Способ возведения бетонной стены, рабочий орган строительного 3d-принтера и стена бетонная

Группа изобретений относится к строительству и предназначена для изготовления строительных конструкций. Технический результат: повышение эффективности возведения стен здания из армированного бетона. Способ возведения бетонной стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом. Причем после экструзии по меньшей мере одного слоя пластичного раствора искусственного каменного материала, образующего внешний и внутренний слои стены, эти слои стены до отвержения экструдированного слоя соединяют гибким непрерывным армирующим тросом и закрепляют гибкий армирующий трос в этих слоях стены поочередным утапливанием его в по меньшей мере одном свежеэкструдированном слое раствора искусственного каменного материала, а образовавшуюся полость между внешней и внутренней сторонами заполняют теплоизолирующим материалом, затем процесс циклически повторяют. Также описаны рабочий орган строительного 3D принтера и бетонная стена, изготовленная вышеописанным способом. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 27 ил.

 

Группа изобретений относится к строительной отрасли и предназначена для изготовления строительных конструкций, в том числе для строительства жилых домов, зданий и сооружений различного назначения.

Известна многослойная бетонная стена, содержащая внешнюю и внутреннюю стенки, между которыми размещен утеплитель, причем внешняя и внутренняя стенки послойно соединены арматурными элементами, размещенными в плоскостях, перпендикулярных ограждающим поверхностям стены,. и арматурные элементы, расположенные в плоскостях стены. (Патент РФ на полезную модель №4313, МПК Е04В 2/84, публ. 16.06.1997)

Недостатком этого технического решения является недостаточная гибкость конструкции, так как связи выполнены в виде стержней. Кроме того, эта конструкция не предусматривает возможность изготовления стены строительным 3D-принтером.

Известен способ возведения стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного принтера пластичный раствор искусственного каменного материала на внешнюю и внутреннюю стороны стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней сторонами стены теплоизолирующим материалом. Однако этот способ реализуется отдельно устройством для изготовления бетонных стен - строительный 3D-принтер - робот 3D-печати ЕР 2610417 Мкл В29С 47/92; В29С 65/52; В29С 67/00; E04G 21/22, публ. 2013-07-03, содержащий мостовой кран, на балке которого размещен с возможностью горизонтального и вертикального перемещения рабочий орган, который содержит вертикально установленное сопло прямоугольного сечения подачи материала, выполненное с возможностью выдавливания материала через выпускное отверстие и захват для армирующего элемента и установки его в сооружаемую стену (экструдированный материал) в вертикальном положении роботизированное устройство для заполнения полости утеплителем (Патент US 2013295338 МПК В28В 19/003; В28В 19/004, публ. 2013-11-07).

Общим недостатком этих технических решений являются ограниченные функциональные возможности, так как устройства не позволяют осуществлять изготовление стен здания из армированного бетона, заполнять их утеплителем и выполнять черновую отделку сооружаемого объекта.

Технической задачей, на решение которой направлено предложение, является создание конструкции стены, способа возведения этой стены и рабочего органа строительного 3D-принтера, позволяющего эффективно осуществлять изготовление стен здания из армированного бетона и выполнять черновую отделку стен сооружаемого объекта одним строительным 3D-принтером.

Для решения этой технической задачи предлагается способ возведения бетонной стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом, после экструзии по меньшей мере одного слоя пластичного раствора искусственного каменного материала, образующего внешний и внутренний слои стены, эти слои стены до отвержения экструдированного слоя соединяют гибким непрерывным армирующим тросом и закрепляют гибкий армирующий трос в этих слоях стены поочередным утапливанием его в по меньшей мере одном свежеэкструдированном слое раствора искусственного каменного материала, а образовавшуюся полость между внешней и внутренней сторонами заполняют теплоизолирующим материалом, затем процесс циклически повторяют, гибкий армирующий трос во внешнем и внутреннем слоях стены может быть закреплен скобами и предварительно пропитан отверждающим составом.

