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WO2024078993A1 - Wachsschalungs-herstellvorrichtung und verfahren zum herstellen einer wachsschalung - Google Patents

Wachsschalungs-herstellvorrichtung und verfahren zum herstellen einer wachsschalung Download PDF

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Publication number
WO2024078993A1
WO2024078993A1 PCT/EP2023/077722 EP2023077722W WO2024078993A1 WO 2024078993 A1 WO2024078993 A1 WO 2024078993A1 EP 2023077722 W EP2023077722 W EP 2023077722W WO 2024078993 A1 WO2024078993 A1 WO 2024078993A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wax
formwork
gas mixture
gas
mixing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/077722
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven JONISCHKIES
Norman Hack
Harald Kloft
Mainka Jeldrik
Rolf DIESSLIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Herrhammer Spezialmaschinen GmbH
Technische Universitaet Braunschweig
Original Assignee
Herrhammer Spezialmaschinen GmbH
Technische Universitaet Braunschweig
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Herrhammer Spezialmaschinen GmbH, Technische Universitaet Braunschweig filed Critical Herrhammer Spezialmaschinen GmbH
Priority to EP23786059.8A priority Critical patent/EP4601844A1/de
Publication of WO2024078993A1 publication Critical patent/WO2024078993A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2091/00—Use of waxes as moulding material

Definitions

  • the invention relates to a wax formwork manufacturing device for producing a wax formwork for concrete casting. According to a second aspect, the invention relates to a method for producing a wax formwork for concrete casting. Furthermore, the invention relates to a concrete casting part manufacturing plant and a method for producing a concrete component.
  • Waxes include both natural waxes and industrially manufactured waxes. These include animal waxes, vegetable waxes, mineral waxes, petroleum waxes and synthetic waxes. Waxes are usually malleable at 20°C, solid to brittle, coarse to fine crystalline, translucent to opaque, but not glassy, melt above 40°C without decomposition, have a relatively low viscosity even slightly above the melting point, are highly temperature-dependent in terms of consistency and solubility and can be polished under light pressure.
  • a formwork is a surface-sealing component that serves as a support for the concrete until it hardens, usually a temporary component that enables concrete parts to be manufactured in the desired shape within the selected manufacturing tolerances.
  • the manufacture of precise, free-form concrete components usually requires special formwork. These are usually made of wood, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers (ABS), polylactide (PLA), polyvinyl alcohol (PVAL or PVOH), polyurethane (PU) or polystyrene (PS).
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers
  • PLA polylactide
  • PVAL or PVOH polyvinyl alcohol
  • PU polyurethane
  • PS polystyrene
  • the object of the present invention is to avoid disadvantages in the prior art.
  • the invention solves this problem by a wax formwork manufacturing device for producing a unit for heating the wax to a predeterminable temperature above a solidification temperature of the wax, (b) a mixing unit which is designed to mix gas into the wax so that a wax-gas mixture is formed, (c) a nozzle which is arranged downstream of the mixing unit in the flow direction and is designed to apply the wax-gas mixture to a substrate in layers, (d) a positioning system for positioning the nozzle relative to the substrate and (e) a control unit which is designed to control the positioning system for positioning the nozzle relative to the substrate so that the wax formwork is formed.
  • the invention is based on the finding that the gas inclusions in a wax formwork made from a wax-gas mixture mean that the wax formwork shrinks less during and after production and therefore also has less warping. In other words, the dimensional stability of the wax formwork can be very high.
  • the gas inclusions also mean that the wax formwork is heated less due to the thermally insulating effect of the gas inclusions when the wax formwork is exposed to the hydration heat of the concrete during the production of a concrete component. This also promotes the strength of the wax formwork during the production of the concrete component.
  • Another advantage is that the material consumption of wax is reduced by using a wax-gas mixture.
  • the wax formwork is ecological and at the same time very economical due to the reusability of the wax by melting it down.
  • the wax formwork produced with the wax formwork production device according to the invention has no cracks or cavities They are also very stable, making the wax formwork particularly suitable for the production of concrete components made of ultra-high-performance concrete (IIHPC).
  • a substrate is understood to be a base plate, a deposited wax-gas mixture or a base body to be printed on.
  • a gas is understood to be a pure substance, in particular carbon dioxide, or a gas mixture, in particular air.
  • the glass transition temperature of the wax is preferably above 40 °C.
  • the solidification temperature of the wax is preferably above 50 °C, particularly preferably above 60 °C.
  • the solidification temperature can be determined according to DIN ISO 2207.
  • the compressive strength of the wax at 20°C is more than 0.25 N/mm 2 .
  • the compressive strength of the wax-gas mixture at 20°C is at least half the compressive strength of the wax at 20°C.
  • the elastic modulus of the wax under compressive load at 20°C is more than 25 N/mm 2 , preferably more than 500 N/mm 2 , in particular more than 1000 N/mm 2 , particularly preferably more than 2000 N/mm 2 .
  • the dropping point of the wax is above 80°C, in particular above 150°C.
  • a wax can be used that consists of a renewable raw material.
  • the wax exclusively comprises renewable raw materials.
  • the wax consists of at least 50%, in particular 90%, preferably 100% of a renewable raw material.
  • Renewable raw materials for the wax can be, for example, plant-based waxes such as soy wax, palm oil wax, coconut oil wax and/or rapeseed oil wax. The list is not to be understood as exhaustive.
  • the gas and/or the wax-gas mixture contain a filler, in particular a mineral and/or organic filler.
  • the mixing unit is designed to mix a filler, in particular a mineral and/or organic filler, into the wax and/or the wax-gas mixture.
  • the filler can be, for example, Calcium silicate hydrate, calcium carbonate, limestone powder, talcum and/or raw cellulose can be used.
  • the filler is selected in particular so that it increases the compressive strength of the wax-gas mixture and/or improves at least one thermal and/or mechanical material property of the wax-gas mixture.
  • the melting unit has or forms a heating element, in particular in the form of a heating cartridge, a heating band, a heat exchanger, a continuous flow heater, a heating medium, an immersion heater or the like.
  • a further development of the invention provides that the melting unit is arranged in the mixing unit or upstream of the mixing unit in the direction of flow. If the melting unit is upstream of the mixing unit in the direction of flow, the melting unit preferably has an opening for receiving wax. If the melting unit is arranged in the mixing unit, the mixing unit preferably has an opening for receiving wax.
  • the mixing unit preferably has a gas inlet through which gas can be supplied.
  • the gas inlet is preferably in fluid communication with a fan and/or a gas compressor.
  • a nozzle is arranged at the gas inlet or the gas inlet forms this.
  • the nozzle is preferably controllable.
  • the nozzle is preferably connected to a pressure vessel that contains a compressed gas.
  • a conveying hose is arranged between the melting unit and the mixing unit and/or between the mixing unit and the nozzle.
  • the conveying hose is heated.
  • a conveying device on the conveying hose which is designed to support the conveying of the wax and/or the wax-gas mixture through the conveying hose.
  • the conveying device can be, for example, a pump, an extruder or a compressor.
  • the conveying of the wax can be supported by the pressure in the melting unit and/or in the mixing unit. It is also possible to arrange the melting unit and the mixing unit and/or the mixing unit and the nozzle in such a way that no conveying hoses are required.
  • the The melting unit is arranged in or above the mixing unit and the mixing unit is arranged above the nozzle, so that the conveying of the wax and/or the wax-gas mixture is supported by gravity and no conveying device is required.
  • the melting unit, the mixing unit and the nozzle preferably have a common housing.
  • the positioning system is preferably designed to accommodate the melting unit, the mixing unit and the nozzle and to position them together relative to the substrate.
  • the control unit is preferably designed to control the positioning system for the joint positioning of the melting unit, the mixing unit and the nozzle relative to the substrate.
  • the control unit is designed to adjust a mass flow of the nozzle. This is particularly advantageous if the speed of movement of the nozzle is changed relative to the substrate and at the same time the strand width of the wax-gas mixture extruded through the nozzle in strand form is to remain the same.
  • the mass flow can be set to zero if the position of the nozzle is to be changed relative to the substrate without the wax-gas mixture being extruded at the same time.
  • the control unit is designed to control a conveying device such that the mass flow at the nozzle corresponds to a predeterminable mass flow.
  • the mixing unit has (a) a mixing chamber with a tempering surface, (b) a tempering device which is set up to temper the tempering surface to a tempering temperature so that the wax-gas mixture is tempered on the tempering surface of the mixing chamber, and (c) a scraping element for scraping the wax-gas mixture from a scraping wall of the mixing chamber and/or from the tempering surface of the mixing chamber.
  • the scraping wall is preferably an outer wall of the mixing chamber.
  • the temperature of the wax and/or the wax-gas mixture does not fall below the solidification temperature of the wax during tempering.
  • the temperature of the wax and/or the wax-gas mixture does not fall below a minimum temperature during tempering, which is preferably a maximum of 20 °C, preferably a maximum of 10 °C, in particular a maximum of 5 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C below the solidification temperature of the wax.
  • a minimum temperature during tempering which is preferably a maximum of 20 °C, preferably a maximum of 10 °C, in particular a maximum of 5 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C below the solidification temperature of the wax.
  • the mixing chamber is rotationally symmetrical, in particular cylindrical.
  • the mixing chamber can also have an open side, which is preferably designed to be closable.
  • the tempering surface preferably forms a scraping wall of the mixing chamber or part of a scraping wall of the mixing chamber.
  • the scraping wall can in particular be an outer wall, a side wall and/or an inner wall of the mixing chamber.
  • the tempering surface advantageously forms an outer wall of the mixing chamber or part of an outer wall of the mixing chamber.
  • the mixing unit preferably has a tempering device that is arranged on the tempering surface or forms it.
  • the melting unit is preferably the tempering device.
  • the tempering device can be a heating element and/or a cooling element, in particular a heating medium, a coolant, a heating band, a heat exchanger or a heating cartridge.
  • the scraping element is preferably arranged in the mixing chamber so as to be rotatable about an axis of rotation.
  • the device has a 2-stage cooling system.
  • the device can have a second tempering device in addition to the melting unit or the tempering device.
  • the tempering device is also arranged in the mixing unit.
  • the wax-gas mixture is first cooled down in the mixing unit by the tempering device.
  • the tempering device in the mixing unit cools the wax to a temperature above a crystallization point.
  • the crystallization point can be understood as the point at which a change from the amorphous liquid state of the mixture to the crystalline state occurs.
  • the temperature of the mixture at the crystallization point is above the temperature of the solidification point and below the temperature of the dropping point.
  • the wax is melted in the mixing unit and mixed with gas to form a wax-gas mixture and cooled down to a temperature above the crystallization point using the tempering device.
  • the wax-gas mixture is then transported to the nozzle, among other things, where the wax-gas mixture is further cooled down in the nozzle.
  • the wax-gas mixture in the nozzle is cooled down to the crystallization point by the second tempering device.
  • the tempering device can also have a heating element so that the wax-gas mixture can be heated to the crystallization point.
  • the temperature of the wax-gas mixture at the nozzle is set to the crystallization point using the second tempering device.
  • the scraping element is preferably designed as a mixing element that is set up to mix gas into the wax.
