ES2913067T3 - Sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas - Google Patents
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Abstract
Sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende: - un cabezal de depósito de cordones de material de cemento, denominado cabezal de impresión (30), que comprende una boca de entrada (31) de material de cemento, una boquilla de salida (34) configurada para formar unos cordones de material de cemento y un recinto de mezcla (35) dispuesto aguas arriba de dicha boquilla de salida (34) que se extiende según una dirección, denominada dirección longitudinal, - un circuito de alimentación (20) de material de cemento de dicho cabezal de impresión (30) que comprende un tanque de almacenamiento (10) de material de cemento, una conducción de alimentación (21) de material de cemento que conecta dicho tanque de almacenamiento (10) y dicho cabezal de impresión (30) y una bomba de cebado (22) de dicha conducción de alimentación (21) de material de cemento procedente de dicho tanque de almacenamiento (10), - un dispositivo de acción adyuvante (40) conectado a dicho cabezal de impresión (30) aguas arriba de dicha boquilla de salida (34) y que desemboca en dicho recinto de mezcla para poder inyectar unos adyuvantes que modifican las características del material de cemento antes de expulsión de dichos cordones de material de cemento por dicha boquilla de salida (34), caracterizado por que dicho dispositivo de acción adyuvante (40) comprende una pluralidad de agujas (42) que desembocan en dicho recinto de mezcla (35) según una dirección de acción adyuvante que forma con dicha dirección longitudinal un ángulo comprendido entre 0 y 90°, estando cada aguja (42) conectada a un bidón de adyuvantes (41) por mediación de un dosificador volumétrico (43), para poder inyectar dichos adyuvantes de dicho bidón de adyuvantes en dicho recinto de mezcla (35) según dicha dirección de acción adyuvante.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas
1. Campo técnico de la invención
La invención se refiere a la fabricación aditiva de materiales de cemento. La invención se refiere, más particularmente, a un sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas. La invención se refiere, igualmente, a un robot equipado con un sistema de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas de este tipo.
2. Antecedentes de la técnica
La impresión 3D de materiales de cemento es una rama de la fabricación aditiva de materiales de cemento, cuyas aplicaciones aparecen numerosas y prometedoras en el campo de la arquitectura y de la construcción.
En efecto, la impresión 3D de los materiales de cemento parece poder aportar unas numerosas ventajas con respecto a las técnicas tradicionales, de entre las que se encuentran, en concreto, la posibilidad de poder realizar unas formas complejas por añadidura de capas sucesivas de materiales de cemento, la rapidez de las operaciones de construcción, la reducción de los costes y de la mano de obra, una seguridad mejorada en las obras, etc.
El dominio de la impresión 3D de materiales de cemento recurre a unas competencias en el campo de la mecánica de los fluidos, la mecánica, la electrónica y la ingeniería civil.
En todo el texto, los términos "estructuras arquitectónicas" designan a la vez unos elementos de construcción individuales (puente, pilar, muro, mobiliario urbano, etc.), unas estructuras completas (edificio, casa, inmueble, etc.) y unas piezas arquitectónicas diversas (obras artísticas, esculturas, etc.).
La extrusión de material de cemento destinada a la fabricación de una estructura arquitectónica implementa un cabezal de impresión de cemento que comprende una entrada de material de cemento y una boquilla de salida de material de cemento y un circuito de alimentación del cabezal de impresión de material de cemento que comprende un tanque de almacenamiento de material de cemento, una conducción que conecta el tanque de almacenamiento y la entrada del cabezal de impresión y una bomba de cebado de la conducción por el material de cemento procedente del tanque de almacenamiento.
Una de las dificultades de la impresión 3D de materiales de cemento reside en el hecho de que el material de cemento debe proporcionarse en un estado reológico compatible con un bombeo de este material, es decir, lo suficientemente fluido como para poder bombearse del tanque de almacenamiento y vehicularse hacia la boquilla de salida, mientras que su estado debe ser bastante viscoso (es decir, menos fluido) aguas abajo de la boquilla de salida para poder formar una capa autoportante y susceptible de soportar la siguiente capa.
