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Title:
3D PRINTING METHOD FOR PRODUCING AN ARTICLE CONSISTING OF CONCRETE OR MORTAR AND HAVING AN OPENING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/111955
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for producing an article (G) that consists of concrete or mortar, by way of 3D printing: wherein (A) strands (2) of a concrete or mortar mass (1) are applied layer by layer on top of one another by means of an industry robot, thereby producing a raw article (G'), and (B) a region (B) of the raw article (G') is removed by a separating manufacturing method so that an opening (B') is produced.

Inventors:
ALTIN MUHAMMED NASUH (DE)
LUKAS KRETTEK (DE)
STAUDACHER STEFAN (DE)
GUHL TIM (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/080441
Publication Date:
June 02, 2022
Filing Date:
November 03, 2021
Export Citation:
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Assignee:
SAINT GOBAIN WEBER FRANCE (FR)
International Classes:
B28B1/00; B28B11/12; B33Y10/00; B33Y70/00; B33Y80/00; C04B28/02; E04G21/04
Foreign References:
CN106088610A2016-11-09
US20140308381A12014-10-16
FR3047258A12017-08-04
CN107366381A2017-11-21
KR102009872B12019-10-21
EP1587995A22005-10-26
US20150072068A12015-03-12
EP3260258A12017-12-27
EP3284879A12018-02-21
US20140308381A12014-10-16
CN106088610A2016-11-09
FR3047258A12017-08-04
Attorney, Agent or Firm:
FEIST, Florian Arno (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands (G) aus Beton oder Mörtel mittels 3D- Druck, wobei:

(A) Bahnen (2) einer Beton- oder Mörtelmasse (1) durch einen Industrieroboter schichtweise aufeinander aufgebracht werden, wodurch ein Rohgegenstand (G1) erzeugt wird,

(B) ein Bereich (B) des Rohgegenstands (G1) durch ein trennendes Fertigungsverfahren entfernt wird, so dass eine Durchführung (B') erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beton- oder Mörtelmasse (1) mittels eines Druckkopfs (3) aufgebracht wird, der eine Düse (4) umfasst, welcher die Beton- oder Mörtelmasse (1) mittels einer Pumpe über eine Zuleitung (6) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Druckkopf (3) in Verfahrensschritt (A) durch den Industrieroboterbewegt wird, bevorzugt mittels eines Roboterarms (7).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Verfahrensschritt (B) ein Abschnitt mindestens einer Bahn (2) über ihre gesamte Breite entfernt wird, bevorzugt übereinander liegende Abschnitte mehrerer direkt übereinander liegender Bahnen (2).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Verfahrensschritt (B) ein Abschnitt mindestens einer Bahn (2) über ihre gesamte Länge entfernt wird, bevorzugt übereinander liegende Abschnitte mehrerer direkt übereinander liegender Bahnen (2).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bereich (B) durch Fräsen, Bohren, Meißeln, Feilen, Hobeln, Schleifen, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bereich (B) nach einem vollständigen oder teilweisen Aushärten des Rohgegenstands (G1) entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bereich (B) vor dem Aushärten des Rohgegenstands (G1) entfernt wird, wobei die Durchführung (B') angrenzend an eine obere Oberfläche des Rohgegenstands (G1) erzeugt wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Teil des Bereichs (B) vor dem Aushärten des Rohgegenstands (G1) entfernt wird, wobei mindestens ein Stützpfeiler verbleibt, welcher nach dem vollständigen oder teilweisen Aushärten durch ein trennendes Fertigungsverfahren entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Beton- oder Mörtelmasse (1) zumindest eine Gesteinskörnung, ein Bindemittel, bevorzugt Zement oder Kalk, und Zugabewasser enthält, sowie optional Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Beton- oder Mörtelmasse (1) in Verfahrensschritt (A) beim Erzeugen des später zu entfernenden Bereichs (B) ein Zusatz beigefügt wird, welcher geeignet ist, den Bereich (B) mit einer verringerten Härte zu versehen, wobei der Zusatz bevorzugt ein Poren- oder Blasenbildner ist, Druckluft, Wasser, eine härteverringernde Chemikalie oder eine ausschwämmbare Chemikalie.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Zusatz der Beton- oder Mörtelmasse (1) über eine an die Düse (4) oder die Zuleitung (6) angeschlossene Zusatzstoff-Zuführung (8) beigefügt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zwischen der untersten Bahn (2) des Bereichs (B) und der darunter liegenden Bahn (2) sowie zwischen der obersten Bahn (2) des Bereichs (B) und der darüber liegenden Bahn (2) jeweils eine Trennschicht (5) angeordnet ist, welche bevorzugt als Kunststofffolie, als Metallfolie, als Papier-, Papp- oder Holzschicht, als Sedimentschicht oder als Seifenlösung ausgebildet ist.

14. Gegenstand (G) aus Beton oder Mörtel, hergestellt mittels 3D-Druck nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Verwendung eines Gegenstands (G) nach Anspruch 14 als Bestandteil des Mauerwerks eines Gebäudes, beispielsweise als Fenster- oder Türöffnung oder als Durchführung für einen Kabelkanal oder eine Rohrleitung.

