Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Digitales Bauen – Großformatiger 3D-Druck mit Transportbeton

Die Bauindustrie steht vor massiven Herausforderungen, die sich aus geringer Produktivitätssteigerung und zunehmenden Fachkräftemangel ergeben. Die Digitalisierung und Automatisierung aller relevanten Vorgänge ist eine mögliche Lösung für die Bewältigung dieser dringenden Herausforderungen, wobei dem digitalen Bauen mit Beton eine Schlüsselposition zukommt.

Viele Arbeiten auf diesem Gebiet konzentrieren sich auf den Feinbetondruck, der aber als Ersatz des monolithischen Bauens vor Ort ungeeignet ist. Die dabei verwendeten Mischungen entsprechen nicht den gültigen Betonnormen und weisen die spezifischen Probleme feinkörniger Betone bzw. Mörtel auf. Für monolithische Bauweisen sollten normkonforme Betone mit üblichem Größtkorn und Zusammensetzung als Druckmedium Anwendung finden und im Vollformatdruck ausgetragen werden. Neben geringeren Materialkosten, höherer Produktivität und besserer Umweltverträglichkeit ermöglicht ein solcher Ansatz die Herstellung der äußeren Form und des statisch relevanten Querschnitts in einem Arbeitsgang. Das ist ein wichtiger Vorteil zum Feinbetondruck, bei dem zunächst nur die Konturen gedruckt wird, die dann im zweiten Gang mit Beton zu füllen ist.

Der Einsatz modifizierter Autobetonpumpen als Großformatdrucker kann den Nachteil begrenzter Arbeitsräume von üblichen Handlingsystemen mit häufigen Standortwechseln umgehen.

Das Ziel des beantragten Vorhabens ist die Schaffung des wissenschaftlich-technischen Rahmens für die Anwendung eines den heutigen Regelwerken weitestgehend entsprechenden Transportbetons für den großformatigen 3D-Druck. Die zentralen Ansätze sind:

- die Entwicklung von technologiekonformen Lösungsansätzen zur Herstellung, Förderung und Einbau von Betonen für die 3D-Druck-Bauweise

- die Erarbeitung praxistauglicher Vorgehensweisen zur Festlegung, Einstellung und Prüfung der Materialeigenschaften von frischem und erhärtendem Beton für den Beton-3D-Druck

- die Vorbereitung von technologiefördernden, normativen Anpassungen

Ergebniszusammenfassung:

Ergebnisse:

FE 1 - IfB

- Methodik für den Mischungsentwurf von Transportbeton mit Größtkorn 16 mm für den 3D-Druck unter Einhaltung aktueller Regelwerke

- Digitales Werkzeuges zur Formulierung von Betonzusammensetzungen mit optimierter Packungsdichte

- Entwicklung und Erprobung von robusten Messverfahren zur Überwachung der Frischbetoneigenschaften während der Teilprozesse "Fördern", "Ausformung und Ablage"

FE 2 - PBM

- Entwicklung und Erprobung eines Druckkopfes mit verschiedenen Teilfunktionen (Aufnehmen/Speichern, Fördern, Um-/ Ausformung, Ablage) und deren Überwachung/Regelung

- Erforschung grundlegender Zusammenhänge zwischen Konfiguration des Druckkopfes und Frischbetonverhalten beim Druck und der Ablage

- numerisch gestützte Nachweise zur Konzeptionierung einer Autobetonpumpe beim Beton-3D-Druck

Anwendungsmöglichkeiten:

FE 1 - IfB

- Einführung markt- bzw. handelsüblicher 3D-druckfähiger Transportbetone, da:

- digitales Betonentwurfswerkzeug zur Herstellung von Transportbeton zum Beton-3D-Druck entsprechend geltender Regelwerke vorhanden ist

- Kostenstruktur und Umweltbilanz nur geringfügig über den konventioneller Betone liegen

FE 2 - PBM

- Basis zur Weiterentwicklung oder Eigenentwicklung eines Prototyps für den Beton-3D-Druck, da:

- Grundsätzlicher Nachweis von Pumpbarkeit des Betons und Standsicherheit mit einer angepassten Autobetonpumpe, sodass die Kosten des Maschineneinsatzes sinken

- Bereitstellung eines Prototyps des Druckkopfes sowie Handlungsempfehlungen bei der Auslegung und dem Anlagenbetrieb, erlauben die zügige und effiziente Entwicklung

- Inline-Messtechnik zur Überwachung/(Teil)Automatisierung) des Druckprozesses mit Transportbeton, zur Gewährleistung eines störungsfreien Bauprozesses als Grundlage für die erfolgreiche Implementierung von 3D-Druckprozessen