Additive Fertigungsverfahren mit Feinbeton : Baupraktische Grundlagen und Entwicklungsbeispiele zu digitaler Planung, Betontechnologie und Verfahrenstechnik für die schichtweise und schwebende Feinbetonextrusion

Adams, Thomas Julian; Vollpracht, Anya; Brell-Cokcan, Sigrid

doi:42519

Additive Fertigungsverfahren mit Feinbeton : Baupraktische Grundlagen und Entwicklungsbeispiele zu digitaler Planung, Betontechnologie und Verfahrenstechnik für die schichtweise und schwebende Feinbetonextrusion = Additive manufacturing with fine concrete : practical construction principles and development examples of digital design, concrete technology and process engineering for layered and floating fine concrete extrusion

Adams, Thomas Julian^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Julian Adams, M.Sc. RWTH Aachen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH* ; Vollpracht, Anya (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07898
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/963718/files/963718.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Individualisierte Bauproduktion (211510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D Betondruck (frei) ; 3D concrete printing (frei) ; Baurobotik (frei) ; Betonrezepturen (frei) ; additive Fertigung mit Beton (frei) ; additive manufacturing (frei) ; building information modelling (frei) ; construction robotics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Beton ist der weltweit mit Abstand am meisten verwendete Baustoff und bestimmt aufgrund seiner reichlichen Verfügbarkeit, geringen Kosten und hervorragenden Dauerhaftigkeit maßgeblich die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit im Bauwesen. Konventionelle Betonbauverfahren sind vielseitig und ermöglichen bereits heute eine Vielzahl unterschiedlicher Betonbauteile durch Schalungs-, Spritz- oder Extrusionsverfahren. Individuelle und komplexe Betonbauteile sind jedoch nur eingeschränkt realisierbar und erfordern eine intensive, überwiegend manuelle Schalungsplanung und -herstellung. Die additive Fertigung mit Beton hat sich daher in den letzten zehn Jahren in Forschung und Entwicklung zu einem Megatrend im Bauwesen entwickelt. Getrieben von den zunehmenden Gestaltungsmöglichkeiten der digitalen Planung, der Verknappung von Personal- und Baustoffressourcen und den Potentialen in der Betonentwicklung durch leistungsfähige Zusatzmittel wurde eine Vielzahl von additiven Fertigungsverfahren für die CAD-gestützte und schalungslose Betonverarbeitung entwickelt. Insbesondere die additive Fertigung der Betonextrusion gilt als vielversprechend und wird bereits für den in-situ-Gebäudedruck auf Baustellen und in Fertigteilwerken eingesetzt. Sie verspricht Zeit- und Kostenersparnis, Gestaltungsfreiheit, Attraktivität für Arbeitnehmer und widerstandsfähige Gebäude und gilt als Impulsgeber der Digitalisierung und Automatisierung im Bauwesen. Aufbauend auf den baupraktischen Grundlagen werden in dieser Arbeit die Gestaltungsmöglichkeiten und Anwendungspotentiale der additiven Fertigung mit Beton hinsichtlich der drei Kernthemen untersucht: Betontechnologie, Verfahrenstechnik und digitale Planung. Dabei werden zwei Fertigungsansätze näher betrachtet: Die additive Fertigung mit Feinbeton in Schichten und schwebend in Stützsuspension. Für letzteren Ansatz wird ein neues Verfahrenskonzept zur dreidimensionalen Orientierung der Stränge in Kombination mit faserhaltigem Feinbeton vorgestellt. Für die Verfahren werden die Verfahrenseigenschaften und -ergebnisse ermittelt und im Hinblick auf architektonische, ökologische und ökonomische Anwendungspotentiale diskutiert. Das Ergebnis der additiven Fertigung mit Feinbeton in Schichten erweist sich, abgesehen von den architektonischen Vorteilen einer individualisierten, digital gesteuerten Fertigung von bogenförmigen Leichtbetonelementen, in den Material- und Verfahrenseigenschaften gegenüber konventionellen Betonbauweisen als nachteilig. Die verfahrensbedingten Steifigkeits- und Verarbeitungsanforderungen schränken den Einsatz von inerten Gesteinskörnungen und Recyclaten ein und die Feinbetone sind vergleichsweise bindemittellastig und damit CO2-intensiv und schwindempfindlich. Die anisotrope Festigkeit des Betons erfordert zusätzliche Bewehrung, um statisch relevante Biege- und Zugbeanspruchungen aufzunehmen. Die Integration der Bewehrung ist aufwändig und begrenzt die gestalterischen Vorzüge des Verfahrens. Die additive Fertigung in Suspension erweitert das Gestaltungspotential durch unbegrenzte Überhänge und die Stabilität der Feinbetonstränge im Raum. Sie bietet die Möglichkeit, filigrane und ultraleichte Fachwerkstrukturen aus Beton herzustellen, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich sind. Beim derzeitigen Entwicklungsstand beeinträchtigen jedoch Maßungenauigkeiten beim Extrudieren oder Suspensionsablagerungen zwischen den Kontaktstellen die Tragfähigkeit der Bauteile, die gegenüber der Berechnung der Idealgeometrie um ein Vielfaches geringer ist. Ein dynamischer Druckkopf in Kombination mit Faserzementpasten bietet dabei das Potential, durch eine Orientierung der Faserzementstränge die Formstabilität und Zugfestigkeit des Materials zu verbessern und somit die Formstabilität und Zugfestigkeit der Strukturen zu fördern. Anhand eines skalierten Prototyps wurde der grundsätzliche Einfluss der Düsenorientierung auf die Festigkeitseigenschaften und die Formstabilität der Stränge gezeigt und zukunftsweisende Anwendungsmöglichkeiten der additiven Fertigung dargestellt. Eine Übertragung auf konstruktive Anwendungen ist derzeit jedoch nicht möglich und erfordert grundlegende Festigkeitssteigerungen der Faserbetone sowie Maßnahmen zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung.