Description:
3D-Druckverfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus Beton oder Mörtel mit einer Durchführung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus Beton oder Mörtel mittels 3D-Druck, sowie einen derart hergestellten Gegenstand.

Der 3D-Druck von Gegenständen aus Beton oder Mörtel ist an sich bekannt. Dabei wird eine Beton- oder Mörtelmasse entsprechend der Form des zu erzeugenden Gegenstands in Form von Bahnen schichtweise aufeinander aufgebracht. Aus dem zu erzeugten Rohgegenstand mit der gewünschten Form entsteht der Gegenstand durch Aushärten der Beton- oder Mörtelmasse. Lediglich beispielhaft sei auf EP1587995A2, US2015072068A1, EP3260258A1 und EP3284879A1 verwiesen.

Mittels 3D-Druck sind Gegenstände aus Beton oder Mörtel mit hoher gestalterischer Flexibilität herstellbar. Das 3D-Druckverfahren gelangt jedoch dann an seine Grenzen, wenn Gegenstände mit Durchführungen erzeugt werden sollen, wie sie beispielsweise bei Betonwänden mit Fenster- oder Türöffnungen oder Durchführungen für Kabelkanäle, Abflussrohre, Wasserleitungen oder ähnliches auftreten. Oberhalb einer solchen Durchführung können keine Bahnen der Beton- oder Mörtelmasse abgeschieden werden, weil diese im noch nicht ausgehärteten Zustand einer Stabilisierung bedarf. Die Stabilisierung wird durch die darunterliegenden Bahnen gewährleistet, welche im Falle der Durchführung nicht vorhanden sind. Beim 3D-Druck von Kunststoffgegenständen ist es in solchen Fällen üblich, eine pfeiler- oder geflechtartige Stützstruktur zu drucken, was beim 3D-Druck von Gegenständen aus Beton oder Mörtel jedoch nicht möglich ist, da solche vergleichsweise filigranen Strukturen nicht realisierbar sind.

Aus US20140308381 A1 ist ein Verfahren zum 3D-Druck von Beton-Gegenständen bekannt, wobei der Druckkopf mit einem Schnittwerkzeug ausgestattet ist. Damit wird die Betonmasse bahnweise direkt nach dem Abscheiden zerteilt. So wird ein mehrere Bahnen umfassender Ausschnitt erzeugt, der nach dem Aushärten entfernt werden kann, um eine Durchführung zu erzeugen.

CN106088610A offenbart ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung einer Betonwand mit einer Durchführung. An der Stelle der zu erzeugenden Durchführung wird gleichsam eine temporäre Stützstruktur gedruckt, welche aus einem leicht entfernbaren Material besteht, insbesondere aus geschäumtem Kunststoff oder einer Betonmasse mit verzögerter Aushärtung. Die Stützstruktur wird nach dem Aushärten der übrigen Wand mit einem nicht näher beschriebenen Werkzeug entfernt.

FR3047258A1 offenbart ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung einer Betonwand mit einer Durchführung. An der Stelle der zu erzeugenden Durchführung wird eine wasserlösliche temporäre Stützstruktur gedruckt, welche nach dem Aushärten der übrigen Wand herausgelöst wird.

Es besteht Bedarf an verbesserten Verfahren zum 3D-Druck von Gegenständen aus Beton oder Mörtel, die eine flexiblere Formgestaltung erlauben. Insbesondere sollen Gegenstände mit Durchführungen realisierbar sein, bevorzugt mit beliebiger Form. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus Beton oder Mörtel mittels 3D-Druck umfasst die Herstellung eines Rohgegenstands mittels herkömmlichem 3D-Druck. Dabei werden Bahnen einer Beton- oder Mörtelmasse schichtweise aufeinander aufgebracht werden, wodurch ein Rohgegenstand erzeugt wird. Anschließend wird mindestens ein Bereich des Rohgegenstands entfernt.

Durch die nachträgliche Entfernung von Material nach dem eigentlichen 3D-Druck können nahezu beliebige Formen des Gegenstands realisiert werden. Insbesondere können Durchführungen erzeugt werden, wenn die Entfernung des Materials aus dem mindestens einen Bereich erst erfolgt, wenn die Beton- oder Mörtelmasse soweit ausgehärtet ist, dass der Bereich oberhalb der Durchführung keiner mechanischen Abstützung mehr bedarf. Das sind große Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Die Beton- oder Mörtelmasse wird typischerweise mittels eines Druckkopfs aufgebracht, der eine Düse umfasst. Dieser Düse wird die Beton- oder Mörtelmasse mittels einer Pumpe über eine Zuleitung zugeführt. Die Beton- oder Mörtelmasse enthält zumindest eine Gesteinskörnung, ein Bindemittel und Zugabewasser. Die Gesteinskörnung kann natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein. Als Bindemittel wird bevorzugt Zement oder Kalk eingesetzt. Optional kann die Beton- oder Mörtelmasse Betonzusatzstoffe und/oder Betonzusatzmittel enthalten. Die Beton- oder Mörtelmasse ist fließfähig und kann somit durch den Druckkopf abgeschieden werden. Nach der Abscheidung beginnt die Beton- oder Mörtelmasse auszuhärten, wobei sie ihre Fließfähigkeit infolge chemischer Prozesse (insbesondere der Einlagerung des Zugabewassers als Kristallwasser: Hydratation) und Verdunstung von Zugabewasser verliert. Dabei wird der Zementleim zu Zementstein umgewandelt. Das Aushärten umfasst insbesondere zunächst das Ansteifen, anschließend das Erstarren und wiederum anschließend das Erhärten der Beton- oder Mörtelmasse. Das Ansteifen stellt die erste Phase der Hydratation dar, wobei die Beton- oder Mörtelmasse noch verarbeitet werden kann. Während der daran anschließenden Phase des Erstarrens (Abbindens) tritt eine signifikante Viskositätszunahme auf. Während der letzten Phase des Erhärtens wird die Hydratation vervollständigt.

