AT15824U1 - Verfahren zur Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands für die Bauindustrie - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands für die Bauindustrie, wobei ein Partikelmaterial schichtweise auf einer Druckplattform übereinander angeordnet und in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand verbunden wird, wobei das Partikelmaterial vor der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform granuliert wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands für die Bauindustrie, wobei ein Partikelmaterial schichtweise auf einer Druckplattform übereinander angeordnet und in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand verbunden wird.

[0002] Die gegenständliche Erfindung betrifft also das technische Gebiet des 3-D-Drucks in der Bauindustrie.

[0003] Unter dem Ausdruck „Gegenstand für die Bauindustrie" seien alle Komponenten eines Bauwerks oder im Grenzfall auch ganze Bauwerke verstanden. Diese werden häufig aus Zement oder Beton gefertigt. Die Gegenstände können beispielsweise aber auch aus speziellen Leicht-, Keramik- und/oder Feuerfestbaustoffen gefertigt sein.

[0004] Auf dem Gebiet des 3-D-Drucks in der Bauindustrie werden im Wesentlichen drei Prozesstypen voneinander unterschieden, wobei zwei dieser Prozesstypen, nämlich das „Contour Crafting" und das „Concrete Printing" sehr verwandt sind und Prozesse definieren, in denen ein viskoses Betongemisch durch Düsen in situ verspritzt wird und selbst aushärtet.

[0005] Daneben unterscheidet man als dritten Prozesstyp 3-D-Druck-Verfahren auf Basis pulverförmiger Werkstoffe.

[0006] Wie aus Figur 1 hervorgeht, wird dabei eine erste Schicht 21 des pulverförmigen Partikelmaterials 3 mit einer bestimmten Schichtdicke auf einer Druckplattform 4 aufgetragen. Anschließend wird das Partikelmaterial 3 in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander verbunden. Dieser Schritt kann beispielsweise durch Zusatz wenigstens eines Bindemittels 18, welches aus Düsen eines Druckkopfes 8 herausgesprüht wird, erfolgen. Danach wird eine zweite Schicht 20 des pulverförmigen Partikelmaterials 3 auf der ersten Schicht 21 angeordnet, wobei das Partikelmaterial 3 erneut in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander verbunden wird. Diese Schritte wiederholen sich so lange, bis sich wenigstens ein gewünschter dreidimensionaler Gegenstand 2 für die Bauindustrie auf der Druckplattform 4 herausgebildet hat. Dieser Gegenstand 2 kann dann von dem nicht verfestigten Pulver separiert und an einer gewünschten Stelle eines Bauwerks eingebaut werden. Es ist prinzipiell auch vorstellbar, dass auf diese Weise ein ganzes Bauwerk gedruckt wird.

[0007] Bei diesem Verfahren treten eine ganze Reihe von Problemen auf: Bei der schichtweisen Auftragung des Partikelmaterials 3 kommt es zu einer Staubentwicklung, welche die Umgebung der Druckplattform 4 und auch Bestandteile der Druckvorrichtung selber, wie beispielsweise den Druckkopf, verunreinigt.

[0008] Weiterhin erfolgt der Materialauftrag ungleichmäßig, da feine Bestandteile des Partikelmaterials 3 teilweise an der Vorrichtung, mit welcher das Partikelmaterial 3 aufgetragen wird, haften bleibt.

[0009] Diese Anhaftung, welche beispielsweise durch eine elektrostatische Aufladung hervorgerufen wird, kann später auch bei der Trennung des fertigen dreidimensionalen Gegenstands von dem nicht verfestigten Partikelmaterial 3 problematisch sein. In diesem Fall muss der dreidimensionale Gegenstand in einem weiteren Schritt aufwendig von dem anhaftenden Pulver gereinigt werden.

[0010] Häufig wird das Partikelmaterial 3 auch aus mehreren Komponenten zusammen gemischt. Diese können ein unterschiedliches spezifisches Gewicht und unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Erfolgt das Zusammenmischen an einem Ort, welcher von dem Ort des Drucks verschieden ist, so muss das zusammengemischte Partikelmaterial 3 zwischen diesen Orten transportiert werden. Dabei kommt es zu einer Entmischung, bei welcher sich beispielsweise die schweren großen Teilchen an dem Boden der Transportvorrichtung absetzen. Trägt man nun das Partikelmaterial 3 auf der Druckplattform 4 auf, so kommt es zu inhomogenen Materialverteilungen aufgrund dieses Entmischungsvorgangs.

