Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Pflasterfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer

Pflasterfläche aus Pflasterelementen, insbesondere aus Pflaster ^¬ steinen oder Pflasterplatten.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung einer Pflasterfläche aus Pflasterelementen, insbesondere aus Pflastersteinen oder Pflasterplatten.

Pflasterelemente sind Bestandteile eines Pflasters bzw. eines Pflasterbelags, wobei darunter ein Belag für Verkehrsflächen im Straßen- und Wegebau zu verstehen ist. Beim Stand der Technik liegen die Pflasterelemente in einer Pflasterbettung. Darunter befindet sich zumindest eine Tragschicht, die üblicherweise aus verdichtetem Siebschutt oder Beton besteht. Pflastersteine wer ^¬ den üblicherweise aus Naturstein, Beton, Klinker, Holz oder Hochofenschlacke hergestellt.

Es ist bekannt, Pflastersteine aus Beton oder Naturstein per Hand zu verlegen. Alternativ zu der Verlegung per Hand ist auch eine maschinelle Verlegung bekannt. Die Pflasterfläche wird in der Regel auf einem speziell gefertigten Untergrund, der Bet ^¬ tung, verlegt. Unter dieser Bettung befinden sich gewöhnlich verdichtete Trag- und Frostschutzschichten. Die Bettung wird in der Regel aus Mörtel, Splitt oder Sand hergestellt. Im verlegten Zustand sind zwischen den einzelnen Pflastersteinen zumeist Fugen gebildet, welche beispielsweise mit Sand oder Mörtel gefüllt werden können. Die Pflastersteine werden bisher entweder aus Naturstein geschlagen, geschnitten oder gezwickt oder aus Beton, Mörtel oder einem anderen Gussmaterial in Formen gegossen und ausgehärtet .

Ein Verfahren zum Verlegen von Pflastersteinen ist beispielsweise aus der WO 95/14821 AI bekannt. Dabei wird ein Verlegegerät verwendet, welches einen Greifer mit einem Greifbackenpaar aufweist. Damit können lagenweise bereitgestellte Steine in einer Greifbewegung randseitig erfasst, angehoben, zu einem Verlegeort befördert und an diesem abgesetzt werden. Die bekannten Verfahren zur Verlegung von Pflastersteinen erfor dern nachteiligerweise einen hohen Personaleinsatz. An den Rändern der Pflasterfläche müssen zudem vielfach einzelne Pflaster steine zugeschnitten werden, dadurch kommt es zu einem unnötige Materialverbrauch sowie einer Feinstaubbelastung. Des Weiteren müssen die Pflastersteine einer Pflasterfläche sorgfältig ver ^¬ legt werden, um eine einheitliche Höhe der Fläche zu gewährleis ten. Zudem muss auch auf einen einheitlichen Fugenabstand geach tet werden. Darüber hinaus werden die Pflastersteine in einem Werk hergestellt, zu einem Lager bzw. Depot an der Baustelle ge bracht und von dort zum Verlegeort transportiert. Schließlich müssen die Steine dann per Hand oder maschinell verlegt werden. Dieser Ablauf verursacht jedoch einen hohen logistischen Aufwand, welcher die Kosten signifikant erhöht.

Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, zumindest einzelne Nachteile des Standes der Technik zu beseiti gen oder zumindest zu lindern. Die Erfindung setzt sich daher insbesondere zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs angeführten Art zu schaffen, mit welchem bzw. mit welcher die Ausbildung einer individuell gestalteten Pflasterfläch vereinfacht wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Aus führungs formen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden die Pflasterelemente vor Ort mit einem 3D-Druckgerät in einem 3D-Druck-Verfahren aus einem druckbaren Material auf eine Oberfläche gedruckt.

Vorteilhafterweise werden daher die einzelnen Pflasterelemente vor Ort auf der zu bedruckenden Oberfläche mittels des 3D-Druck Verfahrens (d.h. eines additiven Verfahrens) gefertigt, um die Pflasterfläche auf der Oberfläche herzustellen. Somit kann eine Verkehrs- bzw. Wegefläche geschaffen werden. Erfindungsgemäß kann die geometrische Form der Pflasterelemente direkt und un ^¬ mittelbar vor Ort festgelegt oder modifiziert werden. Die Form der Pflasterelemente kann weiters an Randbedingungen wie die Ab messungen der zu bedruckenden Oberfläche, Einbauten und Einfassungen angepasst werden. Jedes Pflasterelement kann somit an in ^¬ dividuelle Formvorgaben angepasst werden, ohne dass ein Zu ^¬ schneiden des Pflasterelementes erforderlich ist. Zur Durchführung des 3D-Druck-Verfahrens kann ein 3D-Druckgerät eingesetzt werden, welches beispielsweise ein insbesondere in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verfahrbarer Roboter oder ein ortsfester Roboter oder eine vorzugsweise verfahrbare Fertigungsbrü ^¬ cke ist. In Gebrauch wird das 3D-Druckgerät auf die Baustelle geliefert, an welcher die Pflasterfläche errichtet werden soll. Dort wird das 3D-Druckgerät positioniert und beginnt mit der ad ^¬ ditiven Fertigung („3D-Druck") der Pflasterelemente. Die Pflasterelemente werden demnach nicht vorab in einem Werk herge ^¬ stellt, sondern werden direkt vor Ort, d.h. am bestimmungsgemä ^¬ ßen Einsatzort der Pflasterfläche, produziert bzw. gedruckt. Je nach Ausführung kann mittels des 3D-Druckgeräts zudem eine Bet ^¬ tung, vorzugsweise aus zumindest einem Material der Gruppe be ^¬ stehend aus Sand, Splitt oder Bettungsmörtel, erzeugt werden.

Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als „Pflasterstein " ein Pflasterelement verstanden, dessen größte Gesamtlänge (horizon ^¬ tale Erstreckung) 30 cm nicht überschreitet und dessen geringste Dicke (vertikale Erstreckung) größer als ein Drittel der größten Gesamtlänge ist.

Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als „Pflasterplatte " ein Pflasterelement verstanden, dessen größte Gesamtlänge mehr als 15 cm beträgt und 1 m nicht überschreitet und dessen größte Di ^¬ cke höchstens ein Drittel der größten Gesamtlänge ist.

Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben, wie „oben", „unten" etc., auf die fertige Pflasterfläche am Einsatzort.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form wird das 3D-Druckgerät mit einem trockenen Material versorgt, welches in dem 3D-Druckgerät mit Wasser vermischt und anschließend gedruckt wird. Insbesonde ^¬ re kann das 3D-Druckgerät mit unterschiedlichen Materialien im trockenen Zustand beschickt werden. Alternativ kann das 3D- Druckgerät das druckbare Material im flüssigen Zustand erhalten. Unter anderem kann das 3D-Druckgerät mit einem druckbaren Mate ^¬ rial aufweisend zumindest eines von Frischbeton, Trockenbeton, Zement, Frischmörtel, Trockenmörtel, Betonzusatzmittel, Estrich, Zuschlagsgestein, Sand, Bindemittel, Kalk, Ton, Gips, Silizium, Holzpartikel, Keramik, verschiedene Natursteine, Ziegel, Wasser, Kleber, Plastik, Putz, Graphen, Metall, zum Beispiel Stahl oder Aluminium, Kunststoffe, Dämmstoffe, Dichtstoffe, Glas und As ^¬ phalt beschickt werden. Das 3D-Druckgerät kann auch mit Mischun ^¬ gen dieser Materialien beschickt werden. Diese Materialien können folglich auch Bestandteil der durch das 3D-Druckgerät gefertigten Pflasterelemente sein.

In einer bevorzugten Aus führungs form weist das 3D-Druckgerät einen Extruder auf, durch den das druckbare Material auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Die Komponenten des druckbaren Ma ^¬ terials werden vorzugsweise innerhalb des Extruders, unmittelbar vor dem Extruder, in einer Mischkammer oder einem statischen Mischer, miteinander vermischt und anschließend auf die zu bedru ^¬ ckende Oberfläche aufgebracht.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form wird mit dem 3D-Druckgerät eine Bettungsschicht, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe be ^¬ stehend aus Splitt, Sand oder Mörtel erstellt, auf welche das druckbare Material gedruckt wird. Vorteilhafterweise kann so nicht nur die Pflasterfläche, sondern auch die Bettungsschicht durch das 3D-Druckgerät hergestellt werden, wodurch das Herstel ^¬ lungsverfahren vereinfacht und der maschinelle Aufwand reduziert wird. Die mit der Pflasterfläche zu bedruckende Oberfläche kann daher bevorzugt eine Bettungsschicht aus zumindest einem von Splitt, Sand oder Bettungsmörtel sein.

Vorzugsweise werden die Pflasterelemente aus zumindest einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aus dem druckbaren Material gefertigt. Durch den Aufbau der Pflasterelemente aus meh ^¬ reren, vorzugsweise im Wesentlichen horizontalen Schichten können unterschiedliche Materialien in unterschiedlichen Schichten oder auch innerhalb einer Schicht der Pflasterelemente verarbei ^¬ tet werden. Dadurch können einerseits dekorative, andererseits aber auch technische Effekte erzielt werden. Beispielsweise kann eine Isolierschicht, insbesondere aus einem geschäumten Kunst ^¬ stoff, wie EPS, XPS sowie aus geschäumten Elastomeren oder aus sonstigen Fasern oder Schäumen, optional zementgebunden, gegen Kälte und/oder Feuchtigkeit in das Pflasterelement eingearbeitet werden. Des Weiteren können durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien Kompositwerkstoffe erzeugt werden.

Um mehrere Pflasterelemente mit geschichtetem Aufbau gleichzei ^¬ tig herzustellen, kann es günstig sein, wenn zunächst die ersten Schichten der Pflasterelemente gefertigt werden, bevor die zwei ^¬ ten Schichten der Pflasterelemente gefertigt werden. Mehrerer Pflasterelemente können somit schrittweise in einer bestimmten Form gefertigt werden, wobei bei einem ersten Pflasterelement begonnen wird, d.h. die erste Schicht des ersten Pflasterelementes erzeugt wird, anschließend ein zweites Pflasterelement be ^¬ gonnen, d.h. die erste Schicht des zweiten Pflasterelementes er ^¬ zeugt wird, gegebenenfalls ein dritter und weitere Pflasterele ^¬ mente begonnen werden, und danach mit der Fertigung des ersten Pflasterelementes, des zweiten Pflasterelementes usw. fortge ^¬ setzt wird. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis sämtliche Pflasterelemente, die dadurch im Wesentlichen gleichzeitig ge ^¬ fertigt werden, fertiggestellt sind.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form werden die (horizontalen) Deckschichten, d.h. die Sichtseiten, der Pflasterelemente, mit höherer Auflösung als die darunterliegenden (horizontalen) Schichten der Pflasterelemente gedruckt.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form werden die Pflasterelemente mit einer inneren Struktur mit Hohlräumen gedruckt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Gewicht der Pflasterelemente reduziert werden kann.