Ya existen algunos sistemas de impresión de cemento. Siendo esto así, resulta que los sistemas propuestos no permiten, en concreto, la presencia de voladizos demasiado importantes en el producto impreso (la construcción realizada), salvo que se ralenticen fuertemente las operaciones de impresión, lo que crea unas discontinuidades o que se añadan unos refuerzos temporales, lo que ralentiza y hace compleja la impresión. Una de las razones de las dificultades de las soluciones anteriores radica en el hecho de que el material de cemento se coloca en un estado cercano a su límite de bombeo, presentando al mismo tiempo un umbral de cizallado suficiente para no colapsar. Esta restricción sobre el material implica una fuerte restricción sobre la velocidad de impresión de la pieza fabricada, limitando el caudal y la velocidad del robot y, de este modo, limita la complejidad de la pieza producida a la resistencia del material extrudido.
El documento CN 204.354.263 U divulga un sistema de extrusión de cordones de material de cemento según el preámbulo de la reivindicación 1.
3. Objetivos de la invención
Por lo tanto, los inventores han buscado proponer un sistema de extrusión de material de cemento que permite resolver al menos algunos de los inconvenientes de las soluciones anteriores con el objetivo de poder proporcionar unas piezas complejas sin tener un impacto en los rendimientos de la impresión.
En particular, los inventores han buscado proporcionar una solución que permite la implementación de un material de cemento semejante al que se vierte en el marco de las técnicas tradicionales (en concreto, en términos de resistencia), sin necesitar, no obstante, la presencia de molde o de encofrado.
La invención también tiene como propósito proporcionar, en al menos un modo de realización, un sistema de extrusión
de material de cemento que permite fabricar unas piezas arquitectónicas o de construcción complejas.
La invención tiene como propósito, igualmente, proporcionar, en al menos un modo de realización, un sistema de extrusión que permite un depósito continuo y uniforme del material.
La invención también tiene como propósito proporcionar, en al menos un modo de realización de la invención, un sistema de extrusión que permite la impresión de piezas que presentan unos voladizos sin imponer, no obstante, una ralentización de la velocidad de impresión.
La invención también tiene como propósito proporcionar, en al menos un modo de realización de la invención, un sistema de extrusión que permite la fabricación de piezas arquitectónicas o de construcción de manera precisa, estable, repetible y a menor coste.
La invención también tiene como propósito proporcionar un robot equipado con un sistema de extrusión de cemento según la invención.
4. Exposición de la invención
Para hacer esto, la invención se refiere a un sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende:
- un cabezal de depósito de cordones de material de cemento, denominado cabezal de impresión, que comprende una boca de entrada de material de cemento, una boquilla de salida configurada para formar unos cordones de material de cemento y un recinto de mezcla dispuesto aguas arriba de dicha boquilla de salida que se extiende según una dirección, denominada dirección longitudinal,
- un circuito de alimentación de material de cemento de dicho cabezal de impresión que comprende un tanque de almacenamiento de material de cemento, una conducción que conecta dicho tanque de almacenamiento y dicho cabezal de impresión y una bomba de cebado de dicha conducción de alimentación de material de cemento procedente de dicho tanque de almacenamiento,
- un dispositivo de acción adyuvante conectado a dicho cabezal de impresión aguas arriba de dicha boquilla de salida y que desemboca en dicho recinto de mezcla para poder inyectar unos adyuvantes que modifican las características del material de cemento antes de expulsión de dichos cordones del material de cemento por dicha boquilla de salida.
Un sistema según la invención está caracterizado por que dicho dispositivo de acción adyuvante comprende una pluralidad de agujas que desembocan en dicho recinto de mezcla según una dirección de acción adyuvante que forma con dicha dirección longitudinal un ángulo comprendido entre 0 y 90°, estando cada aguja conectada a un bidón de adyuvantes por mediación de un dosificador volumétrico, para poder inyectar dichos adyuvantes de dicho bidón de adyuvantes en dicho recinto de mezcla según dicha dirección de acción adyuvante.
Por lo tanto, un sistema según la invención permite modificar las propiedades del material de cemento por la añadidura de adyuvantes aguas arriba de la boquilla de salida para poder adaptar el material de cemento expulsado de la boquilla de salida a la necesidad de la estructura arquitectónica a fabricar. Por lo tanto, es posible con un sistema según la invención vehicular el material de cemento hasta el cabezal de impresión en un estado compatible con un bombeo optimizado y no modificar sus propiedades físicas (por ejemplo, su reología, su fuerza tensioactiva, su plasticidad, su estabilidad, su tixotropía, etc.) únicamente antes del depósito de la capa en la salida de boquilla.
Por lo tanto, es posible con un sistema según la invención depositar unas capas de material de cemento en la salida de boquilla que presentan unas características cercanas al material de cemento implementado en el marco de las técnicas tradicionales de construcción.