[0011] Ein weiteres Problem ist schematisch in dem vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 dargestellt: und zwar kann es bei der Zugabe des Bindemittels 18 zur Bildung von kleinen Kratern 24 kommen, die dadurch entstehen, dass das Bindemittel 18 das Partikelmaterial 3 teilweise wegschleudert. Diese Defekte wirken sich nachteilig auf das Druckbild und die Stabilität des dreidimensionalen Gegenstands aus.

[0012] Die objektive technische Aufgabe besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben, bei welchem die beschriebenen Nachteile vermieden werden können.

[0013] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

[0014] Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Partikelmaterial vor der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform granuliert wird.

[0015] Als Granulieren oder Granieren bezeichnet man das Zusammenlagern von Partikeln zu größeren Teilverbänden, dem Granulat. Dabei wird häufig die Korngrößenverteilung reduziert, was bedeutet, dass die Korngrößen der Ausgangspartikel über einen größeren Bereich als die Korngrößen des Granulats verteilt sind. Gleichzeitig kann auch die Kornform beim Granulieren verändert werden, dahingehend, dass die Ausgangspartikel vor dem Granulieren ganz unterschiedliche Formen aufweisen, wohingegen das erzeugte Granulat beispielsweise im Wesentlichen kugel-, eier- und/oder ellipsoidförmig ausgebildet ist.

[0016] Durch das Granulieren des Partikelmaterials werden feine Bestandteile in die Granulatteilchen eingelagert, sodass sie nicht mehr frei beweglich sind. Hierdurch wird signifikant die Staubentwicklung beim schichtweisen Aufträgen des Partikelmaterials auf der Druckplattform reduziert.

[0017] Gleichzeitig können sich diese feinen Bestandteile auch nicht mehr an dem hergestellten dreidimensionalen Gegenstand und/oder einer Vorrichtung zum Aufträgen des Partikelmaterials auf der Druckplattform anlagern. Dadurch vereinfachen sich die Separation des Gegenstands von dem nicht verfestigten Partikelmaterial und die schichtweise Auftragung des Partikelmaterials auf der Druckplattform.

[0018] Außerdem kann durch die Verwendung von granulierte Partikelmaterial die Kraterbil-dung, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, vermieden werden.

[0019] Mischt man das Partikelmaterial aus wenigstens zwei Komponenten zusammen, wie dies gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, so kann durch das Granulieren sichergestellt werden, dass die gewünschte Mischung der wenigstens zwei Komponenten erhalten bleibt und es zu keiner Entmischung bei einem etwaigen Transport kommt. Die Mischung der wenigstens zwei Komponenten wird also in den Granulatteilchen quasi „eingefroren".

[0020] Und schließlich kann - wie dies gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist - durch die Herstellung einer bestimmten Granulatform und Granulatgröße das Partikelmaterial derart schichtweise auf der Druckplattform übereinander angeordnet werden, dass im Wesentlichen eine dichteste Kugelpackung gebildet wird. Hierdurch erhöht sich die Stabilität des hergestellten dreidimensionalen Gegenstands.

[0021] Je nach den verwendeten Ausgangsmaterialien kann es vorgesehen sein, dass das Partikelmaterial oder Komponenten des Partikelmaterials zumindest teilweise vor dem Granulieren zerkleinert, vorzugsweise zermahlen, wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das Mischungsverhältnis mit einer weiteren Komponente verbessert werden. Außerdem kann die Granulatbildung kontrollierter durchgeführt werden.

[0022] Als vorteilhaft hatte sich weiterhin herausgestellt, dass das Partikelmaterial und/oder ein Behälter, in welchem das Granulieren durchgeführt wird, beim Granulieren rotiert wird. Dadurch kann in besonders einfacher Weise die Zusammenlagerung der Partikel zu den Granulatteilchen, insbesondere was die Form der Granulatteilchen betrifft, kontrolliert werden.

