PL238313B1

PL238313B1 - Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji i sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji

Info

Publication number: PL238313B1
Application number: PL427016A
Authority: PL
Inventors: Witold Wojciech Rządkowski; Michał Piotr Kowalik; Rafał Andrzej Perz; Karol Suprynowicz; Michał Wałdykowski
Original assignee: Rebuild Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2021-08-09
Also published as: WO2020052836A3; EA202190658A1; PL427016A1; EP3623129A2; EP3623129A3; EP3623129B1; WO2020052836A2; US20220055249A1

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy techniki zbrojenia konstrukcji wytwarzanych z wykorzystaniem betonu, zwłaszcza urządzeń do automatycznego zbrojenia, jak również sposobu zbrojenia konstrukcji, zwłaszcza z wykorzystaniem urządzenia według wynalazku.

W budownictwie zbrojenie konstrukcji betonowych jest wymagane ze względu na wielokrotnie niższą wytrzymałość betonu na rozciąganie w porównaniu do wytrzymałości na ściskanie. W elementach zginanych, takich jak stropy lub nadproża następuje zarówno ściskanie, jak i rozciąganie, co wymusza stosowanie zbrojenia. W związku z postępującą automatyzacją procesu wznoszenia budynków i budowli istnieje również uwarunkowana ekonomicznie potrzeba automatyzacji procesu układania zbrojenia.

W stanie techniki można odnaleźć różnego rodzaju urządzenia, które starają się zapewnić automatyzację pracy przy układaniu włókien zbrojących. Przykładowo, amerykańskie zgłoszenie US2018093373 A1 opisuje kompleksowe urządzenie do automatycznego wykonywania budynków i budowli. Składa się na nie dużych rozmiarów drukarka 3D, która jest przystosowana do kontrolowanego wylewania warstw betonu. Zbrojenia są według tego dokumentu układane z wykorzystaniem wieloosiowego, wielozadaniowego manipulatora, który jest w stanie umieszczać w wytwarzanej konstrukcji metalowe pręty i nawet je spawać ze sobą. Zaproponowany sposób zbrojenia z wykorzystaniem opisanego urządzenia jest jednak trudny do realizacji, gdyż urządzenie według tego wynalazku jest dużych rozmiarów, bardzo kosztowne i o ile może się nadawać do konstruowania dużych budowli, jak elektrownie, to nie jest odpowiednie do zastosowań w mniejszej skali, jak np. domy mieszkalne.

Dokument WO0151730 A1 proponuje z kolei nowego typu pręty zbrojeniowe, z włókien zatopionych w żywicy i uformowanych w różnego rodzaju kształty. Jednakże, dokument ten przewiduje podobne układanie prętów z nowych materiałów co dobrze znanych prętów metalowych, tj. utworzenie danej struktury zbrojącej (przestrzennej) a następnie zalanie jej betonem. Jest to o tyle niekorzystne, że wymaga ingerencji człowieka do wytworzenia przestrzennego zbrojenia, przez co nie umożliwia pełnej automatyzacji procesu tworzenia zbrojonego budynku.

Z kolei dokument WO2014153535 A2 opisuje przyrostowe tworzenie konstrukcji z wykorzystaniem włókien, które po połączeniu z termoplastyczną żywicą mogą służyć do tworzenia struktur 3D. Jednakże, dokument w ogóle nie rozważa zastosowania takich włókien w osnowie z żywicy do wzmacniania struktur z betonu i opisuje stosowanie żywic termoutwardzalnych, bez rozważenia korzyści ze stosowania żywic chemoutwardzalnych.

Z kolei zgłoszenie US2017028644 A1 opisuje sposób tworzenia in situ dwuskładnikowych kompozytów do celów tworzenia lekkich konstrukcji (części samolotów, łopat wiatraków). Jednakże, nie rozważa stosowania wytwarzanego kompozytu w powiązaniu z betonem, zaś kompozyt tylko dwuskładnikowy jest dalece niewystarczający jeśli chodzi o możliwość zapewnienia odpowiednich parametrów wytrzymałościowych i wiązania zbrojenia z betonem.

W publikacji „Experimental Exploration of Metal Cable as Reinforcement in 3D Printed Concrete” Freek P. Bos, Zeeshan Y. Ahmed, Evgeniy R. Jutinov, Theo A. M. Salet, Materials, 2017, która stanowi najbliższy stan techniki w stosunku do niniejszego wynalazku, zostały opisane próby wytwarzania przyrostowego konstrukcji z betonu, w których włókno zbrojące byłoby układane razem ze strugą betonu, w jej środku. Niestety, takie rozwiązanie nie jest odpowiednie, z uwagi na problem z właściwym ułożeniem zbrojenia - bardzo cienkie włókna okazują się za słabe, grubsze włókna mają tendencje do wysuwania się ze strugi betonu, zaś każdy typ włókna dąży do wyprostowania, co ogranicza możliwe do wytworzenia kształtu betonowych, zbrojonych tym sposobem struktur. Co więcej, umieszczenie włókna wewnątrz strugi betonu utrudnia powiązanie ze sobą włókien zbrojących, zmniejszając możliwą do uzyskania wytrzymałość całej zbrojonej konstrukcji.