Рабочий орган строительного 3D-принтера, используемого в способе возведения стены, установлен на поворотном столе с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, содержит узел сопла с выпускным отверстием прямоугольного сечения и узлы обработки сооружаемой стены, канал сопла выполнен с изгибом в сторону, противоположную направлению рабочего движения рабочего органа строительного 3D-принтера, а узлы обработки сооружаемой стены включают узел подачи арматуры с емкостью для клеящего состава арматуры и бобиноразмотчиком и по меньшей мере один узел затирки. Боковые стенки сопла могут быть выполнены прямоугольного П-образного сечения и шарнирно установлены на осях, перпендикулярных плоскостям верхней и нижней стенок сопла прямоугольного сечения и соединены с шарнирно-реечным механизмом перемещения с автономным приводом., а к соплу прикреплен по меньшей мере один эксцентриковый вибратор, ось которого перпендикулярна вертикальной плоскости симметрии сопла, в изгибе сопла может быть выполнено отверстие, сообщенное с шнековым уплотнителем или отверстие, сообщенное с плунжерным уплотнителем, а узел затирки содержит установленный на рычаге на горизонтальной оси затирочный диск, соединенный ременным приводом с электродвигателем, рычаг шарнирно прикреплен к основанию и через редуктор соединен с электромотором прижима, установленном на основании или установленный на рычаге на вертикальной оси затирочный цилиндр, соединенный ременным приводом с электродвигателем, рычаг шарнирно прикреплен к основанию и через редуктор соединен с электромотором прижима, установленном на основании, а узел подачи арматуры содержит установленную на вертикальных направляющих каретку с приводом перемещения, на которой закреплены вертикально установленная пустотелая игла, прижимной ролик, протяжной ролик с электроприводом и бачок пропитки арматуры клеящим составом, причем на каретке узла подачи арматуры может быть закреплен узел забивки якорных скоб, содержащий основание и установленный в вертикальных направляющих ударник с электроприводом и прикрепленный к основанию накопитель якорных скоб.

Стена бетонная, возведенная предлагаемым способом, содержит внешний и внутренний бетонные слои, образованные послойной укладкой через сопло строительного 3D-принтера пластичного раствора искусственного каменного материала и размещенный в полости между ними утеплитель, причем внешний и внутренний слои стены послойно соединены арматурой в виде гибкого непрерывного троса, размещенной в плоскостях, перпендикулярных ограждающим поверхностям стены и в плоскостях внешней и внутренней сторон стены внутри внешнего и внутреннего слоев стены, в которой гибкий трос выполнен металлическим или полимерным.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны неисключающие примеры выполнения предлагаемого рабочего органа строительного 3D-принтера, который позволяет возводить предлагаемую стену предлагаемым способом.

На фиг. 1 показан вариант комплексной компоновки рабочего оборудования строительного 3D-принтера, на фиг. 2. - нерегулируемая печатная головка прямоугольного сечения, на фиг. 3 и 4 - регулируемая печатная головка прямоугольного сечения, на фиг. 5 и 6 - печатная головка принтера с виброуплотнением смеси, на фиг. 7 и 8 - печатная головка принтера с подачей и уплотнением рабочей смеси плунжером, на фиг. 9 и 10 - печатная головка с подачей и уплотнением рабочей смеси шнеком, на фиг. 11 и 12 - узел подачи арматуры, на фиг 13 - бобиноразмотчик, на фиг. 14 и 15 - процесс армирования стен, на фиг 16 и 17 - пример глубокого многослойного армирования стен, на фиг. 18, 19, 20 - узел забивки якорных скоб, на фиг. 21 - якорная скоба, на фиг. 22 и 23 - дисковый узел затирки, на фиг 24 и 25 - барабанный узел затирки, на фиг 26 - пример процесса затирки стены дисковым узлом затирки, на фиг. 27 - пример компоновки строительного 3D-принтера.