En otros términos, un sistema según la invención permite utilizar en la entrada de sistema (el tanque de almacenamiento) un material de cemento en un primer estado reológico, transportar este material de manera controlada hasta el cabezal de impresión, él mismo destinado a fijarse a un sistema de posicionamiento de impresión 3D, tal como un brazo articulado y a alterar las propiedades del material, tal como, por ejemplo, su estado reológico, por la añadidura de adyuvantes.
Además y según la invención, el cabezal de impresión comprende un recinto de mezcla dispuesto aguas arriba de la boquilla de salida y en el que desemboca el dispositivo de acción adyuvante, comprendiendo este último una pluralidad de agujas de acción adyuvante que desembocan en el recinto de mezcla según una dirección de acción adyuvante que forma con la dirección longitudinal un ángulo comprendido entre 0 y 90°. Cada aguja está conectada a un bidón de adyuvantes por mediación de un dosificador volumétrico para poder inyectar dichos adyuvantes de dicho bidón de adyuvantes en dicho recinto de mezcla según dicha dirección de acción adyuvante.
De este modo, los adyuvantes se añaden al material de cemento en un recinto de mezcla según una dirección de acción adyuvante que forma con la dirección longitudinal un ángulo predeterminado. Esta dirección longitudinal es la
dirección principal del recinto de mezcla, que es también la dirección del flujo de material de cemento hacia la boquilla de salida. La inyección de adyuvantes según una dirección de acción adyuvante predeterminada permite obtener rápidamente una mezcla homogénea del material de cemento y de los adyuvantes. Una acción adyuvante a 90°, es decir, una acción adyuvante radial favorece la mezcla de los adyuvantes con el material de cemento que circula en la vecindad del eje central del recinto de mezcla. Una acción adyuvante cercana a 0° favorece la mezcla de los adyuvantes con el material que circula en la vecindad de las paredes del recinto de mezcla. Una acción adyuvante a 45° es un buen compromiso entre los dos ángulos anteriormente descritos.
La invención prevé que una pluralidad de agujas inyecte los adyuvantes en el recinto de mezcla según dicha dirección de acción adyuvante, lo que permite una distribución homogénea de los adyuvantes en el material de cemento. Preferentemente, las agujas están dispuestas en la vecindad de la parte aguas arriba del recinto de mezcla, es decir, en el lado opuesto de la boquilla de salida. Cada aguja está conectada al bidón de adyuvantes por mediación de un dosificador volumétrico, lo que permite controlar el caudal de adyuvante inyectado en el recinto de mezcla. De este modo, el material de cemento se conduce al recinto de mezcla con un caudal constante, controlado por la bomba de cebado servocontrolada de presión/caudal y los adyuvantes se conducen hacia el recinto de mezcla con un caudal constante controlado por los dosificadores volumétricos. Preferentemente, cada dosificador volumétrico está conectado a la aguja por mediación de un empalme de enclavamiento del tipo Luer, más conocido con la denominación inglesa de "luer-lock".
Ventajosamente y según la invención, dichos adyuvantes inyectados por dicho dispositivo de acción adyuvante son unos adyuvantes adaptados para modificar la reología del material de cemento antes de extrusión de los cordones de material de cemento por la boquilla de salida.
Según esta variante ventajosa, las propiedades modificadas del material por la presencia del dispositivo de acción adyuvante se refieren a su reología, es decir, las propiedades relacionadas con el flujo del material. Preferentemente, la invención tiene como propósito aumentar la viscosidad del material de cemento justo antes del depósito del material.
Ventajosamente y según la invención, dicho dispositivo de acción adyuvante comprende una bomba peristáltica dispuesta entre el bidón de adyuvantes y dichos dosificadores volumétricos.
La presencia de una bomba peristáltica permite mejorar el bombeo de los adyuvantes, en particular, en el caso de una distancia importante, por ejemplo, superior a 5 metros, entre el bidón de adyuvantes y las agujas del dispositivo de acción adyuvante. Por supuesto, esta distancia a partir de la que es preferible un dosificador volumétrico depende del tipo de dosificador volumétrico, del circuito de acción adyuvante y de la diferencia de altura entre el bidón de adyuvantes y de las agujas.
Ventajosamente, un sistema según la invención comprende un sensor de presión/caudal de dicho material de cemento que circula en dicho cabezal de impresión adaptado para transmitir unas mediciones de presión/caudal a dicha bomba de cebado y dicha bomba de cebado está configurada para servocontrolar el cebado de la conducción de alimentación a dichas mediciones transmitidas por dicho sensor.