Wobec powyższego wyraźnie widać iż brak jest w stanie techniki urządzeń, które umożliwiałyby szybkie, tanie i z wykorzystaniem urządzeń stosunkowo niewielkich rozmiarów, wytwarzanie in situ kompozytowych zbrojeń do konstrukcji betonowych i brak jest opisanych sposobów do uzyskania takiego zbrojenia.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji, zwłaszcza betonowych, posiadające:

- manipulator ze środkami do precyzyjnego przemieszczania go w przestrzeni,

- głowicę drukującą, umieszczoną na końcówce manipulatora,

PL 238 313 B1

- zasobnik włókna zbrojącego w postaci szpuli, znajdujący się na głowicy drukującej, gdzie zasobnik włókna zbrojącego jest połączony ze środkami do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji, posiadającymi rolki napędowe i nóż odcinający, charakteryzujące się tym, że posiada sycidło, umieszczone tak, że włókno zbrojące najpierw przechodzi przy nożu obcinającym a następnie przez sycidło, a także posiada dwa zasobniki z żywicą i utwardzaczem połączone z zespołem pomp i komorą mieszalnikową utwardzacza, przy czym ujście komory mieszalnikowej utwardzacza jest skierowane do sycidła.

Korzystnie, pomiędzy zasobnikiem włókna zbrojącego a rolkami napędowymi są umieszczone rolki prowadzące, które korzystnie mają osie obrotu prostopadłe do osi obrotu rolek napędowych.

Korzystnie, urządzenie posiada zbiornik kleju, pompę kleju i dyszę zespołu klejącego, przy czym dysza zespołu klejącego jest korzystnie zwrócona w tą samą stronę co ujście sycidła.

Korzystnie, na końcówce manipulatora umieszczona jest dysza nanosząca zaprawę betonową.

Korzystnie, urządzenie posiada środki do czyszczenia zespołu pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza i/albo dyszy zespołu klejącego, korzystnie przedmuchiwania lub płukania.

Korzystnie, urządzenie posiada moduł świecący, korzystnie skierowany w stronę ujścia włókna zbrojącego z sycidła.

Korzystnie, urządzenie posiada zespół posypujący układane zbrojenie kruszywem, korzystnie obejmujący podajnik wibracyjny.

Korzystnie, dysza nanosząca zaprawę betonową jest umieszczona z odstępem względem środków do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji i skonfigurowana tak, że miejsce wyjścia włókna zbrojeniowego ze środków do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji znajduje się w całości poza wylotem dyszy nanoszącej zaprawę betonową.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji charakteryzujący się tym, że z wykorzystaniem zdalnie sterowanego urządzenia realizuje się następujące kroki:

a) opuszcza się wiązkę włókna zbrojącego, aż do zetknięcia z powierzchnią elementu zbrojonego;

b) przytwierdza się wiązkę włókna zbrojącego, zwłaszcza jego koniec, do powierzchni zbrojonego elementu nanosząc niewielką ilość kleju, korzystnie szybkowiążą mgo;

c) wiązkę włókna zbrojącego obejmuje się sycidłem;

d) rozpoczyna się dostarczanie do sycidła mieszanki utwardzającej;

e) przemieszcza się głowicę drukującą, układając na zbrojonej powierzchni nasycane włókno zbrojące;

f) przecina się włókno zbrojące.

Korzystnie, sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według wynalazku jest realizowany za pomocą urządzenia według wynalazku, charakteryzujący się tym, że z wykorzystaniem zdalnie sterowanego urządzenia realizuje się następujące kroki:

a) opuszcza się wiązkę włókna zbrojącego, odwijanego z zasobnika, aż do zetknięcia z powierzchnią elementu zbrojonego;

b) przytwierdza się wiązkę włókna zbrojącego, zwłaszcza jego koniec, do powierzchni zbrojonego elementu nanosząc przy pomocy dyszy zespołu klejącego niewielką ilość kleju, korzystnie szybkowiążącego;

c) wiązkę włókna zbrojącego obejmuje się sycidłem;

d) rozpoczyna się dostarczanie do sycidła mieszanki utwardzającej z zasobników z żywicą i utwardzaczem z wykorzystaniem zespołu pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza;

e) przemieszcza się głowicę drukującą, zamocowaną na końcówce manipulatora, układając na zbrojonej powierzchni nasycane włókno zbrojące;

f) przecina się włókno zbrojące nożem.

Korzystnie, po przecięciu włókna zbrojącego według kroku f) realizuje się krok

g) pokrywa się koniec zbrojonego włókna klejem, zwłaszcza nanoszonym dyszą (9).

Korzystnie, podczas układania nasycanego włókna zbrojącego według kroku e) posypuje się pokryte żywicą i układane na powierzchni zbrojonego elementu włókno zbrojące kruszywem.

Korzystnie, formuje się żywicę w nieregularne kształty, miejscowo nadmiernie przesycając włókna zbrojące.

PL 238 313 B1

Korzystnie, w przypadku stosowania żywic fotoutwardzalnych, w trakcie realizacji kroku e) i/lub po odcięciu włókna zbrojącego według kroku f) naświetla się ułożone włókno zbrojące światłem, zwłaszcza światłem UV.

Korzystnie, przed rozpoczęciem zbrojenia powierzchni elementu wykonuje się na tej powierzchni wypustki, zwłaszcza poprzez wcześniejsze uformowanie tych wypustek z betonu i/lub umieszczenie w tej powierzchni kołków, zwłaszcza z metalu, tworzywa sztucznego, betonu lub gazobetonu, przy czym podczas realizacji kroku e) włókno zbrojące układa się na zbrojonej powierzchni dookoła przynajmniej niektórych z wypustek.

