliche Verstärkung des Bauteils und vorzugsweise eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Lastabtragungselement und eine verbesserte Bewehrung zur Verwendung innerhalb eines Bauteils bereitzustellen, insbesondere innerhalb eines additivgefertigten Bauteils.
Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Computerprogram und ein besonders robustes, sowie vorzugsweise schnell und kostengünstig herstellbares, additiv gefertigtes Bauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Computerprogramms wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 21 gelöst. Bezüglich des Lastabtragungselements wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 22, hinsichtlich der Bewehrung durch die Merkmale des Anspruchs 23 und betreffend das additiv gefertigte Bauteil durch Anspruch 24 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Es ist ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils aus einem Baustoff vorgesehen.
Das zu fertigende Bauteil kann insbesondere Teil eines Bauwerks oder einer nachfolgend noch genannten Schalung sein. Bei dem Bauteil kann es sich auch um ein vollständiges Bauwerk oder um eine vollständige Schalung handeln. Grundsätzlich können beliebige Bauteile erfindungsgemäß additiv gefertigt werden.
Als Bauwerke können im Rahmen der Erfindung Bauwerke aller Art, insbesondere aber Schutzbauten, wie Gebäude zur Unterbringung und zum Aufenthalt von Menschen oder Tieren, Schutzwälle, Deiche, Schutzräume, Einfriedungen, Wehr- und Befestigungsanlagen, Stadtmauern und Gefängnismauern verstanden werden. Es kann sich bei einem Bauwerk allerdings auch um ein Verkehrs bau werk handeln, beispielsweise um eine Straße, einen Fußgängerweg, eine Brücke oder einen Tunnel. Auch Ver- und Entsorgungsbauwerke wie Brunnen, Klärwerke, Staudämme, Schornsteine oder temporäre Bauwerke können im Rahmen der Erfindung additiv gefertigt werden.
Bei einem Bauteil eines Bauwerks kann es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine funktioneile Komponente eines Bauwerks handeln, insbesondere um einen funktionell oder geometrisch zusammenhängenden Teil des Bauwerks, wie zum Beispiel eine Wand, eine Stütze oder eine Treppe. Auch ein Gebäudeteil aus mehreren Bestandteilen des Bauwerks (zum Beispiel ein Stockwerk bzw. eine Etage eines Gebäudes) kann unter dem Begriff "Bauteil" im Rahmen der Erfindung zusammengefasst sein. Auch bei der nachfolgend noch beschriebenen Schalung bzw. dem Schalungsbauteil kann es sich um ein Bauteil im Rahmen der Erfindung handeln, insbesondere wenn das Schalungsbauteil bzw. die Schalung anschließend einen Teil des Bauwerks, beispielsweise den äußeren Teil einer Wandung des Bauwerks, bildet.
Es kann ein Untergrund vorgesehen sein, auf dem das Bauteil erreichtet wird. Unter einem Untergrund kann im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Baugrund und/oder ein Fundament verstanden werden, auf dem das Bauwerk oder Bauteil errichtet wird. Bei dem Untergrund kann es sich allerdings auch um ein Stockwerk eines mehrstöckigen Gebäudes oder um einen mobilen, beweglichen Untergrund handeln. Beispielsweise kann vorgesehen sein, das Bauteil samt Untergrund nach der additiven Fertigung bis zu seinem vorgesehenen Aufstellort zu transportieren. Grundsätzlich kann sich jede Fläche, auf der das Bauteil errichtet werden kann (dauerhaft oder vorübergehend) als Untergrund eignen.
Es können durch das vorgeschlagene Verfahren auch mehrere Bauteile gefertigt werden, gegebenenfalls auch nicht miteinander zusammenhängende Bauteile.
Erfindungsgemäß scheidet eine Materialausgabeeinheit den Baustoff schichtweise entlang einer vorgegebenen Druckbahn ab.
Die Druckbahn kann auf Grundlage von 3D-Daten des Bauteils berechnet werden. Entsprechende Verfahrensschritte sind aus dem herkömmlichen 3D-Druck bereits bekannt. Bei den 3D-Daten des Bauteils kann es sich insbesondere um dreidimensionale CAD-Daten handeln. Das Bauteil kann in den Daten insbesondere durch Punktewolken, Kantenmodelle, Flächenmodelle und/oder Volumenmodelle repräsentiert sein. Es kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die das Verfahren oder einzelne Verfahrensschritte steuert und/oder regelt.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Berechnung der Druckbahn anhand der eingegebenen 3D-Daten eingerichtet sein. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus den 3D- Daten des Bauteils ein virtuelles Modell des Bauteils im bekannten STL-Format ("Standard Triangula- tion/Tesselation Language"-Format) zu berechnen. Im Rahmen des STL-Formats können die Bauteildaten mit Hilfe von Dreiecksfacetten beschrieben werden. Das Prinzip ist bekannt und wird demnach nicht näher beschrieben. Eine STL-Schnittstelle ist eine Standardschnittstelle vieler CAD-Systeme. Vorliegend kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um aus beliebigen 3D-CAD-Daten zunächst STL-Daten für die Weiterverarbeitung zu berechnen. Die Steuereinrichtung kann allerdings auch eingerichtet sein, bereits 3D-Daten im STL-Format aufzunehmen und weiterzuverarbeiten. Grundsätzlich kann auch ein beliebiges anderes Datenformat vorgesehen sein.
Unabhängig davon, ob die STL-Daten von der Steuereinrichtung selbst erzeugt oder nur an diese übertragen wurden, kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um anhand der STL-Daten (oder anhand sonstiger 3D-Daten) die Bauteildaten in Druckerdaten für einen 3D-Druck (bzw. für die additive Fertigung) umzuwandeln. Hierfür kann unter anderem vorgesehen sein, die 3D-Daten bzw. STL-Daten in einzelne zu druckende Schichten umzuwandeln (sogenanntes "Slicen"), wonach für die einzelnen Schichten die Druckbahnen berechnet werden, um die Bewegungen der Materialausgabeeinheit vorzugeben.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um die Materialausgabeeinheit in Abhängigkeit der Druckbahnen anzusteuern und/oder um die Ausbringung bzw. das Abscheiden des Baustoffs zu regulieren.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit als Düse, Druckkopf oder Extruder ausgebildet ist, um den Baustoff auszubringen.
Erfindungsgemäß erstreckt sich wenigstens ein Lastabtragungselement bis in die Druckbahn (oder darüber hinaus, wie nachfolgend noch beschrieben wird). Die Materialausgabeeinheit scheidet den Baustoff schließlich auf das in der Druckbahn befindliche Lastabtragungselement ab. Es ist vorgesehen, dass ein sich in einem Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit befindliches Lastabtragungselement von der Materialausgabeeinheit zumindest vorübergehend aus der Druckbahn geschoben wird, während die Materialausgabeeinheit den Baustoff entlang der vorgegebenen Druckbahn abscheidet.
