CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se refiere a una celda robotizada móvil para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D y método de operación, que permite generar trayectorias helicoidales dobles de deposición simultánea de filamentos continuos de un mortero de cemento, polímero, biomaterial u otro material similar que no requiera de encofrado para darle forma ni contenerlo mientras se solidifica. Más específicamente a una celda robotizada móvil, que es conectable cenitalmente a fuentes externas de material y energía, así como a dispositivos de control externos, cuya estructura autoportante es autonivelable y que contiene un aparato actuador multi-eje que es reprogramable, automáticamente controlado y programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto y que está compuesto por una guía circular, sobre la cual gira en torno a su centro una viga diametral giratoria que sostiene en su cara inferior dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, con dos carros sobre los cuales se desplazan dos robots manipuladores montados sobre dos columnas telescópicas en posición invertida y que manipulan dos boquillas intercambiables, que disponen de una llave de paso controlada electrónicamente y que se conectan a dos mangueras flexibles para transporte de material, las cuales son parte de un aparato de alimentación por donde desciende el mortero que es bombeado desde el exterior de la celda robotizada móvil, para ser extrudido en filamentos que se van deponiendo en capas sucesivas superpuestas, según un diseño de trayectorias computacional previo que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical. DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO

La construcción impresa, también conocida como construcción mediante impresión 3D, consiste en la fabricación aditiva de edificios y componentes constructivos mediante la deposición mecánica controlada por computador, de filamentos de un mortero de material en estado plástico, generalmente con alto contenido de cemento, granos finos de áridos, usualmente entre 2 y 3 mm de diámetro, acelerantes y otros aditivos específicos, que reproduce el contorno de la pieza a imprimir, en su extensión horizontal y vertical, en capas sucesivas superpuestas que se adhieren entre sí consecutivamente, formando un continuo resistente que se solidifica progresivamente, conservando su forma y posición sin la ayuda de encofrado. Durante el fraguado inicial, el umbral de tiempo en que cada filamento de mortero de cemento se adhiere mejor al filamento inferior, en capas sucesivas superpuestas, sin aplastarse demasiado mutuamente, ni volcarse o desmoronarse, es un parámetro crucial en la programación y control de las velocidades y aceleraciones de deposición y bombeo del mortero, especialmente en la impresión de piezas de gran extensión horizontal o de recintos. Naturalmente, la composición del mortero, el número de capas superpuestas y su respectivo peso, también son factores determinantes en la programación y control del proceso de impresión 3D con mortero de cemento. Menos frecuente, hasta ahora, es la construcción impresa con mortero de materiales polímeros, biomateriales y otros materiales compuestos. En la construcción impresa de contornos de geometría compleja, la forma y la orientación de la boquilla por donde se extruye el mortero, también son fundamentales para determinar el alcance efectivo de la herramienta, especialmente si la pieza a imprimir contiene una armadura o ductos preinstalados, igualmente si el ángulo que los muros de la pieza forman con el suelo es distinto de noventa grados y, en algunos casos, también si se busca hacer más expedita la salida del filamento de mortero desde la boquilla, disminuyendo la fricción producida por la orientación vertical de la boquilla. El proceso de construcción impresa puede ocurrir en obra, es decir en el sitio de construcción, para fabricar edificios en su emplazamiento definitivo o en taller, para prefabricar componentes constructivos que finalmente serán puestos en servicio en un lugar distinto de donde fueron impresos. El modo convencional de fabricar muros, columnas, componentes de losas y otras piezas mediante impresión 3D, es imprimir de abajo hacia arriba, capa por capa, el contorno de la pieza con un filamento de mortero continuo y el dintorno de la pieza con otro o el mismo filamento, para formar una trama estructuradora de la pieza. Por ejemplo, los componentes de losas se pueden prefabricar, preferentemente en taller, imprimiéndolos en posición vertical, como si se tratara de muros o ladrillos huecos que finalmente son abatidos para ponerlos en servicio, tendidos en su posición y orientación definitivas. También se puede utilizar el contorno impreso de la pieza para que éste actúe como un encofrado y una vez que sus paredes endurezcan y adquieran la resistencia suficiente, rellenar el interior de la pieza con el mismo u otro material apropiado para mejorar su resistencia mecánica, aislación acústica o aislación térmica. Tanto el mortero del contorno como el del dintorno pueden contener además fibras naturales o sintéticas para mejorar su resistencia mecánica. En cualquier caso, también se pueden instalar ductos de suministro y extracción de agua, electricidad, gases y otros medios, antes, durante o después de fabricar la pieza, según lo permita el sistema de construcción impresa que se emplee. La misma condición rige para instalar alféizares y dinteles, por ejemplo, para conformar los vanos de puertas y ventanas, antes o durante el proceso de impresión 3D de los muros que componen un recinto. En ciertos casos es necesario instalar una armadura de barras o mallas de acero en el interior de la pieza, con el fin de mejorar su resistencia mecánica, especialmente a las fuerzas laterales producidas, por ejemplo, por un sismo. Para ese fin, la armadura de la pieza debe quedar anclada al cimiento, así como a las piezas adyacentes si las hubiere, con el fin de obtener un continuo resistente, sólidamente fundado en el suelo y solidario con el resto del edificio. En ese caso es crítico planificar en detalle la forma y el orden cronológico en que se imprimirá la pieza y se instalará dicha armadura. Igualmente, la elección del sistema de construcción impresa que se emplee adquiere vital importancia, especialmente si no va a ser posible modificar la posición o la orientación de la pieza durante el proceso de impresión 3D, como ocurre generalmente en la construcción impresa en obra.