Korzystnie, po jedno- lub wielokrotnej realizacji kroków a)-f) i ew. kroku g) i wytworzeniu na powierzchni betonowego podłoża pierwszej warstwy zbrojenia, tworzy się słupki pomocnicze, po czym ponownie realizuje się kroki a)-f) i ew. g) sposobu, w trakcie których układa się drugą warstwę zbrojenia, której włókna zbrojące biegną zarówno po powierzchni betonowego podłoża jak i po powierzchni słupków pomocniczych, przy czym dodatkowo tworzy się spoiny klejowe pomiędzy włóknami zbrojącymi pierwszej warstwy zbrojenia i włóknami zbrojącymi drugiej warstwy zbrojenia.

Korzystnie, po ułożeniu drugiej warstwy zbrojenia ponownie realizuje się kroki a)-f) i ew. g) sposobu, w trakcie których układa się trzecią warstwę zbrojenia na szczycie słupków pomocniczych, przy czym w miejscach zetknięcia włókien zbrojących drugiej warstwy zbrojenia i trzeciej warstwy zbrojenia tworzy się spoiny klejowe.

Korzystnie, po ułożeniu drugiej warstwy zbrojenia zalewa się zbrojoną powierzchnię warstwą betonu aż do poziomu szczytu słupków pomocniczych.

Opis figur rysunku

Wynalazek zostanie opisany bardziej szczegółowo w nawiązaniu do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia przykładową konfigurację urządzenia do automatycznego zbrojenia konstrukcji,

Fig. 2 przedstawia przykładowe ułożenie włókna zbrojącego, zasadniczo płaskie, zaś

Fig. 3 przedstawia przykładowe przestrzenne ułożenie włókna zbrojącego.

Wykaz oznaczeń na figurach:

- końcówka manipulatora

- zasobnik na włókno zbrojące

- rolki prowadzące

- rolki napędowe

- nóż obcinający

- sycidło

- zasobniki z żywicą i utwardzaczem

- zespół pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza

- dysza zespołu klejącego

- sklejenie początku pręta zbrojeniowego

- pręt zbrojeniowy

- dysza nanosząca zaprawę betonową

- struktura betonowa

- betonowe wypustki

- mocowanie początku pręta zbrojeniowego

- pręt zbrojeniowy

- mocowanie zakończenia pręta (opcjonalne)

- podłoże betonowe (wydrukowane wcześniej)

- słupki pomocnicze (drukowane po pierwszej warstwie zbrojenia)

- wypełnienie betonem wolnej przestrzeni

- pierwsza warstwa zbrojenia (przed słupkami)

- spoina klejowa

- druga warstwa zbrojenia (po słupkach)

- trzecia warstwa zbrojenia (po wypełnieniu)

Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji posiada przede wszystkim głowicę drukującą, przedstawioną w przykładowej konfiguracji na Fig. 1, umieszczoną na końcówce manipulatora 1.

PL 238 313 B1

Manipulator został przedstawiony jako element zbliżony do typowej konstrukcji znanej w technice druku 3D, jako poruszający się po suwnicy, dzięki czemu umożliwiony jest ruch głowicy drukujących wzdłuż linii suwnicy. Z kolei suwnica może być przemieszczana w poziomie w kierunku poprzecznym do kierunku wzdłużnego suwnicy, jak również przemieszczana w pionie (unoszona/opuszczana). Konstrukcja wykorzystująca układ kilku suwnic jest odpowiednia dla urządzenia według wynalazku, ale równie dobrze można zamontować głowicę na ramieniu wieloosiowego robota, czy też na dowolnym innym znanym w stanie techniki urządzeniu do precyzyjnego przemieszczania głowicy w trzech kierunkach.

Wśród zobrazowanych na Fig. 1 elementów głowicy drukującej ważnym elementem jest zasobnik na włókno zbrojące 2. Zasobnik 2 został przestawiony w postaci szpuli z nawiniętym włóknem, która może się swobodnie obracać umożliwiając odwijanie włókna zbrojącego. Chociaż zasobnik 2 został przedstawiony w postaci okrągłej szpuli, to możliwe jest by był innego kształtu, np. graniastosłupa o przekroju sześciokątnym, ośmiokątnym itp.

Obok zasobnika na włókno zbrojące 2 znajdują się rolki prowadzące 3, które mogą mieć postać walców, korzystnie zwężonych w środku, by w miarę odwijania włókna z zasobnika 2 włókno zbrojące przechodziło w sposób stabilny pomiędzy rolkami prowadzącymi 3 a nie wysuwało się poza rolki prowadzące 3.