Bei dieser Aus führungs form ist es günstig, wenn die innere

Struktur auf zumindest eine vollflächige untere Schicht des je ^¬ weiligen Pflasterelementes gedruckt wird. Schließlich können die Deckschichten auf die inneren Strukturen gedruckt werden, so dass die inneren Strukturen ober- und unterseitig abgeschlossen sind . Bei einer bevorzugten Aus führungs form umfasst die Fertigung des Pflasterelementes daher folgende Schritte:

- Vorzugsweise Drucken zumindest einer vollflächigen unteren Schicht ;

- Drucken der Kontur des Pflasterelementes;

- Drucken einer inneren Struktur innerhalb der Kontur des

Pflasterelementes, wobei die innere Struktur Hohlräume auf ^¬ weist, oder vollständiges Auffüllen des Innenbereichs in ^¬ nerhalb der Kontur des Pflasterelementes; und

- Vorzugsweise Drucken einer vollflächigen Deckschicht auf die innere Struktur.

Bei einer ersten Variante wird - vorzugweise nach Erstellung ei ^¬ ner oder mehrerer horizontaler Schichten - zunächst die Kontur des Pflasterelements bis zur Gesamthöhe des Pflasterelements (gegebenenfalls abzüglich der Dicke der Deckschicht) gedruckt, dann die Kontur vollständig aufgefüllt, insbesondere ausgegos ^¬ sen, oder mit der inneren Struktur mit Hohlräumen versehen.

Schließlich kann die Deckschicht, vorzugsweise mit höherer Auf ^¬ lösung als die Kontur, gedruckt werden.

Bei einer zweiten Variante wird - vorzugweise nach Erstellung einer oder mehrerer horizontaler Schichten - die Kontur des Pflasterelements bis zu einer vorgegebenen Teilhöhe gedruckt, danach der Innenbereich innerhalb der Kontur aufgefüllt oder mit der inneren Struktur versehen, danach das Drucken der Kontur bis zu einer weiteren, höheren Teilhöhe fortgesetzt, danach der entstehende Innenbereich innerhalb der Kontun entsprechend der wei ^¬ teren Teilhöhe aufgefüllt, insbesondere ausgegossen, oder mit der inneren Struktur versehen. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis die Gesamthöhe des Pflasterelements (gegebenenfalls abzüglich der Dicke einer Deckschicht) erreicht wird. Schließ ^¬ lich kann die Deckschicht, vorzugsweise mit höherer Auflösung als die Kontur, gedruckt werden.

Bei einer dritten Variante werden - vorzugweise nach Erstellung einer oder mehrerer horizontaler Schichten - die Kontur und die innere Struktur zusammen in aufeinanderfolgenden horizontalen Schichten gedruckt. Schließlich kann die Deckschicht gedruckt werden . In einer bevorzugten Aus führungs form werden zunächst die unteren Schichten (d.h. insbesondere die Konturen und die Füllungen bzw. die inneren Strukturen) der Pflasterelemente mit einer ersten, niedrigeren Auflösung gedruckt, und anschließend die Oberflächen (insbesondere Vorsatzschichten) der Pflasterelemente (d.h. die von außen sichtbaren bzw. freiliegenden Oberseiten) mit einer zweiten, höheren Auflösung gedruckt. Vorzugsweise machen die unteren Schichten mehr als 70%, insbesondere mehr als 80%, vorzugsweise etwa 90%, des Volumens des Pflasterelementes aus.

Demnach werden bei dieser Aus führungs form die Oberflächen der Pflasterelemente mit einer höheren Auflösung als die darunterliegenden Schichten der Pflasterelemente gedruckt. Bei dieser Aus führungs form können die Konturen (d.h. die seitlichen Umrandungen) , die Füllungen (bzw. die inneren Strukturen) und die Oberflächen der Pflasterelemente jeweils das gleiche oder ein unterschiedliches Material aufweisen. Somit können beispielswei ^¬ se die Konturen aus einem ersten, schnell erstarrenden Material gedruckt werden, wobei die Innenräume innerhalb der Konturen mit einem zweiten, beispielsweise isolierenden, Material gefüllt werden. Abschließend können die Oberseiten der gefüllten Konturen der Pflasterelemente mit einer hochauflösenden, dekorativen Deckschicht bedruckt werden, welche beispielsweise ein Bild, ein Logo, ein Muster oder einen Firmennamen aufweist.