  • a separate mixing element can be arranged in the mixing chamber. It is also possible to design the mixing unit without a mixing element.
  • Mixing a predefined amount of gas into the wax to create a wax-gas mixture can then be achieved, for example, by ensuring sufficient gas pressure in the mixing chamber.
  • the scraping element can be, for example, a stirring arm, which is preferably designed to correspond to the rotationally symmetrical and/or cylindrical mixing chamber.
  • the outer diameter of the stirring arm preferably corresponds approximately to the inner diameter of the rotationally symmetrical and/or cylindrical mixing chamber.
  • Scraping means removing something from the surface by scraping or scraping it off. Part of the wax-gas mixture may remain as a residue on the surface.
  • a minimum distance between the scraping wall of the mixing chamber and the scraping element when the scraping element rotates about the axis of rotation is at most 1 mm, preferably at most 0.1 mm, particularly preferably at most 0.01 mm.
  • a maximum distance between the scraping wall of the mixing chamber and the scraping element when the scraping element rotates about the axis of rotation is at most 1 mm, preferably at most 0.1 mm, particularly preferably at most 0.01 mm.
  • the positioning system is preferably a robot, a gantry system or a combination of the robot and the gantry system.
  • the robot and/or the gantry system preferably has at least three axes, preferably at least four, in particular at least five, particularly preferably six axes, particularly preferably at least seven axes.
  • the positioning system preferably has a fastening device or a gripper which is designed to hold a nozzle and/or a tool for machining.
  • the positioning system is preferably designed to automatically hold and/or automatically deposit the nozzle and/or the tool for machining.
  • the wax formwork production device has (a) a cooler which is arranged to cool the wax-gas mixture which has already been deposited, and/or (b) a warming device which is arranged to warm the wax-gas mixture which has already been deposited.
  • a fan, a hose with air flowing through it and having an outlet opening, a heat radiator and/or an infrared radiator can be provided as a cooler and/or warming device.
  • the cooler and/or the warming device can be aligned to a predeterminable angular position.
  • the control unit is preferably designed to send a control signal to the cooler and/or the warming device so that the Cooling of the cooler and/or the warming device is changed such that the path of the cooler/or the warming device is in a position in which the nozzle will be after a certain period of time has elapsed after the control signal has been sent.
  • the cooler and/or the warming device is arranged on a separate positioning system which is set up to move the cooler and/or the warming device into a position in which, in the direction of action of the cooler/or warming device, there is a position in which the nozzle will be after a certain period of time has elapsed.
  • the deposited wax-gas mixture can be cooled so that it has sufficient solidity so that new wax-gas mixture can be applied to the deposited wax-gas mixture.
  • the deposited wax-gas mixture can be heated using a heating device, which is preferably present, so that sufficient adhesion of the newly applied wax-gas mixture to the already deposited wax-gas mixture is ensured.
  • the already deposited wax-gas mixture is preferably not heated above the solidification temperature of the wax.
  • the mixing unit is set up to add a predeterminable gas proportion to the wax.
  • the control unit is set up to automatically carry out a method with the steps: (a) detecting a target gas proportion, (b) controlling the mixing unit so that when gas is mixed into the wax, a wax-gas mixture is formed with a gas proportion that corresponds to the target gas proportion.
  • the control unit detects the position of the nozzle relative to the substrate and detects the target gas proportion at this position.
  • the control unit can read the large target gas proportion from a CAM file or a CAM program.
  • the target gas proportion for the production of contour surfaces is lower than for the production of support structures.
  • Contour surfaces are understood to be surfaces that come into contact with the concrete during the production of a concrete component.
  • Support structures are understood to be structures that are located inside the component (infill) and/or do not come into contact with the concrete during the production of a concrete component.
  • the mixing unit has a Sensor for detecting the gas content of the wax-gas mixture.
  • the control unit is preferably designed to control the mixing unit depending on sensor data. In particular, the mixing unit can be controlled by feedback of the sensor data.
  • control unit is configured to control the melting unit for heating the wax to a predeterminable temperature above a solidification temperature of the wax.
  • the predeterminable gas proportion in the wax-gas mixture and/or the actual gas proportion in the wax-gas mixture is at least 10 vol.%, preferably at least 20 vol.%.
  • the predeterminable gas proportion in the wax-gas mixture and/or the actual gas proportion in the wax-gas mixture for the production of support structures is at least 20 vol.%, preferably at least 40 vol.%.
  • the predeterminable gas proportion in the wax-gas mixture and/or the actual gas proportion in the wax-gas mixture for the production of contour surfaces is at most 40% by volume, in particular at most 30% by volume, particularly preferably at most 20% by volume.
  • the wax formwork manufacturing device has at least one tool for machining and the control unit is set up to (i) detect a machining path for machining the wax formwork and (ii) control the tool for machining so that machining of the wax formwork takes place.
  • Machining can be carried out by milling, turning, drilling, grinding, cutting, eroding, honing and/or lapping, among other things.
  • a milling cutter, a drill, a grinding wheel, a reamer or the like can be provided as a tool for machining.
  • the post-processing reduces a deviation of the wax formwork from a target model and/or adds and/or changes a deviating feature of the wax formwork.
  • the invention solves the problem by a concrete casting production plant with a wax formwork production device according to the invention and a concrete feed device for pouring concrete into the wax formwork.
  • the distance between the wax formwork production device and the concrete feed device is preferably at most 10 km, particularly preferably at most 1 km.
  • the invention solves the problem by a method for producing a wax formwork for concrete casting, comprising the steps of: (a) tempering the wax in a melting unit to a target temperature that is above a solidification temperature of the wax, (b) mixing gas into the wax in a mixing unit so that a wax-gas mixture is formed, and (c) applying the wax-gas mixture layer by layer to a substrate so that the wax formwork is formed.
  • the layer-by-layer application of the wax-gas mixture to the substrate is preferably carried out automatically. Tempering is understood to mean heating, cooling or a combination of heating and cooling.
  • the method comprises the further step of mixing fillers, in particular mineral fillers, into the wax and/or into the wax-gas mixture.
  • fillers in particular mineral fillers
  • a further development of the invention provides that the mixing of gas into the wax takes place at the same time as the tempering of the wax. At the same time means that the mixing of gas into the wax also takes place at at least one time during the tempering.
  • the tempering of the wax preferably takes place at at least half of the times at which the mixing of gas into the wax takes place. Alternatively or in addition to this, the mixing of gas can also take place before and/or after the tempering of the wax.
  • the method preferably comprises the additional step of scraping the wax-gas mixture from a tempering surface of the mixing unit using a scraping element.
  • the tempering surface is a tempered surface of the mixing unit.
  • the scraping element serves to scrape the wax-gas mixture from the tempering surface of the mixing chamber and can be designed as a stirring arm, for example.
  • an application temperature of the wax-gas mixture when applying the wax-gas mixture to the substrate is a maximum of 35 °C, preferably a maximum of 20 °C, particularly preferably a maximum of 10 °C, especially preferably a maximum of 5 °C, most preferably a maximum of 2 °C below the solidification temperature of the wax.
  • An application temperature that is below the solidification temperature of the wax ensures that the wax-gas mixture has sufficient strength.
  • the application temperature of the wax-gas mixture when applying the wax-gas mixture to the substrate is a maximum of 10 °C, preferably a maximum of 5 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C above the solidification temperature of the wax.
  • An application temperature that is above the solidification temperature of the wax can be advantageous, in particular to improve the flowability and/or the adhesion properties of the wax-gas mixture when applying. It is advantageous to have the smallest possible deviation between the application temperature of the wax-gas mixture and the solidification temperature of the wax, as this minimizes the shrinkage of the wax-gas mixture after application and thus also the distortion of the wax formwork.
  • the application temperature can take on different values at different locations and/or at different times, so that the application temperature can be temporarily above the solidification temperature and temporarily below the solidification temperature, particularly during the production process.
  • the method comprises the additional step of machining the wax formwork by milling, turning, drilling, grinding, cutting, eroding, honing and/or lapping.
  • a target model preferably contains a predetermined model of the wax formwork with all features and dimensions and, if necessary, information about the surface quality of certain surfaces.
  • the target model of the wax formwork is made available on a digital storage device.
  • the digital storage device can be a hard drive, a USB stick, a memory card, a server or the like.
  • a control unit is set up to read this target model and to create a movement path for machining post-processing from it, so that the deviation of the wax formwork from the target model is reduced and/or a deviating feature of the wax formwork is added and/or changed.
  • the target model itself contains a movement path for machining post-processing.
  • Deviating features are features that distinguish the wax formwork before post-processing from the target model, for example holes, threads, fits, dimensional deviations or specified surface properties. Machining post-processing can also be used to smooth a surface, in particular a contour surface.
  • the method preferably comprises the additional steps: (a) cooling the wax formwork to room temperature and (b) heat treating at least one surface by tempering.
  • Room temperature is understood to mean the temperature of a room in which the wax formwork cools.
  • the room temperature is preferably more than 15 °C and less than 25 °C. Cooling can be carried out both actively and passively. For example, cooling can be carried out in the room air, in water, in another fluid and/or assisted by fans and/or coolants.
  • Tempering is understood to mean that the wax formwork is heated after cooling to a tempering temperature that corresponds approximately to the glass transition temperature of the wax. This increases the crystallinity of the wax formwork.
  • the deviation in amount of the tempering temperature from the glass transition temperature of the wax is preferably at most 10 °C, preferably at most 5 °C, particularly preferably at most 2 °C.
  • a further development of the invention provides for the coating of at least one surface.
  • the coating can, for example, improve the surface quality and/or the hardness of the wax formwork.
  • Plastic coatings with glass fiber reinforced plastic and/or polyurethane are particularly suitable for this purpose.
  • the invention solves the problem by a method for producing a concrete component with the steps: (a) producing a wax formwork with the inventive method for producing a wax formwork for concrete casting, and (b) filling the wax formwork with concrete so that a concrete component is formed.
  • a further development of the invention provides for the melting out of a displacement body of the wax formwork from the concrete component.
  • a displacement body is understood to be a partial structure of the wax formwork which is essentially enclosed within the concrete component after the concrete has been poured.
  • the method preferably comprises the further steps: (a) separating the wax formwork from the concrete component, and (b) refilling the wax formwork with concrete so that another concrete component is created.
  • the wax formwork can therefore be used to produce several concrete components, which preferably have a consistent dimensional stability.
  • the wax formwork can be melted down and/or the wax from the wax formwork can be used as starting material for the production of a new wax formwork.
  • This new wax formwork can have the same geometry as the previous wax formwork or a different one.
  • Recycled wax is wax that has already been used to produce a wax formwork. Separation is understood to mean the non-destructive removal of the wax formwork or part of the wax formwork from the concrete component.
  • the method and device described above can also be used in particular for producing prototypes, unique items and/or small series.
  • negatives are produced as wax molds for producing prototypes, unique items and/or small series.
  • a so-called negative is produced as wax molds using the method and device.
  • the prototype, unique item and/or small series can be produced based on the negative as wax molds.
  • the method is also suitable for producing of prototypes on a scale of 1:1 as a positive. This means that the prototype is produced directly using the process or device.
  • the process is particularly suitable for producing prototypes on a scale of 1:1.