Das vollständige Erhärten kann mehrere Monate in Anspruch nehmen. Es ist nicht notwendig, die gesamte Phase des Erhärtens abzuwarten, wenn der Rohgegenstand im nicht mehr fließfähigen Zustand weiterverarbeitet werden soll, insbesondere durch Entfernen des mindestens einen Bereichs des Rohgegenstands. Das Aushärten im Sinne der Erfindung umfasst daher insbesondere die Phasen des Ansteifens und Erstarrens, so dass der Rohgegenstand seine Fließfähigkeit verloren hat und eine hinreichende Stabilität aufweist, wobei keine unerwünschte plastische Verformung der Beton- oder Mörtelmasse, beispielsweise unter dem Einfluss der Schwerkraft, mehr auftritt.

Betonzusatzstoffe sind pulverförmige oder flüssige Zusätze, die bestimmte Eigenschaften der Beton- oder Mörtelmasse beeinflussen. Als Betonzusatzstoffe können mineralische Feinstoffe (beispielsweise Gesteinsmehl, Flugasche, Tuff, Trass und/oder Silicastaub), organische Stoffe (beispielsweise Kunstharzdispersionen, insbesondere zur Verbesserung von Verarbeitbarkeit und Haftung), Farbpigmente und/oder Fasers (insbesondere Stahl-, Glas- oder Kunststofffasern) eingesetzt werden. Betonzusatzmittel sind in Wasser gelöste oder aufgeschlämmte Mittel, die der Beton- oder Mörtelmasse beigemischt werden, um ihre Eigenschaften, beispielsweise Verarbeitbarkeit, Abbindeverhalten, Erhärten oder Dauerhaftigkeit, durch physikalische und/oder chemische Wirkungen zu verändern. Als Betonzusatzmittel können beispielsweise Betonverflüssiger, Fließmittel, Stabilisierer, Luftporenbildner, Erstarrungsbeschleuniger, Erhärtungsbeschleuniger,

Erstarrungsverzögerer, Erhärtungsverzögerer und/oder Dichtungsmittel eingesetzt werden. Der Anteil an Betonzusatzmitteln beträgt bevorzugt weniger als 4 Gew.-% der Beton- oder Mörtelmasse, besonders bevorzugt höchstens 4 Gew.-%, beispielsweise von 0,2 Gew.-% bis 2 Gew.-%.

Die Düse kann als einfaches Rohr mit in Fließrichtung der Beton- oder Mörtelmasse konstantem Querschnitt ausgebildet sein, oder auch einen sich verjüngenden oder erweiternden Querschnitt aufweisen. Die Austrittsöffnung der Düse kann beliebig geformt sein, um einen im konkreten Anwendungsfall geeigneten Austrittsquerschnitt zu erreichen. Die Form der Düse, insbesondere ihrer Austrittsöffnung, ist bevorzugt an die Breite und Dicke der zu erzeugenden Bahn an Beton- oder Mörtelmasse angepasst. Die Beton- oder Mörtelmasse wird der Düse über eine Zuleitung zugeführt, welche insbesondere Rohr und/oder Schlauchleitungen umfasst.

Während des Abscheidens einer Bahn der Beton- oder Mörtelmasse wird der Druckkopf in eine Richtung bewegt, welche im Sinne der Erfindung als Bewegungsrichtung des Druckkopfes oder Abscheiderichtung bezeichnet wird. Eine Bahn ist eine in sich zusammenhängende Schicht der Beton- oder Mörtelmasse, welche durch die Bewegung des Druckknopfes entlang der Bewegungsrichtung erzeugt wird. Die Bahn kann gerade sein oder auch jede beliebige andere Form aufweisen. Die Bahn kann auch eine geschlossene Form bilden, indem ihr Ende wieder zum Anfang zurückgeführt wird. Die Dimension einer Bahn in Abscheiderichtung wird im Sinne der Erfindung als Länge der Bahn bezeichnet. Die dazu senkrechte Dimension in der Ebene der Bahn wird als Breite der Bahn bezeichnet. Nachdem eine Bahn erzeugt wurde, wird die nächste Bahn als Schicht oberhalb dieser Bahn abgeschieden. Die Richtung, in der die Bahnen schichtweise übereinander abgeschieden werden, wird im Sinne der Erfindung als Aufwuchsrichtung bezeichnet. Der Rohgegenstand wird somit durch den 3D-Druck in Aufwuchsrichtung „von unten nach oben“ schichtweise aufgebaut. Die Dimension einer Bahn in Aufwuchsrichtung (senkrecht zu Länge und Breite) wird im Sinne der Erfindung als Dicke der Bahn bezeichnet. Die summierte Dicke der Bahnen ergibt die Höhe des Gegenstands.