Auf die vorgeschlagene Weise kann der Druck bzw. die Bewegung der Materialausgabeeinheit ohne Rücksicht auf die Positionen der Lastabtragungselemente erfolgen. Unbeabsichtigte Schäden an der Materialausgabeeinheit oder deren Aktorik können dadurch vermieden werden. Dadurch, dass die Lastabtragungselemente von der Materialausgabeeinheit verschoben werden, kann die Materialausgabeeinheit schließlich unterbrechungsfrei arbeiten. Dies kann zu einer verkürzten Bauzeit führen. Die Lastabtragungselemente müssen somit nicht schichtweise manuell oder automatisch eingebracht werden. Die kann von Vorteil sein, denn die Notwendigkeit, die Lastabtragungselemente schichtweise aufzulegen erfordert in der Regel ein auf beiden Seiten der Bewehrung gleichhohes Drucken und/oder kann es erforderlich machen, den Druck zeitweise zu unterbrechen. In einer bevorzugten Ausgestaltung können die Lastabtragungselemente flexibel bzw. zumindest teilweise flexibel ausgebildet sein, um das Verschieben zu ermöglichen.
Das wenigstens eine Lastabtragungselement ist insbesondere ausgestaltet, um Zugkräfte aufzunehmen und abzuleiten. Auf diese Weise vermag das Lastabtragungselement das Bauteil besonders gut zu stabilisieren, insbesondere eine Schalung, die anschließend mit einem zusätzlichen Baustoff befüllt wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft die Druckbahn zumindest abschnittsweise entlang einer Bewehrung, ausgehend von der sich das wenigstens eine Lastabtragungselement bis in die Druckbahn erstreckt.
Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass eine Bewehrung nur teilweise bzw. abschnittsweise oder überhaupt nicht vorgesehen ist. Die Lastabtragungselemente können auf beliebigen Halterungen oder Objekten positioniert und/oder befestigt sein.
Bewehrungen sind grundsätzlich bekannt und können beliebig im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Es kann eine beliebige Bewehrung bzw. Armierung vorgesehen sein, die die Tragfähigkeit im Verbund mit dem Baustoff erhöht.
Vorzugsweise werden die Lastabtragungselemente noch vor der additiven Fertigung des Bauteils in die Bewehrung eingebracht bzw. mit der Bewehrung verbunden. Die Lastabtragungselemente können beispielsweise an der Bewehrung befestigt werden. Die Lastabtragungselemente können grundsätzlich aber auch lose in die Bewehrung eingelegt werden - dies ist in der Regel jedoch nicht bevorzugt.
Die Bewehrung kann von einem Fachpersonal aufgestellt bzw. verlegt werden, vorzugsweise noch vor Beginn der Baustoffabscheidung durch die Materialausgabeeinheit. Die Bewehrung kann optional mit einer Anschlussbewehrung oder auf sonstige Weise mit anderen Bauteilen und/oder mit dem Untergrund verbunden werden. Auch eine freistehende, also unverbundene Bewehrung kann jedoch gegebenenfalls vorgesehen ein. Die Position der Bewehrung kann in den 3D-Daten bei der Berechnung der Druckbahn entsprechend berücksichtigt werden.
Durch die Verwendung der Bewehrung und insbesondere durch die Verbindung zwischen Bewehrung und dem wenigstens einen Lastabtragungselement kann das fertige Bauteil mechanisch erheblich verstärkt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Verfahren zur additiven Fertigung eines Schalungsbauteil verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann es sich somit um ein Schalungsbauteil handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Bauteil um eine vollständige Schalung (also eine Hohlform in der Art einer Gussform) aus zwei parallel zueinander verlaufende Schalungsbauteilen handeln.
Die Erfindung eignet sich ganz besonders vorteilhaft zur additiven Fertigung einer Schalung oder zumindest eines Schalungsbauteils einer Schalung. Grundsätzlich sei die Verwendung der Erfindung allerdings nicht auf die additive Fertigung einer Schalung oder eines Schalungsbauteils beschränkt zu verstehen.
Vorzugsweise wird der vorstehend genannte Druckvorgang von beiden Seiten der Bewehrung durchgeführt, um eine beidseitige, so genannte "verlorene Schalung" um die Bewehrung herum zu errichten.
Auch eine Schalung, die im Anschluss nicht verfüllt werden soll, kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft herstellbar sein. Derartige Schalungen können beispielsweise bei Bauwerken oder Teilen von Bauwerken zum Einsatz kommen, die keine hohe Tragfähigkeit aufweisen müssen (z. B. einzelne Wände). Der Hohlraum zwischen einer solchen Schalung kann wahlweise frei bleiben oder mit einer Isolierung versehen werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schalung mit einem zusätzlichen Baustoff befüllt wird. Vorzugsweise wird hierzu herkömmlicher Beton in die fertige Schalung eingebracht.
Bei dem zusätzlichen Baustoff kann es sich um denselben Baustoff handeln, der auch zur additiven Fertigung des Bauteils verwendet wird. Es kann sich allerdings auch um einen anderen Baustoff handeln. Vorzugsweise kann es sich bei dem zusätzlichen Baustoff, der in die Schalung eingebracht wird, um herkömmlichen Beton und bei dem Baustoff zur additiven Fertigung um einen speziell für die additive Fertigung geeigneten Beton handeln. Die Betonrezeptur kann sich somit vorzugsweise unterscheiden. Es können grundsätzlich aber auch unterschiedliche Materialienarten vorgesehen sein, wie beispielsweise Kunststoff zur Fertigung der Schalung und Beton zum Befüllen der Schalung. Es sind beliebige Kombinationen möglich.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Baustoff fließfähig angemischter Beton ("Frischbeton") oder Mörtel verwendet wird.
Vorzugsweise wird eine Betonrezeptur mit kleiner Gesteinskörnung angestrebt. Insbesondere kann ein Beton vorgesehen sein, der schnell abbindet und insbesondere eine hohe Grünstandfestigkeit aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Beton eines oder mehrere Additive aufweist, beispielsweise um ein zu schnelles Austrocknen zu verhindern, um die Pumpfähigkeit zu erhöhen und/oder um die Farbe zu modifizieren. Alternativ zur Verwendung von Beton oder Mörtel als Baustoff kann aber auch ein beliebiger anderer Baustoff vorgesehen sein, der sich zur Fertigung bzw. zur Errichtung von Bauwerken oder deren Bauteilen eignen kann, insbesondere Polymerbeton, Gips, Lehm, ein Kunststoff, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, aber auch Metalle oder Legierungen. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beliebige Baustoffe vorgesehen sein.