На фигурах обозначено: поворотный стол 1, вертикальная ось 2 поворотного стола 1, узел 3 сопла с выпускным отверстием 4 прямоугольного сечения, узел 5 подачи арматуры, емкость 6 для клеящего состава, бобиноразмотчик 7 с армирующим шнуром 8. Боковые стенки 9 сопла шарнирно установлены на осях 10, перпендикулярных плоскостям верхней и нижней стенок сопла прямоугольного сечения и соединены с шарнирно-реечным механизмом 11 перемещения с автономным приводом 12, эксцентриковые вибраторы 13, электромотор 14, клиноременный привод 15 эксцентриковых вибраторов 13, изгиб 16 сопла, плунжер 17, мотор-редуктор 18, кривошипно-шатунный механизм 19 привода плунжера 17, шнек 20, мотор-редуктор 21 привода шнека 20 с реактивной штангой 22. Дисковый узел затирки (фиг. 22 и 23) содержит установленные на рычаге 23 на горизонтальной оси 24 затирочный диск 25, соединенный ременным приводом 26 с электродвигателем 27, рычаг 23 шарнирно прикреплен к основанию 28 и через червячный редуктор 29 соединен с электромотором 30 прижима, установленном на основании 28, балансирная пружина 31 уравновешивает вес дискового узла затирки, затирочный барабан 32 (фиг 24 и 25) соединен ременным приводом 33 с электродвигателем 34, рычаг 35 шарнирно прикреплен к основанию 36 и через червячный редуктор 37 соединен с электромотором 38 прижима, установленном на основании 36, балансирная пружина 39 уравновешивает вес затирочного узла с затирочным барабаном 32, узел подачи арматуры (фиг. 11 и 12) содержит вертикальные направляющие 40, каретку 41 с электродвигателем 42 с шарико-винтовым приводом 43 перемещения каретки 41, пустотелую иглу 44, прижимной ролик 45, протяжной ролик 46 с электроприводом 47, бачок 48, узел забивки якорных скоб (фиг. 18, 19, 20) содержит основание 49, направляющие 50, ударник 51 электропривод 52 ударника 51 и накопитель 53 якорных скоб, бобиноразмотчик (фиг 13) содержит раму 54; бобину 55 с арматурой; ползун 56 с дюзой 57, ходовой винт 58 перемещения ползуна 56; электромотор 59 привода ползуна 56, червячный редуктор 60 привода вращения бобины 55, электромотор 61 привода вращения бобины 55.

Рабочий орган строительного 3D-принтера может быть смонтирован на любом типе существующих платформ станков, таких как портальная, башенно-стреловая, дельта-видная, а также на базе роботизированных манипуляторов. Показан пример портальной схемы платформы (фиг. 27).Этот вариант компоновки позволяет использовать одну систему координат для процессов, не совмещенных во времени, выполняемых разными узлами рабочего органа. Все процессы выполняют соответствующие узлы, управление которыми осуществляет ЧПУ (не показано). Портал строительного робопринтера (фиг. 27) содержит штангу 62, рабочее оборудование строительного 3D-принтера (фиг. 1), верхний ригель 63; стойку 64; рельсовые балки 65; каретки 66 портала; каретку 67 штанги 62, мобильный силос 68; растворосмеситель 69, растворонасос 70, бетоновод 71. Позицией 72 обозначена сооружаемая стена.

Рабочий орган строительного 3D-принтера подвешен на штанге 62 и имеет возможность перемещения в трех плоскостях и поворота вокруг собственной вертикальной оси. Штанга 62, закрепленная на каретке 67, имеет возможность перемещаться вертикально и вдоль поперечной оси принтера по порталу. Портал имеет возможность вертикального перемещения, относительно стоек 64. Каретки 66 портала перемещают принтер вдоль продольной оси принтера по рельсовым балкам 65.

Устройство работает следующим образом:

Рабочая смесь для печати поступает к рабочему органу строительного 3D-принтера от растворонасоса 70 по бетоноводам 71. Процесс печати представляет собой экструзию рабочей смеси по заданным ЧПУ координатам.

Узел 3 сопла с выпускным нерегулируемым отверстием 4 прямоугольного сечения сопла позволяет создавать различную фактуру печатным конструкциям, или применяться для печати конструкций, не требующих технологически разной ширины печати, а узел 3 сопла с регулируемым выпускным отверстием 4 прямоугольного сечения (фиг. 3 и 4) позволяет программируемо производить печать рабочего слоя с разными размерами поперечного сечения.