[0023] Je nach den verwendeten Ausgangsmaterialien hatte sich als vorteilhaft erwiesen, dass beim Granulieren Wasser und/oder wenigstens ein Bindemittel zugesetzt wird.

[0024] Es bietet sich an, dass das granulierte Partikelmaterial wenigstens eine vorbestimmte Granulatgröße, vorzugweise einen vorbestimmten Granulatdurchmesser, aufweist, welche vorzugsweise durch die Dauer des Granulierens, die Menge eines gegebenenfalls beim Granulieren zugesetzten Wassers und/oder Bindemittels, die Rotationsgeschwindigkeit im Falle der Rotation des Partikelmaterials beim Granulieren, die Größe eines Behälters, in welchem das Granulieren durchgeführt wird, die Orientierung eines Behälters, in welchem das Granulieren durchgeführt wird, relativ zur Schwerkraft, und/oder die Temperatur beim Granulieren, eingestellt wird.

[0025] Als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Stabilität des herzustellenden dreidimensionalen Gegenstands hatte sich herausgestellt, dass das Partikelmaterial mit wenigstens zwei unterschiedlichen Granulatgrößen, vorzugweise Granulatdurchmessern, auf der Druckplattform angeordnet wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere in Zusammenhang mit einer Anordnung des Partikelmaterials auf der Druckplattform, bei welcher im Wesentlichen eine dichteste Kugelpackung gebildet wird, günstig.

[0026] Dadurch, dass das Problem des Entmischens durch das erfindungsgemäße Granulieren des Partikelmaterials vor der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform behoben wird, ist es möglich, das Partikelmaterial an einem ersten Ort zu granulieren und die schichtweise Anordnung auf der Druckplattform an einem davon abweichenden zweiten Ort durchzuführen.

[0027] Alternativ oder ergänzend dazu kann es vorgesehen sein, dass das Partikelmaterial zwischen dem granulieren und der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform zwischengespeichert und/oder transportiert wird.

[0028] Je nach Wahl des verwendeten Partikelmaterials für den 3-D-Druck kann die Verfestigung und die Verbindung in den örtlich vorbestimmten Bereichen in unterschiedlicher Art und Weise vorgenommen werden. Beispielsweise kann dies durch Zusatz wenigstens eines Bindemittels erfolgen. Alternativ oder ergänzend dazu kann beispielsweise auch elektromagnetische Strahlung appliziert werden. In diesem Zusammenhang bietet sich die Verwendung eines Lasers an.

[0029] Als besonders vorteilhaft hatte sich herausgestellt, dass die Korngrößenverteilung durch das Granulieren des Partikelmaterials um mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 75 %, reduziert wird.

[0030] Das erfindungsgemäße Verfahren entfaltet seine Vorteile, wie bereits zuvor ausgeführt, insbesondere in Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt, bei welchem der wenigstens eine gedruckte dreidimensionale Gegenstand abschließend von dem umliegenden, nicht verfestigten Partikelmaterial getrennt wird. Hierzu kann der dreidimensionale Gegenstand beispielsweise von der Druckplattform abgehoben werden. In besonders einfacher Weise kann die Trennung auch durch ein entfernen gegebenenfalls vorhandener seitlicher Begrenzungswände erfolgen, wobei das lose Partikelmaterial seitlich entweichen kann.

[0031] Die Erfindung schützt auch die Verwendung des Verfahrens zum Granulieren von Partikelmaterial für die Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands für die Bauindustrie, wobei das granulierte Partikelmaterial schichtweise auf einer Druckplattform übereinander angeordnet und in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand verbunden wird.

[0032] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen: [0033] Fig. 1 eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Quer schnittsansicht von der Seite und [0034] Fig. 2 ein bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.

[0035] Die Figur 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben.

[0036] Gemäß der in der Figur 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das Partikelmaterial 3 aus wenigstens 2 Komponenten 5 und 6 zusammen gemischt. Die exakte Zusammensetzung des Partikelmaterials 3 hängt von der spezifischen Anwendung ab. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Partikelmaterial in seiner Zusammensetzung Portlandzement, speziellen Keramikpulvern oder Schamotten, die Einsatz in der Feuerfestindustrie finden, entspricht.