Obok (na Fig. 1 poniżej) rolek prowadzących 3 znajdują się rolki napędowe 4, które mają postać walców, korzystnie zwężonych w środku i które są napędzane silnikami elektrycznymi. Roli napędowe 4 mogą być wykonane z lub pokryte materiałem zwiększającym przyczepność rolek do włókna zbrojącego, jak również mogą być zamocowane blisko siebie, tak że prześwit pomiędzy rolkami napędowymi 4 jest mniejszy niż rozmiar poprzeczny włókna zbrojącego. Mocowanie rolek 4 może być „na stałe” lub z zapewnieniem pewnej amortyzacji, np. poprzez sprężyny, podkładki sprężynujące itp., by włókno zbrojące nie było niepotrzebnie zgniatane podczas przechodzenia pomiędzy rolkami napędowymi 4. Rolą rolek napędowych 4 jest kontrolowane przemieszczanie włókna zbrojącego, które pod wpływem ruchu rolek napędowych 4 jest odwijane z zasobnika 2 i przechodzi przez rolki prowadzące 3, po czym jest przesuwane obok noża obcinającego 5 w stronę sycidła 6.

Widoczny na Fig. 1 nóż obcinający 5 służy do przecinania włókna zbrojącego, np. w momencie zakończenia układania danej linii zbrojenia, i może mieć dowolną postać. Na Fig. 1 nóż 5 został przedstawiony jako element w postaci blaszki z otworem, gdzie otwór jest niewiele większy od włókna zbrojącego (na tyle tylko by włókno nie zadzierało się o blaszkę podczas przechodzenia obok noża), gdzie przy powierzchni blaszki znajduje się sterowane elektrycznie ostrze. Nóż 5 może mieć jednak dowolną inną postać, jak np. odwróconego stożka z ostrzem tnącym umieszczonym od dołu (gwarantując stabilną pozycję włókna zbrojącego po przecięciu) albo np. tulejki z ostrzem we wnętrzu tulejki (zwykłym prostym lub działającym jak przesłona w aparatach fotograficznych). Istotne jest, by ostrze noża obcinającego 5 było wykonane z materiału wystarczająco trwałego, by wytrzymywało wielokrotne cięcie włókna zbrojącego bez stępienia (np. żelazne ostrze jest nieodpowiednie do cięcia włókien z aramidu) - powinno być wykonane z np. ze stali narzędziowej, tytanu, węglika wolframu itp.

Obok noża obcinającego 5 znajduje się sycidło 6, w którym włókno zbrojące styka się z substancją nasycającą zbrojone włókno, zwłaszcza żywicą. Sycidło 6 może być dowolnym znanym w stanie techniki sycidłem do sycenia rowingu szklanego lub węglowego, albo może być konstrukcją wykorzystującą działanie siły ciążenia - wówczas ma wtedy postać lejka, podzielonego na dwie lub więcej części, korzystnie wykonanego z elastycznego materiału, np., kauczuku lub gumy silikonowej. Włókno zbrojące, pod wpływem rolek napędowych 4 jest przeciskane przez sycidło 6, dzięki czemu powierzchnia włókna zbrojącego zostaje pokryta żywicą podczas gdy nadmiar żywicy zostaje zebrany z włókna na zwężonej części sycidła 6.

Do sycidła 6 jest zbliżony wylot komory mieszalnikowej utwardzacza z przedstawionego na Fig. 1 zespołu pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza 8. Zespół 8 jest połą czony z zasobnikami z żywicą i utwardzaczem 7, korzystnie dwoma. Dzięki zastosowaniu dwóch różnych zasobników na żywicę i utwardzacz możliwe jest z jednej strony większe dopasowanie ostatecznego składu żywicy jaka wchodzi w kontakt z włóknem zbrojącym w sycidle 6 (poprzez planowanie czasu utwardzania, temperatury utwardzania, dozwolonej wilgotności, czy też nawet sposobu utwardzania zbrojenia - chemicznie, światłem UV itp.) jak również zwiększenie czasu przydatności substancji w zasobnikach 7 (jako że niektóre substancje oddzielnie mogą zachowywać swoje właściwości przez wiele dni, natomiast po zmieszaniu mogą zastygać w przeciągu minut). Zasobniki mogą być w postaci zbiorników na trwałe połączonych z głowicą (co wymagałoby regularnego czyszczenia, by za

PL 238 313 B1 pobiec ich zatkaniu) albo mogą mieć postać standardową, np. butelek, które po wyczerpaniu podlegają wymianie. Substancjami przechowywanymi w zasobnikach mogą być dowolne substancje spełniające ze sobą funkcję utwardzaczy o pożądanych właściwościach fizykochemicznych, korzystnie żywice akrylowe, epoksydowe czy fenolowe. Każdy z zasobników jest połączony przewodem z pompą, z których wychodzą przewody łączące się w komorze mieszalnikowej utwardzacza, która korzystnie jest mieszalnikiem labiryntowym.

Włókno zbrojące, po przejściu przez sycidło 6, jest już pokryte mieszanką utwardzającą i znajduje się blisko powierzchni, na której ma zostać ułożone i po zetknięciu z powierzchnią przyczepia się do niej i tworzy zaznaczony na Fig. 1 pręt zbrojeniowy 11. Taki pręt zbrojeniowy 11 może być układany w równoległych, bliskich siebie rzędach (jak to jest przedstawione na Fig. 1) lub tworzyć dowolne inne struktury czy wzory (zygzaki, siatkę, itd.).

Przedstawione na Fig. 1 urządzenie posiada również na głowicy dyszę zespołu klejącego 9, która jest wykorzystywana do przyklejenia początku włókna zbrojącego do powierzchni, na której ma zostać ułożone, oraz ewentualnie przytwierdzenia końca danej części włókna zbrojącego. Zespół klejący korzystnie posiada jeden albo dwa zasobniki (stosownie do stosowania kleju jedno- lub korzystnie dwuskładnikowego, zwłaszcza kleju szybkowiążącego) i - odpowiednio - jedną albo dwie pompy (np. perystaltyczne lub kawitacyjne). W przypadku stosowania kleju dwuskładnikowego dysza zespołu klejącego 9 poprzedzona jest komorą mieszającą, zwłaszcza labiryntową.