  • Such prototype production can be used in particular in the areas of aerospace, the automotive industry, ship and boat building for individual components and hull construction and/or in the packaging industry for formwork as a negative model for papier-mâché. The list is not to be understood as exhaustive.
  • the method and device described above can be used not only for the production of formwork for concrete components, but also for the production of formwork from elastomers, clay, mycelia, aerogels, resins (epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin), silicone rubber, gypsum, plastics, ceramics, biopolymers, bacterial biocements and/or papier-mâché.
  • resins epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin
  • silicone rubber epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin
  • gypsum silicone rubber
  • plastics gypsum
  • ceramics gypsum
  • biopolymers bacterial biocements and/or papier-mâché
  • the method and device described above can also be used to produce repair parts or replacement parts. It can be provided that the method and/or device are used in manual operation. This means that at least the nozzle is controlled manually.
  • the position of the nozzle is set manually. It is also conceivable that the nozzle is moved manually during the extrusion of the wax-gas mixture and the area to be applied is specified manually.
  • the device and/or the method can also be used to repair or touch up defects.
  • the surface to be repaired does not have to be taught and a distance to be traveled does not have to be specified based on the surface. In particular, defects and/or flaking of the wax formwork can be repaired in this way.
  • the device has a displacement unit.
  • the displacement unit can introduce a displacement body into the area to be printed in a step which takes place either before the extrusion of the wax-gas mixture or during the extrusion of the wax-gas mixture.
  • the displacement body causes the material to be printed in a space which is defined by the displacement body is formed, no wax-gas mixture can be extruded and/or expansion of the extruded wax-gas mixture into the space can be avoided.
  • the displacement body is removable. It is preferably provided that the displacement body can be removed by heating. It is advantageous if the displacement body can be removed without leaving any residue.
  • the displacement body evaporates when heated and the gases produced diffuse through the concrete or the material that is poured into the wax component.
  • the wax mold with the displacement bodies is first printed and then the material is poured into the wax mold. It can be provided that the removal of the displacement body and/or the displacement bodies takes place after the material has been poured into the mold.
  • displacement bodies as the displacement bodies form a hollow space.
  • the displacement bodies can also be inserted in such a way that the space is kept free for built-in components such as cables, power cables, sockets or similar. The count is not to be understood as exhaustive.
  • displacement bodies can be printed from the wax-gas mixture, which are prefabricated before concrete 3D printing or are printed in the 3D printing process at the same time as concrete printing.
  • These displacement bodies can be installed in concrete components where, from a static point of view, no concrete is necessary in order to save concrete material.
  • Removal can be done by melting, for example. It is also conceivable that the displacement bodies are made of a biodegradable material. It can also be planned that the displacement bodies are etched out. It would be conceivable to introduce the wax foam inside a concrete component in order to absorb vibrations. In particular, it can be provided that a further body is arranged inside the displacement body in the space formed by the displacement body.
  • the displacement body can consist of a material that can be selectively removed so that only the displacement body is removed but not the vibration body in the displacement body.
  • the vibration body in the displacement body can be made of concrete and/or the wax foam is left in the concrete component as a vibration body to absorb vibrations.
  • the vibration body can, for example, have the shape of a sphere, but is not limited to this.
  • These vibrating bodies could in particular absorb vibrations. It would be conceivable to use such vibrating bodies in components that are used in earthquake zones.
  • Figure 1 is a schematic view of a wax formwork manufacturing device according to the invention for producing a wax formwork for concrete casting
  • Figure 2 is a schematic view of a positioning system of a wax formwork manufacturing device with a tool for machining
  • Figure 3 is a schematic partial sectional view of an embodiment of a mixing unit in a wax formwork manufacturing device
  • Figure 4 is a schematic partial sectional view of another embodiment of a mixing unit in a wax formwork manufacturing apparatus.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a wax formwork manufacturing device according to the invention, which comprises a melting unit 10, a mixing unit 20, a nozzle 30 and a positioning system 50.
  • the melting unit 10 has a wax inlet 11 on the top, through which wax can be fed to the melting unit 10.
  • the melting unit 10 there is a heating element (not shown), for example in the form of a heating cartridge, a heating band, a heat exchanger, a continuous flow heater, a heating medium, an immersion heater or the like.
  • a heating element for example in the form of a heating cartridge, a heating band, a heat exchanger, a continuous flow heater, a heating medium, an immersion heater or the like.
  • the wax is heated to a predeterminable temperature above a solidification temperature of the wax. It is then conveyed to the mixing unit 20 via a conveying hose 110.
  • the mixing unit 20 has a gas inlet 26 through which a gas can be supplied to the mixing unit 20.
  • the gas can be a gas, in particular carbon dioxide, or a gas mixture, in particular air.
  • the mixing unit 20 the gas is mixed into the wax so that a wax-gas mixture is formed.
  • the wax-gas mixture is conveyed via a conveying hose 110 to a conveying device 100.
  • the conveying device 100 can be designed as a pump, extruder or compressor.
  • the wax-gas mixture is conveyed via another conveying hose 110 to a nozzle 30.
  • the wax-gas mixture is applied to a substrate in layers through the nozzle, so that a wax formwork is created.
  • the conveying device 100 is arranged between the conveying hose 110 and the gas inlet 26. In particular, it can be provided that the conveying device 100 is part of the mixing unit 20.
  • the substrate can be a base plate 120, a deposited wax-gas mixture 40 or a base body to be printed.
  • the nozzle 30 is arranged on a positioning system 50, which in the embodiment shown is designed as a robot.
  • the positioning system 50 has a control unit 60, which is designed to control the positioning system 50 for positioning the nozzle 30 relative to the substrate so that a wax formwork is created.
  • the control unit 60 can also be designed as a separate component and connected to the positioning system 50 via a control line or transmitter-receiver devices, which are located both in the control unit 60 and in the positioning system 50 and are connected to each other via radio.
  • the control unit 60 can be connected to the mixing unit 20, for example via a control line or via transmitter-receiver devices that are arranged both in the control unit 60 and in the mixing unit 20 and are connected to one another via radio.
  • the transmitter-receiver device of the mixing unit 20 can be connected to a sensor (not shown) in the mixing unit 20, which can in particular detect a gas component of the wax-gas mixture in the mixing unit 20 and transmit the sensor data of the sensor to the control unit 60.
  • the control unit 60 can control the mixing unit 20 depending on the sensor data, so that when gas is mixed into the wax, a wax-gas mixture is formed with a gas proportion that corresponds to a predeterminable target gas proportion.
  • the control unit 60 can be connected to the melting unit 10 and be set up to control the melting unit 10 to heat the wax to a predeterminable temperature above a solidification temperature of the wax.
  • a cooling and warming device 70 in the form of a hose with an outlet opening through which air flows is arranged on the nozzle.
  • the cooling and warming device 70 serves to cool and/or warm up the deposited wax-gas mixture 40.
  • the cooling and warming device 70 is supplied with cold or hot air.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a positioning system 50.
  • the positioning system 50 is again designed as a robot and has a control unit 60.
  • a wax formwork 150 is arranged on a base plate 120.
  • a milling head 130 with a tool drive 140 and a tool for machining 90 in the form of a milling cutter is arranged on the positioning system 50.
  • a drill, a reamer or the like can also be used as a tool for machining 90.
  • the tool for machining post-processing 90 is driven by the tool drive 140.
  • the tool drive 140 is connected to the control unit 60 via a control line or transmitter-receiver devices that are arranged in the control unit 60 in the tool drive 140 and are connected to one another via radio.
  • the control unit 60 is designed to detect a machining path for machining post-processing and to control the tool for machining post-processing 90 so that machining post-processing of the wax formwork 150 takes place.
  • the control unit 60 can read out a target model of the wax formwork 150, which is also made available to a digital memory (not shown).
  • the target model contains a predetermined model of the wax formwork 150 with all features and dimensions and, if necessary, information about the surface quality of certain surfaces of the wax formwork 150.
  • FIG. 3 shows a schematic partial sectional view of an embodiment of a mixing unit 20 in a wax formwork manufacturing device.
  • the mixing unit has a mixing chamber 21, which in the embodiment shown is rotationally symmetrical and consists of an upper cylindrical part and a lower conically tapered part.
  • a tempering device 22 is arranged in the upper cylindrical part, which encloses the mixing chamber 21 on its circumference and forms a tempering surface that is part of the outer wall of the mixing chamber 21.
  • the outer wall of the mixing chamber 21 is also the scraping wall.
  • An inlet 24 and a gas inlet 26 are arranged on the top of the mixing chamber 21.
  • the inlet 24 and the gas inlet 26 can alternatively also be arranged on the side of the mixing chamber 21. Wax or already heated wax is fed to the mixing chamber 21 via the inlet 24.
  • a fan 160 is fluidically connected to the gas inlet 26 and supplies gas to the mixing chamber 21 via the gas inlet 26.
  • a Fan 160 may also be a gas compressor or a pressure vessel containing a compressed gas.
  • a shaft 27 is arranged centrally in the mixing chamber, which is mounted so that it can rotate about an axis of rotation and is driven by a mixing motor 28.
  • a melting unit 10 with several heating wires is arranged on the shaft 27. The melting unit 10 heats the wax entering the mixing chamber 21 to a predeterminable temperature above a solidification temperature of the wax.
  • a mixing element 29 is arranged on the shaft 27 below the melting unit 10. When the shaft 27 rotates about the axis of rotation, the mixing element 29 mixes the gas into the wax so that a wax-gas mixture is created.
  • a scraping element 23 is arranged on the shaft below the mixing element 29.
  • the scraping element 23 scrapes the wax-gas mixture from the outer wall of the mixing chamber 21. This transports the wax-gas mixture to the outlet nozzle 25.
  • the outlet nozzle 25 is arranged behind the mixing unit 20 in the flow direction and is attached to the mixing unit 20.
  • a valve 170 is on the outlet nozzle 25. The valve 170 can be controllable and in particular can be controlled by the control unit 60.
  • FIG 4 shows a schematic partial sectional view of another embodiment of a mixing unit 20 in a wax formwork manufacturing device.
  • the mixing unit 20 is designed here as an extruder.
  • the mixing unit 20 has a mixing chamber 21 with a cylindrical part and a conical part.
  • a shaft 27 in the form of an extruder screw is arranged centrally in the mixing chamber 21.
  • the shaft 27 is driven by a mixing motor 28 which is arranged on the shaft 27.
  • an outlet nozzle 25 is arranged, which is attached to the mixing unit 20.
  • the mixing unit 20 On the side opposite the outlet nozzle 25, the mixing unit 20 has an inlet 24 on the top and a gas inlet 26 on the bottom.
  • the inlet 24 can be arranged on the side or bottom and/or the gas inlet 26 can be arranged on the top or side of the mixing unit.
  • Wax or already heated wax is fed to the mixing chamber 21 via the inlet 24.
  • a fan 160 is fluidically connected to the Gas inlet 26 and supplies gas to the mixing chamber 21 via the gas inlet 26.
  • a gas compressor or a pressure vessel with a compressed gas can also be provided, via which gas is supplied to the mixing chamber 21.
  • the mixing unit 20 On the outside of the cylinder, the mixing unit 20 has two tempering devices 22 in the form of heating bands.