Grundsätzlich kann das Bauteil aus einem, zwei, drei, vier oder noch mehr Ausgangsmaterialien bzw. Baustoffen hergestellt werden. Beispielsweise können verschiedene Betonmischungen, Kunststoffe, Metalle und/oder Legierungen beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Druckbahn zumindest abschnittsweise parallel zu der Bewehrung verläuft.
Vorzugsweise ist die Druckbahn von der Bewehrung beabstandet oder grenzt unmittelbar an die Bewehrung an. Die Druckbahn kann allerdings auch mit der Bewehrung überlappen, um den Baustoff im Rahmen der Fertigung zumindest teilweise in die Bewehrung einzubringen. Hierdurch kann die Stabilität des Bauteils gegebenenfalls weiter erhöht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bewehrung eine Bewehrungsmatte und/oder einen Bewehrungskorb und/oder einen Bewehrungsstab (insbesondere einen oder mehrere quasi freistehende Bewehrungsstäbe, die beispielsweise an einem Untergrund befestigt sind) und/oder einen Bewehrungsdraht bzw. ein Bewehrungsseil (z. B. eines oder mehrere vorgespannte Bewehrungsdrähte / Bewehrungsseile) aufweist.
Die Bewehrung kann insbesondere aus Bewehrungsstahl bzw. Baustahl ausgebildet sein. Die Bewehrung kann jedoch auch Kohlenstoff- bzw. Carbonfasern, Glasfasern, Holz und/oder Kunststoff aufweisen bzw. aus diesen Materialen ausgebildet sein. Die Bewehrung kann unter anderem so genannte Bewehrungsmatten (gitterartige Strukturen) und/oder Bewehrungskörbe und/oder Bewehrungsstäbe aufweisen.
Vorzugsweise ist die Bewehrung aus wenigstens einem Bewehrungskorb ausgebildet bzw. weist wenigstens einen Bewehrungskorb auf, da ein Bewehrungskorb ausreichend mechanisch stabil frei aufstellbar sein kann. Bewehrungskörbe sind in der Regel aus zwei oder mehr Bewehrungsmatten ausgebildet, die parallel zueinander möglichst verwindungssteif verbunden sind, um sicherzustellen, dass der Bewehrungskorb nach dem Aufstellen stabil steht und nicht oder nur unwesentlich schwanken bzw. "wackeln" kann. Vorzugsweise können normierte Standard-Bewehrungskörbe vorgesehen sein.
Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine herkömmliche Bewehrung in 3D-gedruckte Betonstrukturen vorteilhaft integriert werden und die Armierung durch die Lastabtragungselemente weiter erhöht sein. Die Bewehrung kann, insbesondere wenn diese eine Bewehrungsmatte oder einen Bewehrungskorb aufweist, mehrere Horizontalstreben und mehrere Vertikalstreben aufweisen. Je nachdem, wie die Bewehrung aufgestellt ist, beispielsweise auf dem Untergrund aufgestellt ist, verlaufen die Vertikalstreben vorzugsweise in Lotrichtung des Untergrunds und die Horizontalstreben vorzugsweise orthogonal zu den Vertikalstreben.
Insofern im Rahmen der Erfindung von einer "vertikalen" oder "horizontalen" Richtung gesprochen wird, so ist die vertikale Richtung bezogen auf das Lot zu dem Untergrund und die horizontale Richtung hierzu rechtwinklig zu verstehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement an der Bewehrung befestigt ist.
Das wenigstens eine Lastabtragungselement kann beispielsweise auf zwei zueinander versetzt positionierten Horizontalstreben der Bewehrung aufliegen, beispielsweise auf den voneinander beabstandeten Horizontalstreben eines Bewehrungskorbes oder zweier benachbarter Bewehrungsmatten derselben Höhenebene und optional an einer oder mehreren der Horizontalstreben und/oder Vertikalstreben befestigt sein. Das wenigstens eine Lastabtragungselement muss allerdings nicht unbedingt auf der Bewehrung aufliegen und kann dann beispielsweise auch nur seitlich an der Bewehrung befestigt sein.
Insofern das wenigstens eine Lastabtragungselement an der Bewehrung befestigt ist, so kann diese Befestigung grundsätzlich beliebiger Natur sein. Es können somit beliebige formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Befestigungstechniken vorgesehen sein, wie beispielsweise Kleben, Schweißen, eine geeignete Umformung bis hin zur Befestigung mittels zusätzlicher Hilfsmittel, wie Zurrelementen (z. B. Kabelbinder). In Spezialfällen kann sogar vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement mit der Bewehrung einstückig ausgebildet ist.
An dieser Stelle sei nochmals betont, dass eine Bewehrung nicht unbedingt erforderlich ist. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement an einer Halterung oder einem sonstigen Objekt befestigt ist und/oder auf einer Halterung oder einem sonstigen Objekt aufliegt. Auch eine Befestigung an dem Untergrund, auf dem das Bauwerk errichtet wird, oder an einer Anschlussbewehrung kann gegebenenfalls vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bewehrung zwischen zwei parallel verlaufenden Druckbahnen angeordnet ist.
Vorzugsweise erstrecken sich in diesem Fall Lastabtragungselemente beidseitig der Bewehrung bis in die jeweilige Druckbahn. Dabei können auf jeder Seite der Bewehrung separate Lastabtragungselemente vorgesehen sein. Eine besonders gute Verstärkung kann sich allerdings ergeben, wenn sich das wenigstens eine Lastabtragungselement von der ersten Druckbahn bis zu der zweiten Druckbahn durch die Bewehrung hindurch erstreckt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich das wenigstens eine Lastabtragungselement über die Druckbahn hinaus erstreckt, um nach dem Abscheiden des Baustoffs von dem fertigen Bauteil seitlich herauszuragen bzw. abzustehen. Die Lastabtragungselemente können aber auch innerhalb der Druckbahn enden oder mit der Seitenfläche des Bauteils abschließen.
Insbesondere wenn die Lastabtragungselemente über die Druckbahn hinausragen, können diese farblich kodiert sein, so dass bei dem fertigen Bauteil (beispielsweise einer Wandung oder einem Schalungsbauteil), das Maß der Baustoffdeckung bzw. Betondeckung, also die seitliche Überdeckung des Lastabtragungselements mit dem Baustoff, sichtbar gemacht wird. So kann beispielsweise ein noch sichtbares Lastabtragungselement auf eine zu geringe Baustoffdeckung hinweisen und eine Nachbearbeitung nahelegen.