Bevorzugt wird das 3D-Druckgerät positioniert, anschließend zu ^¬ mindest ein Pflasterelement hergestellt, und danach das 3D- Druckgerät neu positioniert. Die Neupositionierung des 3D- Druckgeräts erfolgt vorzugsweise über eine Steuerungssoftware, welche insbesondere eine vorgegebene Route aufweisen kann. Al ^¬ ternativ kann die Bewegung des 3D-Druckgeräts vor Ort, insbesondere durch einen Benutzer, gesteuert werden. Die vorprogrammierte Route kann mittels der Steuerungssoftware in Abhängigkeit von Eingangsdaten aus Sensoren jederzeit in Echtzeit geändert wer ^¬ den. Die Festlegung der neuen Position kann auch mittels bekannter Verfahren zur Ortsbestimmung, wie beispielsweise Lasertriangulation, Ultraschalltriangulation, Tachymeter, GPS, Kamera (s), 3D-Kameras, 3D-Scanner, Lasersensoren, Lasertracker erfolgen. In einer besonders bevorzugten Aus führungs form wird vor dem Bedrucken der Oberfläche die Umgebung der Oberfläche, insbesondere die Struktur der Oberfläche, mit einem Sensor vermessen. Bei einer bevorzugten Variante werden Unebenheiten bzw. Niveauunterschiede an der zu bedruckenden Oberfläche dadurch ausgeglichen, dass Pflasterelemente unterschiedlicher Höhe gedruckt werden. Bei einer weiteren bevorzugten Variante wird zumindest ein

Pflasterelement mit einem Höhenverlauf, d.h. mit unterschiedli ^¬ chen Erstreckungen in Höhenrichtung entlang des Pflasterelements, gedruckt. Die Messgröße des Sensors kann ausgewählt sein aus zumindest einem von Härte, Elastizitätsmodul, Tiefe, Topo ^¬ graphie, Temperatur, Rauheit und Feuchtigkeit der zu bedrucken ^¬ den Oberfläche. Als Sensor kann ein Drucksensor, optischer Sensor (z.B. 3D-Kamera) , Lasersensor, Indenter, Perthometer, Temperatursensor, Feuchtigkeitssensor, oder Ultraschallsensor vorgesehen sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann auf eine Bettungsschicht verzichtet werden, indem Unebenheiten der oberen Tragschicht beim 3D-Druck der Pflasterelemente mittels des Sensors ausgeglichen werden, so dass die gedruckten Pflasterelemente vollflächig auf der oberen Tragschicht aufliegen.

Die Pflasterelemente können daher vor Ort insbesondere derart gedruckt werden, dass zuerst eine oder mehrere untere, vorzugs ^¬ weise im Wesentlichen horizontale Schichten gedruckt werden. Danach werden die Konturen der Pflasterelemente, d.h. deren vorzugsweise im Wesentlichen vertikale Außenwände, sowie eine inne ^¬ re Struktur innerhalb der Konturen gedruckt.

Bei einer bevorzugten Ausführung füllt die innere Struktur die Konturen nicht vollständig aus, sondern lässt Hohlräume frei, welche beispielsweise zumindest 10 %, vorzugsweise zumindest 20 %, des Volumens des Pflasterelements ausmachen. Bevorzugt bildet die innere Struktur ein Muster, beispielsweise ein Wabenmuster, ein Kreuzmuster, ein Diagonalmuster, ein Muster entsprechend einer sogenannten Hilbertkurve oder ein Muster entsprechend eines sogenannten „archimedean chord", ein konzentrisches Muster oder ein sogenanntes „octagram spiral"-Muster . Die Form der inneren Struktur kann auch durch eine Strukturoptimierung basierend auf einer finite Elemente Analyse generiert werden. Auf die innere Struktur kann schließlich eine oder mehrere vollflächige, vorzugsweise im Wesentlichen horizontale Deckschicht ( en) , gedruckt werden, welche die Oberfläche des Pflasterelementes bildet.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form werden die Pflasterelemente mit Bewehrungselementen, vorzugsweise aufweisend zumindest eines von Fasern, technische Textilien, Matten, Gitter, Stäbe, Stangen, versehen. Die Bewehrungselemente können aus verschiedensten Materialien, wie Metall, Karbon, Kunststoff, gefertigt sein.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form werden Temperatursensoren in den Pflasterelementen aufgenommen, um die Bodentemperatur zu erfassen. Die Temperatursensoren können ausgelesen werden.

Dadurch kann unter anderem ein Einfrieren der Pflasterdecke erkannt werden.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form werden Sensoren zur Ermittlung von Niederschlagsmengen und/oder seismischen Daten in den Pflasterelementen aufgenommen.

Bei einer weiteren bevorzugten Aus führungs form werden Heizelemente in die Pflasterelemente aufgenommen. Dadurch kann ein Einfrieren der Pflasterdecke verhindert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Aus führungs form werden Drucksensoren, beispielsweise Magnetsensoren, in die Pflasterelemente aufgenommen, um eine Belastung der Pflasterelemente in Gebrauch, beispielsweise durch auf den Pflasterelementen parkende Autos oder stehende Personen, zu erkennen.

Bei einer weiteren bevorzugten Aus führungs form werden Solarzellen oder Piezoelemente zur Stromgewinnung in die Pflasterelemente aufgenommen.

Bei einer weiteren bevorzugten Aus führungs form werden die Pflasterelemente insbesondere an den Oberseiten mit Leuchtelementen, insbesondere LED-Elementen, versehen, um insbesondere Signale, Lichter oder Bilder wiederzugeben. Erfindungsgemäß ist weiters ein 3D-Druckgerät zum Drucken der Pflasterelemente vor Ort in einem 3D-Druck-Verfahren auf eine Oberfläche, insbesondere auf eine Bettungsschicht, vorgesehen.