Die Breite und Dicke der Bahnen kann insbesondere durch die Gestaltung der Düse, die Konsistenz der Beton- oder Mörtelmasse sowie die Förderrate der Beton- oder Mörtelmasse eingestellt werden. Die Dicke und die Breite aller Bahnen sind bevorzugt gleich und konstant. Das ist vorteilhaft hinsichtlich einer schnellen und technisch einfachen Abscheidung, weil die Bahnen dann durch eine gleichmäßige Bewegung des Druckkopfes erzeugt werden können, ohne währenddessen Einstellungen an Fördergeschwindigkeit oder Düsenform vornehmen zu müssen. Die Länge aller Bahnen kann konstant sein, so dass alle Bahnen an ihrem Anfang und ihrem Ende bündig angeordnet sind. So wird ein Rohgegenstand mit konstanter Abmessung erzeugt. Es ist aber auch problemlos möglich, dass eine Bahn eine geringere Länge aufweist als die darunterliegende Bahn, so dass die darunterliegende Bahn nicht vollständig mit der Bahn bedeckt wird. So kann ein Rohgegenstand erzeugt werden, der sich insgesamt oder abschnittsweise von unten nach oben verjüngt. Die Länge, Breite und Dicke der Bahnen kann vom Fachmann den Erfordernissen des Anwendungsfalls entsprechend frei gewählt werden. Die Breite beträgt beispielsweise von 10 mm bis 500 mm, insbesondere von 20 mm bis 100 mm, die Dicke beispielsweise von 5 mm bis 100 mm, insbesondere von 10 mm bis 50 mm, was mit typischen Düsen problemlos herstellbar ist. Die maximal erreichbare Höhe des Gegenstands ist abhängig von der Konstruktion des Roboters und des Druckbettes (Druckunterlage). Die maximal erreichbare Höhe kann beispielsweise dadurch vergrößert werden, indem das Druckbett vertikal beweglich gelagert wird und während des Drucks nach unten gefahren wird.

In einer vorteilhaften Ausführung werden die Bahnen mit alternierender Abscheiderichtung aufgebracht, so dass aufeinanderfolgende Bahnen mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung des Druckkopfes abgeschieden werden. Der Anfang einer Bahn fällt somit mit dem Ende der darunterliegenden Bahn zusammen. Das ist vorteilhaft im Hinblick auf einen zeitsparenden Aufbau des Rohgegenstands, weil der Druckknopf nicht vom Ende der Bahn zum Anfang zurückbewegt werden muss, bevor die nächste Bahn abgeschieden wird. Beim Übergang von einer Bahn auf die darüber liegende Bahn kann der Austritt der Beton- oder Mörtelmasse aus der Düse unterbrochen werden, so dass die Bahnen voneinander getrennt sind. Alternativ kann der Austritt der Beton- oder Mörtelmasse aber auch fortgesetzt werden, so dass benachbarte Bahnen nicht voneinander getrennt sind, sondern nach Art einer Kehrschleife miteinander durch Beton- oder Mörtelmasse verbunden sind. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich die Bahnen mit gleicher Abscheiderichtung aufzubringen. Die Ausführungen gelten für solche Bahnen, die keine geschlossenen Formen bilden und deren Anfang und Ende daher voneinander beabstandet sind. Bilden die Bahnen eine geschlossene Form, so werden bevorzugt alle Bahnen mit der gleichen Abscheiderichtung aufgebracht. Die Abscheidung der Bahnen der Beton- oder Mörtelmasse erfolgt mittels eines Roboters, insbesondere Industrieroboters, der den Druckkopf bewegt. Der 3D-Druck erfolgt vorteilhafterweise automatisiert mit Hilfe von CAD-Verarbeitung, wobei einer Verarbeitungsmaschine die CAD-Daten des Rohgegenstands bereitgestellt werden und die Verarbeitungsmaschine mittels der CAD-Daten die Bahnen zur Erzeugung des Rohgegenstands abscheidet. Der Druckkopf ist besonders bevorzugt an einem Roboterarm montiert. Es können aber auch Industrieroboter eingesetzt werden, die weniger Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen als ein Roboterarm. Die Bewegung des Druckknopfes erfolgt bevorzugt computergestützt anhand der CAD-Daten ( computer-aided design, rechnerunterstützte Konstruktion). Die Bahnen können so mit hoher Präzision und Geschwindigkeit und geringer Arbeitsintensität abgeschieden werden, um den Rohgegenstand zu erzeugen.

Nach der Herstellung des Rohgegenstands durch 3D-Druck wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Bereich dieses Rohgegenstands entfernt. Dabei wird eine durchgängige Durchführung durch den Rohgegenstand der Bahnen erzeugt. Die Durchführung kann derart durch den Gegenstand hindurchführen, dass sie rundum von Bereichen des Gegenstands umgeben ist. Die Durchführung kann aber auch direkt an eine Oberfläche angrenzen. Die Durchführung bildet dann eine Art Einschnitt oder Kerbe.