  • the tempering device 22 can also form the melting unit 10 at the same time, so that no separate melting unit is required.
  • the thread pitches of the shaft 27 designed as an extruder screw are the scraping elements 23.
  • the scraping elements 23 scrape the wax-gas mixture off the outer wall of the mixing chamber 21 and convey it in the direction of the outlet nozzle 25.
  • the outer wall of the mixing chamber 21 is therefore the scraping wall.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wachsschalungs-Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Wachsschalung (150) für den Betonguss mit: (a) einer Schmelzeinheit (10) zum Erhitzen des Wachses auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses, (b) einer Mischeinheit (20), die ausgebildet ist zum Einmischen von Gas in das Wachs, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht, (c) einer Düse (30), die in Strömungsrichtung hinter der Mischeinheit (20) angeordnet ist und zum schichtweisen Aufträgen des Wachs-Gas- Gemischs auf ein Substrat ausgebildet ist, (d) einem Positioniersystem (50) zum Positionieren der Düse (30) relativ zu dem Substrat und (e) einer Steuereinheit (60), die eingerichtet ist, das Positioniersystem (50) zum Positionieren der Düse (30) relativ zu dem Substrat zu steuern, sodass die Wachsschalung (150) entsteht. Die Erfindung betrifft auch eine Betongussteilfertigungsanlage mit einer solchen Wachsschallungs-Herstellvorrichtung und einer Betonzuführvorrichtung zum Gießen von Beton in die Wachsschalung, ein Verfahren zum Herstellen einer Wachsschalung und ein Verfahren zum Herstellen eines Betonbauteils.

Description

Wachsschalungs-Herstellvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Wachsschalung
Die Erfindung betrifft eine Wachsschalungs-Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Wachsschalung für den Betonguss. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Wachsschalung für den Betonguss. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Betongussteilfertigungsanlage sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Betonbauteils.
Als Wachse werden sowohl Naturwachse als auch industriell gefertigte Wachse verstanden. Dazu zählen insbesondere tierische Wachse, pflanzliche Wachse, Mineralwachse, Erdölwachse und synthetische Wachse. Wachse sind für gewöhnlich bei 20°C knetbar, fest bis brüchig hart, grob- bis feinkristallin, durchscheinend bis opak, jedoch nicht glasartig, über 40 °C ohne Zersetzung schmelzend, schon wenig oberhalb des Schmelzpunktes verhältnismäßig niedrigviskos, stark temperaturabhängig in Konsistenz und Löslichkeit und unter leichtem Druck polierbar.
Eine Schalung ist ein flächenabschließendes und für den Beton bis zu seiner Erhärtung als Auflager dienendes, meist temporäres Bauteil, welches es ermöglicht, Betonteile in der gewünschten Form im Rahmen der gewählten Herstellungstoleranzen zu fertigen. Die Herstellung von präzisen freigeformten Betonbauteilen erfordert zumeist Sonderschalungen. Diese sind für gewöhnlich aus Holz, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polylactide (PLA), Polyvinylalkohol (PVAL oder PVOH), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS) gefertigt. Das Schalungsmaterial kann in den meisten Fällen aufgrund einer erforderlichen Beschichtung nicht recycelt werden. Zudem sind die Toleranzabweichungen der meisten Sonderschalungen für die Herstellung von Präzisionsfertigteilen nicht zufriedenstellend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden.
Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Wachsschalungs-Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Einheit zum Erhitzen des Wachses auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses, (b) einer Mischeinheit, die ausgebildet ist zum Einmischen von Gas in das Wachs, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht, (c) einer Düse, die in Strömungsrichtung hinter der Mischeinheit angeordnet ist und zum schichtweisen Aufträgen des Wachs-Gas- Gemischs auf ein Substrat ausgebildet ist, (d) Positioniersystem zum Positionieren der Düse relativ zu dem Substrat und (e) einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, das Positioniersystem zum Positionieren der Düse relativ zu dem Substrat zu steuern, sodass die Wachsschalung entsteht.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Gaseinschlüsse einer aus einem Wachs-Gas-Gemisch hergestellten Wachsschalung dazu führen, dass die Wachsschalung während und nach der Fertigung weniger schwindet und somit auch einen geringeren Verzug aufweist. Anders ausgedrückt kann die Maßhaltigkeit der Wachsschalung sehr hoch sein. Die Gaseinschlüsse haben außerdem zur Folge, dass die Wachsschalung aufgrund der thermisch isolierenden Wirkung der Gaseinschlüsse weniger stark erwärmt wird, wenn die Wachsschalung bei der Fertigung eines Betonbauteils der Hydrationswärme des Betons ausgesetzt ist. Dies begünstigt auch die Festigkeit der Wachsschalung während der Betonbauteilfertigung. Vorteilhaft ist zudem, dass der Materialverbrauch an Wachs durch die Verwendung eines Wachs-Gas-Gemischs reduziert wird.
Vorteilhaft ist außerdem, dass die Wachsschalungen aufgrund der Wiederverwendbarkeit des Wachses durch Einschmelzen ökologisch und zugleich sehr ökonomisch sind. Die mit der erfindungsgemäßen Wachsschalungs- Herstellvorrichtung hergestellten Wachsschalungen weisen keine Risse oder Lunker auf. Zudem sind sie sehr stabil, sodass die Wachsschalungen insbesondere für die Fertigung von Betonbauteilen aus ultrahochfestem Beton (IIHPC) geeignet sind.
Unter einem Substrat wird insbesondere eine Grundplatte, abgelegtes Wachs-Gas- Gemisch oder ein zu bedruckender Grundkörper verstanden. Unter einem Gas wird ein Reinstoff, insbesondere Kohlenstoffdioxid, oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, verstanden.
Bevorzugt liegt die Glasübergangstemperatur des Wachses oberhalb von 40 °C. Vorzugsweise liegt die Erstarrungstemperatur des Wachses oberhalb von 50 °C, besonders bevorzugt über 60 °C. Die Bestimmung der Erstarrungstemperatur kann gemäß DIN ISO 2207 erfolgen.
Bevorzugt beträgt die Druckfestigkeit des Wachses bei 20 °C mehr als 0,25 N/mm2. Vorteilhafterweise beträgt die Druckfestigkeit des Wachs-Gas-Gemischs bei 20 °C zumindest die Hälfte der Druckfestigkeit des Wachses bei 20 °C. Vorzugsweise beträgt der E-Modul des Wachses bei Druckbelastung bei 20 °C mehr als 25 N/mm2, bevorzugt mehr als 500 N/mm2, insbesondere mehr als 1000 N/mm2, besonders bevorzugt mehr als 2000 N/mm2. Bevorzugt liegt der Tropfpunkt des Wachses oberhalb von 80°C, insbesondere oberhalb von 150 °C.
Vorgesehen sein kann, dass ein Wachs genutzt werden kann, das aus einem nachwachsenden Rohstoff besteht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wachs ausschließlich nachwachsende Rohstoffe umfasst. Denkbar ist auch, dass das Wachs zumindest zu 50 %, insbesondere zu 90%, vorzugsweise zu 100 % aus einem nachwachsenden Rohstoff besteht. Nachwachsende Rohstoffe für das Wachs können beispielsweise pflanzenbasierte Wachse wie Sojawachs, Palmölwachs, Kokusnussöl-Wachs und/oder Rapsölwachs sein. Hierbei ist die Aufzählung als nicht abschließend zu verstehen.
Vorzugsweise enthalten das Gas und/oder das Wachs-Gas-Gemisch einen Füllstoff, insbesondere einen mineralischen und/oder organischen Füllstoff. Alternativ oder ergänzend dazu ist die Mischeinheit ausgebildet zum Zumischen von einem Füllstoff, insbesondere einem mineralischen und/oder organischen Füllstoff, in das Wachs und/oder in das Wachs-Gas-Gemisch. Als Füllstoff können beispielsweise Calciumsilikathydrat, Calciumcarbonat, Kalksteinmehl, Talkumund/oder Rohzellulose verwendet werden. Der Füllstoff ist insbesondere so gewählt, dass er die Druckfestigkeit des Wachs-Gas-Gemischs erhöht und/oder zumindest eine thermische und/oder mechanische Matenaleigenschaft des Wachs-Gas-Gemischs verbessert.
Bevorzugt weist die Schmelzeinheit ein Heizelement, insbesondere in Form einer Heizpatronen, eines Heizbandes, eines Wärmetauschers, eines Durchlauferhitzers, eines Heizmediums, eines Tauchsieder oder dergleichen, auf oder bildet dieses.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schmelzeinheit in der Mischeinheit oder in Strömungsrichtung vor der Mischeinheit angeordnet ist. Wenn die Schmelzeinheit in Strömungsrichtung vor der Mischeinheit ist, weist die Schmelzeinheit vorzugsweise eine Öffnung zur Aufnahme von Wachs auf. Wenn die Schmelzeinheit in der Mischeinheit angeordnet ist, weist die Mischeinheit vorzugsweise eine Öffnung zur Aufnahme von Wachs auf.
Bevorzugt weist die Mischeinheit einen Gaseinlass auf, über den Gas zuführbar ist. Vorzugsweise ist der Gaseinlass in Fluidverbindung mit einem Ventilator und/oder einem Gasverdichter. Alternativ oder ergänzend dazu ist an dem Gaseinlass eine Düse angeordnet oder der Gaseinlass bildet diese. Vorzugsweise ist die Düse steuerbar. Bevorzugt ist die Düse mit einem Druckbehälter verbunden, der ein komprimiertes Gas enthält.