Bevorzugt ist das 3D-Druckgerät dazu eingerichtet, die Bettungs ^¬ schicht herzustellen, bevor die Pflasterelemente auf die Ober ^¬ fläche der Bettungsschicht gedruckt werden. Vorzugsweise ist das 3D-Druckgerät weiters dazu eingerichtet, zumindest eine unter der Bettungsschicht liegende Tragschicht und/oder zumindest eine unter der Tragschicht liegende Frostschutzschicht herzustellen. Bei einer besonders bevorzugten Aus führungs form kann der gesamte Schichtaufbau der Pflasterfläche, der sogenannte Oberbau, mit dem 3D-Druckgerät hergestellt werden.

Vorzugsweise weist das 3D-Druckgerät einen Extruder mit einer Extruder-Düse auf, welche eine vorzugsweise verschließbare Aus ^¬ trittsöffnung aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise ein exaktes und verlustfreies Druckverfahren durchgeführt werden.

Um Pflasterelemente unterschiedlichster Art herstellen zu können, ist der Durchmesser der Austrittsöffnung der Extruder-Düse vorzugsweise zwischen 0,01 cm und 20 cm, insbesondere zwischen 0,1 cm und 1 cm, einstellbar. Durch den variablen Durchmesser der Austrittsöffnung können einerseits grobe Konturen oder großflächige Füllungen der Pflasterelemente hergestellt und anderer ^¬ seits hochaufgelöste Feinstrukturen in das Pflasterelement ein ^¬ gearbeitet werden, ohne vorher einen Wechsel der Extruder-Düse vornehmen zu müssen. Insbesondere können mit einer kleinen bzw. schmalen Austrittsöffnung auch Engstellen, wie beispielsweise Fugen, präzise aufgefüllt werden.

Um das druckbare Material vor Ort herzustellen, ist es günstig, wenn das 3D-Druckgerät zumindest eine Zuleitung für trockenes Material und eine Zuleitung für Wasser aufweist. Vorzugsweise wird das druckbare Material in einer Mischkammer innerhalb des 3D-Druckgeräts gemischt und steht danach zur Verarbeitung be ^¬ reit. Damit kann das druckbare Material, aus welchem die Pflas ^¬ terelemente hergestellt werden, direkt im 3D-Druckgerät zusam ^¬ mengemischt werden. Vorteilhafterweise kann damit vor Ort die Zusammensetzung der Pflasterelemente eingestellt und variiert werden .

In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das 3D- Druckgerät, vorzugsweise die Extruder-Düse, eine Zuleitung für Farben und/oder Additive auf. Dadurch können einerseits dekora ^¬ tive Muster in das Pflasterelement eingearbeitet werden oder an ^¬ dererseits mittels der Additiven spezielle chemische oder physi ^¬ kalische Eigenschaften erzeugt werden. Beispielsweise können fluoreszierende Additive in das Pflasterelement eingearbeitet werden, um ein fluoreszierendes Pflasterelement zu erzeugen.

Um ein möglichst präzises Drucken zu ermöglichen, weist das 3D- Druckgerät bei einer bevorzugten Aus führungs form einen verschwenkbaren Roboterarm auf, wobei vorzugsweise die Extruder- Düse an einem Ende des Roboterarms schwenkbar angeordnet ist. Der Roboterarm wird bevorzugt über die Steuerungssoftware ge ^¬ steuert. Die Bewegung des Roboterarmes kann auch vorprogrammierbar sein. Somit kann ein bestimmtes Muster bzw. eine bestimmte Form des Pflasterelementes vorprogrammiert werden, wobei der Ro ^¬ boterarm diese Form, durch entsprechende Steuerung des Extru ^¬ ders, automatisiert drucken kann.

Vorzugsweise weist das 3D-Druckgerät zumindest einen Sensor auf, mit welchem die Struktur der zu bedruckenden Oberfläche, vorzugsweise zudem Randbedingungen wie Abmessungen der zu bedruckenden Oberfläche, Einbauten und Einfassungen, vermessen werden kann. Die dadurch ermittelten Daten können durch die Steuerung des 3D-Druckgeräts verarbeitet werden.

In einer bevorzugten Aus führungs form weist das 3D-Druckgerät einen mobilen Unterbau auf. Die Steuerung der Bewegung des mobilen Unterbaus erfolgt bevorzugt mit einer Steuerungssoftware. Damit kann die Position des 3D-Druckgeräts auf der zu bedruckenden Oberfläche vorprogrammiert werden, wodurch das 3D-Druckgerät im Wesentlichen vollautomatisch den Druckvorgang durchführen kann. Um die selbstfahrenden Eigenschaften des 3D-Druckgeräts zu verbessern, ist es überdies von Vorteil, wenn der mobile Unterbau weitere Sensoren aufweist, wie beispielsweise einen GPS Sensor, Lasersensor, Ultraschallsensor, Tachymeter, Neigungssensor, Tastsensor und/oder optischer Sensor wie 2D- und/oder 3D-Kamera zur Abstandsbestimmung und/oder Positionsbestimmung.

Um eine möglichst zuverlässige Fortbewegung, beispielsweise auf einem Baustellenuntergrund, zu gewährleisten, ist es günstig, wenn der mobile Unterbau einen Kettenantrieb aufweist.