Zur Entfernung des besagten Bereichs können unterschiedliche subtraktive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, bevorzugt trennende Fertigungsverfahren, beispielsweise Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden, besonders bevorzugt spanende Fertigungsverfahren wie Fräsen, Bohren, Meißeln, Feilen, Hobeln oder Schleifen, ganz besonders bevorzugt Fräsen. Die Bearbeitung erfolgt bevorzugt automatisiert, wobei das erforderliche Werkzeug bevorzugt mittels eines (weiteren) Roboters bewegt wird. Die Bewegung erfolgt dabei bevorzugt computergestützt anhand von CAD-Daten (CNC, Computerised Numerical Control), ganz besonders bevorzugt durch CNC-Fräsen. Alternativ ist aber auch eine manuelle Bearbeitung möglich.

Ganz besonders bevorzugt ist das Fräsen, weil dadurch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Formgestaltung der Durchführung zur Verfügung steht und die Form der Durchführung beliebig gestaltbar ist. Die hohe Flexibilität, die mit dem Fräsen verbunden ist, ermöglicht die Erzeugung nicht nur von Durchführungen mit konstanter Querschnittsfläche, sondern auch stufenartige oder sich verjüngende Durchführungen. Unter einer stufenartigen Durchführung wird eine Durchführung verstanden, deren Querschnittsfläche (senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Durchführung) sich in Erstreckungsrichtung an mindestens einer Stelle plötzlich (oder sprunghaft) ändert, so dass eine Stufe erzeugt wird. Unter einer sich verjüngenden Durchführung wird eine Durchführung verstanden, deren Querschnittsfläche sich in Erstreckungsrichtung zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert.

Die Durchführung kann in der Breitendimension der Bahnen erzeugt werden. Dazu wird ein Abschnitt mindestens einer Bahn über ihre gesamte Breite entfernt. Der Abschnitt der Bahn wird insbesondere vollständig entfernt, das heißt über ihre gesamte Dicke und über ihre gesamte Breite. Typischerweise bilden mehrere übereinanderliegende Abschnitte mehrerer direkt übereinanderliegender Bahnen den zu entfernenden Bereich und werden entlang ihrer gesamten Breite, insbesondere vollständig, entfernt.

Die Durchführung kann alternativ auch in der Längendimension der Bahnen erzeugt werden. Dazu wird ein Abschnitt mindestens einer Bahn über ihre gesamte Länge entfernt. Der Abschnitt der Bahn wird insbesondere vollständig entfernt, das heißt über ihre gesamte Dicke und über ihre gesamte Länge. Typischerweise bilden mehrere übereinanderliegende Abschnitte mehrerer direkt übereinanderliegender Bahnen den zu entfernenden Bereich und werden entlang ihrer gesamten Länge, insbesondere vollständig, entfernt.

Die Form und Position des zu entfernenden Bereichs hängt von den Erfordernissen im Einzelfall ab, insbesondere vom Zweck der erzeugten Durchführung. Häufig werden Durchführung mit einem rechteckigen, kreisförmigen oder ovalen Querschnitt benötigt, beispielsweise als Fenster- oder Türöffnungen oder zur nachträglichen Anbringung von Kabelkanälen oder Rohrleitungen. Es sind aber Durchführungen mit beliebigen Querschnitten realisierbar.

In einer Variante der Erfindung wird der Bereich nach dem vollständigen oder teilweisen Aushärten des Rohgegenstands durch das subtraktive Fertigungsverfahren entfernt, wobei aus dem Rohgegenstand der gewünschte Gegenstand durch Materialabtrag herausgearbeitet wird entfernt. Die Fließfähigkeit der Beton- oder Mörtelmasse muss dazu derart abgenommen haben und ihre Formstabilität derart zugenommen haben, dass eine subtraktive Bearbeitung möglich wird, ohne dass der Rohgegenstand anschließend unerwünschten Umformungen ausgesetzt wäre, beispielsweise unter dem Einfluss der Schwerkraft. Es ist nicht erforderlich, dass die Phase des Erstarrens (oder gar des Erhärtens) vollständig abgeschlossen ist. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Erzeugung von Durchführungen, die nicht an die obere Oberfläche des Rohgegenstands angrenzen, so dass ein Bereich des Rohgegenstands direkt oberhalb der Durchführung bestehen bleibt („schwebende Struktur“). Dieser Bereich wird durch das Aushärten der Beton- oder Mörtelmasse hinreichend stabilisiert, so dass er keiner Stützung durch den darunterliegenden Bereich mehr bedarf, der daraufhin entfernt werden kann, ohne dass der oberhalb gelegene Bereich unter dem Einfluss der Schwerkraft absacken würde.

Begriffe wie „unten“ und „oben“, „oberhalb“ und „unterhalb“, „obere Oberfläche“ und dergleichen beziehen sich im Sinne der Erfindung auf die Aufwuchsrichtung des Rohgegenstands, wobei eine Bahn, die später abgeschieden wurde als eine andere Bahn, sich oberhalb dieser anderen Bahn befindet.