Vorzugsweise ist zwischen der Schmelzeinheit und der Mischeinheit und/oder zwischen der Mischeinheit und der Düse ein Förderschlauch angeordnet. Bevorzugt ist der Förderschlauch beheizt. Es besteht die Möglichkeit an dem Förderschlauch eine Fördervorrichtung anzuordnen, die dazu eingerichtet ist, die Förderung des Wachses und/oder des Wachs-Gas-Gemischs durch den Förderschlauch zu unterstützen. Die Fördervorrichtung kann beispielsweise eine Pumpe, ein Extruder oder ein Verdichter sein. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Förderung des Wachses durch den Druck in der Schmelzeinheit und/oder in der Mischeinheit unterstützt werden. Es besteht auch die Möglichkeit die Schmelzeinheit und die Mischeinheit und/oder die Mischeinheit und die Düse so zueinander anzuordnen, dass keine Förderschläuche erforderlich sind. Vorzugsweise sind dazu die Schmelzeinheit in oder über der Mischeinheit und die Mischeinheit über der Düse angeordnet, sodass die Förderung des Wachses und/oder des Wachs-Gas- Gemischs durch die Gravitation unterstützt wird und keine Fördervorrichtung erforderlich ist. Bevorzugt weisen die Schmelzeinheit, die Mischeinheit und die Düse ein gemeinsames Gehäuse auf. Vorzugsweise ist das Positioniersystem dazu eingerichtet, die Schmelzeinheit, die Mischeinheit und die Düse aufzunehmen und relativ zu dem Substrat gemeinsam zu positionieren. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Positioniersystem zum gemeinsamen Positionieren der Schmelzeinheit, der Mischeinheit und der Düse relativ zu dem Substrat zu steuern.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit zum Einstellen eines Massestroms der Düse eingerichtet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse relativ zu dem Substrat verändert wird und zugleich die Strangbreite des strangförmig durch die Düse extrudierten Wachs-Gas-Gemischs gleich bleiben soll. Zudem kann der Massestrom auf Null gesetzt werden, wenn die Position der Düse relativ zu dem Substrat verändert werden soll, ohne dass zeitgleich eine Extrusion des Wachs-Gas-Gemischs erfolgen soll. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Fördervorrichtung so anzusteuern, dass der Massestrom an der Düse einem vorgebbaren Massestrom entspricht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Mischeinheit (a) eine Mischkammer mit einer Temperierfläche, (b) eine Temperiervorrichtung, die eingerichtet ist zum Temperieren der Temperierfläche auf eine Temperier-Temperatur, sodass das Wachs-Gas-Gemisch an der Temperierfläche der Mischkammer temperiert wird, und (c) ein Abschabelement zum Abschaben des Wachs-Gas-Gemischs von einer Abschabwand der Mischkammer und/oder von der Temperierfläche der Mischkammer aufweist. Vorzugsweise ist die Abschabwand eine Außenwand der Mischkammer. Bevorzugt unterschreitet die Temperatur des Wachses und/oder des Wachs-Gas-Gemischs während des Temperierens nicht die Erstarrungstemperatur des Wachses. Alternativ unterschreitet die Temperatur des Wachses und/oder des Wachs-Gas-Gemischs während des Temperierens nicht eine Mindesttemperatur, die vorzugsweise maximal 20 °C, bevorzugt maximal 10 °C, insbesondere maximal 5 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C unter der Erstarrungstemperatur des Wachses liegt. Vorzugsweise ist die Mischkammer rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgeführt. Die Mischkammer kann auch eine offene Seite aufweisen, die vorzugsweise verschließbar ausgeführt ist.
Vorzugsweise bildet die Temperierfläche eine Abschabwand der Mischkammer oder einen Teil einer Abschabwand der Mischkammer. Die Abschabwand kann insbesondere eine Außenwand, eine Seitenwand und/oder eine Innenwand der Mischkammer sein. Vorteilhafterweise bildet die Temperierfläche eine Außenwand der Mischkammer oder einen Teil einer Außenwand der Mischkammer. Bevorzugt weist die Mischeinheit eine Temperiervorrichtung auf, das an der Temperierfläche angeordnet ist oder diese ausbildet. Bevorzugt ist die Schmelzeinheit die Temperiervorrichtung. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Temperiervorrichtung ein Heizelement und/oder einen Kühlelement sein, insbesondere ein Heizmedium, ein Kühlmittel, ein Heizband, ein Wärmetauscher oder eine Heizpatronen. Das Abschabelement ist vorzugsweise um eine Drehachse drehbar in der Mischkammer angeordnet.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine 2-stufige Kühlung aufweist. Mit anderen Worten, kann die Vorrichtung zusätzlich zur Schmelzeinheit beziehungsweise zur Temperiervorrichtung eine zweite Temperiervorrichtung aufweisen. Vorgesehen sein kann, dass die Temperiervorrichtung weiterhin in der Mischeinheit angeordnet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Wachs-Gas- Gemisch zunächst in der Mischeinheit durch die Temperiervorrichtung heruntergekühlt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Temperiervorrichtung in der Mischeinheit das Wachs auf eine Temperatur oberhalb eines Kristallisationspunkts herunterkühlt. Als Kristallisationspunkt kann der Punkt verstanden werden bei dem eine Änderung vom amorph-flüssigen Zustand des Gemisches in den kristallinen Zustand erfolgt. Mit anderen Worten liegt die Temperatur des Gemisches beim Kristallisationspunkt oberhalb der Temperatur des Erstarrungspunkts und unterhalb der Temperatur des Tropfpunkts. Dies hat den Vorteil, dass ein verbesserter Transport von der Temperiervorrichtung in der Mischeinheit zur Düse möglich ist und ausreichend Stabilität besitzt um lagenweise übereinander abgelegt werden zu können. Vorgesehen sein kann, dass die zweite Temperiervorrichtung, welche in der Düse angeordnet sein kann, dass Wachs-Gas-Gemisch auf den Kristallisationspunkt herunterkühlt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Wachs in der Mischeinheit geschmolzen wird und mit Gas zu einem Wachs-Gas-Gemisch vermengt wird und mittels der Temperiervorrichtung auf eine Temperatur oberhalb des Kristallisationspunktes heruntergekühlt wird. Weiter wird das Wachs-Gas-Gemisch unteranderem zur Düse transportiert, wobei das Wachs-Gas-Gemisch in der Düse weiter heruntergekühlt wird. Vorzugsweise wird das Wachs-Gas-Gemisch in der Düse durch die zweite Temperiervorrichtung auf den Kristallisationspunkt heruntergekühlt. Optional kann die Temperiervorrichtung auch ein Heizelement aufweisen, sodass das Wachs-Gas Gemisch auf den Kristallisationspunkt erwärmt werden kann. Insbesondere wird mittels der zweiten Temperiervorrichtung die Temperatur des Wachs-Gas-Gemischs bei der Düse auf den Kristallisationspunkt eingestellt.
Das Abschabelement ist bevorzugt als Mischelement ausgebildet, das dazu eingerichtet ist, Gas in das Wachs einzumischen. Alternativ oder ergänzend dazu kann in der Mischkammer ein separates Mischelement angeordnet sein. Es besteht auch die Möglichkeit die Mischeinheit ohne Mischelement auszuführen.
Das Einmischen eines vorgebbaren Gasanteils in das Wachs, sodass ein Wachs- Gas-Gemisch entsteht, kann dann beispielsweise durch einen ausreichenden Gasdruck in der Mischkammer erreicht werden.
Das Abschabelement kann beispielsweise ein Rührarm sein, der vorzugsweise korrespondierend zu der rotationssymmetrischen und/oder zylindrischen Mischkammer ausgebildet ist. Vorzugsweise entspricht der Außendurchmesser des Rührarms in etwa dem Innendurchmesser der rotationssymmetrischen und/oder zylindrischen Mischkammer.
Unter einem Abschaben wird ein schabendes Entfernen von der Oberfläche oder Abkratzen verstanden. Dabei kann auch ein Teil des Wachs-Gas-Gemischs als Rückstand auf der Oberfläche Zurückbleiben. Vorzugsweise beträgt ein minimaler Abstand zwischen der Abschabwand der Mischkammer und dem Abschabelement bei der Drehung des Abschabelements um die Drehachse höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,1 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm. Vorzugsweise beträgt ein maximaler Abstand zwischen der Abschabwand der Mischkammer und dem Abschabelement bei der Drehung des Abschabelements um die Drehachse höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,1 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm. Durch einen möglichst kleinen Abstand zwischen der Abschabwand der Mischkammer und dem Abschabelement bei der Drehung des Abschabelements um die Drehachse wird sichergestellt, dass beim Abschaben des Wachs-Gas-Gemischs möglichst wenig Wachs-Gas-Gemisch an der Abschabwand der Mischkammer als Rückstand zurückbleibt.
Vorzugsweise ist das Positioniersystem ein Roboter, ein Portalsystem oder eine Kombination aus dem Roboter und dem Portalsystem. Bevorzugt weist der Roboter und/oder das Portalsystem zumindest drei Achsen, bevorzugt zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, besonders bevorzugt sechs Achsen, besonders bevorzugt zumindest sieben Achsen auf. Bevorzugt weist das Positioniersystem eine Befestigungsvorrichtung oder einen Greifer auf, die oder der dazu eingerichtet ist, eine Düse und/oder ein Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung aufzunehmen. Vorzugsweise ist das Positioniersystem dazu eingerichtet, die Düse und/oder das Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung automatisch aufzunehmen und/oder automatisch abzulegen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wachsschalungs- Herstellvorrichtung (a) einen Kühler, der angeordnet ist zum Kühlen von bereits abgelegtem Wachs-Gas-Gemisch, und/oder (b) eine Aufwärmvorrichtung, die angeordnet ist zum Aufwärmen von bereits abgelegtem Wachs-Gas-Gemisch, aufweist. Als Kühler und/oder Aufwärmvorrichtung kann beispielsweise ein Ventilator, ein mit Luft durchströmter Schlauch mit einer Austrittsöffnung, ein Wärmestrahler und/oder ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist der Kühler und/oder die Aufwärmvorrichtung auf eine vorgebbare Winkelposition ausrichtbar. Die Steuereinheit ist vorzugsweise ausgebildet, um ein Steuersignal an den Kühler und/oder die Aufwärmvorrichtung zu senden, sodass die Kühlung des Kühlers und/oder der Aufwärmvorrichtung so verändert wird, dass sich der Weg des Kühlers/oder der Aufwärmvorrichtung an einer Position befindet, in der sich die Düse nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne nach der Sendung des Steuersignals befinden wird. Alternativ oder ergänzend dazu ist der Kühler und/oder die Aufwärmvorrichtung an einem separaten Positioniersystem angeordnet, das eingerichtet ist, den Kühler und/oder die Aufwärmvorrichtung in eine Position zu bewegen, in der sich in der Wirkrichtung des Kühlers/oder Aufwärmvorrichtung eine Position befindet, in der sich die Düse nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne befinden wird. Mit einem Kühler kann das abgelegte Wachs-Gas-Gasgemisch abgekühlt werden, sodass eine ausreichende Festigkeit aufweist, sodass das Aufträgen von neuem Wachs-Gas-Gemisch auf das abgelegte Wachs-Gas-Gemisch erfolgen kann.
Mit einer vorzugsweise vorhandenen Aufwärmvorrichtung kann das abgelegte Wachs-Gas-Gemisch erwärmt werden, sodass eine ausreichende Haftung von neu aufzutragendem Wachs-Gas-Gemisch an dem bereits abgelegten Wachs-Gas- Gemisch sichergestellt ist. Vorzugsweise wird das bereits abgelegte Wachs-Gas- Gemisch dabei nicht über die Erstarrungstemperatur des Wachses hinaus erwärmt.
Bevorzugt ist die Mischeinheit eingerichtet, dem Wachs einen vorgebaren Gasanteil beizumischen. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (a) Erfassen eines Soll-Gasanteils, (b) Ansteuern der Mischeinheit, sodass sich beim Einmischen von Gas in das Wachs ein Wachs-Gas-Gemisch mit einem Gasanteil bildet, der dem Soll- Gasanteil entspricht. Vorzugsweise erfasst die Steuereinheit dazu die Position der Düse relativ zu dem Substrat und erfasst den Soll-Gasanteil an dieser Position. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Steuereinheit den großen Soll-Gasanteil aus einer CAM-Datei oder einem CAM-Programm auslesen.
Bevorzugt ist der Soll-Gasanteil für die Fertigung von Konturoberflächen geringer als für die Fertigung von Stützstrukturen. Unter Konturoberflächen werden solche Oberflächen verstanden, die bei der Fertigung eines Betonbauteils mit dem Beton in Kontakt kommen. Als Stützstrukturen werden solche Strukturen verstanden, die sich im Bauteilinneren befinden (Infill) und/oder bei der Herstellung eines Betonbauteils nicht mit dem Beton in Kontakt kommen. Vorzugsweise weist die Mischeinheit einen Sensor zum Erfassen des Gasanteils des Wachs-Gas-Gemischs auf. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Mischeinheit in Abhängigkeit von Sensordaten zu steuern. Dabei kann insbesondere durch die Rückkopplung der Sensordaten eine Regelung der Mischeinheit erfolgen.
Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Schmelzeinheit zum Erhitzen des Wachses auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses zu steuern.
Vorzugsweise beträgt der vorgebbare Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch und/oder der tatsächliche Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch mindestens 10 Vol.-%, bevorzugt mindestens 20 Vol.-%. Vorzugsweise beträgt der vorgebbare Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch und/oder der tatsächliche Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch für die Fertigung von Stützstrukturen mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-%.
Vorzugsweise beträgt der vorgebbare Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch und/oder der tatsächliche Gasanteil in dem Wachs-Gas-Gemisch für die Fertigung von Konturoberflächen höchstens Vol. -40%, insbesondere höchstens 30 Vol.-%, besonders bevorzugt höchstens Vol. -20%.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wachsschalungs- Herstellvorrichtung zumindest ein Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung aufweist und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, (i) einen Bearbeitungspfad für eine spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung zu erfassen und (ii) das Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung zu steuern, sodass eine spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung erfolgt. Eine spanende Nachbearbeitung kann unter anderem durch Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen, Schneiden, Erodieren, Honen und/oder Läppen erfolgen. Als Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung können dazu unter anderem ein Fräser, ein Bohrer, eine Schleifscheibe, eine Reibahle oder dergleichen vorgesehen sein. Vorzugsweise wird durch die Nachbearbeitung eine Abweichung der Wachsschalung zu einem Soll-Modell verringert und/oder ein abweichendes Merkmal der Wachsschalung hinzugefügt und/oder verändert. Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine Betongussteilfertigungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Wachsschalungs- Herstellvorrichtung und einer Betonzuführvorrichtung zum Gießen von Beton in die Wachsschalung. Der Abstand der Wachsschalungs-Herstellvorrichtung zu der Betonzuführvorrichtung beträgt bevorzugt höchstens 10 km, besonders bevorzugt höchstens 1 km.
Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zur Herstellung einer Wachsschalung für den Betonguss mit den Schritten: (a) Temperieren des Wachses in einer Schmelzeinheit Soll-Temperatur, die über einer Erstarrungstemperatur des Wachses liegt, (b) Zumischen von Gas in das Wachs in einer Mischeinheit, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht, und (c) schichtweises Aufträgen des Wachs-Gas-Gemischs auf ein Substrat, sodass die Wachsschalung entsteht. Das schichtweise Aufträgen des Wachs-Gas-Gemischs auf das Substrat erfolgt bevorzugt automatisch. Unter Temperieren ist ein Erwärmen, ein Abkühlen oder eine Kombination von Erwärmen und Abkühlen zu verstehen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, das Wachs und/oder das Wachs-Gas-Gemisch zunächst in einer Schmelzeinheit auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses zu erhitzen und anschließend das Wachs und/oder das Wachs-Gas-Gemisch abzukühlen, wobei die Temperatur des Wachses und/oder die Temperatur des Wachs-Gas-Gemischs die Erstarrungstemperatur des Wachses nicht unterschreitet.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Zumischen von Füllstoffen, insbesondere mineralischen Füllstoffen in das Wachs und/oder in das Wachs-Gas-Gemisch.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Zumischen von Gas in das Wachs zeitgleich mit dem Temperieren des Wachses erfolgt. Zeitgleich bedeutet, dass an zumindest einem Zeitpunkt des Temperierens auch das Zumischen von Gas in das Wachs erfolgt. Bevorzugt erfolgt das Temperieren des Wachses an zumindest der Hälfte der Zeitpunkte, zu denen das Zumischen von Gas in das Wachs erfolgt. Alternativ oder ergänzend dazu kann das Zumischen von Gas auch vor und/oder nach dem Temperieren des Wachses erfolgen. Vorzugsweise umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt: Abschaben des Wachs-Gas-Gemischs von einer Temperierfläche der Mischeinheit mithilfe eines Abschabelements. Die Temperierfläche ist eine temperierte Fläche der Mischeinheit. Das Abschabelement dient zum Abschaben des Wachs-Gas-Gemischs von der Temperierfläche der Mischkammer und kann beispielsweise als Rührarm ausgeführt sein.
Bevorzugt liegt eine Auftrag-Temperatur des Wachs-Gas-Gemischs beim Aufträgen des Wachs-Gas-Gemischs auf das Substrat maximal 35 °C, vorzugsweise maximal 20 °C, besonders vorzugsweise maximal 10 °C, insbesondere bevorzugt maximal 5 °C, höchst vorzugsweise maximal 2 °C unter der Erstarrungstemperatur des Wachses. Durch eine Auftrag-Temperatur, die unter der Erstarrungstemperatur des Wachses liegt, wird gewährleistet, dass das Wachs-Gas-Gemisch eine ausreichende Festigkeit aufweist. Alternativ oder ergänzend dazu liegt die Auftrag-Temperatur des Wachs-Gas-Gemischs beim Aufträgen des Wachs-Gas-Gemischs auf das Substrat maximal 10 °C, bevorzugt maximal 5 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C über der Erstarrungstemperatur des Wachses. Eine Auftrag-Temperatur, die über der Erstarrungstemperatur des Wachses liegt, kann vorteilhaft sein, um insbesondere die Fließfähigkeit und/oder die Haftungseigenschaften des Wachs-Gas-Gemischs beim Aufträgen zu verbessern. Eine möglichst geringere Abweichung der Auftrag- Temperatur des Wachs-Gas-Gemischs zu der Erstarrungstemperatur des Wachses ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Schwindung des Wachs-Gas-Gemischs nach dem Aufträgen und damit auch der Verzug der Wachsschalung minimiert wird. Die Auftrag-Temperatur kann an verschiedenen Orten und/oder zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Werte annehmen, sodass die Auftrag-Temperatur insbesondere im Laufe des Fertigungsprozesses zeitweise über der Erstarrungstemperatur und zeitweise unter der Erstarrungstemperatur liegen kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt: spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung durch Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen, Schneiden, Erodieren, Honen und/oder Läppen. Vorzugsweise enthält ein Soll-Modell ein vorgegebenes Modell der Wachsschalung mit sämtlichen Merkmalen und Maßen und gegebenenfalls Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit bestimmter Oberflächen. Bevorzugt wird das Soll-Modell der Wachsschalung auf einem digitalen Speicher zur Verfügung gestellt. Der digitale Speicher kann eine Festplatte, ein USB-Stick, eine Speicherkarte, ein Server oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist eine Steuereinheit dazu eingerichtet, dieses Soll-Modell auszulesen und daraus einen Bewegungspfad für eine spanende Nachbearbeitung zu erstellen, sodass die Abweichung der Wachsschalung zu dem Soll-Modell verringert wird und/oder ein abweichendes Merkmal der Wachsschalung hinzugefügt und/oder verändert wird. Alternativ oder ergänzend dazu enthält das Soll-Modell selbst einen Bewegungspfad für eine spanende Nachbearbeitung. Abweichende Merkmale sind Merkmale, die die Wachsschalung vor der Nachbearbeitung von dem Soll-Modell unterscheiden, zum Beispiel Bohrungen, Gewinde, Passungen, maßliche Abweichungen oder vorgegebene Oberflächenbeschaffenheiten. Die spanende Nachbearbeitung kann auch zum Glätten einer Oberfläche, insbesondere einer Konturoberfläche dienen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die zusätzlichen Schritte: (a) Abkühlen der Wachsschalung auf eine Raumtemperatur und (b) Wärmebehandeln zumindest einer Oberfläche durch Tempern. Unter Raumtemperatur wird die Temperatur eines Raumes verstanden, in dem die Wachsschalung abkühlt. Vorzugsweise beträgt die Raumtemperatur mehr als 15 °C und weniger als 25 °C. Das Abkühlen kann sowohl aktiv als auch passiv erfolgen. Beispielsweise kann das Abkühlen an der Raumluft, in Wasser, in einem anderen Fluid und/oder durch Ventilatoren und/oder Kühlmittel unterstützt erfolgen. Unter Tempern wird verstanden, dass die Wachsschalung nach dem Abkühlen auf eine Temper-Temperatur erwärmt wird, die in etwa der Glasübergangstemperatur des Wachses entspricht. Dadurch wird die Kristallinität der Wachsschalung erhöht. Vorzugsweise beträgt die betragliche Abweichung der Temper-Temperatur von der Glasübergangstemperatur des Wachses höchstens 10 °C, bevorzugt höchstens 5 °C, besonders bevorzugt höchstens 2 °C.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht das Beschichten zumindest einer Oberfläche vor. Durch das Beschichten kann beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Härte der Wachsschalung verbessert werden. Dazu sind insbesondere Kunststoffbeschichtungen mit glasfaserverstärktem Kunststoff und/oder Polyurethan geeignet. Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Betonbauteils mit den Schritten: (a) Herstellen einer Wachsschalung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Wachsschalung für den Betonguss, und (b) Befüllen der Wachsschalung mit Beton, sodass ein Betonbauteil entsteht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht das Herausschmelzen eines Verdrängungskörpers der Wachsschalung aus dem Betonbauteil vor. Unter einem Verdrängungskörper wird eine Teilstruktur der Wachsschalung verstanden, die nach dem Betongießen im Wesentlichen innerhalb des Betonbauteils eingeschlossen ist.
Bevorzugt umfasst das Verfahren die weiteren Schritte: (a) Trennen der Wachsschalung von dem Betonbauteil, und (b) erneutes Befüllen der Wachsschalung mit Beton, sodass ein weiteres Betonbauteil entsteht. Vorzugsweise kann die Wachsschalung also zum Herstellen mehrerer Betonbauteile verwendet werden, die bevorzugt eine gleichbleibende Maßhaltigkeit aufweisen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Wachsschalung eingeschmolzen werden und/oder das Wachs der Wachsschalung als Ausgangsmaterial für die Fertigung einer neuen Wachsschalung verwendet werden. Diese neue Wachsschalung kann die gleiche Geometrie wie die bisherige Wachsschalung aufweisen oder eine andere. Es besteht auch die Möglichkeit bei der Fertigung einer Wachsschalung ein Wachs und/oder ein Wachsgemisch zu verwenden, das einen bestimmten Anteil an wiederverwertetem Wachs enthält. Wiederverwertetes Wachs ist Wachs, das bereits zuvor zum Herstellen einer Wachsschalung verwendet worden ist. Unter Trennen wird dabei das zerstörungsfreie Abnehmen der Wachsschalung oder eines Teiles der Wachsschalung von dem Betonbauteil verstanden.