Alternatywnie, zamiast kleju można stosować tworzywo termoplastyczne, w głowica będzie składać się z podgrzewanej dyszy, zasobnika na tworzywo w postaci granulatu lub szpuli drutu, a także napędu wciskającego drut do rozgrzanej dyszy.

Dodatkowym elementem głowicy drukującej urządzenia według wynalazku może być dysza nanosząca zaprawę betonową 12. Zintegrowanie jej z głowicą nanoszącą zbrojenie może zapewnić pełną automatyzację wznoszenia zbrojonych konstrukcji z betonu jednym urządzeniem - naprzemiennie wówczas następują etapy nanoszenia warstwy betonu i wytworzenia zbrojenia. Co więcej, z uwagi na konieczność zapewnienia dużej precyzji manipulatora, na którego końcówce 1 jest umieszczona głowica do nanoszenia zbrojenia, zintegrowanie z głowicą nanoszącą zbrojenie dyszy 12 może zapewnić większą dokładność procesu nanoszenia kolejnych warstw betonu.

Oczywistym jest, że z uwagi na dużą dowolność konfiguracji kształtu głowicy drukującej jak i doboru materiałów (włókien zbrojących, kleju, utwardzacza) - możliwe jest wiele prostych modyfikacji głowicy urządzenia według wynalazku. Przykładowo, jeśli stosowane byłby żywice fotoutwardzalne, to korzystne byłoby umieszczenie na głowicy, w miejscu umożliwiającym skuteczne świecenie w stronę układanego zbrojenia, modułu świecącego, np. diody LED UV.

Opcjonalnie, w przypadku przesycania układanych włókien tworzywem termoplastycznym, głowica może posiadać dodatkową dyszę nawiewającą sprężone powietrze, do schładzania układanego zbrojenia. Korzystne może być stosowanie sprężonego powietrza o dodatkowo obniżonej temperaturze, np. poprzez zastosowanie rurki wirowej.

Również opcjonalnie, w przypadku przesycania włókien termoutwardzalnym, mogą one być utwardzane przez podgrzanie promiennikiem podczerwieni, promiennikiem światła z zakresu widzialnego, promiennikiem mikrofal, nawiewem gorącego powietrza, lub przez elektromagnetyczne wzbudzenie prądów wirowych w przypadku włókien przewodzących prąd.

W celu kontroli temperatury, zarówno dla spoiw termoutwardzalnych, termoplastycznych, jak i chemoutwardzalnych (w których przypadku prawidłowość i czas procesu utwardzania zależy od temperatury), proces ogrzewania lub chłodzenia może być przeprowadzany w sprzężeniu zwrotnym z kamerą termowizyjną lub bezkontaktowym czujnikiem temperatury.

Z kolei pod kątem doboru najbardziej odpowiednich składników do różnych zastosowań, korzystne może się okazać zastosowanie odpowiednich domieszek zmniejszających palność tworzywa wchodzącego w skład pręta zbrojeniowego 11, np. pochodne melaminy, polifosforan amonu, wodorotlenek glinu mieszany typowo w proporcji 1:1 z żywicą epoksydową, tetrabromobisphenol A (dla żywic epoksydowych), tritlenek diantymonu.

Co więcej, chociaż opisano i na Fig. 1 przedstawiono włókno zbrojące mieszane z utwardzaczem, to możliwe jest stosowanie włókna termoplastycznego, które również byłoby przechowywane na szpuli, ale następnie byłoby kierowane do podgrzewanej dyszy i tam uplastyczniane przed nałożeniem na zbrojoną powierzchnię.

Innym korzystnym dodatkowym modułem głowicy urządzenia według wynalazku jest zespół posypujący układane włókno kruszywem, np. szklanym, lub innym ziarnistym materiałem. Posypanie

PL 238 313 B1 układanego, jeszcze nie utwardzonego włókna, kruszywem zwiększa jego późniejszą przyczepność do betonu, którym włókno zostałoby później pokryte. Zespół posypujący kruszywem może być korzystnie w postaci dobrze znanych w stanie techniki podajników wibracyjnych, uruchamianych w odpowiednim momencie - zwłaszcza po ułożeniu wiązki zbrojenia i odcięciu włókna przez nóż 5. Koniecznym jest jednak, by kruszywo było nanoszone na włókno zbrojące przed utwardzeniem się włókna - by się przyczepiło jego powierzchni.

Dodatkowymi korzystnymi elementami urządzenia według wynalazku, nieprzedstawionymi na Fig. 1, są sprężarki/kanały doprowadzające sprężone powietrze i zasobniki rozpuszczalnika/ów wraz z pompami i przewodami doprowadzającymi. Podczas pracy urządzenia według wynalazku ani sycidło 6, ani mieszalniki utwardzacza/kleju nie pracują cały czas. Wobec tego, może wystąpić zasychanie substancji w sycidle czy mieszalnikach, czy nawet w przewodach przez które przepływają substancje. Dlatego też korzystnie urządzenie posiada dodatkowo sprężarkę/ki z przewodami podłączonymi do miejsc najbardziej narażonych na zatkanie, do okresowego przedmuchiwania. Opcjonalnie urządzenie może posiadać zespół/oły dozujące rozpuszczalnik/ki, do przepłukiwania miejsc najbardziej narażonych na zatkanie.