Es ist möglich, den Rohgegenstand vollständig mittels 3D-Druck zu erzeugen, diesen insgesamt (vollständig oder teilweise) auszuhärten und dann den Bereich zu entfernen. Da sich der 3D-Druck des Rohgegenstands je nach dessen Größe aber über mehrere Stunden erstrecken kann, ist es aber auch möglich, den Bereich aus einem bereits ausgehärteten Abschnitt zu entfernen, wenn darüber befindliche Bahnen noch nicht ausgehärtet sind oder sogar noch gedruckt werden.

In einer weiteren Variante der Erfindung wird der Bereich vor dem Aushärten des Rohgegenstands entfernt. Die Beton- oder Mörtelmasse ist dann noch hinreichend fließfähig und leicht zu bearbeiten. Es können die bereits beschriebenen trennenden Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, alternativ einfaches Abstreichen oder Abheben, beispielsweise mittels eines Spachtels, einer Kelle, einer Schaufel oder eines ähnlichen Werkzeugs. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Erzeugung von Durchführungen, die an die obere Oberfläche des Rohgegenstands angrenzend, so dass keine darüber liegenden Bereiche bestehen bleiben. Die mangelnde Aushärtung stellt in diesem Fall keinen Nachteil dar, weil keine schwebenden Strukturen erzeugt werden, die stabilisiert werden müssten.

Es ist auch eine Kombination der beiden Varianten denkbar, wobei die Beton- oder Mörtelmasse vor dem Aushärten im zu entfernenden Bereich entfernt wird bis auf einen oder mehrere verbleibende Stützpfeiler, welche die darüber liegenden Bereiche abstützen. Die Beton- oder Mörtelmasse ist dann noch hinreichend fließfähig und leicht zu bearbeiten, so dass sie alternativ zu den bereits beschriebenen trennenden Fertigungsverfahren durch einfaches Abstreichen oder Abheben entfernt werden kann, beispielsweise mittels eines Spachtels, einer Kelle, einer Schaufel oder eines ähnlichen Werkzeugs. Die Stützpfeiler werden ihrerseits erst nach dem Aushärten der Beton- oder Mörtelmasse entfernt, insbesondere durch trennende Fertigungsverfahren wie Fräsen.

Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Beton- oder Mörtelmasse vor dem Aushärten im zu entfernenden Bereich entfernt wird bis auf einen oder mehrere verbleibende Stützpfeiler, welche die darüber liegenden Bereiche abstützen, wobei die Stützpfeiler dauerhaft im Gegenstand verbleiben, so dass dieser mindestens zwei Durchführungen aufweist, getrennt durch (jeweils) eine Stützstruktur.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine der Oberflächen des Rohgegenstands durch Entfernung von Beton- oder Mörtelmasse geformt, insbesondere die obere Oberfläche. Es müssen dabei nicht komplette Bahnabschnitte entlang ihrer gesamten Breite entfernt werden. Stattdessen ist eine freie Bearbeitung der Oberfläche möglich, die sich nicht nach den Bahngrenzen richten muss und mittels derer beliebig geformte Oberflächen erzeugt werden können, die direkt mit dem 3D-Druck nicht zugänglich sind, insbesondere abgerundete Formen. Die Bearbeitung kann nach dem Aushärten durch trennende Fertigungsverfahren oder vor dem Aushärten erfolgen. Die vorstehenden Ausführungen zur Erzeugung der Durchführung und den dazu eingesetzten bevorzugten Verfahren gelten hierbei entsprechend.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden der dauerhafte Bereich des Gegenstands und der später zu entfernende Bereich aus genau derselben Beton- oder Mörtelmasse gedruckt. Die beiden Bereiche unterscheiden sich also nicht in ihrer Zusammensetzung.