Concrete is by far the most widely used building material in the world and, due to its abundant availability, low cost and outstanding durability, is a major determinant of ecological and economic sustainability in the construction industry. Conventional concrete construction methods are versatile and already allow a large number of different concrete components to be produced using formwork, spraying or extrusion processes. However, individual and complex concrete components can only be realized to a limited extent and require intensive, predominantly manual formwork planning and production. Additive manufacturing with concrete has thus become a megatrend in the construction industry over the last ten years in research and development. Driven by the increasing design possibilities of digital planning, the shortage of labor and building materials, and the potentials in concrete development through powerful admixtures, a variety of additive manufacturing processes have been developed for CAD-supported and formwork-free concrete processing. In particular, additive manufacturing of concrete extrusion is considered promising and is already being used for in-situ construction printing on construction sites and in precast plants. It promises time and cost savings, design freedom, worker attractiveness, and resilient buildings, and is considered a driver of digitalization and automation in construction. Building on the fundamentals of construction practice, this thesis examines the design possibilities and application potentials of additive manufacturing with concrete with regard to the three core topics: Concrete technology, process engineering and digital design. Two manufacturing approaches are examined in more detail: Additive manufacturing with fine concrete in layers and floating in support suspension. For the latter approach, a new process concept for three-dimensional orientation of strands in combination with fibrous fine concrete is presented. For the processes, the process properties and results are determined and discussed with regard to architectural, ecological and economic application potentials. The result of additive manufacturing with layered fine concrete, apart from the architectural advantages of an individualized, digitally controlled production of arch-shaped lightweight concrete elements, proves to be deficient in material and process properties compared to conventional concrete construction methods. The process-related stiffness and processing requirements limit the use of inert aggregates and recyclates, and the fine concretes are comparatively binder-intense and thus CO2-intensive and sensitive to shrinkage. The anisotropic strength of the concrete requires additional reinforcement to accommodate statically relevant bending and tensile loads. The integration of reinforcement is costly and limits the design benefits of the process. Additive manufacturing in suspension expands the design potential by providing unlimited overhangs and stability of the fine concrete strands in space. It offers the possibility of producing filigree and ultra-lightweight truss structures from concrete that are not possible with conventional methods. At the current stage of development, however, dimensional inaccuracies during extrusion or suspension deposits between the contact points impair the load-bearing capacity of the components, which is many times lower than the calculation of the ideal geometry. In this context, a dynamic printhead in combination with fiber cement pastes offers the potential to improve the dimensional stability and tensile strength of the material by orienting the fiber cement strands, thus promoting the dimensional stability and tensile strength of the structures. A scaled prototype was used to demonstrate the fundamental influence of nozzle orientation on the strength properties and dimensional stability of the strands, and to illustrate forward-looking potential applications of additive manufacturing. However, a transfer to structural applications is currently not possible and requires fundamental strength increases of the fiber concretes as well as measures for non-destructive quality assurance.

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