Optional kann vorgesehen sein, dass die Lastabtragungselemente, wenn diese später seitlich von dem fertigen Bauteil abstehen, zumindest an ihren abstehenden, freien Enden ein Gewinde oder eine sonstige Befestigungsmöglichkeit für ein flächiges Stützelement, wie z. B. ein Stützblech oder eine Unterlegscheibe, aufweisen. Auf diese Weise können die Horizontalkräfte noch schonender durch die Lastabtragungselemente abgeleitet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere der Lastabtragungselemente entlang der Druckbahn verteilt angeordnet sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere der Lastabtragungselemente über mehrere der abzuscheidenden Schichten verteilt angeordnet sind.
Durch eine möglichst großflächige Verteilung der Lastabtragungselemente kann eine besonders stabile Verstärkung des Bauteils und eine schonende Kraftableitung durch die Lastabtragungselemente möglich sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Lastabtragungselement pro abzuscheidender Schicht verwendet wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Lastabtragungselement pro Vertikalstrebe der Bewehrung verwendet wird, das sich ausgehend von der jeweiligen Vertikalstrebe bis in die Druckbahn erstreckt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass pro Quadratmeter Schalung 0,1 bis 20 Lastabtragungselemente vorgesehen sind, z. B. 0,2 bis 10 Lastabtragungselemente, 0,4 bis 5 Lastabtragungselemente oder genau ein Lastabtragungselement, wobei die Menge der Lastabtragungselemente von dem Durchmesser und/oder dem Material der Lastabtragungselemente abhängt und demnach auch mehr oder weniger Lastabtragungselemente pro Quadratmeter Schalung vorgesehen sein können.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Lastabtragungselement, das aus der Druckbahn geschoben wird, um ein sich im Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit befindliches Lastabtragungselement einer nachfolgend abzuscheidenden Baustoffschicht handelt, das von der Materialausgabeeinheit zumindest vorübergehend aus der Druckbahn geschoben wird, während die Materialausgabeeinheit den Baustoff entlang der vorgegebenen Druckbahn einer (vertikal) tieferliegenden Baustoffschicht abscheidet.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass keine tieferliegende Baustoffschicht vorhanden ist, beispielsweise wenn es sich bei der aktuellen Druckbahn um die erste Druckbahn handelt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement über eine Gelenkverbindung mit der Bewehrung verbunden ist. Die Gelenkverbindung kann beispielsweise in der Art eines Filmscharniers ausgebildet sein, also insbesondere durch eine Querschnittsverjüngung des Lastabtragungselements.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement zumindest abschnittsweise elastisch ausgebildet ist (z. B. im Bereich eines seiner Enden oder auch in einem mittleren Bereich), insbesondere um eine Auslenkung des Lastabtragungselements quer zu seiner Längsachse zu ermöglichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Gelenkverbindung und/oder der abschnittsweise elastische Abschnitt des Lastabtragungselements ausgebildet sind, um eine Verschiebbarkeit des sich in die Druckbahn erstreckenden Abschnitts des Lastabtragungselements durch die Materialausgabeeinheit zu ermöglichen.
Die Deformierbarkeit bzw. die Elastizität des Lastabtragungselement oder der Gelenkverbindung kann derart gewählt sein, dass sich das Lastabtragungselement von der Materialausgabeeinheit aus dem Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit verschieben lässt und sich hierzu ausreichend reversibel verbiegen kann, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ohne eine (irreversible) plastische Verformung zu erfahren.
Vorzugsweise erfährt das wenigstens eine Lastabtragungselement anschießend, wenn sich die Materialausgabeeinheit weiter entlang der Druckbahn bewegt hat, eine Rückstellkraft und bewegt sich selbstständig zumindest im Wesentlichen, besonders bevorzugt vollständig, zurück in die ursprüngliche Position und Ausrichtung. Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Gelenkverbindung und/oder der abschnittsweise elastische Abschnitt des Lastabtragungselements ausgebildet sind, um eine selbstständige Rückstellung des durch die Materialausgabeeinheit aus der Druckbahn verschobenen Abschnitts des Lastabtragungselements zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Lastabtragungselement zumindest in Richtung der Druckbahn oder entgegen der Richtung der Druckbahn schwenkbar. Das wenigstens eine Lastabtragungselement kann hierzu eine vertikal verlaufende Schwenkachse aufweisen, die vorzugsweise parallel zu den Vertikalstreben der Bewehrung bzw. zu dem Lot auf dem Untergrund verläuft.
Das Lastabtragungselement kann derart schwenkbar sein bzw. die vertikale Schwenkachse kann derart positioniert sein, dass das Lastabtragungselement aus dem Verschiebeweg des Druckkopfes herausgeschwenkt werden kann. Die Lastabtragungselemente können sich somit in einem Ruhezustand in einer Draufsicht auf den Untergrund in der Druckbahn befinden (mitunter unabhängig von der tatsächlichen Höhenlage).
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement aus einem rostfreien Material ausgebildet ist.
Die Verwendung eines rostfreien Materials zur Ausgestaltung des wenigstens einen Lastabtragungselements hat sich als besonders geeignet herausgestellt, da die Baustoffdeckung bzw. Betondeckung des Lastabtragungselements in der Regel vergleichsweise gering ist, da sich das Lastabtragungselement bis in die Druckbahn (oder sogar darüber hinaus) erstreckt. Das Lastabtragungselement kann damit besonders anfällig für spätere Korrosionen sein. Um zu vermeiden, dass sich die Korrosion entlang des Lastabtragungselements bis in die Bewehrung hinein ausbreitet, kann die Verwendung eines rostfreien Materials von Vorteil sein. Die Verwendung eines rostfreien Materials ist aber auch nicht unbedingt erforderlich, beispielsweise wenn die Bewehrung selbst aus einem rostfreien Material ausgebildet ist oder wenn es auf eine nachträgliche Korrosion des Lastabtragungselements nicht ankommt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Lastabtragungselement aus einem Kunststoff, einem Blechwerkstoff, einer Textilie, einem Metall (z. B. Stahl oder Eisen) oder einer Kombination der genannten Materialien ausgebildet ist. Diese Auflistung ist nicht abschließend zu verstehen.
Das wenigstens eine Lastabtragungselement kann auch aus einzelnen Fasern oder Fasersträngen ausgebildet sein (z. B. aus Glasfasern, Kohlenstofffasern etc.), selbst aus Fasern eines grundsätzlich spröden Materials.
Besonders eignen kann sich ein Faserverbundstoff, beispielsweise eine Kombination aus einem Kunststoff und textilen Fasern, wie beispielsweise Kevlarfasern. Kevlarfasern und Faserbündel können grundsätzlich gut geeignet sein, da sie sich in der Länge wenig zu dehnen vermögen. Auch ein Verbundwerkstoff mit einer Kunststoffmatrix kann ausreichend flexibel ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit an einem Endeffektor einer Aktuatoreinrichtung befestigt ist und von der Aktuatoreinrichtung entlang der Druckbahn bewegt wird.