Por lo tanto, un sistema según esta variante ventajosa permite vehicular el material de cemento del tanque de almacenamiento hasta el cabezal de impresión controlando y dominando al mismo tiempo el caudal y la presión del material de cemento. Por lo tanto, la invención según esta variante permite mantener la presión del material de cemento en un rango predeterminado de valores en la entrada en el cabezal de impresión, por ejemplo, entre 200 y 600 kPa (2 y 6 bar). Este dominio de la presión y del caudal del material de cemento en el cabezal de impresión permite un depósito continuo y uniforme de los cordones de material de cemento por la boquilla de salida. Por lo tanto, es posible con un sistema según esta variante obtener rápidamente unas piezas complejas sin imponer unas restricciones particulares sobre el material, con tal de que no sea la presión y el caudal del material de cemento que alimenta la boquilla del cabezal de impresión. El servocontrol de la bomba de cebado permite, además, corregir las eventuales imperfecciones geométricas de extrusión de los cordones.
Ventajosamente y según la invención, la bomba de cebado es una bomba de tornillo excéntri
pulsaciones en la conducción de alimentación.
Siendo esto así en otros modos de realización, la bomba de cebado puede ser una bomba peristáltica, una bomba de pistón y, de manera general, cualquier bomba adaptada para vehicular un material de cemento y estar servocontrolada de presión/caudal.
Ventajosamente y según la invención, el cabezal de impresión comprende, además:
- un mezclador dinámico configurado para poder mezclar dicho material de cemento y dichos adyuvantes proporcionados por dicho dispositivo de acción adyuvante en el recinto de mezcla,
- una bomba de dosificación de tornillo excéntrico configurada para poder vehicular el material de cemento de la boca de entrada del cabezal de impresión hacia dicho recinto de mezcla.
Según esta variante ventajosa, el cabezal de impresión comprende, además, asociado al recinto de mezcla, un mezclador dinámico que permite mezclar el material de cemento y los adyuvantes de manera homogénea aguas arriba de la boquilla de salida. El material de cemento se conduce hacia el recinto de mezcla por una bomba de dosificación de tornillo excéntrico, lo que permite vehicular el material hacia el recinto a caudal constante, sin generar unas pulsaciones. Además, esta bomba permite reducir las eventuales pulsaciones creadas por la bomba de cebado.
Ventajosamente y según la invención, dicho mezclador dinámico comprende al menos un árbol que se extiende longitudinalmente en el recinto de mezcla y que lleva unos dedos radiales repartidos a lo largo del árbol y un motor configurado para poder arrastrar este árbol en rotación para poder proporcionar una mezcla homogénea del material de cemento y de los adyuvantes.
Un sistema según esta variante ventajosa permite obtener una mezcla homogénea del material de cemento y de los adyuvantes. La presencia de dedos radiales repartidos a lo largo del árbol del mezclador permite distribuir de igual manera las partículas de material en el recinto de mezcla. Según una variante, el mezclador comprende dos brazos paralelos, comprendiendo cada brazo unos dedos radiales, para formar un órgano del tipo "batidor de huevos". El motor del mezclador se puede mandar para invertir su sentido de rotación del/de los ejes durante la impresión.
Ventajosamente, un sistema de extrusión según la invención comprende, además, un sensor de presión de dicho material de cemento aguas arriba del recinto de mezcla, denominado sensor de seguridad, configurado para medir la presión aguas arriba de dicho recinto de mezcla para poder prevenir unos riesgos de obstrucción del recinto de mezcla o de la boquilla de salida.
Ventajosamente y según la invención, el tanque de almacenamiento de dicho circuito de alimentación es una tolva que comprende una abertura superior de recepción de masas de materiales de cemento y una salida inferior conectada a dicha conducción de alimentación.
Una tolva permite recibir fácilmente unas masas de materiales de cemento aportadas por un operador. Una tolva permite, igualmente, alimentarse fácilmente por un dispositivo de fabricación del material de cemento que está dispuesto por encima de la tolva.
Ventajosamente y según esta variante, dicha tolva está equipada con un agitador que comprende un árbol que lleva una pluralidad de palas laterales y un motor de puesta en rotación del árbol para poder remover el material de cemento de dicha tolva.
El agitador permite mantener el material de cemento en un estado reológico casi constante antes de bombeo por la bomba de cebado. En otros términos, esta tolva de agitación forma un tanque intermedio que puede recibir diferentes masas de material de cemento. Una tolva presenta una forma cónica que permite conservar el histórico de las masas.