По типу подачи в сопло рабочей смеси могут быть:

1. Прямая подача от растворонасоса 70 в сопло. Уплотнение смеси обеспечивается плавным сужением сечения сопла.

2. Подача с уплотнением смеси вибраторами 13. Уплотнение смеси обеспечивается плавным сужением сечения сопла, а также за счет вибрации. Печатная головка с виброуплотнением смеси показана на фиг. 5 и 6. Эксцентриковые вибраторы 13 через клиноременной привод 15 приводятся во вращение от электромотора 14.

3. Подача и уплотнение рабочей смеси с плунжерной подачей (фиг. 7 и 8). Рабочая смесь подается через бетоновод 71 и проталкивается плунжером 17 в сопло. Привод плунжера 17 обеспечивает мотор-редуктор 18 через кривошипно-шатунный механизм 19.

4. Подача и уплотнение рабочей смеси с шнековой подачей, (фиг. 9 и 10). Рабочая смесь подается через бетоновод 71 и проталкивается шнеком 20 в сопло. Привод шнека 20 осуществляет мотор-редуктор 21 с реактивной штангой 22.

Узел подачи арматуры (фиг. 11, 12) обеспечивает связи облицовочного и несущего слоев наружных стен, а также горизонтального армирования стен и работает следующим образом:

В качестве армирующего материала может использоваться стеклошнур с поперечным сечением 4-8 мм, пропитанный клеящим составом. Пропитка клеящим составом производится внутри бачка 48 Арматура подается из бобиноразмотчика 7 (фиг 13). В качестве армирующего материала могут применятся другие плетеные или вязаные тросы из ровинга, синтетических волокнистых материалов с пропиткой их клеящим составом или металлические тросы без пропитки.

Армирующий шнур 8 пропускают между прижимным роликом 45 и протяжным роликом 46 с электроприводом 47 через бачок 48 и пустотелую иглу 44. В бачок 48 подают клеящий состав из емкости 6. Опускают рабочий орган строительного 3D-принтера по штанге 62 до заглубления иглы 44 с армирующим шнуром 8 в пластичный слой свежеуложенного бетона Конец армирующего шнура 8 фиксируется в теле бетона. Затем поднимают рабочий орган строительного 3D-принтера по штанге 62 и перемещают в следующую точку фиксации, с одновременной подачей армирующего шнура 8 через прижимной ролик 45, протяжной ролик 46 с электроприводом 47 и иглу 44. Вновь опускают рабочий орган строительного 3D-принтера до заглубления иглой 44 армирующего шнура 8 в пластичный слой свежеуложенного бетона. Процесс армирования циклически повторяют, (фиг. 14, 15). По окончанию процесса армирования обрезают армирующий шнур 8. Процесс армирования происходит изолированно от других процессов (не совмещен во времени с другими процессами).

Якорные скобы (фиг. 21) предварительно устанавливают на накопитель 53 якорных скоб. Ударник 51 с электроприводом 42 в вертикальных направляющих 50 осуществляет забивку якорных скоб в пластичный слой свежеуложенного бетона.

Затирку стены из свежеуложенного бетона дисковым узлом затирки (фиг. 22 и 23) осуществляет затирочный диск 25, приводимый во вращение электродвигателем 27 через ременный привод 26. Прикрепленный шарнирно к основанию 28 рычаг 23 обеспечивает прижим, усилие которого создает электромотор 30 с редуктором 29.

Барабанный узел затирки (фиг 24 и 25) - работает аналогично: Затирочный барабан 32 приводимый во вращение электродвигателем 34 через ременный привод 33. Прикрепленный шарнирно к основанию 36 рычаг 35 обеспечивает прижим, усилие которого создает электромотор 38 с червячным редуктором 37.

Затирка может осуществляться как с одной, так и одновременно с двух сторон.

Технический результат предложения - эффективное изготовление стен здания из бетона с арматурой и черновой отделкой стен сооружаемого объекта.

Заявителем изготовлены и успешно испытаны опытные образцы предлагаемого рабочего органа строительного 3Д принтера.

Раскрытые выше конкретные примеры вариантов осуществления приведены для целей иллюстрирования и описания. Их не следует толковать как исчерпывающие или ограничивающие изобретения именно раскрытыми формами, при этом следует понимать, что возможны разнообразные модификации и изменения, следующие из раскрытой в настоящем описании идеи изобретений. Объем защиты определен пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.

1. Способ возведения бетонной стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом, отличающийся тем, что после экструзии по меньшей мере одного слоя пластичного раствора искусственного каменного материала, образующего внешний и внутренний слои стены, эти слои стены до отвержения экструдированного слоя соединяют гибким непрерывным армирующим тросом и закрепляют гибкий армирующий трос в этих слоях стены поочередным утапливанием его в по меньшей мере одном свежеэкструдированном слое раствора искусственного каменного материала, а образовавшуюся полость между внешней и внутренней сторонами заполняют теплоизолирующим материалом, затем процесс циклически повторяют.

2. Способ возведения стены по п. 1, отличающийся тем, что гибкий армирующий трос во внешнем и внутреннем слоях стены закрепляют скобами

3. Способ возведения стены по п. 1, отличающийся тем, что гибкий армирующий трос предварительно пропитывают отверждающим составом.

4. Рабочий орган строительного 3D-принтера, используемого в способе возведения стены по пп.1-3, установленный на поворотном столе с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, содержащий узел сопла с выпускным отверстием прямоугольного сечения и узлы обработки сооружаемой стены, характеризующийся тем, что канал сопла выполнен с изгибом в сторону, противоположную направлению рабочего движения рабочего органа строительного 3D-принтера, а узлы обработки сооружаемой стены включают узел подачи арматуры с емкостью для клеящего состава арматуры и бобиноразмотчиком и по меньшей мере один узел затирки.

5. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что боковые стенки сопла прямоугольного сечения выполнены П-образного сечения и шарнирно установлены на осях, перпендикулярных плоскостям верхней и нижней стенок сопла прямоугольного сечения и соединены с шарнирно-реечным механизмом перемещения с автономным приводом.

6. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что в нем к соплу прикреплен по меньшей мере один эксцентриковый вибратор, ось которого перпендикулярна вертикальной плоскости симметрии сопла.

7. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что в изгибе сопла выполнено отверстие, сообщенное с шнековым уплотнителем.

8. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что в изгибе сопла выполнено отверстие, сообщенное с плунжерным уплотнителем.

9. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что узел затирки содержит установленный на рычаге на горизонтальной оси затирочный диск, соединенный ременным приводом с электродвигателем, рычаг шарнирно прикреплен к основанию и через редуктор соединен с электромотором прижима, установленным на основании.

10. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что узел затирки содержит установленный на рычаге на вертикальной оси затирочный цилиндр, соединенный ременным приводом с электродвигателем, рычаг шарнирно прикреплен к основанию и через редуктор соединен с электромотором прижима, установленным на основании.

11. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что узел подачи арматуры содержит установленную на вертикальных направляющих каретку с приводом перемещения, на которой закреплены вертикально установленная пустотелая игла, прижимной ролик, протяжной ролик с электроприводом и бачок пропитки арматуры клеящим составом.

12. Рабочий орган строительного 3D-принтера по п. 4, отличающийся тем, что на каретке узла подачи арматуры закреплен узел забивки якорных скоб, содержащий основание и установленный в вертикальных направляющих ударник с электроприводом и прикрепленный к основанию накопитель якорных скоб.

13. Стена бетонная, возведенная способом по п. 1, характеризующаяся тем, что она содержит внешний и внутренний бетонные слои, образованные послойной укладкой через сопло строительного 3D-принтера пластичного раствора искусственного каменного материала и размещенный в полости между ними утеплитель, причем внешний и внутренний слои стены послойно соединены арматурой в виде гибкого непрерывного троса, размещенной в плоскостях, перпендикулярных ограждающим поверхностям стены и в плоскостях внешней и внутренней сторон стены внутри внешнего и внутреннего слоев стены.

14. Стена по п.13, отличающаяся тем, что гибкий трос выполнен металлическим.

15. Стена по п.13, отличающаяся тем, что гибкий трос выполнен полимерным.