Es kann aber vorteilhaft sein, schon beim 3D-Druck Maßnahmen zu ergreifen, welche die nachträgliche Entfernung des Bereichs des Rohgegenstands begünstigen. In einer weiteren Ausführung wird der Beton- oder Mörtelmasse daher beim Erzeugen des später zu entfernenden Bereichs ein Zusatz beigefügt, der geeignet ist, den besagten Bereich mit einer verringerten Härte zu versehen. Der Zusatz kann beispielsweise ein Poren- oder Blasenbildner sein, welcher geeignet ist, Poren in der Beton- oder Mörtelmasse auszubilden und ihre Härte dadurch zu verringern. Es kann auch Druckluft als Zusatz eingeleitet werden, so dass Luftblasen in der Beton- oder Mörtelmasse eingeschlossen werden, welche wiederum Poren ausbilden. Auch andere Chemikalien sind als Zusatz denkbar, die geeignet sind, die Entfernung der Beton- oder Mörtelmasse zu erleichtern, insbesondere ihre Härte zu verringern. Auch können der Beton- oder Mörtelmasse Chemikalien beigemischt werden, welche nach dem Aushärten ausgeschwämmt werden können, um die Festigkeit zu verringern. Als Zusatz kann auch Wasser verwendet werden, was ebenfalls dazu führt, dass die Festigkeit der Beton- oder Mörtelmasse sinkt. Beim 3D-Druck der anderen Bereiche des Rohgegenstands wird der Zusatz der Beton- oder Mörtelmasse nicht zugegeben. Der Zusatz wird der Beton- oder Mörtelmasse (nur) dann beigefügt, wenn diese in dem Bereich aufgebracht wird, der später entfernt werden soll. Diese Ausführungsform eignet sich daher insbesondere zur Herstellung von Durchführungen entlang der Breitendimension der Bahnen. Dazu ist bevorzugt eine Zusatzstoff-Zuleitung an die Düse oder an die mit der Düse verbundenen Zuleitung für die Beton- oder Mörtelmasse angeschlossen, möglichst dicht an der Düse. Über die Zusatzstoff-Zuführung wird der Beton- oder Mörtelmasse der Zusatz beigefügt. Die Zusatzstoff-Zuleitung ist bevorzugt mit einem Ventil ausgestattet, um die Einleitung des Zusatzes selektiv einleiten zu können, wenn die Düse gerade den zu entfernenden Bereich aufbringt, und schnell abschalten zu können, wenn sich die Düse außerhalb des besagten Bereichs befindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird unter der untersten Bahn und über der obersten Bahn des zu entfernenden Bereichs jeweils eine Trennschicht angeordnet. Dabei befindet sich eine Trennschicht zwischen der untersten Bahn des zu entfernenden Bereichs und der direkt darunterliegenden Bahn sowie eine weitere Trennschicht zwischen der obersten Bahn des zu entfernenden Bereichs und der direkt darüber liegenden Bahn. Der zu entfernende Bereich wird somit unten und oben durch jeweils eine Trennschicht begrenzt. Die Länge der Trennschicht entspricht bevorzugt mindestens der Länge des zu entfernenden Bereichs, besonders bevorzugt genau der Länge des zu entfernenden Bereichs. Die Breite der Trennschicht entspricht bevorzugt mindestens der Breite des zu entfernenden Bereichs. Die Dimensionen „Länge“ und „Breite“ des zu entfernenden Bereichs wird dabei analog zur Länge und Breite der Bahnen verwendet. Die Trennschicht verhindert die Ausbildung einer stabilen Bindung zwischen der obersten und untersten Bahn des zu entfernenden Bereichs und den darunter und darüber liegenden Bereichen des Rohgegenstands während des Aushärtens. Dadurch wird die nachträgliche Entfernung des besagten Bereichs erleichtert. Aber auch wenn die Beton- oder Mörtelmasse vor dem Aushärten entfernt werden soll, kann eine solche Trennschicht hilfreich sein. Die Trennschicht kann beispielsweise als Kunststofffolie, als Metallfolie, als Papier-, Papp- oder Holzschicht oder als Schicht einer Seifenlösung ausgebildet sein. Es können auch Sedimentschichten oder -gesteine als Trennschicht verwendet werden.

Die Erfindung umfasst außerdem einen Gegenstand aus Beton oder Mörtel, hergestellt mittels 3D-Druck nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung des erfindungsgemäßen Gegenstands aus Beton oder Mörtel als Bestandteil des Mauerwerks eines Gebäudes, insbesondere als Mauerwerk-Bestandteil mit einer Durchführung, beispielsweise als Fenster- oder Türöffnung oder als Durchführung für einen Kabelkanal oder eine Rohrleitung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des 3D-Drucks eines Gegenstands aus Beton oder Mörtel während verschiedener Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Rohgegenstands,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen aus dem Rohgegenstand nach Figur 2 erhaltenen, erfindungsgemäßen Gegenstand,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Gegenstand,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Gegenstand,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des Rohgegenstands,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung des Druckkopfes zum 3D-Druck des erfindungsgemäßen Gegenstands und

Fig. 8 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht des 3D-Drucks eines erfindungsgemäßen Rohgegenstands, dessen bereits erzeugten Abschnitte im Querschnitt zu sehen sind. Die Herstellung des Rohgegenstands erfolgt durch herkömmlichen 3D-Druck, wobei eine Beton- oder Mörtelmasse 1 in Form von Bahnen 2 schichtweise aufeinander gestapelt wird. Die Beton oder Mörtelmasse 1 wird dabei mittels eines Druckkopfs 3 aufgebracht, welcher beispielsweise an einem Roboterarm 7 befestigt ist und mit dem dazugehörigen Roboter bewegt wird. Der Druckkopf 3 enthält eine Düse 4, die beispielsweise als Stahlrohr mit einer geeignet geformten Austrittsöffnung ausgebildet ist. An die Düse 4 ist eine Zuleitung 6 angeschlossen, über welche der Düse 4 mittels einer nicht dargestellten Pumpe die Beton oder Mörtelmasse 1 zugeführt wird. Der Druckkopf 3 wird computergestützt anhand von CAD-Daten entlang der vorberechneten Form der Bahnen 2 bewegt, wobei Beton- oder Mörtelmasse 1 aus der Düse 4 austritt und die Bahnen 2 bildet. Die Bewegungsrichtung R des Druckkopfs 3 ist durch einen grauen Blockpfeil angedeutet. Die Dicke der Bahnen 2 beträgt beispielsweise 2 cm.