Vorzugsweise ist der Endeffektor als Laufkatze einer als Portalkraneinheit ausgebildeten Aktuatoreinrichtung ausgebildet. Ein derartiges System ist auch unter dem Begriff "Portaldrucker" bekannt.
Der Endeffektor kann allerdings auch als Endeffektor eines Roboters, insbesondere eines Industrie-Roboters, ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Sechs-Achs-Roboter oder ein anderes Bewegungssystem, zum Beispiel ein Hexapod oder ein Fünf-Achs-System oder auch eine Kombination aus mehreren Bewegungseinheiten vorgesehen sein, um die Materialausgabeeinheit zu bewegen.
Die Materialausgabeeinheit kann in zumindest einem Translationsfreiheitsgrad, vorzugsweise in zumindest zwei Translationsfreiheitsgraden, bewegt werden, um den Baustoff auszubringen, insbesondere durch die Aktuatoreinrichtung. Durch die Möglichkeit der Bewegung entlang zweier Translationsfreiheitsgrade kann beispielsweise eine gerade verlaufende Wand eines Bauwerks oder ein Schalungsbauteil einer Schalung additiv gefertigt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Materialausgabeeinheit in allen drei Translationsfreiheitsgraden bewegt wird, um den Baustoff auszubringen. Insbesondere eine entlang aller Translationsfreiheitsgrade bewegliche Materialausgabeeinheit ermöglicht eine flexible Fertigung beliebiger dreidimensionaler Bauwerke oder dreidimensionaler Bauteile von Bauwerken auf dem Untergrund.
Die Materialausgabeeinheit kann sogar in zumindest vier Freiheitsgraden bewegt werden, insbesondere in allen drei Translationsfreiheitsgraden und zumindest einem Rotationsfreiheitsgrad. Besonders bevorzugt kann eine Bewegung entlang fünf Freiheitsgraden (vorzugsweise alle drei Translationsfreiheitsgrade und zwei Rotationsfreiheitsgrade) und ganz besonders bevorzugt entlang aller sechs Freiheitsgrade vorgesehen sein. Insbesondere wenn die Materialausgabeeinheit in allen Translationsfreiheitsgraden und ergänzend in einem oder mehreren Rotationsfreiheitsgraden beweglich ist, können die einzelnen Druckbahnen mit höchster Flexibilität abgeschieden werden. Auf diese Weise kann die Geometrie des Bauteils nahezu beliebig vorgegeben werden. Beispielsweise kann ein Verkippen der Materialausgabeeinheit und/oder eine Drehung der Materialausgabeeinheit während des Abscheidens des Baustoffs vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit vertikal bzw. orthogonal zu dem Untergrund ausgerichtet wird, auf dem das Bauteil errichtet wird, während die Materialausgabeeinheit entlang der Druckbahn bewegt wird und den Baustoff abscheidet. Ein vertikales Abscheiden des Baustoffs ist technisch besonders einfach realisierbar und führt in der Regel zu einem besonders guten Ergebnis. Insbesondere wenn das wenigstens eine Lastabtragungselement von der Materialausgabeeinheit aus dem Verschiebeweg verschiebbar ist, kann sich ein vertikales Abscheiden des Baustoffs im Rahmen der Erfindung vorteilhaft eignen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit schräg bis parallel zu dem Untergrund ausgerichtet wird, auf dem das Bauteil errichtet wird, während die Materialausgabeeinheit entlang der Druckbahn bewegt wird und den Baustoff in Richtung der Bewehrung abscheidet.
Ein schräges Abscheiden des Baustoffs kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn das wenigstens eine Lastabtragungselement starr ausgebildet ist. Durch ein schräges bzw. paralleles Abscheiden kann dann wiederum eine Kollision mit der Materialausgabeeinheit vermieden werden, wobei der Baustoff dennoch auf die sich in der Druckbahn befindlichen Lastabtragungselemente der aktuellen Schicht abgeschieden werden kann.
Die Materialausgabeeinheit kann ausgebildet sein, um den Baustoff in einer definierten Form auszubringen, beispielsweise in Druckbahnen mit rechteckigen oder runden Kanten. Die einzelnen Druckbahnen können im Querschnitt beispielsweise rechteckig (quadratisch oder länglich), rund oder oval ausgebracht werden. Vorzugsweise gibt die Materialausgabeeinheit den Baustoff in der vorgesehenen Wandungsdicke des zu druckenden Bauteils aus.
Die Materialausgabeeinheit kann optional seitliche Führungsschenkel aufweisen, insbesondere zwei sich gegenüberliegende Führungsschenkel, um den Baustoff während des Ausbringens seitlich zu stabilisieren und/oder in Form zu bringen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit ausgebildet ist, um wahlweise Druckbahnen mit verschiedener Querschnittsgeometrie abzuscheiden und/oder dass die Materialausgabeeinheit manuell oder vorzugsweise automatisch austauschbar ist, wobei jede Materialausgabeeinheit zum Abscheiden von Druckbahnen mit einer spezifischen Querschnittsgeometrie eingerichtet ist.
Es kann optional außerdem vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit ausgebildet ist, um wahlweise Druckbahnen aus verschiedenen Baustoffen abzuscheiden und/oder dass die Materialausgabeeinheit manuell oder vorzugsweise automatisch austauschbar ist, wobei jede Materialausgabeeinheit zum Abscheiden eines spezifischen Baustoffes eingerichtet ist. Die Flexibilität des Verfahrens kann durch die Möglichkeit, verschiedene Baustoffe und/oder verschiedene Querschnittsgeometrien abzuscheiden, weiter verbessert sein. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, umfassend Steuerbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, ein Verfahren gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen auszuführen.
Die Steuereinrichtung kann als Mikroprozessor ausgebildet sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann auch eine beliebige weitere Einrichtung zur Implementierung der Steuereinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere Anordnungen diskreter elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine sonstige programmierbare Schaltung, beispielsweise auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine programmierbare logische Anordnung (PLA) und/oder ein handelsüblicher Computer.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Lastabtragungselement, das sich entlang einer Längsachse erstreckt, zur Lastabtragung entlang der Längsachse, vorzugsweise zur Verwendung innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils. Es ist vorgesehen, dass das Lastabtragungselement eine Gelenkverbindung und/oder zumindest einen elastischen Abschnitt aufweist, um eine Schwenkbewegung des Lastabtragungselements quer zu der Längsachse zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft auch eine Bewehrung zur Verwendung innerhalb eines Bauteils, insbesondere innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils, aufweisend wenigstens ein seitlich von der Bewehrung abstehendes Lastabtragungselement.