Ventajosamente, un sistema de extrusión según la invención presenta una sección constante desde la bomba de cebado hasta la boquilla de salida para poder vehicular el material de cemento sin generar unas zonas de perturbación.
La invención se refiere, igualmente, a un robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende un sistema de posicionamiento, tal como un brazo articulado, pilotado por una unidad de mando.
El robot de fabricación aditiva según la invención está caracterizado por que comprende un sistema de extrusión de material de cemento según la invención.
Un robot de este tipo comprende un sistema de extrusión según la invención cuyo cabezal de impresión está llevado por un sistema de posicionamiento, tal como un brazo articulado, él mismo pilotado por un ordenador.
La invención se refiere, igualmente, a un sistema de extrusión y a un robot de impresión aditiva caracterizados en combinación por todo o parte de las características mencionadas más arriba o en lo sucesivo.
5. Lista de las figuras
Otras finalidades, características y ventajas de la invención aparecerán a la lectura de la siguiente descripción dada a título únicamente no limitativo y que hace referencia a las figuras adjuntas en las que:
- la figura 1 es una vista esquemática funcional de un sistema de extrusión según un modo de realización de la invención,
- la figura 2 es una vista esquemática funcional de un dispositivo de acción adyuvante de un sistema de extrusión según un modo de realización de la invención,
- la figura 3 es una vista esquemática funcional de un cabezal de impresión de un sistema de extrusión según un modo de realización de la invención,
- las figuras 4a y 4b son unas vistas esquemáticas parciales de agujas de un dispositivo de acción adyuvante que
desembocan a un recinto de mezcla de un sistema de extrusión según un modo de realización de la invención, - la figura 5 es una vista esquemática en corte de una porción del recinto de mezcla de un sistema de extrusión según un modo de realización de la invención.
6. Descripción detallada de un modo de realización de la invención
En las figuras, las escalas y las proporciones no se respetan estrictamente y esto, con unos fines de ilustración y de claridad. En toda la descripción detallada que sigue con referencia a las figuras, salvo indicación contraria, cada elemento del sistema de extrusión se describe tal como está dispuesto cuando el sistema de extrusión está en la configuración de la figura 1.
Además, los elementos idénticos, similares o análogos se designan por las mismas referencias en todas las figuras.
Un sistema de extrusión según el modo preferente de realización de la invención, tal como se representa en la figura 1, comprende un tanque de almacenamiento 10 de material de cemento, un cabezal de impresión 30, un circuito de alimentación 20 de material de cemento del cabezal de impresión dispuesto entre el tanque de almacenamiento 10 y el cabezal de impresión 30 y un dispositivo de acción adyuvante 40 conectado al cabezal de impresión 30.
Cada uno de los diferentes órganos del sistema se van a describir, en este momento, en detalle.
Tanque de almacenamiento
El tanque de almacenamiento 10 es preferentemente una tolva que comprende una abertura superior 11 adaptada para recibir unas masas de materiales de cemento y una salida inferior 12 conectada al circuito de alimentación 20. La tolva comprende, además, un agitador 13 que comprende un árbol 14 que lleva una pluralidad de palas laterales 15 por mediación de ejes perpendiculares al árbol 14 y un motor de puesta en rotación 16 del árbol 14. El motor 14 es, por ejemplo, un motor eléctrico configurado para poder arrastrar a escasa velocidad, por ejemplo, a una velocidad de 6 revoluciones/minuto, el árbol 14 del agitador 13. Por supuesto, la utilización de un motor térmico es posible sin modificar los rendimientos del sistema de extrusión según la invención. El papel del agitador es poder mantener el material de cemento en la tolva en un estado reológico casi constante antes de conducirse hacia el cabezal de impresión por el circuito de alimentación 20.
El material de cemento utilizado es, por ejemplo, una premezcla a base de cemento con unas partículas finas, hidratada y fluidizada.