Figur 1a zeigt das Verfahren während der Abscheidung der ersten (untersten) Bahn 2. Auf diese wird im Anschluss eine weitere Bahn 2 abgeschieden (Figur 1b). Die Bewegungsrichtung R des Druckkopfs 3 ist bei der Abscheidung der zweiten Bahn 2 derjenigen der ersten Bahn 2 entgegengesetzt. Das Verfahren wird fortgesetzt (Figur 1c), wobei die Bahnen 2 mit alternierender Bewegungsrichtung R aufeinander gestapelt werden in der Aufwuchsrichtung A (ebenfalls durch einen grauen Blockpfeil angedeutet), bis der Rohgegenstand die gewünschte Höhe erreicht hat.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt des fertigen Rohgegenstands G', dessen Herstellung in Figur 1 veranschaulicht ist. Der Rohgegenstands G' ist beispielsweise als Wand für ein Gebäude vorgesehen und soll im Anschluss mit einer Durchführung, beispielsweise für einen Kabelkanal, versehen werden. Daher weist der Rohgegenstands G' einen (in Seitenansicht rechteckigen, insgesamt quaderförmigen) Bereich B auf, der entfernt werden soll, um die Durchführung zu bilden. Der Bereich B enthält Abschnitte mehrerer direkt übereinanderliegender Bahnen 2, wobei diese Abschnitte bündig übereinanderliegend angeordnet sind. Die obere und untere Grenze des Bereichs B verläuft also entlang der Grenzfläche zwischen benachbarten Bahnen 2.

Der Rohgegenstand G' wird nach dem 3D-Druck ausgehärtet, wobei die Beton- oder Mörtelmasse 1 ihre Fließfähigkeit verliert und der Rohgegenstand G' stabilisiert wird. Der Bereich B des Rohgegenstands G' wird im Anschluss durch ein spanendes Verfahren wie Fräsen entfernt. Dies erfolgt ebenfalls computergestützt durch einen Roboter (CNC-Fräsen).

Figur 3 zeigt den fertigen erfindungsgemäßen Gegenstand G. Der Bereich B des Rohgegenstands G' aus Figur 2 wurde entfernt, so dass der Gegenstand G nun die gewünschte durchgängige Durchführung B' aufweist.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands G. Auch dieser Gegenstand G weist eine Durchführung B' auf. Außerdem wurde ein an die obere Oberfläche des Rohgegenstands G' angrenzender Bereich B entfernt und dadurch eine abgerundete obere Oberfläche ausgebildet, welche durch den herkömmlichen 3D-Druck nicht direkt zugänglich ist. Auch hier ist möglich, den Rohgegenstand G' zunächst auszuhärten und den Bereich B anschließend spanend, beispielsweise durch Fräsen, zu entfernen. Da aber im Gegensatz zur Durchführung B' kein oberhalb des Bereichs B befindlicher Bereich des Gegenstands gestützt werden muss, ist es einfacher, die Beton oder Mörtelmasse 1 vor dem Aushärten aus dem Bereich B zu entfernen, beispielsweise durch Abstreichen mit einem Spachtel. Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands G. Auch hier weist der Gegenstand G eine Durchführung B', die aber einen kreisförmigen Querschnitt hat im Unterschied zum rechteckigen Querschnitt der Figur 3. Sie kann beispielsweise durch Bohren erzeugt werden und für eine Rohrleitung vorgesehen sein.

Figur 6 zeigt eine Weiterbildung des Rohgegenstands aus Figur 2. An der Untergrenze und der Obergrenze des zu entfernenden Bereichs B ist jeweils eine Trennschicht 5 zwischen benachbarte Bahnen 2 eingelegt. Die Trennschichten 5 sind beispielsweise als Kunststofffolien ausgebildet und verhindern die Ausbildung einer Bindung zwischen den Bahnen 2 während des Aushärtens. Sie erleichtern so die nachträgliche Entfernung des Bereichs B. Die Trennschichten 5 werden auf eine Bahn 2 aufgelegt, bevor die darüberliegende Bahn 2 gedruckt wird. Figur 7 zeigt eine Weiterbildung des Druckknopfes 3 aus Figur 1. Es ist eine Zusatzstoff- Zuleitung 8 vorhanden, welche an die Düse 4 angeschlossen ist und mit einem Ventil 9 ausgestattet ist. Über die Zusatzstoff-Zuleitung 8 können der Beton- oder Mörtelmasse 1 Zusätze beigefügt werden. So können beispielsweise Porenbildner beigefügt werden, wenn der später zu entfernende Bereich B gedruckt wird, um die Härte dieses Bereichs B zu verringern und so seine Entfernung zu erleichtern. Durch das Ventil 9 kann die Beimischung des Zusatzes gestartet werden, wenn der Druckkopf 3 in den Bereich B eintritt, und gestoppt werden, wenn er den Bereich B verlässt.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.

Bezugszeichenliste:

(G) 3D-gedruckter Gegenstand aus Beton oder Mörtel (G 1 ) Rohgegenstand (B) zu entfernender Bereich des Rohgegenstands G'

(B') Durchführung des Gegenstands G

(1) Beton- oder Mörtel masse

(2) gedruckte Bahn der Beton- oder Mörtelmasse 1 (3) Druckkopf

(4) Düse

(5) Trennschicht

(6) Zuleitung

(7) Roboterarm (8) Zusatzstoff-Zuleitung

(9) Ventil der Zusatzstoff-Zuleitung 9

(R) Bewegungsrichtung des Druckkopfes 3

(A) Aufwuchsrichtung des Rohgegenstands G'