Es kann vorgesehen sein, dass das wenigstes eine Lastabtragungselement über eine Gelenkverbindung mit der Bewehrung verbunden ist und/oder zumindest abschnittsweise elastisch ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein additiv gefertigtes Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen, aufweisend eine Bewehrung, die von einem schichtweise ausgebrachten Baustoff umhüllt ist.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Baustoff, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen eingerichtet ist. Die Vorrichtung weist insbesondere eine Materialausgabeeinheit für den Baustoff auf, um den Baustoff schichtweise entlang einer vorgegebenen Druckbahn abzuscheiden.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung, namentlich gegeben durch das erfindungsgemäße Verfahren, das Computerprogramm, die Bewehrung, das additiv gefertigte Bauteil und die Vorrichtung beschrieben wurden, sind auch für die anderen Gegenstände der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. Ebenso können Vorteile, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung genannt wurden, auch auf die anderen Gegenstände der Erfindung bezogen verstanden werden. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie "umfassend", "aufweisend" oder "mit" keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie "ein" oder "das", die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen "umfassend", "aufweisend" oder "mit" eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielsweise ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
Es sei erwähnt, dass Bezeichnungen wie "erstes" oder "zweites" etc. vornehmlich aus Gründen der Unterscheidbarkeit von jeweiligen Vorrichtungs- oder Verfahrensmerkmalen verwendet werden und nicht unbedingt andeuten sollen, dass sich Merkmale gegenseitig bedingen oder miteinander in Beziehung stehen.
Ferner sei betont, dass die vorliegend beschriebenen Werte und Parameter Abweichungen oder Schwankungen von ±10% oder weniger, vorzugsweise ±5% oder weniger, weiter bevorzugt ±1% oder weniger, und ganz besonders bevorzugt ±0,1% oder weniger des jeweils benannten Wertes bzw. Parameters mit einschließen, sofern diese Abweichungen bei der Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht ausgeschlossen sind. Die Angabe von Bereichen durch Anfangs- und Endwerte umfasst auch all diejenigen Werte und Bruchteile, die von dem jeweils benannten Bereich eingeschlossen sind, insbesondere die Anfangs- und Endwerte und einen jeweiligen Mittelwert.
Die Erfindung betrifft auch ein von Anspruch 1 unabhängiges Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils aus einem Baustoff, wonach eine Materialausgabeeinheit den Baustoff schichtweise entlang einer vorgegebenen Druckbahn abscheidet. Dabei ist vorgesehen, dass sich wenigstens ein Lastabtragungselement bis in die Druckbahn erstreckt, wobei die Materialausgabeeinheit den Baustoff auf das sich in der Druckbahn befindliche Lastabtragungselement abscheidet. Die weiteren Merkmale des Anspruchs 1 und der abhängigen Ansprüche sowie die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten dieses Verfahrens. Insbesondere kann alternativ oder zusätzlich zu der in Anspruch 1 beschriebenen Verschiebung des wenigstens einen Lastabtragungselements durch die Materialausgabeeinheit auch die Materialausgabeeinheit verschiebbar sein, wenn diese in Kontakt mit einem Lastabtragungselement kommt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 eine Materialausgabeeinheit während des erfindungsgemäßen Abscheidens eines Baustoffs zur additiven Fertigung eines Schalungsbauteils in mehreren Baustoffschichten entlang einer Bewehrung mit mehreren sich in die Druckbahn erstreckenden Lastabtragungselementen;
Figur 2 die additive Fertigung einer Schalung um eine Bewehrung herum, mit den erfindungsgemäßen Lastabtragungselementen;
Figur 3 eine Materialausgabeeinheit, die den Baustoff vertikal angrenzend an die Bewehrung abscheidet;
Figur 4 eine Materialausgabeeinheit, die den Baustoff schräg angrenzend an die Bewehrung abscheidet; und
Figur 5 eine Einzeldarstellung eines über eine Gelenkverbindung mit einer Vertikalstrebe der Bewehrung verbundenen Lastabtragungselements.
In Figur 1 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft und schematisch angedeutet. Zur additiven Fertigung eines Bauteils 1 aus einem Baustoff 2 ist eine Materialausgabeeinheit 3 vorgesehen, die den Baustoff 2 schichtweise entlang einer vorgegebenen Druckbahn D abscheidet. Die Druckbahn D ist in Figur 1 strichliniert und die Bewegung der Materialausgabeeinheit 3 durch einen Pfeil angedeutet.
Bei dem additiv gefertigten Bauteil kann es sich insbesondere um eine Schalung 1 aus zwei parallel zueinander verlaufenden Schalungsbauteilen 1' handeln (vgl. beispielsweise die Figuren 3 und 4). Die Erfindung eignet sich aber grundsätzlich zur Fertigung eines beliebigen Bauteils 1 oder sogar eines gesamten Bauwerks und ist demnach nicht auf die Herstellung einer Schalung 1 oder eines Schalungsbauteils 1' beschränkt zu verstehen. Die Erfindung eignet sich jedoch besonders vorteilhaft zur Herstellung einer sogenannten "verlorenen" Schalung 1 , die optional (aber nicht notwendigerweise) mit einem zusätzlichen Baustoff befüllt wird (nicht dargestellt) und die einen Bestandteil des späteren Bauteils bildet. Bei dem Baustoff 2 zur additiven Fertigung und/oder bei dem zusätzlichen Baustoff kann es sich insbesondere um einen fließfähig angemischten Beton handeln. Grundsätzlich kann allerdings ein beliebiger Baustoff 2 vorgesehen sein, beispielsweise auch ein Kunststoff oder Gips.
Das Bauteil 1 kann auf einem Untergrund 4 errichtet werden. Die Druckbahn D verläuft zumindest abschnittsweise entlang einer Bewehrung 5, die beispielsweise eine Bewehrungsmatte (vgl. Figur 1) oder einen ganzen Bewehrungskorb (vgl. Figuren 2 bis 4) aufweisen kann. Die Bewehrung 5 kann auf dem Untergrund 4 aufgestellt und optional mit dem Untergrund 4 verbunden sein, beispielsweise über eine so genannte Anschlussbewehrung (nicht dargestellt).
Vorzugsweise ist die Druckbahn D von der Bewehrung 5 beabstandet, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Hierauf kommt es aber nicht unbedingt an.
Es ist wenigstens ein Lastabtragungselement 7 vorgesehen, das sich ausgehend von der Bewehrung 5 bis in die Druckbahn D erstreckt, wobei die Materialausgabeeinheit 3 den Baustoff 2 auf das sich in der Druckbahn D befindliche Lastabtragungselement 7 abscheidet, was in Figur 1 besonders gut erkennbar ist.