Proces czyszczenia elementów głowicy (zarówno przez powietrze jak i przez płukanie rozpuszczalnikiem) korzystnie odbywa się w poza miejscem tworzenia zbrojenia (gdy manipulator odsunie głowicę poza obszar pracy), tak by np. krople rozpuszczalnika nie osłabiły już wytworzonego zbrojenia.

Dzięki nakładaniu prętów w postaci nieutwardzonej, w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych, zwiększona zostaje adhezja pomiędzy podłożem a prętem zbrojeniowym, osiągnięta zostaje też swoboda kształtu zbrojenia, pozwalająca na zużycie mniejszej ilości materiału przy tych samych parametrach wytrzymałościowych.

Ponieważ w trakcie układania pręta zbrojącego tworzywo będące spoiwem może jeszcze być w stanie płynnym, układany pręt przykleja się do krzyżujących się z nim prętów ułożonych poprzednio. Rozwiązanie takie eliminuje konieczność wiązania włókien zbrojenia, które w przypadku zbrojeń tradycyjnych jest bardzo czasochłonne.

Proces układania zbrojenia, z wykorzystaniem urządzenia według wynalazku, rozpoczyna się od opuszczenia wiązki włókna zbrojącego do kontaktu z elementem zbrojonym za pomocą rolek napędowych 4, a następnie przytwierdzenia wiązki za pomocą niewielkiej ilości szybkowiążącego kleju, nanoszonego dyszą 9.

Po zamocowaniu wiązki włókna do elementu zbrojonego włókno jest obejmowanie sycidłem 6, zaś głowica jest przemieszczana za pomocą manipulatora, układając wiązkę przesyconego włókna na powierzchni elementu zbrojonego.

Po zakończeniu układania wiązki włókna, włókno zostaje przecięte przez nóż 5, po czym koniec ułożonego włókna może zostać dodatkowo pokryty klejem z dyszy 9.

Po nałożeniu zbrojenia jest ono zalewane betonem, lub pokrywane betonem za pomocą dyszy urządzenia budującego w technologii przyrostowej.

W celu zwiększenia przyczepności zbrojenia z mieszanką betonową można zastosować posypywanie jeszcze płynnego syciwa kruszywem, lub też formować żywicę w nieregularne kształty, poprzez miejscowe nadmierne przesycenie włóknień.

Innym znanym sposobem jest oplatanie głównej wiązki zbrojenia dodatkowym włóknem - uzyskana w ten sposób linia śrubowa na powierzchni włókna zwiększa jego przyczepność z mieszanką betonową. Zastosowanie takiego dodatkowo oplatanego włókna zbrojącego wiązałoby się z koniecznością rozbudowy urządzenia, przynajmniej przez dodanie dodatkowej szpuli dla wiązki oplatającej, środków prowadzących i gniazda w którym wiązka oplatająca byłaby stykana z włóknem zbrojącym - taka modyfikacja jest możliwa, zaś dla znawcy nie byłoby trudne dobranie odpowiednich elementów spośród już znanych urządzeń, prowadnic, itp.

Zastosowanie urządzenia w połączeniu z technologiami budowy przyrostowej pozwala też na utworzenie struktury pomocniczej, widocznej na Fig. 2. Na powierzchni struktury betonowej 21 zostały utworzone betonowe wypustki 22, wokół których układane włókno zostało owijane, tworząc pręt zbrojeniowy 24 o skomplikowanym wzorze, praktycznie niemożliwym do łatwego wytworzenia z wykorzystaniem tradycyjnych, metalowych prętów zbrojeniowych. Jednakże, dzięki urządzeniu według wynalazku, możliwe jest utworzenie takiej struktury i to z wykorzystaniem jednego, ciągłego włókna zbrojącego (jeden cykl mocowania włókna, układania, odcinania, ewentualnie klejenia końca włókna).

Zmiany kierunku zbrojenia oraz zapewnienie napięcia włókna może być realizowane za pomocą kołków umieszczanych w strukturze. Kołki mogą umieszczane za pomocą dedykowanej głowicy i być

PL 238 313 B1 wykonane z np. metalu, tworzywa sztucznego, betonu bądź gazo betonu. Mogą też być wykonywane in situ przez maszynę np. z mieszanki betonowej, bądź z pianek.

W przypadku wstępnego napinania włókna, konieczne może się okazać zastosowania sycidła o zwiększonej wytrzymałości (ponieważ jest to wówczas ostatni element z którego włókno wydostaje się na zbrojoną powierzchnię, toteż również byłby najbardziej obciążony) albo zastosowanie dodatkowego elementu, w postaci np. nieruchomego pierścienia, który by napinał włókno podczas tworzenia wstępnie napiętych układów zbrojenia.

Możliwe jest też uzyskanie przestrzennej struktury zbrojenia przez wykonanie betonowych nadbudówek przedstawionych na Fig. 3, na których powierzchnie nanoszone jest zbrojenie.