In einer alternativen Aus führungs form ist das 3D-Druckgerät mit einem Schienensystem in einer im Wesentlichen horizontalen und vertikalen Ebene entlang der zu bedruckenden Oberfläche bewegbar. Das Schienensystem ist bevorzugt im Wesentlichen oberhalb der zu bedruckenden Fläche angeordnet, wobei das 3D-Druckgerät vorzugsweise an dem Schienensystem aufgehängt ist.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist das 3D- Druckgerät ein oder mehrere Räder auf.

Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben für das 3D-Druckgerät , wie „oben", „unten" etc., auf den bestimmungsgemäßen Betriebszustand des 3D- Druckgeräts beim Drucken von Pflasterelementen auf die Oberfläche .

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt werden soll, weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen 3D- Druckgeräts bei der Herstellung einer Pflasterfläche;

Fig. 2 eine schematische Ansicht alternativen Aus führungs form des 3D-Druckgeräts ;

Fig. 3A die Schritte bei der Herstellung eines einzelnen Pflastersteins gemäß einer Ausführungsvariante;

Fig. 3B die Schritte bei der Herstellung eines einzelnen Pflastersteins gemäß einer weiteren Ausführungsvariante;

Fig. 3C die Schritte bei der Herstellung eines einzelnen Pflas- tersteins gemäß einer weiteren Ausführungsvariante;

Fig. 4a-4i verschiedene Ansichten des 3D-Druckgeräts bei der Herstellung des Pflasterbelags;

Fig. 5a-5e verschiedene Aus führungs formen des mobilen 3D- Druckgeräts ;

Fig. 6 eine Ansicht eines 3D-Druckgeräts mit einem Schienensys ^¬ tem;

Fig. 7 ein Flussdiagramm einer ersten Variante des Herstellungsverfahrens ;

Fig. 8 ein Flussdiagramm einer zweiten Variante des Herstellungsverfahrens ;

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante des 3D-Druckgeräts mit Extruder;

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante des 3D-Druckgeräts mit Extruder;

Fig. 11 schematisch verschiedene Querschnitte von Pflasterstei ^¬ nen mit innerer Struktur; und

Fig. 12 schematisch ein Modell eines Pflastersteines mit einem inneren Hohlraum, welcher mittels Topologieoptimierung gewonnen wird .

Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Pflasterfläche 1 aus Pflasterelementen, insbesondere aus Pflas ^¬ tersteinen 2 im 3D-Druck. Auf einer oberen Tragschicht 3 mit einem Planum 4 wird ein 3D-Druckgerät 5 angeordnet, welches die Pflastersteine 2 vor Ort in einem 3D-Druck-Verfahren aus einem druckbaren Material 6 auf die freiliegende Oberfläche druckt. Das 3D-Druckgerät 5 kann auf dem Planum 4 in alle Richtungen bewegt werden. Über eine Zuleitung 7 wird das 3D-Druckgerät 5 mit trockenem Material (beispielsweise Zement, Sand, Zuschläge, Farbpigmente) versorgt. Die trockenen Ausgangsstoffe werden mit Wasser vermischt, um das druckbare Material 6 zu erhalten. Al ^¬ ternativ kann das druckbare Material in viskosem Zustand zu dem 3D-Druckgerät , insbesondere mittels einer Exzenterschneckenpumpe transportiert werden. Vor dem Drucken der Pflastersteine 2 wird auf dem Planum 4 eine Tragschicht 8 erzeugt. Bevorzugt wird die Tragschicht 8 ebenfalls mit dem 3D-Druckgerät 5 hergestellt. Auf der Tragschicht 8 werden die Pflastersteine 2 bevorzugt gemäß einer vorprogrammierten Route, beispielsweise entsprechend einem gewünschten Muster, gedruckt. Das 3D-Druckgerät 5 hat einen Extruder 9 mit einer Extruder-Düse 10, durch welche das druckba ^¬ re Material 6 auf die Tragschicht 8 aufgebracht wird. Der Aus ^¬ tritt von Material aus der Extruder-Düse 10 kann gestoppt wer ^¬ den. Die Extruder-Düse 10 hat einen variierbaren Durchmesser. In der gezeigten Aus führungs form weist das 3D-Druckgerät 5 einen Roboterarm 11 auf, wobei der Roboterarm 11 am einen Ende gelenkig mit dem mobilen Unterbau des 3D-Druckgeräts 5 verbunden ist. Am anderen Ende des Roboterarms 11 ist die Extruder-Düse 10 vor ^¬ gesehen. Dadurch ist eine präzise Steuerung der Extruder-Düse 10 während des Druckverfahrens möglich.

Das 3D-Druckgerät 5 wird demnach im Bereich der zu pflasternden Oberfläche positioniert. Beispielsweise kann das 3D-Druckgerät auf einer Straße, einem Gehweg, einer Fußgängerzone, jeweils auf dem Unterbau, auf der oberen Tragschicht, auf der Frostschutz ^¬ schicht, oder auf dem Untergrund, oder auch an Hauswänden posi ^¬ tioniert werden. Das 3D-Druckgerät 5 kann auch mit Seilen abge ^¬ hängt werden. Die Seile können an bestehenden Bauwerken oder an eigens zu errichtenden Bauwerken befestigt werden.