En general, se pueden distinguir cuatro clases de sistema de construcción impresa según su estructura mecánica y espacio de trabajo: cartesiano, cilindrico, paralelo y articulado. El sistema cartesiano de construcción impresa está compuesto fundamentalmente por un pórtico. Los eslabones de su cadena cinemática se conectan mediante, al menos, tres uniones prismáticas (traslacionales) orientadas cada una de ellas en una de las direcciones de los ejes X, Y y Z del sistema de coordenadas cartesiano. Su espacio de trabajo tiene la forma de un prisma rectangular (ortoedro) y está contenido completamente por la estructura portante del sistema de construcción impresa propiamente tal. La boquilla convencional por donde se extruye el material se desplaza con tres grados de libertad y con una única orientación fija. El sistema cilindrico de construcción impresa está compuesto fundamentalmente por un brazo giratorio voladizo. Los eslabones de su cadena cinemática se conectan mediante una unión de revolución (rotacional) en torno al eje vertical Z, una unión prismática (traslacional) también en la dirección del eje vertical Z y una unión prismática (traslacional) en la dirección de uno de los ejes horizontales X o Y del sistema de coordenadas cartesiano. Su espacio de trabajo tiene la forma de un cilindro incompleto -si la unión de revolución en torno al eje vertical Z no alcanza los 360 grados angulares- o completo -si la unión de revolución en torno al eje vertical Z sí alcanza o supera los 360 grados angulares-, que contiene parcial o totalmente al sistema de construcción impresa propiamente tal. La boquilla convencional por donde se extruye el material se desplaza con tres grados de libertad y con una única orientación fija. El sistema paralelo de construcción impresa, también conocido como Delta, está compuesto fundamentalmente por tres brazos articulados concurrentes. Los eslabones de la cadena cinemática de cada brazo se conectan mediante, ya sea una unión prismática (traslacional) en la dirección del eje vertical Z, o una unión de revolución (rotacional) en torno a uno de los ejes horizontales X o Y y dos uniones universales (rotacionales) en torno a uno de los ejes horizontales X o Y, y en torno al eje vertical Z. Su espacio de trabajo tiene la forma aproximada del hemisferio inferior de una esfera o de un paraguas invertido y está contenido completamente por la estructura portante del sistema de construcción impresa propiamente tal. La boquilla convencional por donde se extruye el material se desplaza con tres grados de libertad y con una única orientación fija. El sistema articulado de construcción impresa está compuesto fundamentalmente por un robot manipulador. Los eslabones de su cadena cinemática se conectan mediante seis uniones de revolución (rotacionales), cada una en torno a uno de los ejes X, Y o Z del sistema de coordenadas cartesiano. Su espacio de trabajo tiene la forma aproximada de una esfera incompleta o completa, que contiene ya sea parcial o totalmente al sistema de construcción impresa propiamente tal. La boquilla convencional por donde se extruye el material se desplaza con tres grados de libertad y se orienta con tres grados de libertad.

En general, los sistemas cartesianos y paralelos de construcción impresa ocupan más espacio para su instalación y operación que los sistemas cilindricos y articulados, principalmente debido a la necesidad de instalar en obra sistemas de apoyo más grandes y robustos y a veces también sistemas de guiado adicionales. Los sistemas cilindricos y articulados de construcción impresa, aunque generalmente son autoportantes, sólo pueden imprimir a su alrededor, a menos que se instalen en obra sistemas de apoyo y guiado adicionales que les permitan desplazarse horizontalmente o verticalmente. Sin embargo, los sistemas cilindricos y articulados no pueden imprimir su entorno completamente, sin quedar encerrados dentro de su propia obra impresa. En todo caso, la necesidad de instalar en obra sistemas de guiado adicionales para el desplazamiento horizontal o vertical de un sistema de construcción impresa, limita las posibilidades de operar simultáneamente con una pluralidad de réplicas del sistema, o reposicionar subsecuentemente el mismo sistema en distintos lugares de una obra de construcción. La topología de la trayectoria convencional de la boquilla por donde se extruye el mortero, en todas las clases de sistema de construcción impresa aquí presentadas, forma una hélice simple que avanza verticalmente, para deponer un filamento continuo del material.

La patente de invención KR101914524 B1 de fecha 02.11.2018, de Ghang Lee, titulada “3D mobile concrete building 3d printing system”, divulga un sistema móvil de impresión 3D de edificios de concreto, con menos limitación de espacio que la tecnología convencional. El sistema móvil de impresión 3D de edificios de concreto, según la presente invención puede manufacturar un muro extruyendo concreto mediante un método de impresión 3D. Una posición de trabajo se reconoce mediante un punto de referencia, instalado en una posición predeterminada y el muro se puede formar en varias formas.

La solicitud de patente de invención DE10342934 A1 de fecha 28.04.2005, de Helmut Kuch y otros, titulada “Moldless, geometrically-fixed, prefabricated concrete part manufacturing method, e.g. for base sections of shafts in sewage Systems, by discharging material from head to form finite volume elements, and hardening”, describe que el cuerpo que se creará se forma con una geometría definida alineando elementos de volumen finitos en las tres direcciones espaciales. Inmediatamente después de descargarse desde un cabezal que contiene boquillas de material, estos elementos de volumen se unen a todos los elementos de volumen inmediatamente adyacentes, para formar un compuesto fijo por transformación química, por ejemplo, endurecimiento. Un archivo de datos 3D-CAD se utiliza como los datos geométricos para el cuerpo.