Circuito de alimentación
El circuito de alimentación 20 conecta el tanque de almacenamiento 10 al cabezal de impresión 30. Este circuito comprende una conducción 21 que conecta la salida 12 del tanque de almacenamiento 10 a una boca de entrada 31 del cabezal de impresión 30. El circuito de alimentación 20 comprende, además, una bomba de cebado 22. Esta bomba de cebado 22 está servocontrolada de presión/caudal por un sensor de presión 33 dispuesto en la vecindad de la boca de entrada 31 del cabezal de impresión 30. Esta bomba de cebado 22 es, por ejemplo, una bomba de tornillo excéntrico para poder vehicular el material de cemento hacia el cabezal de impresión 30 minimizando las pulsaciones. Esta bomba de cebado 22 es, por ejemplo, una bomba comercializada con las referencias Putzmeister® FP-V Mono. Por supuesto, se pueden utilizar otras bombas sin modificar los rendimientos de la invención. El sensor de presión/caudal 23 puede ser de cualesquiera tipos conocidos. Se trata, por ejemplo, de un sensor comercializado con la referencia ifm® PF2953. Por supuesto, se pueden utilizar otros sensores sin modificar los rendimientos de la invención. La bomba de cebado 22 está configurada para seguir una ley de servocontrol predeterminada y que se puede parametrizar por un operador en función de las necesidades. Por ejemplo, la ley de servocontrol se parametriza para mantener la presión del material de cemento entre 200 y 600 kPa (2 y 6 bar).
Cabezal de impresión
El cabezal de impresión 30 comprende, tal como se representa en la figura 3, una boca de entrada 31 conectada al circuito de alimentación 20 y una boquilla de salida 34 configurada para formar unos cordones de material de cemento.
El cabezal de impresión comprende, además, un recinto de mezcla 35 dispuesto aguas arriba de la boquilla de salida 34 y en el que desemboca el dispositivo de acción adyuvante 40, descrito en lo sucesivo. El recinto de mezcla 35 está equipado con un mezclador dinámico 36 adaptado para poder mezclar el material de cemento y los adyuvantes proporcionados por el dispositivo de acción adyuvante 40.
El mezclador dinámico 36 comprende, tal como se representa parcialmente en las figuras 4a y 5, un árbol 37 que se extiende longitudinalmente en el recinto de mezcla 35 sobre el que están montados unos dedos radiales 38 repartidos a lo largo del árbol 37. El mezclador dinámico 36 comprende, igualmente, un motor 39 configurado para poder arrastrar el árbol 37 en rotación para poder proporcionar una mezcla homogénea del material de cemento y de adyuvantes. Este motor 39 puede ser un motor eléctrico, un motor térmico y, de manera general, cualesquiera tipos de motores.
Según el modo de realización de las figuras, el motor 39 está transferido con respecto al árbol 37 para limitar al máximo la perturbación de la mezcla en el recinto de mezcla 35.
El cabezal de impresión 30 comprende, igualmente, una bomba de dosificación de tornillo excéntrico 51 configurada para poder vehicular el material de cemento de la boca de entrada 31 hacia el recinto de mezcla 35. Una bomba de dosificación de este tipo es, por ejemplo, una bomba comercializada con las referencias Viscotec® 3VMP36. Por supuesto, se pueden utilizar otras bombas sin modificar los rendimientos de la invención.
Según otro modo de realización no representado en las figuras, la bomba de dosificación 51 se sustituye por un dosificador volumétrico configurado para poder asegurar un caudal constante sobre un rango predeterminado de funcionamiento.
El cabezal de impresión 30 comprende, igualmente, un sensor de presión de seguridad 52 dispuesto aguas arriba del recinto de mezcla 35. Este sensor es, por ejemplo, un sensor comercializado con las referencias ifm® F2953. Por supuesto, se pueden utilizar otros sensores sin modificar los rendimientos de la invención. Este sensor de seguridad 52 permite medir la presión aguas arriba del recinto de mezcla 35 para poder prevenir unos riesgos de obstrucción del recinto de mezcla 35 o de la boquilla de salida 34. Este sensor se puede conectar, por ejemplo, a un sistema de detención automático del sistema de extrusión tan pronto como se alcanza un umbral de presión.
La boquilla de salida 34 del cabezal de impresión es preferentemente desmontable para poder adaptar la forma de la boquilla de salida 34 a la pieza a fabricar. En particular, la sección de la boquilla de salida 34 se puede adaptar a cada tipo de pieza fabricada, incluso cambiar en el transcurso de impresión para modificar la sección de los cordones de algunas zonas de la pieza fabricada. Para hacer esto, la boquilla de salida comprende, por ejemplo, una pared externa roscada que coopera con una porción interna roscada de la pared del cabezal de impresión que delimita el recinto de mezcla 35. Según otra variante, la boquilla de salida comprende una pared interna roscada que coopera con una porción externa roscada de la pared del cabezal de impresión.
