Extrusion von düsennah gemischtem Beton - individuell gradiert in Rohdichte und 3D-Faserverstärkung
Entwicklung, Konstruktion und Validierung eines kontinuierlichen Mischsystems
Die Additive Fertigung in der Bauindustrie stellt eine der größten Veränderungen der letzten 50 Jahre dar. Zum einen steht hier die Effizienzsteigerung hinsichtlich benötigter Fertigungszeit, als auch die Steigerung der Ressourceneffizienz im Vordergrund. Der 3D-Betondruck ermöglicht im Gegensatz zu vollständig ausgefüllten Beton-Schalungsgüssen die Möglichkeit Material gezielt dort einzusetzen wo es auch benötigt wird. Zudem können durch die Verwendung kontinuierlicher Systeme welche verschiedene Betonarten durch die Anpassung der Mischungsverhältnisse erzeugt werden. Dadurch ist es nicht nur möglich die Materialmenge sondern auch die Eigenschaften des Betons punktuell zu steuern.
Bei den meisten heute verwendeten Beton-Extrusionsverfahren wird der Beton vorgemischt und mithilfe einer Pumpe in verhältnismäßig langen Schläuchen zur Austragungsdüse transportiert. Problematisch ist bei der Verwendung solcher Schläuche die komplizierte Reinigung, da sich ggf. verwendete Stahlfasern im Schlauch festsetzen. Zudem wirkt sich die auftretende Reibung im Schlauch negativ auf die Betoneigenschaften aus. So werden die ohnehin schon hohen Anforderungen an den Beton teilweise nicht erreicht. Zu solchen Anforderungen gehören beispielsweise eine langsame Aushärtung während des Pump-Prozesses was im Gegensatz zu einer verhältnismäßig schnellen Aushärtung nach der Ablage des Stranges steht. Da sich nur eine Betonmischung in der Pumpe befindet und es sich um ein diskontinuierliches System handelt, sind die Möglichkeiten von gradierten Betonsträngen schwer bzw. nicht realisierbar.
Das Ziel des Teilprojektes A03 (TRR 277) für den Lehrstuhl fml stellt die Bereitstellung eines (düsennahen) Mischsystems dar, welches in der Lage ist eine kontinuierliche Gradierung der Betoneigenschaften während des Druckes zu ermöglichen. Das aktuelle 3D-Druck System ist an einem 6-Achs-Knickarmroboter montiert. In den nächsten Schritten wird das System hinsichtlich der maximal druckbaren Tockenaggregatsgröße, Aggregatsdosierung und Extrusion optimiert.
Die Entwicklung und Konstruktion soll über eine theoretische Validierung durch Simulationen und Berechnungen und eine praktische Validierung durch Feldversuche anhand von zwei Prototypen erfolgen.
Nach der initialen Entwicklung des 1. Prototypen, wird dieser nun hin zur Nutzung von “Echtbetonen” (Sieblinie ≥ 8mm) optimiert. Des Weiteren wird sich auf die Dosierung der einzelnen Betonkomponenten und die mechanische Integration der Mehrstoffdosierung fokussiert, um die Genauigkeit und Umsetzbarkeit verschiedener Betonrezepturen zu gewährleisten. Zur weiteren Verbesserung der Systemintelligenz werden Sensoren und ein „Inline-Qualitätsmessgerät“ eingebaut und entwickelt. Diese Komponenten sollen ein Echtzeit-Feedback zu den Eigenschaften des extrudierten Betons liefern und es ermöglichen proaktive Anpassungen während des Prozesses einzusteuern, um Konsistenz und Qualität zu erhalten.
Zusammen mit Forschern des Centrums für Baustoffe und Materialprüfung (cbm) und des Lehrstuhls für Massivbau werden Rezepturen für diesen neuartigen Prozess entwickelt und validiert, sowie durch diesen Prozess gefertigte Bauteile analysiert.
Das Teilprojekt A03 wird als Sonderforschungsbereich Transregio (DFG-SFB TRR 277) durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.