La solicitud de patente de invención WO2018136475 (A1 ) de fecha 26.07.2018, de Yi-Lung Mo y otros, titulada “4-dimensional printing of reinforced concrete”, describe un sistema de impresión en 4 dimensiones y un método para imprimir concreto reforzado que puede permitir que los elementos de concreto reforzado se impriman de forma libre y/o completamente automatizada sin la necesidad de encofrado, moldeado o mano de obra. El sistema de impresión puede incluir sistemas de software y hardware. El sistema de software puede procesar modelos 3D del elemento de concreto reforzado deseado en múltiples capas. El sistema de software puede utilizar la capa individual para controlar el funcionamiento del sistema de hardware para imprimir el elemento de concreto reforzado deseado, capa por capa. El sistema de hardware puede proporcionar una boquilla de hormigón, una boquilla de material de refuerzo, así como mecanismos de dispensación para imprimir los materiales en los lugares deseados y/o en los momentos deseados para la capa individual que se está imprimiendo. El sistema de hardware también puede incluir mecanismos de control de movimiento que permiten que la posición de las boquillas se mueva de lado a lado, arriba y abajo, y acercar o alejar en relación al elemento que se está imprimiendo según se desee durante el proceso de impresión.

La patente de invención CN105715052 (B) de fecha 22.01 .2019, de Jianping Wu, titulada “3D room printer and printing method for printing concrete at construction site and room”, describe una habitación, una impresora 3D de habitaciones y un método de impresión. La impresora 3D de habitaciones se utiliza para la impresión in situ en un lugar de construcción y comprende un cuerpo de vigueta, y un mecanismo de accionamiento y un mecanismo de desplazamiento que están dispuestos en el cuerpo de vigueta y están conectados entre sí, un conjunto de descarga de concreto que está conectado con el mecanismo de desplazamiento y está configurado para descargar concreto en el proceso de desplazamiento del mecanismo de desplazamiento para completar la construcción del cuerpo del muro de la habitación, un mecanismo de elevación para aumentar la altura de la impresora 3D de habitaciones y un mecanismo de control automático para controlar automáticamente el desplazamiento del conjunto de descarga de concreto. La impresora 3D de habitaciones se puede utilizar para imprimir la habitación con concreto reforzado en el sitio de construcción, por lo que el grado de automatización de la construcción de habitaciones es alto, el costo es bajo y la eficiencia de trabajo es alta.

La solicitud de patente de invención WO2018162858 (A1 ) de fecha 13.09.2018, de Gaél Godi y otros, titulada “3D concrete printer”, describe un dispositivo de impresión 3D móvil (TDPD0) que imprime agregando material, destinado a unirse a un dispositivo de elevación (LD) con un solo cable o cadena de elevación, el dispositivo de impresión 3D móvil (TDPD0) que comprende: - un cabezal de impresión adecuado para recibir el material y deponerlo; - medios de fijación adecuados para conectar el cabezal de impresión a un dispositivo de elevación (LD); y - medios de estabilización (MS) adecuados para estabilizar la posición del cabezal de impresión mediante efecto giroscópico. Dicho dispositivo hace posible controlar la impresión de la estructura a imprimir, en particular la posición del cabezal de impresión, y reducir los costos de mano de obra y el tiempo requerido para la instalación en un dispositivo de elevación (LD) como una grúa estándar provista de un gancho.