Dispositivo de acción adyuvante
El dispositivo de acción adyuvante 40, comprende, tal como se representa en la figura 2, un bidón 41 que contiene una pluralidad de adyuvantes, unas agujas 42 conectadas al bidón 41 por mediación de tubos 48, de dosificadores volumétricos 43 y de una bomba peristáltica 44. Los dosificadores volumétricos son, por ejemplo, los dosificadores comercializados con la referencia Viscotec® eco-PEN600. Por supuesto, se pueden utilizar otros dosificadores sin modificar los rendimientos de la invención. Los adyuvantes del bidón de adyuvantes 41 pueden ser de cualesquiera tipos. Se trata de adyuvantes que tienen como propósito modificar no importa qué propiedad física del material de cemento (principalmente, su reología, pero, igualmente, su fuerza tensioactiva, su plasticidad, su estabilidad, su tixotropía, etc.).
Las agujas 42 desembocan en el recinto de mezcla 35, en el lado opuesto de la boquilla de salida 34, según una dirección de acción adyuvante, que forma, por ejemplo, un ángulo de 45° con la dirección principal del recinto de mezcla.
Por lo tanto, la acción adyuvante se realiza por mediación de los dosificadores volumétricos que permiten que se bombeen los adyuvantes en forma líquida en el bidón 41 y se conduzcan a una presión constante en el recinto de mezcla 35. Cada dosificador volumétrico 43 está conectado a una aguja de precisión 42 por mediación de un dispositivo del tipo luer-lock 49. La disposición de las agujas 42 según una dirección de acción adyuvante que forma preferentemente un ángulo de 45° con la dirección principal del recinto de mezcla, que es la dirección de flujo del material de cemento, permite obtener una mezcla homogénea del material de cemento y de los adyuvantes. De este modo, el material de cemento a caudal constante, obtenido mediante la bomba de cebado servocontrolada de presión se pone en contacto con los adyuvantes a caudal constante, obtenido mediante los dosificadores volumétricos. El mezclador dinámico del cabezal de impresión permite homogeneizar los dos fluidos en contacto.
El dispositivo de acción adyuvante 40 está destinado a inyectar unos adyuvantes en el material de cemento antes de extrusión de los cordones. Esta inyección de adyuvantes permite modificar las propiedades del material de cemento antes de extrusión. Por ejemplo, los adyuvantes son unos agentes adaptados para modificar la reología del material antes de extrusión, tal como un agente de viscosidad del tipo almidón o cualquier otro material equivalente.
La invención se refiere, igualmente, a un robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende un sistema de posicionamiento del cabezal de impresión, que es, por ejemplo, un brazo articulado pilotado por una unidad de mando. Por lo tanto, el robot comprende un sistema de extrusión de material de cemento según la invención y está configurado para desplazar el cabezal de impresión del sistema de extrusión. El robot no se representa en las figuras, pero lo conoce bien el experto en la materia. La particularidad de un robot según la invención es que implementa un sistema de extrusión según la invención. Para hacer esto, el sistema de posicionamiento, tal como un brazo articulado del robot, lleva el cabezal de impresión de un sistema de extrusión según la invención y tal como se representa en la figura 3. Este cabezal de impresión está conectado a un dispositivo de acción adyuvante y al circuito de alimentación y al tanque de almacenamiento de un sistema de extrusión según la invención.
El robot es, por ejemplo, un robot de seis ejes, montado sobre raíles o no, sobre pórtico o no. El robot puede ser, igualmente, un robot de cables o cualesquiera tipos de robots cuyo sistema de posicionamiento, tal como un brazo articulado, puede estar pilotado por ordenador.
Un robot según la invención se puede utilizar para fabricar cualesquiera tipos de piezas arquitectónicas. Una pieza arquitectónica de este tipo puede ser una pieza de refuerzo, un edificio y, de manera general, cualquier pieza de material de cemento. Las piezas arquitectónicas fabricadas por la utilización de un sistema de extrusión según la invención pueden ser de escalas variadas. Puede tratarse de una porción de poste, de un poste entero, de un muro, de un elemento de losa, de un edificio, de un mobiliario urbano, de una escultura, etc.