Die Bewehrung 5 kann zwischen zwei parallel verlaufenden Druckbahnen D angeordnet sein, wie dies beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist. Es kann dann wenigstens ein Lastabtragungselement 7 auf jeder Seite der Bewehrung 5 vorgesehen sein. Es können jedoch auch Lastabtragungselemente 7 vorgesehen sein, die sich von einer Seite der Bewehrung 5 bis zu der anderen Seite der Bewehrung 5 erstrecken, also in beide Druckbahnen D hineinragen. Dies ist in Figur 2 strichliniert angedeutet.
Das wenigstens eine Lastabtragungselement 7 kann an der Bewehrung befestigt sein und/oder auf zwei zueinander versetzt positionierten Horizontalstreben 8 der Bewehrung 5 aufliegen.
Es kann vorgesehen sein, dass sich das wenigstens eine Lastabtragungselement 7 über die Druckbahn D hinaus erstreckt, um nach dem Abscheiden des Baustoffs 2 von dem fertigen Bauteil 1 seitlich herauszuragen (vgl. Figuren 1 und 2). Das Lastabtragungselement 7 kann seitlich aber auch vollständig von dem Baustoff 2 überdeckt sein, was grundsätzlich bevorzugt ist.
Vorzugsweise sind mehrere der Lastabtragungselemente 7 entlang der Druckbahn D verteilt angeordnet sowie über mehrere abzuscheidenden Schichten verteilt. Die Verwendung von möglichst vielen Lastabtragungselementen 7 kann zu einer gleichmäßigen und schonenden Lastabtragung führen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass pro abzuscheidender Schicht mehrere Lastabtragungselemente 7 vorgesehen sind, vorzugsweise ein jeweiliges Lastabtragungselement 7 pro Vertikalstrebe 9 der Bewehrung 5, wie in Figur 1 gut erkennbar. Es kann aber z. B. auch vorgesehen sein, dass nur für jede zweite Vertikalstrebe 9 der Bewehrung 5 ein Lastabtragungselement 7 vorgesehen ist, nur für jede dritte Vertikalstrebe 9 der Bewehrung 5, oder nur für jede vierte Vertikalstrebe der Bewehrung 5. Alle vorliegenden Angaben sind nur beispielhaft zu verstehen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass sich die Anzahl bzw. Dichte der Lastabtragungselemente 7 in dem späteren Bauteil 1 aus dem Durchmesserder Lastabtragungselemente 7 ergeben kann. Je kleiner der Durchmesserder Lastabtragungselemente 7 ist, desto mehr Lastabtragungselementen 7 können in der Regel vorteilhaft vorgesehen sein kann.
In einer bevorzugten Variante kann vorgesehen sein, dass sich ein im akuten Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit 3 befindliches Lastabtragungselement 7' (vgl. Figur 1) einer nachfolgenden bzw. höheren Baustoffschicht von der Materialausgabeeinheit 3 zumindest vorübergehend aus der Druckbahn D schieben lässt, während die Materialausgabeeinheit 3 den Baustoff 2 entlang der aktuellen Druckbahn D abscheidet. Beispielhaft ist in Figur 1 dargestellt, wie die Materialausgabeeinheit 3 eines der Lastabtragungselemente 7' aus ihrem Bewegungspfad verschiebt bzw. verbiegt. Anschließend kann sich das Lastabtragungselement 7' aufgrund einer elastischen Rückstellkraft wieder in seine Ursprungsposition zurückbewegen.
Die Lastabtragungselemente 7 können beispielsweise über eine Gelenkverbindung 10 mit der Bewehrung 5 verbunden sein. Eine beispielhafte Gelenkverbindung 10 in der Art eines Filmscharniers ist in der Figur 5 dargestellt. Die Gelenkverbindung 10 bzw. das Filmscharnier kann durch eine Querschnittsverjüngung ausgebildet sein und insbesondere eine Bewegung in oder entgegen der Druckbahn D / Vorschubrichtung der Materialausgabeeinheit 3 ermöglichen (vgl. Pfeile in Figur 5).
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lastabtragungselemente 7 zumindest an einem Abschnitt ihrer Längsachse L (vgl. Figur 5) elastisch ausgebildet sind, insbesondere um ein Verbiegen / Verschwenken quer zu der Längsachse L zu ermöglichen. Die Lastabtragungselemente 7 können grundsätzlich auch vollständig elastisch ausgebildet sein - bereits eine elastische Ausgestaltung eines der Enden oder eines Mittelteils kann allerdings ausreichend sein.
Das Lastabtragungselement 7 kann grundsätzlich auf beliebige Weise mit der Bewehrung 5, beispielsweise einer Vertikalstrebe 9 der Bewehrung 5, verbunden sein. In Figur 5 ist eine Schweißverbindung 11 angedeutet.
Optional, wie dies ebenfalls in Figur 5 angedeutet ist, kann das Lastabtragungselement 7 Querstreben 12 oder sonstige Ankerelemente aufweisen, um eine noch bessere Verbindung mit der jeweiligen Baustoffschicht herzustellen. Auch Ausnehmungen oder Querschnittsverjüngungen können optional vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist das Lastabtragungselement 7 aus einem rostfreien Material ausgebildet. Beispielsweise kann das Lastabtragungselement 7 aus einem Kunststoff, einem Blechwerkstoff (insbesondere einem rostfreien Blechwerkstoff), einer Textilie oder einem Verbundwerkstoff, insbesondere einer Kombination der genannten Materialien, ausgebildet sein.
Die Materialausgabeeinheit 3 kann an einem nicht näher dargestellten Endeffektor einer ebenfalls nicht gezeigten Aktuatoreinrichtung befestigt sein. Eine entsprechende Vorrichtung zur additiven Fertigung des Bauteils kann beispielsweise als sogenannter Portaldrucker ausgebildet sein. Die Aktuatoreinrichtung vermag den Endeffektor bzw. die Materialausgabeeinheit 3 entlang der Druckbahn D in vorzugsweise mehreren Freiheitsgraden zu bewegen.
Zum Abscheiden des Baustoffs 2 kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit 3 vertikal zu dem Untergrund 4 ausgerichtet wird, auf dem das Bauteil 1 errichtet wird (vgl. Figur 3). Zur einfacheren Darstellung sind die Lastabtragungselemente 7 in den Figuren 3 und 4 nicht dargestellt. Ein vertikales Abscheiden eignet sich insbesondere dann, wenn die Lastabtragungselemente 7 flexibel ausgebildet sind und von der Materialausgabeeinheit 3 verschiebbar sind, wie in Figur 1 dargestellt.
Insbesondere wenn die Lastabtragungselemente 7 starr ausgebildet sind kann sich auch eine schräge bis parallele Ausrichtung der Materialausgabeeinheit 3 relativ zu dem Untergrund 4 eignen, um den Baustoff 2 in Richtung der Bewehrung 5 abzuscheiden, wie in Figur 4 angedeutet. Auf diese Weise kann gegebenenfalls eine Kollision zwischen Materialausgabeeinheit 3 und Lastabtragungselementen 7 höherer Baustoffschichten vermieden werden.