No existe en el estado de la técnica una celda robotizada móvil para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D, que sea trasladable en una sola pieza para poder posicionarla en cualquier lugar de una obra de construcción mediante una grúa o similar, sin necesidad de instalar en obra sistemas de apoyo o guiado adicionales, que sea conectable cenitalmente a fuentes externas de material y energía, así como a dispositivos de control externos, cuya estructura autoportante sea autonivelable y contenga un aparato actuador multi-eje que sea reprogramable, automáticamente controlado y programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto y que dicho aparato actuador multi-eje esté compuesto por una guía circular sobre la cual gire en torno a su centro una viga diametral giratoria que sostenga en su cara inferior dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, con dos carros sobre los cuales se desplacen dos robots manipuladores montados sobre dos columnas telescópicas en posición invertida y que manipulen dos boquillas intercambiables, que dispongan de una llave de paso controlada electrónicamente y que se conecten a dos mangueras flexibles para transporte de material, por donde descienda un mortero de cemento, polímero, biomaterial u otro material similar, que es bombeado desde el exterior de la celda robotizada móvil, para ser extrudido en filamentos que se van deponiendo en capas sucesivas superpuestas, según un diseño de trayectorias computacional previo que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical; y un método de operación, que permita generar trayectorias helicoidales dobles de deposición simultánea de filamentos continuos de mortero, para reducir el tiempo transcurrido entre la deposición de cada capa sucesiva; que permita realizar simultáneamente diversas tareas, como imprimir contornos y dintornos de tramas estructuradoras, o rellenos macizos; y que permita orientar con tres grados de libertad rotacionales boquillas intercambiables, que pueden tener distintas formas, simétricas o asimétricas, para hacer más expedita la extrusión de diversos tipos de morteros y optimizar la cobertura de cada filamento.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Un primer objetivo de la invención es proveer una celda robotizada móvil para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D, que comprende una estructura autoportante, compuesta por tres vigas concurrentes en un nudo cenital de eje hueco, dispuestas radialmente en un plano horizontal cada 120 grados angulares, cuyos extremos periféricos están provistos respectivamente de un asa de izado, cuyo orificio está previsto para enganchar e izar la celda robotizada móvil mediante una grúa con un estrobo de tres ramales o un yugo de tres tomas, en donde el extremo periférico de cada viga está unido a un pilar telescópico autonivelable que dispone una ménsula en el tramo superior de su cara interior y se apoya sobre una base que opcionalmente puede ser anclada al suelo, y en conjunto soportan tubería que protege cables y mangueras de energía y control; un aparato de alimentación, compuesto por una manguera externa semirrígida para transporte de material, que se conecta mediante un acople de manguera a un tubo de extensión con brida de fijación que atraviesa verticalmente a un conector rotativo de eje hueco y se conecta a un distribuidor rotativo bifurcado, a cuyas dos bocas de descarga se conectan dos mangueras flexibles para transporte de material que en su otro extremo se conectan a dos boquillas intercambiables provistas de llaves de paso controladas electrónicamente, en donde el conector rotativo de eje hueco deriva una pluralidad de cables y mangueras de energía, control y otros, desde la viga diametral giratoria hacia el nudo cenital de eje hueco, y el tubo de extensión con brida de fijación se asegura a un tambor interior del conector rotativo de eje hueco para impedir que la manguera externa semirrígida para transporte de material se tuerza, mientras un tambor exterior del conector rotativo de eje hueco se asegura a la viga diametral giratoria para impedir que la pluralidad de cables y mangueras de energía, control y otros también se tuerzan, y donde el distribuidor rotativo bifurcado impide que las dos mangueras flexibles para transporte de material se tuerzan mientras dos robots manipuladores que posicionan y orientan las boquillas intercambiables, se desplazan en movimiento circular y lineal y adoptan poses diversas para imprimir en 3D con el mortero; y un aparato actuador multi-eje, que es un sistema electromecánico reprogramable, automáticamente controlado, programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto, que está compuesto por una guía circular sobre la cual gira en torno a su centro una viga diametral giratoria que sostiene en su cara inferior dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, con dos carros sobre los cuales se desplazan dos robots manipuladores montados sobre dos columnas telescópicas en posición invertida, que manipulan las dos boquillas intercambiables, que disponen de una llave de paso controlada electrónicamente y que se conectan a las dos mangueras flexibles para transporte de material. Un segundo objetivo de la invención es proveer un método para operar una celda robotizada móvil, para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D, que comprende los pasos de: a) posicionar la celda robotizada móvil en un lugar previsto de una obra de construcción, con su aparato de alimentación y tubería debidamente conectados a una bomba de mortero, un generador de electricidad o una red eléctrica instalada, un controlador y un compresor externos, para accionar los tres pilares telescópicos autonivelables y nivelar su estructura autoportante y para accionar su aparato actuador multi-eje, mediante un programa ejecutado desde un computador externo o remoto, e iniciar la impresión 3D en obra del contorno de una pieza con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior o de un recinto; b) accionar los dos robots manipuladores para posicionar y orientar las dos boquillas intercambiables, en dos puntos preferentemente distales del contorno de la pieza presta a ser impresa, para iniciar con cada una, en el mismo sentido de avance, la deposición de filamentos continuos de mortero en capas sucesivas superpuestas, según un diseño de trayectorias computacional previo, que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical y cuyo avance conjunto puede describir la topología de una hélice doble ascendente, por ejemplo, para reducir el tiempo transcurrido entre la deposición de cada capa sucesiva y evitar que un fraguado inicial demasiado rápido impida que las capas consecutivas de mortero se adhieran adecuadamente entre sí, y en donde ambas boquillas intercambiables repiten la misma trayectoria en cada capa sucesiva, o alternativamente, cada boquilla intercambiable reproduce una trayectoria diferente y realiza una tarea diferente, sin perjuicio de que, debido al propio diseño de la pieza o del recinto, la posición y orientación de cada boquilla intercambiable varíe levemente en la capa siguiente; y c) ejecutar el programa del aparato actuador multi-eje desde un computador externo o remoto, para que la viga diametral giratoria gire en el sentido y con la aceleración y velocidad necesarias en cada instante requerido, los dos carros que componen los dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes y las dos columnas telescópicas montadas sobre dichos carros, posicionen de manera independiente cada uno de los dos robots manipuladores a la distancia horizontal y vertical necesarias en cada instante requerido, y cada robot manipulador posicione y oriente de manera independiente la boquilla intercambiable que lleva montada en su brida en cada instante requerido, según un diseño de trayectorias computacional previo que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 describe una vista isométrica principal de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa inicial de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 2 describe una vista isométrica principal de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa intermedia de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 3 describe una vista isométrica principal de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa final de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 4 describe una vista frontal parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención en una etapa inicial de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 5 describe una vista frontal parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención en una etapa intermedia de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 6 describe una vista frontal parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa final de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 7 describe una vista lateral parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención en una etapa inicial de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 8 describe una vista lateral parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa intermedia de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior. La figura 9 describe una vista lateral parcial de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa final de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 10 describe una vista en planta de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención en una etapa inicial de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 11 describe una vista en planta de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa intermedia de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior. La figura 12 describe una vista en planta de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención, en una etapa final de fabricación de una pieza impresa en obra con armadura preinstalada en su interior.