Die Pflastersteine 2 werden schichtweise aus zumindest einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aus dem druckbaren Material 6 gefertigt, wobei zunächst die ersten Schichten der Pflastersteine 2 gefertigt werden, bevor die zweiten Schichten der Pflastersteine 2 gefertigt werden. Ist ein Pflasterstein 2 oder eine Gruppe von Pflastersteinen 2 fertig gedruckt, wird das 3D-Druckgerät 5 neu positioniert und ein neuer Druckvorgang wird begonnen. Dazu weist das 3D-Druckgerät 5 einen mobilen Unterbau 12, in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 einen Kettenantrieb, auf. Die Steuerung erfolgt mittels einer Steuerungssoftware. Nachdem die Pflastersteine 2 gedruckt wurden, werden die Fugen 13 zwischen den Pflastersteinen 2 mit einem Fugenmaterial gefüllt. Das Auffüllen der Fugen mit Fugenmaterial kann durch das 3D-Druckgerät erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung des vorzugsweise in ho ^¬ rizontaler und vertikaler Richtung beweglichen 3D-Druckgeräts 5, Seitlich und oberhalb der oberen Tragschicht 3 bzw. des Planums 4 wird ein Schienensystem 14 vorgesehen, wobei mit zwei Querschienen 14a und mit einer darauf gleitend gelagerten Längs ^¬ schiene 14b die gesamte Fläche des Planums 4 ansteuerbar ist. Das 3D-Druckgerät 5 ist an der Längsschiene 14b aufgehängt, wodurch eine Bewegung in horizontaler und vertikaler Ebene entlang der zu bedruckenden Oberfläche ermöglicht wird. Die Versor ^¬ gung mit druckbarem Material 6 erfolgt über die Zuleitung 7, wobei die Materialien entweder vor der Zuführung in das 3D- Druckgerät 5 gemischt werden, oder unmittelbar in dem 3D- Druckgerät 5 gemischt werden. Die Steuerung erfolgt auch hier über eine Steuerungssoftware, wodurch das 3D-Druckgerät 5 das Druckverfahren vollautomatisch und autonom durchführen kann.

Fig. 3A zeigt den schrittweisen Druckvorgang eines Pflastersteins 2 gemäß einer ersten Ausführungsvariante, wobei - vorzug ^¬ weise nach Erstellung einer oder mehrerer horizontaler Schichten - zunächst die Konturen (Außenumrandungen) 15 der Pflastersteine 2 gedruckt werden, dann die Konturen 15 vollständig aufgefüllt oder mit einer inneren Struktur 31 mit Hohlräumen (vgl. Fig. 11, Fig. 12) versehen und anschließend die Oberflächen der Pflastersteine 2, vorzugsweise mit höherer Auflösung als die Konturen 15, gedruckt werden. Die Konturen 15 weisen daher einen schichtartigen Aufbau auf, wobei mehrere gleichartige Schichten überei ^¬ nander gedruckt werden. Sobald die letzte Schicht der Kontur 15 gedruckt ist, wird der Innenbereich 16 mit einer Füllung aufgefüllt oder mit der inneren Struktur 31 versehen. Nachdem die Kontur 15 aufgefüllt oder mit der inneren Struktur versehen worden ist, wird eine Deckschicht 17 gedruckt. Die Deckschicht kann, so wie die Füllung, aus einem anderen Material als die Kontur 15 hergestellt sein. Beim Drucken der Deckschicht 17 kann, um eine höhere Auflösung zu erzielen, der Durchmesser der Extruderdüse 10 verringert werden. Fig. 3B zeigt eine alternative Ausführung des Druckvorgangs, bei welchem, vorzugweise nach Erstellung einer oder mehrerer horizontaler Schichten, die Konturen (Außenumrandungen) 15 bis zu einer vorgegebenen Teilhöhe des Pflastersteins 2 gefertigt wer ^¬ den. Dann wird der Innenbereich 16 aufgefüllt oder mit der inneren Struktur 31 versehen. Danach wird die Fertigung der Konturen 15 bis zu einer weiteren, höheren Teilhöhe des Pflastersteins 2 fortgesetzt. Anschließend wird der Innenbereich 16 wieder aufge ^¬ füllt oder mit der inneren Struktur 31 versehen. Das abwechselnde Fertigen der Konturen 15 und der Füllung bzw. der inneren Struktur 31 wird fortgesetzt, bis die erforderliche Gesamthöhe des Pflasterelements 2 (gegebenenfalls abzüglich der Dicke einer Deckschicht 17) erreicht wird. Bevorzugt wird die Oberfläche des bis dahin vorliegenden Pflastersteins 2 mit der Deckschicht 17 bedruckt. Diese kann, so wie die Füllung, aus einem anderen Material als die Kontur 15 hergestellt sein. Beim Drucken der Deckschicht 17 kann, um eine höhere Auflösung zu erzielen, der Durchmesser der Extruderdüse 10 verringert werden. Diese Ausführung erleichtert es, die Stabilität der Konturen 15 bei der Fer ^¬ tigung der Pflasterelemente zu gewährleisten.