Es kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Ausrichtung der Materialausgabeeinheit 3 während der additiven Fertigung flexibel einstellbar ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (1) aus einem Baustoff (2), wonach eine Materialausgabeeinheit (3) den Baustoff (2) schichtweise entlang einer vorgegebenen Druckbahn (D) abscheidet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich wenigstens ein Lastabtragungselement (7) bis in die Druckbahn (D) erstreckt, wobei die Materialausgabeeinheit (3) den Baustoff (2) auf das sich in der Druckbahn (D) befindliche Lastabtragungselement (7) abscheidet, wobei ein sich in einem Verschiebeweg der Materialausgabeeinheit (3) befindliches Lastabtragungselement (7') von der Materialausgabeeinheit (3) zumindest vorübergehend aus der Druckbahn (D) geschoben wird, während die Materialausgabeeinheit (3) den Baustoff (2) entlang der vorgegebenen Druckbahn (D) abscheidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Druckbahn (D) zumindest abschnittsweise entlang einer Bewehrung (5) verläuft, ausgehend von der sich das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) bis in die Druckbahn (D) erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Schalungsbauteil (1') gefertigt wird, insbesondere zwei parallel zueinander verlaufende Schalungsbauteile (1') zur Ausbildung einer Schalung (1).
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schalung (1) mit einem zusätzlichen Baustoff befüllt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Baustoff (2) fließfähig angemischter Beton oder Mörtel verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Druckbahn (D) zumindest abschnittsweise parallel zu dem Verlauf der Bewehrung (5) auf einem Untergrund (4) verläuft, und vorzugsweise von der Bewehrung (5) beabstandet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewehrung (5) eine Bewehrungsmatte und/oder einen Bewehrungskorb und/oder einen Bewehrungsstab und/oder einen Bewehrungsdraht aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) an der Bewehrung (5) befestigt ist und/oder auf zwei zueinander versetzt positionierten Horizontalstreben (8) der Bewehrung (5) aufliegt und/oder an einer Halterung befestigt ist und/oder auf einer Halterung aufliegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewehrung (5) zwischen zwei parallel verlaufenden Druckbahnen (D) angeordnet ist, wobei a) sich wenigstens eines der Lastabtragungselemente (7) von der ersten Druckbahn bis zu der zweiten Druckbahn durch die Bewehrung (5) hindurch erstreckt; und/oder b) auf jeder Seite der Bewehrung (5) separate Lastabtragungselemente (7) vorgesehen sind, die sich jeweils bis in die zugeordnete Druckbahn (D) erstrecken.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) über die Druckbahn (D) hinaus erstreckt, um nach dem Abscheiden des Baustoffs (2) von dem fertigen Bauteil (1) seitlich herauszuragen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere der Lastabtragungselemente (7) entlang der Druckbahn (D) verteilt angeordnet sind und/oder über mehrere der abzuscheidenden Schichten verteilt angeordnet sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei dem aus der Druckbahn (D) geschobenen Lastabtragungselement (7') um ein Lastabtragungselement (7') einer nachfolgend abzuscheidenden Baustoffschicht handelt, das von der Materialausgabeeinheit (3) aus der Druckbahn (D) geschoben wird, während die Materialausgabeeinheit (3) den Baustoff (2) entlang der vorgegebenen Druckbahn (D) einer tieferliegenden Baustoffschicht abscheidet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) über eine Gelenkverbindung (10) mit der Bewehrung (5) verbunden ist und/oder in Richtung der Druckbahn (D) zumindest abschnittsweise elastisch ausgebildet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gelenkverbindung (10) und/oder der abschnittsweise elastische Abschnitt des Lastabtragungselements (7) ausgebildet sind, um eine Verschiebbarkeit des sich in die Druckbahn (D) erstreckenden Abschnitts des Lastabtragungselements (7) durch die Materialausgabeeinheit (3) zu ermöglichen.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gelenkverbindung (10) und/oder der abschnittsweise elastische Abschnitt des Lastabtragungselements (7) ausgebildet sind, um eine selbstständige Rückstellung des durch die Materialausgabeeinheit (3) aus der Druckbahn (D) verschobenen Abschnitts des Lastabtragungselements (7) zu ermöglichen.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) aus einem rostfreien Material ausgebildet ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das wenigstens eine Lastabtragungselement (7) aus einem Kunststoff, einem Blechwerkstoff, einer Textilie, einem Metall oder einer Kombination der genannten Materialien ausgebildet ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Materialausgabeeinheit (3) an einem Endeffektor einer Aktuatoreinrichtung befestigt ist und von der Aktuatoreinrichtung entlang der Druckbahn (D) bewegt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Materialausgabeeinheit (3) vertikal zu einem Untergrund (4) ausgerichtet wird, auf dem das Bauteil (1) errichtet wird, während die Materialausgabeeinheit (3) entlang der Druckbahn (D) bewegt wird und den Baustoff (2) abscheidet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Materialausgabeeinheit (3) schräg bis parallel zu einem Untergrund (4) ausgerichtet wird, auf dem das Bauteil (1) errichtet wird, während die Materialausgabeeinheit (3) entlang der Druckbahn (D) bewegt wird und den Baustoff (2) in Richtung der Bewehrung (5) abscheidet.
21. Computerprogramm, umfassend Steuerbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 auszuführen.
22. Lastabtragungselement (7), das sich entlang einer Längsachse erstreckt, zur Lastabtragung entlang der Längsachse, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Lastabtragungselement (7) eine Gelenkverbindung (10) und/oder zumindest einen elastischen Abschnitt aufweist, um eine Schwenkbewegung des Lastabtragungselements (7) quer zu der Längsachse zu ermöglichen.
23. Bewehrung (5) zur Verwendung innerhalb eines Bauteils (1), insbesondere innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils (1), aufweisend wenigstens ein seitlich von der Bewehrung (5) abstehendes Lastabtragungselement (7) gemäß Anspruch 22.
24. Additiv gefertigtes Bauteil (1), hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, aufweisend eine Bewehrung (5), die von einem schichtweise ausgebrachten Baustoff (2) umhüllt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewehrung (5) wenigstens ein seitlich von der Bewehrung (5) abstehendes, bis in den Baustoff (2) ragendes Lastabtragungselement (7) aufweist.
PCT/EP2022/059133 2021-04-07 2022-04-06 Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils, lastabtragungselement, bewehrung zur verwendung innerhalb eines bauteils und additiv gefertigtes bauteil WO2022214547A1 (de)

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