La figura 13 describe una vista isométrica de la estructura autoportante de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención. La figura 14 describe una vista isométrica en explosión del aparato de alimentación de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención.

La figura 15 describe una vista isométrica superior en explosión de la viga diametral giratoria de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención. La figura 16 describe una vista isométrica inferior en explosión de la viga diametral giratoria de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención.

La figura 17 describe una vista isométrica en explosión de la guía circular de la celda robotizada móvil de construcción impresa de la invención. La figura 18 describe un primer ejemplo de un muro presto a ser impreso en obra, con armadura y ductos verticales preinstalados.

La figura 19 describe un segundo ejemplo de un muro impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados en su interior, cuyo contorno impreso fue obtenido de una trayectoria helicoidal doble de impresión 3D. La figura 20 describe un tercer ejemplo de un muro impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados en su interior y relleno macizo.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

El primer objetivo de la invención es disponer de una celda robotizada móvil para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D reprogramable, automáticamente controlado y programable en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto. La celda robotizada móvil propiamente es trasladable en una sola pieza, por vía aérea, terrestre o acuática, hasta el sitio de una obra de construcción, posicionable mediante una grúa en el lugar requerido de dicha obra, incluyendo cualquier nivel de un edificio en construcción, para proceder a la impresión 3D. La celda robotizada móvil se puede apoyar sobre losas y andamios, se nivela accionando sus tres pilares telescópicos autonivelables y se alimenta cenitalmente con material, desde una bomba de mortero, con energía eléctrica, desde un generador de electricidad o una red eléctrica instalada, con señales de control, desde un controlador externo, y con energía hidráulica o neumática, desde un compresor externo, sin necesidad de obstaculizar a nivel de suelo otras faenas de construcción en su entorno.

Una celda robotizada móvil es el principal componente físico para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D que se propone. La celda robotizada móvil propiamente es una unidad funcional autónoma, escalable y replicable, que se puede aplicar en forma aislada o simultánea para imprimir en obra piezas y recintos de un edificio con armadura y ductos verticales preinstalados en el interior de sus muros, columnas y losas, o para imprimir en taller componentes constructivos prefabricados, y está compuesta por una estructura autoportante, un aparato de alimentación y un aparato actuador multi-eje.

La estructura autoportante propiamente es una armazón abierta compuesta por tres vigas concurrentes en un nudo cenital de eje hueco, unidas respectivamente a tres pilares telescópicos autonivelables accionados eléctrica, hidráulica o neumáticamente, que se pueden extender y retraer de manera independiente y controlada, para nivelar la celda robotizada móvil en una posición adecuada para realizar la impresión 3D, con tres ménsulas dispuestas en el tramo superior de su cara interior, en las que se encajan tres mordazas para sostener una guía circular que compone el aparato actuador multi-eje y con bases que opcionalmente pueden ser ancladas al suelo. El propósito mecánico del nudo cenital de eje hueco es impedir la rotación y el desplazamiento en cualquier dirección de cada miembro de la estructura autoportante con respecto al otro; todos los miembros de la estructura autoportante -incluido el propio nudo cenital de eje hueco- de un tamaño y una robustez a ser definidos según especificaciones para resistir adecuadamente las fuerzas a las que será sometida la estructura autoportante en su puesta en servicio. El propósito operacional del nudo cenital de eje hueco es dejar entrar y salir de la celda robotizada móvil una manguera externa semirrígida para transporte de material y una pluralidad de cables y mangueras de energía, control y otros que alimentan y comunican dos servomotores de una viga diametral giratoria, dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, dos columnas telescópicas, dos robots manipuladores montados sobre éstas y dos llaves de paso controladas electrónicamente que están integradas en las dos boquillas intercambiables. El propósito mecánico de la estructura autoportante es constituir el apoyo y sostén del aparato de alimentación, el aparato actuador multi- eje y tubería que protege cables y mangueras de energía y control. El propósito operacional de la estructura autoportante es actuar como una jaula de transporte para la celda robotizada móvil, al incluir tres asas de izado dispuestas respectivamente en las caras superiores de los extremos periféricos de sus tres vigas, que sirven para enganchar e izar la celda robotizada móvil mediante una grúa con un estrobo de tres ramales o un yugo de tres tomas.

El aparato de alimentación propiamente es un dispositivo transportador de material, derivador y destorcedor de cables y mangueras, compuesto por una manguera externa semirrígida para transporte de material, que se conecta mediante un acople de manguera a un tubo de extensión con brida de fijación, que atraviesa verticalmente a un conector rotativo de eje hueco (como, por ejemplo, el H-Through Hole Slip Ring o el Gas & Flow Passage Hollow Shaft Rotary Union de SENRING™) y se conecta a un distribuidor rotativo bifurcado, a cuyas dos bocas de descarga se conectan respectivamente dos mangueras flexibles para transporte de material que conducen el mortero hada dos boquillas intercambiables con llaves de paso controladas electrónicamente, montadas respectivamente en la brida de dos robots manipuladores que reproducen un diseño de trayectorias computacional previo que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical. El tubo de extensión con brida de fijación al que se acopla la manguera externa semirrígida para transporte de material, se asegura solidariamente al canto superior de un tambor interior del conector rotativo de eje hueco, impidiendo que la manguera externa semirrígida para transporte de material se tuerza y permitiendo que un tambor exterior del conector rotativo de eje hueco gire solidariamente con una viga diametral giratoria que desplaza en movimiento circular a los dos robots manipuladores.