Das oben beschreibende Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere auch zur Herstellung von Prototypen, Unikaten und/oder Kleinserien verwendet werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass Negative als Wachsschalung zur Herstellung von Prototypen, Unikaten und/oder Kleinserien hergestellt werden. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass mittels des Verfahrens und der Vorrichtung ein sogenanntes Negativ als Wachsschalung hergestellt wird. Dabei kann die Herstellung des Prototyps, Unikates und/oder Kleinserie basierend auf dem Negativ als Wachsschalung erfolgen. Das Verfahren eignet sich auch zur Herstellung von Prototypen im Maßstab 1 :1 als Positiv. Dies bedeutet, dass der Prototyp durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung direkt hergestellt wird. Besonders eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Prototypen im Maßstab 1 :1. Eine solche Prototypenfertigung kann insbesondere in den Gebieten der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Schiffs- und Bootsbau für einzelne Komponenten und dem Rumpfbau und/oder in der Verpackungsindustrie zur Schalung als Negativmodell für Pappmasche zum Einsatz kommen. Dabei ist die Aufzählung als nicht abschließend zu verstehen.
Ferner kann das oben beschreibende Verfahren und die Vorrichtung neben der Herstellung von Schalung für Betonbauteile auch für die Herstellung von Schalung von Elastomere, Lehm, Myzelien, Aerogele, Harze (Epoxidharz, Polyurethanharz, Polyesterharz), Silikonkautschuk, Gips, Kunststoffe, Keramik, Biopolymere, Bakterien Biozemente und/oder Pappmasche genutzt werden. Dabei ist die Aufzählung als nicht abschließend zu verstehen.
Ferner kann das oben beschreibende Verfahren und die Vorrichtung auch zur Herstellung von Reparaturteilen oder Ersatzteilen genutzt werden. Vorgesehen sein kann, dass das Verfahren und/oder die Vorrichtung in einem Handbetrieb genutzt werden. Dies bedeutet, dass zumindest die Düse manuell gesteuert wird.
Beispielsweise wird die Position der Düse manuell eingestellt. Denkbar ist auch, dass die Düse während dem Extrudieren des Wachs-Gas-Gemisches manuell bewegt wird und der zu applizierende Bereich manuell vorgegeben wird. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung und/oder das Verfahren auch zur Reparatur oder Ausbesserung von Fehlstellen genutzt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die auszubessernde Oberfläche nicht angelernt werden muss und basieren auf der Oberfläche eine abzufahrende Strecke vorgegeben werden muss. Insbesondere können Fehlstellen und/oder Abplatzungen der Wachsschalung dadurch ausgebessert werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Verdrängungseinheit aufweist. Die Verdrängungseinheit kann in einem Schritt, welcher entweder vor dem Extrudieren des Wachs-Gas-Gemisches oder während des Extrudierens des Wachs- Gas-Gemisches erfolgt in den zu druckenden Bereich einen Verdrängungskörper einbringen. Der Verdrängungsköper bewirkt, dass das in einem Raum, welcher durch den Verdrängungskörper gebildet wird, kein Wachs-Gas-Gemisch Extrudiert werden kann und/oder ein Ausdehnen des extrudierten Wachs-Gas-Gemisches in den Raum vermieden werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Verdrängungsköper entfernbar ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Verdrängungskörper durch Erhitzen entfernt werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Verdrängungskörper rückstandlos entfernt werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Verdrängungsköper bei Erhitzung verdampft und die dabei entstehenden Gase durch das den Beton beziehungsweise das Material, welches in das Wachsbauteil gegossen wird, diffundieren. Insbesondere ist vorgesehen, dass zunächst die Wachsform mit den Verdrängungskörpern gedruckt wird und anschließen das Material in die Wachsform gegossen wird. Vorgesehen sein kann, dass das Entfernen des Verdrängungsköpers und/oder der Verdrängungskörper nach dem Gießen des Materials in die Form erfolgt.
Dies hat den Vorteil, dass durch Einbringen von Verdrängungskörpern Material eingespart werden kann, da die Verdrängungskörper einen Hohlraum bilden. Darüber hinaus können die Verdrängungskörper auch so eingebracht werden, dass der Raum für Einbauteile, wie beispielsweise Leitungen, Stromkabel, Steckdosen oder ähnliches freigehalten wird. Dabei ist die Auszählung als nicht abschließend zu verstehen.
In der Kombination aus 3D-Druck Technologien und der Betonfertigteilindustrie können Verdrängungskörper aus dem Wachs-Gas-Gemisch gedruckt werden, die vor dem Beton-3D-Druck vorgefertigt werden oder im 3D-Druck-Verfahren gleichzeitig zum Beton-Druck ebenfalls gedruckt werden.
Diese Verdrängungskörper können in Betonbauteilen eingebracht werden, wo aus statischer Sicht kein Beton notwendig ist um Betonmaterial zu sparen.
In beiden Fällen wird das Wachs nach Möglichkeit aus dem Betonbauteil herausgeschmolzen, so dass ein Hohlraum entsteht, der dann für Einbauteile genutzt werden kann.
Das Entfernen kann beispielsweise durch Schmelzen erfolgen. Denkbar wäre auch, dass die Verdrängungskörper durch ein biologisch abbaubares Material gebildet sind. Vorgesehen sein kann auch, dass die Verdrängungskörper auch herausgeätzt werden. Denkbar wäre den Wachsschaum innerhalb eines Betonbauteils einzubringen um Schwingungen zu absorbieren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass innerhalb des Verdrängungskörper ein in dem Raum, welcher durch den Verdrängungskörper gebildet wird, ein weiterer Körper angeordnet ist. Dabei kann der Verdrängungskörper aus einem Material bestehen, welches Selektiv entfernt werden kann, sodass nur der Verdrängungskörper aber nicht der Schwingungskörper im Verdrängungskörper entfernt wird. Beispielsweise kann der Schwingungskörper im Verdrängungskörper aus Beton sein und/oder der Wachsschaum wird als Schwingungskörper zur Schwingungsabsorption im Betonbauteil gelassen. Der Schwingungskörper kann beispielsweise die Form einer Kugel aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Diese Schwingungskörper könnten insbesondere Schwingungen absorbieren. Denkbar wäre die Verwendung solcher Schwingungskörper in Bauteilen, welche in Erdbebengebieten zum Einsatz kommen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematisch Ansicht einer erfindungsgemäßen Wachsschalungs- Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Wachsschalung für den Betonguss,
Figur 2 eine schematische Ansicht eines Positioniersystems einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung mit einem Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung,
Figur 3 eine schematische Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer Mischeinheit in einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung und
Figur 4 eine schematische Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Mischeinheit in einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wachsschalungs- Herstellvorrichtung, die eine Schmelzeinheit 10, eine Mischeinheit 20, eine Düse 30 und ein Positioniersystem 50 aufweist. Die Schmelzeinheit 10 weist oberseitig einen Wachseinlass 11 auf, über den der Schmelzeinheit 10 Wachs zugeführt werden kann.
In der Schmelzeinheit 10 befindet sich ein nicht gezeigtes Heizelement, beispielsweise in Form einer Heizpatrone, eines Heizbandes, eines Wärmetauscher, eines Durchlauferhitzers, eines Heizmediums, eines Tauchsieders oder dergleichen. In der Schmelzeinheit 10 wird das Wachs auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses erhitzt. Anschließend wird es über einen Förderschlauch 110 zu der Mischeinheit 20 gefördert. Die Mischeinheit 20 weist einen Gaseinlass 26 auf, über den der Mischeinheit 20 ein Gas zugeführt werden kann. Das Gas kann ein Gas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, sein. In der Mischeinheit 20 wird das Gas in das Wachs eingemischt, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht.
Von der Mischeinheit 20 wird das Wachs-Gas-Gemisch über einen Förderschlauch 110 zu einer Fördervorrichtung 100 gefördert. Die Fördervorrichtung 100 kann als Pumpe, Extruder oder Verdichter ausgeführt sein. Von der Fördervorrichtung 100 wird das Wachs-Gas-Gemisch über einen weiteren Förderschlauch 1 10 zu einer Düse 30 gefördert. Durch die Düse wird das Wachs-Gas-Gemisch auf ein Substrat schichtweise aufgetragen, sodass eine Wachsschalung entsteht.
Vorgesehen sein kann auch, dass die Fördervorrichtung 100 zwischen dem Förderschlauch 110 und dem Gaseinlass 26 angeordnet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung 100 ein Teil der Mischeinheit 20 ist.
Das Substrat kann sowohl eine Grundplatte 120, abgelegtes Wachs-Gas-Gemisch 40 oder ein zu bedruckender Grundkörper sein. Die Düse 30 ist an einem Positioniersystem 50 angeordnet, das in der gezeigten Ausführungsform als Roboter ausgeführt ist. Das Positioniersystem 50 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Steuereinheit 60 auf, die dazu eingerichtet ist, das Positioniersystem 50 zum Positionieren der Düse 30 relativ zu dem Substrat zu steuern, sodass eine Wachsschalung entsteht. Die Steuereinheit 60 kann auch als separates Bauteil ausgeführt sein und mit dem Positioniersystem 50 über eine Steuerleitung oder Sender-Empfänger-Einrichtungen, die sowohl in der Steuereinheit 60 als auch in dem Positioniersystem 50 angeordnet sind und über Funk miteinander in Verbindung stehen, verbunden sein.
Die Steuereinheit 60 kann mit der Mischeinheit 20 verbunden sein, beispielsweise über eine Steuerleitung oder über Sender-Empfänger-Einrichtungen, die sowohl in der Steuereinheit 60 als auch in der Mischeinheit 20 angeordnet sind und über Funk miteinander in Verbindung stehen. Die Sender-Empfänger-Einrichtung der Mischeinheit 20 kann mit einem nicht gezeigten Sensor in der Mischeinheit 20 verbunden sein, der insbesondere einen Gasanteil des Wachs-Gas-Gemischs in der Mischeinheit 20 erfassen kann, und die Sensordaten des Sensors an die Steuereinheit 60 übermitteln.
Die Steuereinheit 60 kann in Abhängigkeit von den Sensordaten die Mischeinheit 20 ansteuern, sodass sich beim Einmischen von Gas in das Wachs ein Wachs-Gas- Gemisch mit einem Gasanteil bildet, der einem vorgebbaren Soll-Gasanteil entspricht. Die Steuereinheit 60 kann mit der Schmelzeinheit 10 verbunden sein und dazu eingerichtet sein, die Schmelzeinheit 10 zum Erhitzen des Wachses auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses zu steuern.
An der Düse ist eine Kühl- und Aufwärmvorrichtung 70 in Form eines mit Luft durchströmten Schlauches mit einer Austrittsöffnung angeordnet. Die Kühl- und Aufwärmvorrichtung 70 dient zum Abkühlen und/oder Aufwärmen von abgelegtem Wachs-Gas-Gemisch 40. Je nachdem ob ein Abkühlen oder ein Aufwärmen des abgelegten Wachs-Gas-Gemischs 40 erfolgen soll, wird die Kühl- und Aufwärmvorrichtung 70 mit kalter oder heißer Luft bespeist.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Positioniersystems 50. Das Positioniersystem 50 ist erneut als Roboter ausgeführt und weist eine Steuereinheit 60 auf. Auf einer Grundplatte 120 ist eine Wachsschalung 150 angeordnet. An dem Positioniersystem 50 ist ein Fräskopf 130 mit einem Werkzeugantrieb 140 und einem Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung 90 in Form eines Fräsers angeordnet. Anstelle eines Fräsers kann auch ein Bohrer, eine Reibahle oder dergleichen als Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung 90. Das Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung 90 wird durch den Werkzeugantrieb 140 angetrieben. Der Werkzeugantrieb 140 ist mit der Steuereinheit 60 über eine Steuerleitung oder Sender-Empfänger-Einrichtungen, die in der Steuereinheit 60 in dem Werkzeugantrieb 140 angeordnet sind und über Funk miteinander in Verbindung stehen, verbunden. Die Steuereinheit 60 ist dazu eingerichtet, einen Bearbeitungspfad für eine spanende Nachbearbeitung zu erfassen und das Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung 90 zu steuern, sodass eine spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung 150 erfolgt.