Fig. 3C zeigt eine alternative Ausführung, bei welcher, vorzug ^¬ weise nach Erstellung einer oder mehrerer horizontaler Schichten, die Konturen 15 sowie die innere Struktur 31 Schicht für Schicht erstellt werden. Danach wird die Oberfläche des Pflas ^¬ tersteins 2 mit der Deckschicht 17 bedruckt. Die Deckschicht 17 kann, so wie die Füllung, aus einem anderen Material als die Kontur 15 hergestellt sein. Beim Drucken der Deckschicht 17 kann, um eine höhere Auflösung zu erzielen, der Durchmesser der Extruderdüse 10 verringert werden.

Fig. 4a-4i zeigt einen bevorzugten Ablauf bei der Herstellung der Pflasterfläche 1, wobei die folgenden Schritte nacheinander durchgeführt werden:

Fig. 4a) : optional Aushub der Einbuchtung 3,

Fig. 4b) : optional Einbetonieren von Randsteinen 18,

Fig. 4c) : Einbringen einer ungebundenen oder gebundenen oberen

Tragschicht 19,

Fig. 4d) : optional Verdichten der (ungebundenen) oberen Trag- Schicht 19,

Fig. 4e) : optional Einbringen einer Bettungsschicht 20, bei ^¬ spielsweise einer Sandbettung oder Mörtelbettung, auf die verdichtete ungebundene oder gebundene obere Tragschicht 19,

Fig. 4f) : Fertigung der Pflastersteine 2 vor Ort im 3D-Druck- Verfahren auf die Bettungsschicht 20 oder direkt auf die obere Tragschicht 19,

Fig. 4g) : Einbringen einer Füllung in Fugen 13 zwischen den Pflastersteinen 2,

Fig. 4h) : optional Verdichten der Pflasterdecke,

Fig. 4i) : optional Einschwemmen .

Die Schritte gemäß den Fig. 4c, 4e, 4f und 4g können jeweils mit dem 3D-Druckgerät 5 durchgeführt werden. Somit wird im Wesentli ^¬ chen der gesamte Schichtaufbau der Pflasterfläche 1 mit dem 3D- Druckgerät 5 hergestellt.

Die Fig. 5A bis 5e zeigen verschiedene Aus führungs formen des mobilen 3D-Druckgeräts 5. Fig. 5a zeigt eine fliegende Drohne 21 zur Beförderung des 3D-Druckgeräts 5. Fig. 5b zeigt einen Unterbau mit Kettenantrieb 22, Fig. 5c einen Unterbau mit Luftkissen ^¬ antrieb 23, Fig. 5d einen bereiften Unterbau 24, und Fig. 5e einen Unterbau, welcher Behälter 25 mit dem druckbaren trockenen, flüssigen oder viskosen Materialien 6 aufweist. Je nach Anwendung kann der passende Unterbau gewählt werden, wobei das Druck ^¬ verfahren jeweils vollautomatisch mittels einer Steuerungssoft ^¬ ware durchgeführt wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Flussdiagramme für zwei Varianten des Druckverfahrens. In der Variante gemäß Fig. 7 werden die Aus ^¬ gangsstoffe vorab gemischt, zum Extruder 9, beispielsweise über Zuleitungen 7, transportiert, und mit Additiven versetzt. An ^¬ schließend werden die Pflastersteine 2 gedruckt. Gemäß Fig. 8 erfolgt das Mischen der Ausgangsstoffe im Extruder 9 selbst, wo ^¬ bei die einzelnen Ausgangsstoffe getrennt zum Extruder 9 trans ^¬ portiert werden. Nach Zugabe von Additiven erfolgt der Druck der Pflastersteine 2.

Die Fig. 9 und 10 zeigen stark vereinfacht den Extruder 9 des 3D-Druckgeräts 5. Der Extruder 9 verfügt über eine Extruder-Düse 10, welche eine verschließbare Austrittsöffnung 26 aufweist. Zu ^¬ sätzlich kann der Durchmesser der Austrittsöffnung 26 der Extruder-Düse 10 variiert werden. Dadurch können je nach Bedarf unterschiedliche Pflastersteine 2 und Muster gedruckt werden (vgl. Fig. 6) .

Der Extruder 9 hat eine Mischkammer 27, in welche Zuleitungen 7a, 7b, 7c für verschiedene trockene oder flüssige Ausgangsstof ^¬ fe münden, welche zu dem druckbaren Material 6 vermischt werden. In der gezeigten Ausführung weist der Extruder 9 überdies eine Entschleunigungskammer 28 auf, von welcher das druckbare Material 6 in die Extruder-Düse 10 geleitet wird. Die Extruder-Düse 10 appliziert das druckbare Material 6 entsprechend den Vorgaben der Steuerungssoftware auf die zu bedruckende Oberfläche.

In der Aus führungs form gemäß Fig. 10 ist eine Zuleitung 7c für Additive direkt mit der Extruder-Düse 10 verbunden. Damit können die Additive, wie beispielsweise Farbpigmente, getrennt von dem druckbaren Grundmaterial zugeführt werden.

In Fig. 11 sind verschiedene Ausführungsvarianten von Pflastersteinen 2 mit einer inneren Struktur 31 innerhalb von Außenkonturen 32 gezeigt. Die innere Struktur 31 weist Innenwände 33 auf, welche Hohlräume 34 voneinander trennen.

In Fig. 12 ist eine Ausführungsform eines Pflastersteines 2 mit einem inneren Hohlraum 35 gezeigt, welcher durch Topologieopti- mierung errechnet wurde.