[0037] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Komponenten 5 und/oder 6 vor dem Zusammenmischen zum Partikelmaterial 3 zerkleinert werden. Die Zerkleinerung kann beispielsweise durch ein Zermahlen erfolgen.

[0038] Das Partikelmaterial 3 wird sodann in einen Behälter 13 gegeben. Dieser rotiert mit einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit 19 um eine Drehachse 23, wobei die Drehachse 23 gegenüber der Schwerkraft 15 um einen bestimmten Winkel 14 geneigt ist. Der Behälter 13 ist exemplarisch als Hohlzylinder dargestellt, welcher eine bestimmte Höhe 12 und einen bestimmten Durchmesser 11 aufweist. Es bietet sich aber auch die Verwendung alternativ ausgestalteter Behälter an.

[0039] Gleichzeitig wird in den Behälter 13 auch Wasser 7 und/oder wenigstens ein Bindemittel zugesetzt. Dieser Zusatz kann mit einem bestimmten Druck erfolgen.

[0040] Durch die Dauer des Granulierens, also die Zeitspanne, in welcher das Partikelmaterial 3 in dem Behälter 13 verbleibt, die Menge des zugesetzten Wassers 7 und/oder Bindemittels, die Rotationsgeschwindigkeit 19, die Größe 11,12 des Behälters 13, die Ausrichtung des Behälters 13 relativ zur Schwerkraft 15 und die Temperatur und Luftfeuchtigkeit beim Granulieren können die Granulatgröße gezielt gesteuert werden.

[0041] In der Figur 2 ist zwar exemplarisch eine rotierende Trommel 13, in welcher das Granulieren durchgeführt wird, dargestellt. Das Granulieren kann aber auch in alternativen Vorrichtungen durchgeführt werden.

[0042] Gemäß dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Partikelmaterial 3 nach dem Granulieren im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist, wobei das Partikelmaterial 3 wenigstens 2 unterschiedliche Granulatdurchmesser 9 und 10 aufweist. Anstelle der Kugelform können beispielsweise auch eier- oder im ellipsoidförmige Granulatteilchen erzeugt werden.

[0043] Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte werden an einem ersten Ort 16, beispielsweise bei einem Hersteller für Baurohstoffe, durchgeführt. Das granulierte Partikelmaterial 3 wird anschließend zwischengespeichert und an einen zweiten Ort 17 transportiert. In diesem Ort 17 kann ebenfalls eine Zwischenspeicherung erfolgen. An dem Ort 17 wird dann der eigentliche 3-D-Druck vorgenommen, wobei sich hier beispielsweise um eine zweite Firma, welche direkt in der Bauindustrie tätig ist, handeln kann.

[0044] Alternativ zu dieser Variante können alle Verfahrensschritte natürlich auch an demselben Ort und von derselben Firma durchgeführt werden.

[0045] An dem Ort des 3-D-Drucks werden nacheinander Schichten 20, 21 des granulierte Partikelmaterials 3 mit einer bestimmten Schichtdicke 22 auf einer Druckplattform 4 übereinander angeordnet, wobei das Partikelmaterial 3 jeweils nach der Auftragung einer Schicht 20, 21 in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand 2 verbunden wird.

[0046] Bei der Schicht 20 ist exemplarisch eine mögliche Anordnung des granulierte Partikelmaterials 3 schematisch angedeutet, wonach die Granulatteilchen mit dem Granulatdurchmesser 9 derart angeordnet sind, dass sich die Granulatteilchen jeweils berühren. In den Zwischen räumen, welche sich zwischen diesen Granulatteilchen ausbilden, kommen die Granulatteilchen mit dem kleineren Granulatdurchmesser 10 zum Liegen. Hierbei handelt es sich natürlich um eine ideale Anordnung, von der Abweichungen auftreten können, welche beispielsweise durch Abweichungen von der idealen Kugelform und/oder Variationen im Granulatdurchmesser 9, 10 bedingt sein können.