W przedstawionym przykładzie, w pełni wykorzystane zostają możliwości precyzyjnego tworzenia struktur technologiami przyrostowymi z betonu i swobodnego układania zbrojenia z wykorzystaniem urządzenia według wynalazku. Na wytworzonym uprzednio betonowym podłożu 30 najpierw układa się pierwszą, co do zasady płaską warstwę włókien zbrojących, tworząc pierwszą warstwę zbrojenia 33. Następnie, np. dyszą 12, wytwarza się słupki pomocnicze 31, przykrywając część pierwszej warstwy zbrojenia 33. Gdy słupki pomocnicze 31 są już wystarczająco zaschnięte/utwardzone, układa się drugą warstwę zbrojenia 35, która jest już strukturą przestrzenną - włókna tej warstwy układane są na podłożu betonowym 30, gdzie przynajmniej w niektórych miejscach są sklejane z pierwszą warstwą zbrojenia 33, zaś w miejscach gdzie występują słupki pomocnicze 31 - włókna warstwy 35 układane są na ich powierzchni (wznosząc się po ścianach, przechodząc na ich powierzchni, opadając po drugiej stronie znowu w kierunku podłoża 30), w miejscach przecięć opcjonalnie mogą być ze sobą dodatkowo wiązane np. przez kolejne spoiny klejone 34. Po wytworzeniu drugiej warstwy zbrojenia 35 podłoże 30 ze słupkami 31 zostaje zalane kolejną warstwą betonu, sięgającego mniej więcej do górnej granicy słupków 31 (tak, aby przynajmniej cześć drugiej warstwy zbrojenia 35 wystawała ponad poziom wypełnienia 32). Na tym etapie, możliwe jest ułożenie trzeciej warstwy zbrojenia 36, która w punktach styku z drugą warstwą zbrojenia 35 byłaby z nią łączona spoinami 34. Tym sposobem uzyskuje się strukturę zbrojenia, w którym dolna warstwa zbrojenia (pierwsza 33) jest trwale połączona z górną warstwą zbrojenia (36) poprzez pośrednią warstwę zbrojenia (drugą 35) z wykorzystaniem spoin 34.

Możliwych jest wiele innych sposobów tworzenia trójwymiarowych struktur zbrojących - np. poprzez zmianę kolejności opisanego powyżej schematu i najpierw wytworzenie trzeciej warstwy zbrojenia 36 przed wylaniem wypełnienia 32. W takim trybie postępowania włókna trzeciej warstwy zbrojenia 36 powinny najpierw zostać przymocowane do np. jednego ze słupków 31, po czym w stanie napiętym prowadzone aż do następnego słupka 31, gdzie byłyby wiązane z już obecnymi tam włóknami spoiną 34, itd. Korzystnie, maksymalna odległość pomiędzy kolejnymi słupkami 31, na których miałoby być zawieszane włókno zbrojące, jest mniejsza niż 1 m.

Korzystne materiały do układania zbrojeń, w wykorzystaniem urządzenia według wynalazku, to włókna szklane, węglowe, bazaltowe, aramidowe, diolenowe, lub inne, które mogę zostać następnie przesycone chemoutwardzalną mieszanką sycącą, tworzywem termoplastycznym, fotoutwardzalnym, lub termoutwardzalnym.

Urządzenie według wynalazku zostało opracowane między innymi z myślą o zastosowaniu jako komponent systemów do automatycznego wznoszenia budowli technikami addytywnymi.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji, zwłaszcza betonowych, posiadające: - manipulator ze środkami do precyzyjnego przemieszczania go w przestrzeni, - głowicę drukującą, umieszczoną na końcówce manipulatora,

- zasobnik włókna zbrojącego w postaci szpuli, znajdujący się na głowicy drukującej, gdzie zasobnik włókna zbrojącego (2) jest połączony ze środkami do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji, posiadającymi rolki napędowe (4) i nóż odcinający (5), znamienne tym, że posiada sycidło (6) umieszczone tak, że włókno zbrojące najpierw przechodzi przy nożu obcinającym (5) a następnie przez sycidło (6), a także posiada dwa zasobniki z żywicą i utwardzaczem (7) połączone z zespołem pomp i komorą mieszalnikową utwardzacza (8), przy czym ujście komory mieszalnikowej utwardzacza jest skierowane do sycidła.

PL 238 313 B1
2. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy zasobnikiem włókna zbrojącego (2) a rolkami napędowymi (4) są umieszczone rolki prowadzące (3), które korzystnie mają osie obrotu prostopadłe do osi obrotu rolek napędowych (4).
3. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że posiada zbiornik kleju, pompę kleju i dyszę zespołu klejącego (9), przy czym dysza zespołu klejącego (9) jest korzystnie zwrócona w tą samą stronę co ujście sycidła (6).
4. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienne tym, że na końcówce manipulatora umieszczona jest dysza nanosząca zaprawę betonową (12).
5. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że posiada środki do czyszczenia zespołu pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza (8) i/albo dyszy zespołu klejącego (9), korzystnie przedmuchiwania lub płukania.
6. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1, 3, 4 albo 5, znamienne tym, że posiada moduł świecący, korzystnie skierowany w stronę ujścia włókna zbrojącego z sycidła (6).
7. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 1, 3, 4, 5 albo 6, znamienne tym, że posiada zespół posypujący układane zbrojenie kruszywem, korzystnie obejmujący podajnik wibracyjny.
8. Urządzenie do automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 4, znamienne tym, że dysza nanosząca zaprawę betonową (12) jest umieszczona z odstępem względem środków do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji i skonfigurowana tak, że miejsce wyjścia włókna zbrojeniowego ze środków do układania włókna na powierzchni zbrojonej konstrukcji znajduje się w całości poza wylotem dyszy nanoszącej zaprawę betonową (12).
9. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji, znamienny tym, że z wykorzystaniem zdalnie sterowanego urządzenia realizuje się następujące kroki:

a) opuszcza się wiązkę włókna zbrojącego, aż do zetknięcia z powierzchnią elementu zbrojonego;

b) przytwierdza się wiązkę włókna zbrojącego, zwłaszcza jego koniec, do powierzchni zbrojonego elementu nanosząc niewielką ilość kleju, korzystnie szybkowiążącego;

c) wiązkę włókna zbrojącego obejmuje się sycidłem;

d) rozpoczyna się dostarczanie do sycidła mieszanki utwardzającej;

e) przemieszcza się głowicę drukującą, układając na zbrojonej powierzchni nasycane włókno zbrojące;

f) przecina się włókno zbrojące.
10. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, realizowany za pomocą urządzenia według któregokolwiek z poprzednich zastrz. od 3 do 8, znamienny tym, że z wykorzystaniem zdalnie sterowanego urządzenia realizuje się następujące kroki:

a) opuszcza się wiązkę włókna zbrojącego, odwijanego z zasobnika (2), aż do zetknięcia z powierzchnią elementu zbrojonego;

b) przytwierdza się wiązkę włókna zbrojącego, zwłaszcza jego koniec, do powierzchni zbrojonego elementu nanosząc przy pomocy dyszy zespołu klejącego (9) niewielką ilość kleju korzystnie szybkowiążącego;

c) wiązkę włókna zbrojącego obejmuje się sycidłem (6);

d) ozpoczyna się dostarczanie do sycidła (6) mieszanki utwardzającej z zasobników z żywicą i utwardzaczem (7) z wykorzystaniem zespołu pomp i komory mieszalnikowej utwardzacza (8);

e) przemieszcza się głowicę drukującą, zamocowaną na końcówce manipulatora (1), układając na zbrojonej powierzchni nasycane włókno zbrojące;

f) przecina się włókno zbrojące nożem (5).
11. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że po przecięciu włókna zbrojącego według kroku f) realizuje się krok

g) pokrywa się koniec zbrojonego włókna klejem, zwłaszcza nanoszonym dyszą (9).
12. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, 10 albo 11, znamienny tym, że podczas układania nasycanego włókna zbrojącego według kroku e) posypuje się pokryte żywicą i układane na powierzchni zbrojonego elementu włókno zbrojące kruszywem.

PL 238 313 B1
13. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, 10, 11 albo 12, znamienny tym, że formuje się żywicę w nieregularne kształty, miejscowo nadmiernie przesycając włókna zbrojące.
14. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, 10, 11, 12 albo 13, znamienny tym, że w przypadku stosowania żywic fotoutwardzalnych, w trakcie realizacji kroku e) i/lub po odcięciu włókna zbrojącego według kroku f) naświetla się ułożone włókno zbrojące światłem, zwłaszcza światłem UV.
15. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, 10, 11, 12, 13 albo 14, znamienny tym, że przed rozpoczęciem zbrojenia powierzchni elementu wykonuje się na tej powierzchni wypustki (22), zwłaszcza poprzez wcześniejsze uformowanie tych wypustek (22) z betonu i/lub umieszczenie w tej powierzchni kołków, zwłaszcza z metalu, tworzywa sztucznego, betonu lub gazobetonu, przy czym podczas realizacji kroku e) włókno zbrojące układa się na zbrojonej powierzchni dookoła przynajmniej niektórych z wypustek (22).
16. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 9, 10, 11, 12, 13 albo 14, znamienny tym, że po jedno lub wielokrotnej realizacji kroków a)-f) i ew. kroku g) i wytworzeniu na powierzchni betonowego podłoża (30) pierwszej warstwy zbrojenia (33), tworzy się słupki pomocnicze (31), po czym ponownie realizuje się kroki a)-f) i ew. g) sposobu, w trakcie których układa się drugą warstwę zbrojenia (35), której włókna zbrojące biegną zarówno po powierzchni betonowego podłoża (30) jak i po powierzchni słupków pomocniczych (31), przy czym dodatkowo tworzy się spoiny klejowe (34) pomiędzy włóknami zbrojącymi pierwszej warstwy zbrojenia (33) i włóknami zbrojącymi drugiej warstwy zbrojenia (35).
17. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 16, znamienny tym, że po ułożeniu drugiej warstwy zbrojenia (35) ponownie realizuje się kroki a)-f) i ew. g) sposobu, w trakcie których układa się trzecią warstwę zbrojenia (36) na szczycie słupków pomocniczych (31 ), przy czym w miejscach zetknięcia włókien zbrojących drugiej warstwy zbrojenia (35) i trzeciej warstwy zbrojenia (36) tworzy się spoiny klejowe (34).
18. Sposób automatycznego zbrojenia konstrukcji według zastrz. 16, znamienny tym, że po ułożeniu drugiej warstwy zbrojenia (35) zalewa się zbrojoną powierzchnię warstwą betonu aż do poziomu szczytu słupków pomocniczych (31).