El aparato actuador multi-eje propiamente es un sistema electromecánico reprogramable, automáticamente controlado, programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto y está compuesto por una guía circular sobre la cual gira en torno a su centro, con un grado de libertad, una viga diametral giratoria que sostiene en su cara inferior dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, con dos carros sobre los cuales se desplazan, con un grado de libertad respectivamente, dos robots manipuladores de seis grados de libertad, montados en posición invertida sobre dos columnas telescópicas, que se extienden y retraen, con un grado de libertad respectivamente. La viga diametral giratoria propiamente comprende dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes con accionamiento por piñón motorizado y cremallera y sistema de guiado por patines y guías, dispuestos respectivamente en cada mitad de la extensión longitudinal de dicha viga diametral giratoria, y dos servomotores equipados respectivamente con un juego de piñón impulsor y rodamientos en V, dispuestos simétricamente en ambos extremos de dicha viga diametral giratoria, que actúan simultáneamente sobre una guía circular que consiste en un anillo guía de doble canto en V con cremallera interior (como, por ejemplo, los HDRT Heavy Duty Ring Guides and Track Systems de HEPCOMOTION™). Dicha guía circular está sostenida por tres mordazas que se encajan respectivamente en tres ménsulas, dispuestas respectivamente en el tramo superior de la cara interior de los tres pilares telescópicos autonivelables de la estructura autoportante de la celda robotizada móvil. Las dos columnas telescópicas, que pueden ser accionadas eléctrica, hidráulica o neumáticamente, se extienden y retraen de manera independiente y controlada, para desplazar a cada uno de los dos robots manipuladores en dirección vertical, según avanza en altura la impresión capa por capa. La pluralidad de cables y mangueras de energía, control y otros que alimentan y comunican al conjunto compuesto por dos servomotores de la viga diametral giratoria, dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, dos columnas telescópicas y dos robots manipuladores montados sobre éstas, está debidamente conducida y protegida por bandejas y cadenas portacables.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

La celda robotizada móvil (100) para la fabricación de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior y recintos impresos en obra mediante un sistema multi-eje de impresión 3D, que se describe en distintas etapas de operación, en las figuras 1 a la 3, está compuesta por una estructura autoportante (10), un aparato de alimentación (20) y un aparato actuador multi-eje (30), que es un sistema electromecánico reprogramable, automáticamente controlado, programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto; además, el aparato actuador multi-eje (30), se describe en operación progresiva en una primera vista frontal en las figuras 4 a la 6, en una segunda vista lateral en las figuras 7 a la 9, y en una tercera vista en planta en las figuras 10 a la 12.

La estructura autoportante (10), que se describe en la figura 13, está compuesta por tres vigas (12) concurrentes en un nudo cenital de eje hueco (11 ), dispuestas radialmente en un plano horizontal cada 120 grados angulares, cuyos extremos periféricos están provistos respectivamente de un asa de izado (13), cuyo orificio está previsto para enganchar e izar la celda robotizada móvil (100) mediante una grúa con un estrobo de tres ramales o un yugo de tres tomas, que no se muestran; el extremo periférico de cada viga (12) está unido a un pilar telescópico autonivelable (14) que dispone de una ménsula (15) en el tramo superior de su cara interior y se apoya sobre una base (16), que opcionalmente puede ser anclada al suelo; cada viga (12), en conjunto con su correspondiente pilar telescópico autonivelable (14), soportan tubería (17) que protege cables y mangueras de energía y control, que se conectan a un generador de electricidad o una red eléctrica instalada, un controlador y un compresor externos, que no se muestran.

El aparato de alimentación (20), que se describe en la figura 14; está compuesto por una manguera externa semirrígida para transporte de material (21 ), que puede provenir de una bomba de mortero, que se conecta mediante un acople de manguera (22) a un tubo de extensión con brida de fijación (23), que se asegura con pernos a un tambor interior de un conector rotativo de eje hueco (24), que es un dispositivo giratorio que se utiliza para transferir energía eléctrica, hidráulica o neumática, circuitos de control o datos, analógicos o digitales, y también medios como vacío, fluidos refrigerantes, vapor y otros, desde una o múltiples entradas fijas -en este caso dispuestas en el tambor interior- hacia una o múltiples salidas giratorias -en este caso dispuestas en un tambor exterior- y que deriva una pluralidad de cables y mangueras de energía, control y otros (25) que alimentan y comunican a dos servomotores (31 k), dos piñones motorizados (31 b), dos columnas telescópicas (31 g) y dos robots manipuladores (31 h), que se detallan en las figuras 15 y 16, hacia el generador de electricidad o la red eléctrica instalada, el controlador externo y el compresor externo, que no se muestran. El tubo de extensión con brida de fijación (23), atraviesa verticalmente al conector rotativo de eje hueco (24) y se conecta por su extremo inferior a un distribuidor rotativo bifurcado (26), a cuyas dos bocas de descarga se conectan dos mangueras flexibles para transporte de material (27), que conducen el mortero hacia dos boquillas intercambiables (28) con llaves de paso controladas electrónicamente que no se muestran, montadas en la brida de los dos robots manipuladores (31 h).