[0047] Das Verfestigen und Verbinden zum dreidimensionalen Gegenstand 2 erfolgt beispielsweise durch ein Bindemittel 18, welches durch einen Druckkopf 8 mit Druckdüsen aufgetragen werden kann. Wie bereits zuvor ausgeführt, kann das Verfestigen und Verbinden auch auf eine davon abweichende Art und Weise durchgeführt werden.

[0048] Für die Durchführung des 3-D-Drucks kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, mit wenigstens einer Druckplattform, wenigstens einem Druckrahmen, an welchem wenigstens eine Beschichtungsvorrichtung zur schichtweisen Auftragung des granulierten Partikelmaterials auf der Druckplattform und wenigstens ein Druckkopf zur Abgabe des wenigstens einen Bindemittels an den örtlich vorbestimmten Bereichen verfahrbar gelagert sind, und ein Gestell, an welchem der Druckrahmen in Gebrauchslage der Vorrichtung zumindest in vertikaler Richtung verstellbar gelagert ist.

Claims (14)

1. Ansprüche

   1. Verfahren (1) zur Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands (2) für die Bauindustrie, wobei ein Partikelmaterial (3) schichtweise auf einer Druckplattform (4) übereinander angeordnet und in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelmaterial (3) vor der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform (4) granuliert wird.
2. 2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei das Partikelmaterial (3) vor dem Granulieren aus wenigstens zwei Komponenten (5, 6) zusammengemischt wird.
3. 3. Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Partikelmaterial (3) oder Komponenten (5, 6) des Partikelmaterials (3) zumindest teilweise vor dem Granulieren zerkleinert, vorzugsweise zermahlen, wird.
4. 4. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Partikelmaterial (3) und/oder ein Behälter (13), in welchem das Granulieren durchgeführt wird, beim Granulieren rotiert wird.
5. 5. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dem Partikelmaterial (3) beim Granulieren Wasser (7) und/oder wenigstens ein Bindemittel zugesetzt wird.
6. 6. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das granulierte Partikelmaterial (3) wenigstens eine vorbestimmte Granulatgröße (9, 10) aufweist, welche vorzugsweise durch - die Dauer des Granulierens, - die Menge eines gegebenenfalls beim Granulieren zugesetzten Wassers (7) und/oder Bindemittels, - die Rotationsgeschwindigkeit (19) im Falle der Rotation des Partikelmaterials (3) beim Granulieren, - die Größe (11, 12) eines Behälters (13), in welchem das Granulieren durchgeführt wird, - die Orientierung eines Behälters (13), in welchem das Granulieren durchgeführt wird, relativ zur Schwerkraft (15), und/oder - die Temperatur beim Granulieren, eingestellt wird.
7. 7. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Partikel material (3) derart schichtweise auf der Druckplattform (4) übereinander angeordnet wird, dass im Wesentlichen eine dichteste Kugelpackung gebildet wird.
8. 8. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Partikelmaterial (3) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Granulatgrößen (9, 10) auf der Druckplattform (4) angeordnet wird.
9. 9. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Partikelmaterial (3) an einem ersten Ort (16) granuliert wird und die schichtweise Anordnung auf der Druckplattform (4) an einem davon abweichenden zweiten Ort (17) erfolgt.
10. 10. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Partikelmaterial (3) zwischen dem Granulieren und der schichtweisen Anordnung auf der Druckplattform (4) zwischengespeichert und/oder transportiert wird.
11. 11. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Partikelmaterial (3) in den örtlich vorbestimmten Bereichen durch Zusatz wenigstens eines Bindemittels (18) verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand (2) verbunden wird.
12. 12. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Korngrößenverteilung durch das Granulieren des Partikelmaterials (3) um mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 75%, reduziert wird.
13. 13. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der wenigstens eine dreidimensionale Gegenstand (2) abschließend von dem umliegenden, nicht verfestigten Partikelmaterial (3) getrennt wird.
14. 14. Verwendung des Verfahrens (1) zum Granulieren von Partikelmaterial (3) für die Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands (2) für die Bauindustrie, wobei das granulierte Partikelmaterial (3) schichtweise auf einer Druckplattform (4) übereinander angeordnet und in örtlich vorbestimmten Bereichen verfestigt und miteinander zum wenigstens einen dreidimensionalen Gegenstand (2) verbunden wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen