Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung

Veröffentlichung Leichtbeton-3D-Druck

Additive Fertigung von multifunktionalen, monolithischen Wandelementen durch Extrusion von Leichtbeton

Titelseite: Leichtbeton-3D-Druck

Herausgeber: BBSR Reihe: BBSR-Online-Publikation Ausgabe: 05/2021 Erschienen: 2021 ISSN: 1868-0097 URN: urn:nbn:de:101:1-2021082510365404191835

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Gegenstand des Vorhabens der Forschungspartner TU München, HeidelbergCement, Züblin, Knauf PFT und Poraver war die Entwicklung eines neuartigen industriellen Bauverfahrens für die automatische und schalungsfreie Herstellung von individuell geformten Bauelementen aus unbewehrtem Leichtbeton.

Bei der vorgeschlagenen Lösung handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren („3D Druck“) in der Verfahrensvariante Extrusion. Aus den von einem Industrieroboter geführten Düsen wird das Material in schmalen Strängen ausgebracht; mehrere Stränge bilden eine Schicht des aus einer Vielzahl von Schichten bestehenden Bauteils. Das in dem Prozess zum Einsatz kommende Druckmaterial ist ein Leichtbeton mit Blähglasgranulat und einem speziell für den Druckprozess optimierten Zement. Die Eigenschaften des extrudierten Frischbetons werden auf Basis eines rheologischen Konzepts in Abhängigkeit der Druckgeschwindigkeit gesteuert.

Das Verfahren erlaubt die Ausbildung von Vor- und Rücksprüngen in der Bauteiloberfläche, sowie von filigranen Hohlraumstrukturen und Kanälen, welche für eine Gradierung und Funktionalisierung des Bauteilquerschnitts genutzt werden können. Hauptanwendungsgebiet der Technologie sind somit strukturell und bauphysikalisch optimierte, multifunktionale Außenwandelemente ohne zusätzliche Wärmedämmung.


Fachbetreuer
Steffen Kisseler, Brüggemann Kisseler Ingenieure
im Auftrag des BBSR, Referat WB 3 „Forschung im Bauwesen“

Autorinnen und Autoren
Technische Universität München
Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter

Dr.-Ing. Klaudius Henke
Daniel Talke, M.Sc.

Technische Universität München
Lehrstuhl für Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bauwesen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen

Dr.-Ing. Thomas Kränkel
Carla Matthäus, M.Sc.

Industriepartner
HeidelbergCement AG
Ed. Züblin AG
Knauf PFT GmbH & Co. KG
Dennert Poraver GmbH


Inhalt

  1. Einleitung
  2. Grundlagen Leichtbetonextrusion
    2.1 Grundlagen Leichtbeton
    2.2 Anforderungsprofil in der Leichtbetonextrusion
    2.3 Eingesetzte Materialien und Mischungszusammensetzung
    2.4 Methodik im Rahmen der Materialuntersuchungen
  3. Misch- und Fördertechnik
    3.1 Allgemeines
    3.2 Schneckenextruder
    3.3 Exzenterschneckenpumpe
  4. Materialuntersuchungen
    4.1 Entwicklung eines geeigneten Leichtbetons
    4.2 Pumpbarkeit
    4.3 Baubarkeit
    4.4 Formtreue
    4.5 Schichtenverbund
    4.6 Festbetoneigenschaften
    4.7 Überblick über die Materialeigenschaften für die Extrusion der Demonstratoren
  5. Raupengeometrie und Düsendesign
    5.1 Prozessvarianten
    5.2 Raupengeometrie
    5.3 Bauarten von Düsen
  6. Manipulatoren und Steuerung
    6.1 Allgemeines
    6.2 Deltadrucker
    6.3 Industrieroboter
  7. Bauteilfunktionalisierung und Schichtenlayout
    7.1 Bauteilfunktionalisierung
    7.2 Schichtenlayout
  8. Testobjekte und Demonstratoren
    8.1 Allgemeines zu Entwurf und Fertigung
    8.2 Testobjekte für Überhangversuche
    8.3 Testobjekte mit geschlossenen Zellen
    8.4 Verschraubter Pfeiler
    8.5 Wandelement mit sinusförmigen Extrusionspfaden
  9. Wirtschaftlichkeit
  10. Fazit, Ausblick
  11. Literaturverzeichnis
  12. Abbildungsverzeichnis
  13. Tabellenverzeichnis

Die Veröffentlichung ist ein Ergebnis des Projekts „Additive Fertigung von multifunktionalen, monolithischen Wandelementen durch Extrusion von Leichtbeton“.

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