El aparato actuador multi-eje (30), que es un sistema electromecánico reprogramable, automáticamente controlado, programable de manera offline u online en todos sus grados de libertad desde un computador externo o remoto, que se describe en detalle en las figuras 15 a la 17; está compuesto por una viga diametral giratoria (31 ) que gira en torno a su centro sobre una guía circular (32), la cual está sostenida por tres ménsulas (15), cada una dispuesta en el tramo superior de la cara interior de cada pilar telescópico autonivelable (14) de la celda robotizada móvil (100). La viga diametral giratoria (31 ) sostiene en su cara inferior dos ejes de desplazamiento lineal horizontal independientes, cada uno compuesto por un carro (31 a) que es accionado por un piñón motorizado (31 b) y una cremallera (31 c) y guiado por cuatro patines (31 d) sobre dos guías (31 e) paralelas entre sí, y sobre cada carro (31 a) se monta una columna telescópica (31 g) y sobre ésta un robot manipulador (31 h) en posición invertida, con todos sus cables y mangueras de energía, control y otros (25) protegidos por una cadena portacables (31 f), que se describen complementariamente en las figuras 15 y 16. En ambos costados de la viga diametral giratoria (31 ) se dispone un riel (31 i) por donde se desplaza un balancín retráctil (31 j) que ayuda a sostener parcialmente el peso de cada manguera flexible para transporte de material (27) mientras ésta se desplaza por el espacio tridimensional cargada con el mortero, como se muestra mejor en las figuras 4, 5, 7 y 8. La viga diametral giratoria (31 ) propiamente, es accionada por un servomotor (31 k) y un juego de piñón impulsor y rodamientos en V (311), dispuestos simétricamente en ambos extremos, con todos sus cables y mangueras de energía, control y otros protegidos respectivamente por una bandeja portacables (31 m), que se describen mejor en la figura 15. La guía circular (32), que se describe en la figura 17; consiste en un anillo guía de doble canto en V (32a) con cremallera interior (32b), que comprende tres sopandas (32c) dispuestas radialmente en un plano horizontal cada 120 grados angulares, que encajan exactamente en tres mordazas (32d), que a su vez encajan en las tres ménsulas (15) dispuestas en el tramo superior de la cara interior de los tres pilares telescópicos autonivelables (14).

La pieza impresa (40), que se describe en las figuras 18 a la 20; ilustra un primer ejemplo de un muro presto a ser impreso en obra, con armadura y ductos verticales preinstalados (40a), figura 18; un segundo ejemplo de un muro impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados en su interior, cuyo contorno impreso (40b) fue obtenido de una trayectoria helicoidal doble de impresión 3D, figura 19; y un tercer ejemplo de un muro impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados en su interior y relleno macizo (40c), figura 20. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO OPERATIVO DEL SISTEMA

Un segundo objetivo de la invención es proporcionar un método operativo de la celda robotizada móvil (100), que requiere de los siguientes pasos: a) Trasladar la celda robotizada móvil (100) a la obra de construcción o el taller de destino, con su aparato actuador multi-eje (30) debidamente asegurado en su posición de transporte; b) Enganchar sus tres asas de izado (13) con un estrobo de tres ramales o un yugo de tres tomas acoplado a una grúa; c) Posicionar la celda robotizada móvil (100) en un lugar previsto de una obra de construcción para realizar la impresión 3D en obra de piezas con armadura o ductos verticales preinstalados en su interior o recintos de un edificio; d) Opcionalmente, anclar al suelo las bases (16) de la estructura autoportante (10) de la celda robotizada móvil (100); e) Conectar el aparato de alimentación (20) de la celda robotizada móvil (100) a una fuente de material como, por ejemplo, una bomba de mortero y también a un generador de electricidad o una red eléctrica instalada, un controlador externo y un compresor externo, que no se muestran; f) Conectar cables y mangueras de energía y control, que salen de la tubería (17) que soporta la estructura autoportante (10) de la celda robotizada móvil (100) al generador de electricidad o la red eléctrica instalada, al controlador externo y al compresor externo, que no se muestran; g) Accionar los tres pilares telescópicos autonivelables (14) de la celda robotizada móvil (100) para nivelarla en una posición adecuada para realizar la impresión 3D. h) Liberar el aparato actuador multi-eje (30) de su posición de transporte y accionar la viga diametral giratoria (31) para orientarla en una dirección apropiada, tal que los dos carros (31a) desplacen los dos robots manipuladores (31 h) hasta dos puntos preferentemente distales del contorno de la pieza presta a ser impresa, y extender las dos columnas telescópicas (31 g) hasta una altura adecuada desde donde los dos robots manipuladores (31 h) posicionen y orienten adecuadamente las dos boquillas intercambiables (28) del aparato de alimentación (20) y puedan iniciar la deposición de filamentos continuos de mortero. i) Iniciar el bombeo del mortero que entra por la manguera externa semirrígida para transporte de material (21) y desciende a través del tubo de extensión con brida de fijación (23), el distribuidor rotativo bifurcado (26) y las dos mangueras flexibles para transporte de material (27), hasta salir extrudido por las dos boquillas intercambiables (28), que están montadas en la brida de los dos robots manipuladores (31 h); j) Iniciar la deposición de filamentos continuos de mortero, en capas sucesivas superpuestas, según un diseño de trayectorias computacional previo que reproduce el contorno de la pieza o del recinto en toda su extensión horizontal y vertical, ejecutando el programa del aparato actuador multi-eje (30) desde un computador externo o remoto; k) Detener el proceso de impresión 3D, una vez alcanzada la altura deseada para la pieza impresa (40), o la altura máxima desde donde pueden imprimir adecuadamente los dos robots manipuladores (31 h) en la situación actual;