Zur Erfassung des Bearbeitungspfades kann die Steuereinheit 60 ein Soll-Modell der Wachsschalung 150 auslesen, das auch einem nicht gezeigten digitalen Speicher zur Verfügung gestellt wird. Das Soll-Modell enthält ein vorgegebenes Modell der Wachsschalung 150 mit sämtlichen Merkmalen und Maßen und gegebenenfalls Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit bestimmter Oberflächen der Wachsschalung 150. Durch die spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung 150 wird eine Abweichung der Wachsschalung 150 zu einem Soll-Modell verringert und/oder ein abweichendes Merkmal der Wachsschalung 150 hinzugefügt und/oder verändert.
Figur 3 zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer Mischeinheit 20 in einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung. Die Mischeinheit weist eine Mischkammer 21 auf, die in der gezeigten Ausführung rotationssymmetrisch ist und aus einem oberen zylindrischen Teil und einem unteren kegelförmig verjüngten Teil besteht. In dem oberen zylindrischen Teil ist eine Temperiervorrichtung 22 angeordnet, das die Mischkammer 21 umfänglich umschließt und eine Temperierfläche ausbildet, die ein Teil der Außenwand der Mischkammer 21 ist. Die Außenwand der Mischkammer 21 ist zugleich die Abschabwand. An der Oberseite der Mischammer 21 sind ein Einlass 24 und ein Gaseinlass 26 angeordnet. Der Einlass 24 und der Gaseinlass 26 können alternativ auch seitlich an der Mischkammer 21 angeordnet sein. Über den Einlass 24 wird der Mischkammer 21 Wachs oder bereits erhitztes Wachs zugeführt.
Ein Ventilator 160 ist strömungstechnisch mit dem Gaseinlass 26 verbunden und führt der Mischkammer 21 über den Gaseinlass 26 Gas zu. Alternativ zu einem Ventilator 160 kann auch ein Gasverdichter oder ein Druckbehälter mit einem komprimierten Gas vorgesehen sein.
Zentral in der Mischkammer ist eine Welle 27 angeordnet, die um eine Drehachse drehbar gelagert ist und über einen Mischmotor 28 angetrieben wird. An der Welle 27 ist eine Schmelzeinheit 10 mit mehreren Heizdrähten angeordnet. Die Schmelzeinheit 10 erhitzt das in die Mischkammer 21 eintretende Wachs auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses. Unterhalb der Schmelzeinheit 10 ist ein Mischelement 29 an der Welle 27 angeordnet. Das Mischelement 29 mischt bei einer Drehung der Welle 27 um die Drehachse das Gas in das Wachs ein, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht.
Unterhalb des Mischelements 29 ist ein Abschabelement 23 an der Welle angeordnet. Bei einer Drehung der Welle 27 um die Drehachse schabt das Abschabelement 23 das Wachs-Gas-Gemisch von der Außenwand der Mischkammer 21 . Dadurch wird das Wachs-Gas-Gemisch zu der Auslassdüse 25 befördert. Die Auslassdüse 25 ist in Strömungsrichtung hinter der Mischeinheit 20 angeordnet und an der Mischeinheit 20 befestigt. An der Auslassdüse 25 ist ein Ventil 170. Das Ventil 170 kann steuerbar sein und insbesondere von der Steuereinheit 60 angesteuert werden.
Figur 4 zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Mischeinheit 20 in einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung. Die Mischeinheit 20 ist hier als Extruder ausgeführt. Die Mischeinheit 20 weist eine Mischkammer 21 mit einem zylindrischen Teil und einem konischen Teil auf. In der Mischkammer 21 ist zentral eine Welle 27 in Form einer Extruderschnecke angeordnet. Die Welle 27 wird durch einen Mischmotor 28 angetrieben, der an der Welle 27 angeordnet ist.
In Strömungsrichtung hinter der Mischeinheit 20 ist eine Auslassdüse 25 angeordnet, die an der Mischeinheit 20 befestigt ist. An der der Auslassdüse 25 gegenüberliegenden Seite weist die Mischeinheit 20 oberseitig einen Einlass 24 und unterseitig einen Gaseinlass 26 auf. Alternativ kann der Einlass 24 seitlich oder unterseitig und/oder der Gaseinlass 26 oberseitig oder seitlich an der Mischeinheit angeordnet sein. Über den Einlass 24 wird der Mischkammer 21 Wachs oder bereits erhitztes Wachs zugeführt. Ein Ventilator 160 ist strömungstechnisch mit dem Gaseinlass 26 verbunden und führt der Mischkammer 21 über den Gaseinlass 26 Gas zu. Alternativ zu einem Ventilator 160 kann auch ein Gasverdichter oder ein Druckbehälter mit einem komprimierten Gas vorgesehen sein, über den der Mischkammer 21 Gas zugeführt wird.
An der Außenseite des Zylinders weist die Mischeinheit 20 zwei Temperiervorrichtungen 22 in Form von Heizbändern auf. Die Temperiervorrichtung 22 kann auch zugleich die Schmelzeinheit 10 ausbilden, sodass keine separate Schmelzeinheit erforderlich ist. Die Gewindesteigungen der als Extruderschnecke ausgeführten Welle 27 sind die Abschabelemente 23. Wenn die Welle 27 durch den Mischmotor 28 rotiert wird, schaben die Abschabelemente 23 das Wachs-Gas- Gemisch von der Außenwand der Mischkammer 21 ab und befördern es in Richtung der Auslassdüse 25. Die Außenwand der Mischkammer 21 ist also die Abschabwand.
Bezugszeichenliste
10 Schmelzeinheit
11 Wachseinlass
20 Mischeinheit
21 Mischkammer
22 Temperiervorrichtung
23 Abschabelement
24 Einlass
25 Auslassdüse
26 Gaseinlass
27 Welle
28 Mischmotor
29 Mischelement
30 Düse
40 abgelegtes Wachs-Gas-Gemisch
50 Positioniersystem
60 Steuereinheit
70 Kühl- und Aufwärmvorrichtung
90 Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung
100 Fördervorrichtung
110 Förderschlauch
120 Grundplatte
130 Fräskopf
140 Werkzeugantrieb
150 Wachsschalung
160 Ventilator
170 Ventil

Claims

Patentansprüche
1 . Wachsschalungs-Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Wachsschalung
(150) für den Betonguss mit
(a) einer Schmelzeinheit (10) zum Erhitzen des Wachses auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb einer Erstarrungstemperatur des Wachses,
(b) einer Mischeinheit (20), die ausgebildet ist zum Einmischen von Gas in das Wachs, sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht,
(c) einer Düse (30), die in Strömungsrichtung hinter der Mischeinheit (20) angeordnet ist und zum schichtweisen Aufträgen des Wachs-Gas- Gemischs auf ein Substrat ausgebildet ist,
(d) einem Positioniersystem (50) zum Positionieren der Düse (30) relativ zu dem Substrat und
(e) einer Steuereinheit (60), die eingerichtet ist, das Positioniersystem (50) zum Positionieren der Düse (30) relativ zu dem Substrat zu steuern, sodass die Wachsschalung (150) entsteht.
2. Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
(a) die Schmelzeinheit (10) in der Mischeinheit (20) oder in Strömungsrichtung vor der Mischeinheit (20) angeordnet ist und
(b) die Steuereinheit (60) zum Einstellen eines Massestroms der Düse (30) eingerichtet ist.
3. Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit (20)
(a) eine Mischkammer (21 ) mit einer Temperierfläche, (b) eine Temperiervorrichtung (22), die eingerichtet zum Temperieren der Temperierfläche auf eine Temperier-Temperatur, sodass das Wachs-Gas-Gemisch an der Temperierfläche der Mischkammer (21 ) temperiert wird, und
(c) ein Abschabelement (23) zum Abschaben des Wachs-Gas-Gemischs von einer Abschabwand der Mischkammer (21 ) und/oder von der Temperierfläche der Mischkammer (21 ) aufweist. Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
(a) einen Kühler, der angeordnet ist zum Kühlen von bereits abgelegtem Wachs-Gas-Gemisch (40) , und/oder
(b) eine Aufwärmvorrichtung, die angeordnet ist zum Aufwärmen von bereits abgelegtem Wachs-Gas-Gemisch (40),
(c) wobei die Mischeinheit (20) eingerichtet ist, dem Wachs einen vorgebaren Gasanteil beizumischen. Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten:
(a) Erfassen eines Soll-Gasanteils,
(b) Ansteuern der Mischeinheit (20), sodass sich beim Einmischen von Gas in das Wachs ein Wachs-Gas-Gemisch mit einem Gasanteil bildet, der dem Soll-Gasanteil entspricht. Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
(a) zumindest ein Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung (90),
(b) wobei die Steuereinheit (60) dazu eingerichtet ist,
(i) einen Bearbeitungspfad für eine spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung (150) zu erfassen und
(ii) das Werkzeug zur spanenden Nachbearbeitung (90) zu steuern, sodass eine spanende Nachbearbeitung der Wachsschalung (150) erfolgt. Betongussteilfertigungsanlage mit
(a) einer Wachsschalungs-Herstellvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, und
(b) einer Betonzuführvorrichtung zum Gießen von Beton in die Wachsschalung (150). Verfahren zum Herstellen einer Wachsschalung (150) für den Betonguss mit den Schritten:
(a) Temperieren des Wachses in einer Schmelzeinheit (10) auf eine Soll- Temperatur, die über einer Erstarrungstemperatur des Wachses liegt,
(b) Zumischen von Gas in das Wachs in einer Mischeinheit (20), sodass ein Wachs-Gas-Gemisch entsteht, und
(c) schichtweises Aufträgen des Wachs-Gas-Gemischs auf ein Substrat, sodass die Wachsschalung (150) entsteht. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) eine Auftrag-Temperatur des Wachs-Gas-Gemisches beim Aufträgen des Wachs-Gas-Gemisches auf das Substrat maximal 35 °C, vorzugsweise maximal 20 °C, besonders vorzugsweise maximal 10 °C, insbesondere bevorzugt maximal 5 °C, höchst vorzugsweise maximal 2 °C unter der Erstarrungstemperatur des Wachses und/oder maximal 10 °C, bevorzugt maximal 5 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C über der Erstarrungstemperatur des Wachses liegt. Verfahren zum Herstellen eines Betonbauteils mit den Schritten:
(a) Herstellen einer Wachsschalung (150) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, und
(b) Befüllen der Wachsschalung (150) mit Beton, sodass ein Betonbauteil entsteht.
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