Claims (12)
1. Sistema de extrusión de cordones de material de cemento para robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende:
- un cabezal de depósito de cordones de material de cemento, denominado cabezal de impresión (30), que comprende una boca de entrada (31) de material de cemento, una boquilla de salida (34) configurada para formar unos cordones de material de cemento y un recinto de mezcla (35) dispuesto aguas arriba de dicha boquilla de salida (34) que se extiende según una dirección, denominada dirección longitudinal,
- un circuito de alimentación (20) de material de cemento de dicho cabezal de impresión (30) que comprende un tanque de almacenamiento (10) de material de cemento, una conducción de alimentación (21) de material de cemento que conecta dicho tanque de almacenamiento (10) y dicho cabezal de impresión (30) y una bomba de cebado (22) de dicha conducción de alimentación (21) de material de cemento procedente de dicho tanque de almacenamiento (10),
- un dispositivo de acción adyuvante (40) conectado a dicho cabezal de impresión (30) aguas arriba de dicha boquilla de salida (34) y que desemboca en dicho recinto de mezcla para poder inyectar unos adyuvantes que modifican las características del material de cemento antes de expulsión de dichos cordones de material de cemento por dicha boquilla de salida (34),
caracterizado por que dicho dispositivo de acción adyuvante (40) comprende una pluralidad de agujas (42) que desembocan en dicho recinto de mezcla (35) según una dirección de acción adyuvante que forma con dicha dirección longitudinal un ángulo comprendido entre 0 y 90°, estando cada aguja (42) conectada a un bidón de adyuvantes (41) por mediación de un dosificador volumétrico (43), para poder inyectar dichos adyuvantes de dicho bidón de adyuvantes en dicho recinto de mezcla (35) según dicha dirección de acción adyuvante.
2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos adyuvantes inyectados por dicho dispositivo de acción adyuvante (40) son unos adyuvantes adaptados para modificar la reología del material de cemento antes de extrusión de los cordones de material de cemento por la boquilla de salida.
3. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que dicho dispositivo de acción adyuvante (40) comprende una bomba peristáltica (44) dispuesta entre el bidón de adyuvantes (41) y dichos dosificadores volumétricos (43).
4. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que dicho cabezal de impresión (30) comprende, además;
- un mezclador dinámico (36) configurado para poder mezclar dicho material de cemento y dichos adyuvantes proporcionados por dicho dispositivo de acción adyuvante (40) en dicho recinto de mezcla (35),
- una bomba de dosificación de tornillo excéntrico (51) configurada para poder vehicular el material de cemento de dicha boca de entrada (31) de dicho cabezal de impresión hacia dicho recinto de mezcla (35).
5. Sistema de extrusión según la reivindicación 4, caracterizado por que dicho mezclador dinámico (36) comprende al menos un árbol (37) que se extiende en el recinto de mezcla (35) según dicha dirección longitudinal y que lleva unos dedos radiales (38) repartidos a lo largo del árbol (37) y un motor (39) configurado para poder arrastrar este árbol (37) en rotación para poder proporcionar una mezcla homogénea del material de cemento y de los adyuvantes.
6. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que comprende un sensor de presión de dicho material de cemento aguas arriba del recinto de mezcla, denominado sensor de seguridad (52), configurado para medir la presión aguas arriba de dicho recinto de mezcla (35) para poder prevenir unos riesgos de obstrucción del recinto de mezcla (35) o de la boquilla de salida (34).
7. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que comprende, además, un sensor de presión/caudal (33) de dicho material de cemento que circula en dicho cabezal de impresión (30) adaptado para transmitir unas mediciones de presión/caudal a dicha bomba de cebado (22) y por que dicha bomba de cebado (22) está configurada para servocontrolar el cebado de la conducción de alimentación (21) a dichas mediciones transmitidas por dicho sensor (33).
8. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que dicha bomba de cebado (22) es una bomba de tornillo excéntri
9. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicho tanque de almacenamiento (10) de dicho circuito de alimentación es una tolva que comprende una abertura superior de recepción (11) de masas de materiales de cemento y una salida inferior (12) conectada a dicha conducción de alimentación (21).
10. Sistema de extrusión según la reivindicación 9, caracterizado por que dicha tolva está equipada con un agitador (13) que comprende un árbol (14) que lleva una pluralidad de palas laterales (15) y un motor de puesta en rotación
(16) del árbol (14) para poder remover el material de cemento de dicha tolva.
11. Sistema de extrusión según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que presenta una sección constante desde la bomba de cebado (22) hasta la boquilla de salida (34) para poder vehicular el material de cemento sin generar unas zonas de perturbación.
12. Robot de fabricación aditiva de estructuras arquitectónicas que comprende un sistema de posicionamiento, tal como un brazo articulado, pilotado por una unidad de mando, caracterizado por que comprende un sistema de extrusión de material de cemento según una de las reivindicaciones 1 a 11.
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