L) Desconectar el aparato de alimentación (20) de la celda robotizada móvil (100) de la bomba de mortero, del generador de electricidad o de la red eléctrica instalada, del controlador y el compresor externos, que no se muestran; m) Desconectar cables y mangueras de energía y control que salen de la tubería (17) que soporta la estructura autoportante (10) de la celda robotizada móvil (100) del generador de electricidad o la red eléctrica instalada, del controlador y el compresor externos, que no se muestran; n) Asegurar el aparato actuador multi-eje (30) en su posición de transporte; y o) Repetir el procedimiento desde el paso b). De otro modo, retirar con una grúa la celda robotizada móvil (100) de la obra de construcción. EJEMPLOS DE APLICACIONES

En un primer ejemplo de aplicación para fabricar un muro (40) impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados (40a) en su interior, que no superen la altura máxima desde donde pueden imprimir los dos robots manipuladores (31 h), con la armadura debidamente anclada a un cimiento y a muros adyacentes si los hubiere -y que no se muestran-, se posiciona la celda robotizada móvil (100) en un lugar previsto de la obra de construcción, se conectan su aparato de alimentación (20) y tubería (17) a una bomba de mortero, un generador de electricidad o una red eléctrica instalada, un controlador y un compresor externos, se accionan sus tres pilares telescópicos autonivelables (14), para nivelar su estructura autoportante (10) y se acciona su aparato actuador multi- eje (30), mediante un programa ejecutado desde un computador externo o remoto, para iniciar la impresión 3D del contorno del muro (40) en capas sucesivas superpuestas.

En un segundo ejemplo de aplicación para fabricar un muro (40) impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados (40a) en su interior, cuyo contorno impreso (40b) fue obtenido de una trayectoria helicoidal doble de impresión 3D, el diseño de trayectorias computacional previo, que reproduce el contorno del muro en toda su extensión horizontal y vertical, debe considerar la geometría y posición de la armadura y ductos verticales preinstalados (40a) en el interior del muro (40), para que el movimiento sincronizado multi-eje del conjunto compuesto por la viga diametral giratoria (31 ), los dos carros (31 a), las dos columnas telescópicas (31 g) y los dos robots manipuladores (31 h), permita imprimir el contorno del muro (40) en capas sucesivas superpuestas, evitando que el aparato actuador multi-eje (30) y las dos boquillas intercambiables (28) colisionen con la armadura y ductos verticales preinstalados (40a) mientras el avance conjunto de ambas boquillas intercambiables (28) describe la topología de una hélice doble ascendente, que puede reducir el tiempo transcurrido entre la deposición de cada capa sucesiva y evitar que un fraguado inicial demasiado rápido impida que las capas consecutivas de mortero se adhieran adecuadamente entre sí.

En un tercer ejemplo de aplicación para fabricar un muro (40) impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados (40a) en su interior y relleno macizo (40c) del mismo material que su contorno impreso (40b), uno de los dos robots manipuladores (31 h) fabrica el contorno impreso (40b) del muro (40), mientras el otro extruye el relleno macizo (40c) en su interior con cierto retraso, de tal manera que las paredes del contorno, formadas por la superposición de capas sucesivas de filamentos de mortero, alcancen progresivamente altura y resistencia suficientes para contener el relleno macizo (40c). Alternativamente, ambos robots manipuladores (31 h) fabrican simultáneamente el contorno impreso (40b) del muro (40) hasta una altura determinada y cuando las paredes del contorno impreso (40b), formadas por la superposición de capas sucesivas de filamentos de mortero, alcanzan la resistencia suficiente, ambos robots manipuladores (31 h) extruyen simultáneamente el relleno macizo (40c) en el interior del muro (40), repitiendo la operación hasta completar la altura total del muro (40).

En un cuarto ejemplo de aplicación para fabricar un muro (40) impreso en obra con armadura y ductos verticales preinstalados (40a) en su interior y relleno macizo (40c) de otro material, distinto de aquel empleado en su contorno impreso (40b) como, por ejemplo, concreto de azufre, ambos robots manipuladores (31 h) fabrican simultáneamente el contorno impreso (40b) del muro (40) y cuando las paredes del contorno impreso (40b), formadas por la superposición de capas sucesivas de filamentos de mortero, alcanzan la altura total del muro (40) y la resistencia suficiente para contener el relleno macizo (40c) en su interior, se vierte el relleno macizo (40c) en el interior del muro, utilizando una herramienta externa con una manguera para transporte de material conectada a una fuente adicional.

En un quinto ejemplo de aplicación para fabricar un recinto impreso en obra, los dos robots manipuladores (31 h) pueden imprimir respectivamente la pared interna y la pared externa del contorno de dicho recinto, debido a que topológicamente es lo mismo que imprimir el contorno de un muro (40). Alféizares y dinteles se pueden instalar durante el proceso de impresión 3D para conformar vanos de puertas, ventanas y otros.