Gehlen/Winter

Projektinformationen

Additive Fertigung frei geformter, bewehrter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen

Antragsteller 1 | Applicant 1: Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen
TU München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm), Franz-Langinger-Straße 10, 81245 München
+49 89 0289 27061 | gehlen@tum.de | www.bgu.tum.de/cbm

Antragsteller 2 | Applicant 2: Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter
TU München, Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion (hb), Arcisstraße 21, 80333 München
 +49 89 289 22416 | winter@tum.de | www.bgu.tum.de/hb

Projektnummer | Project number: 257344691
Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: 01.10.2014–31.12.2017
Team | Team: Daniel Talke (hb), Daniel Weger (cbm), Klaudius Henke (hb), Dirk Lowke (cbm)

Kurzvorstellung

Bionisch inspirierte, formoptimierte Konstruktionselemente können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren oft nur mit großem Aufwand hergestellt werden. Hier bieten additive Fertigungsverfahren, z. B. 3D-Drucken, mit der ihnen eigenen großen geometrischen Freiheit eine vielversprechende Alternative. Während jedoch die additiven Fertigungsverfahren heute in vielen Bereichen der Produktion zum Stand der Technik gezählt werden können, wurde ihr Einsatz im Bauwesen bislang nur in wenigen Forschungsprojekten thematisiert. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, einen neuen Weg für den Einsatz der additiven Fertigungsverfahren beim Bauen mit Beton zu zeigen.

Hierbei sollen insbesondere die Grundlagen für ein Verfahren zur Herstellung von frei geformten Betonbauteilen und die dafür geeigneten Werkstoffe geschaffen werden. Bei dem vorgeschlagenen Fertigungsverfahren Selektives Binden handelt es sich um ein Verfahren des 3D-Druckens im engeren Sinn, bei dem dünne Schichten eines schüttbaren Materials durch lokales Einbringen eines fließfähigen Materials selektiv gebunden werden, so dass Schicht für Schicht der zuvor am Computer modellierte Festkörper entsteht. Es sollen zwei Verfahrensvarianten untersucht werden:

• a) Beim Selektiven Zementleimeintrag werden zur Herstellung des Betonbauteils Schichten aus feiner Gesteinskörnung ausgebracht und durch gezieltes Einbringen eines Bindemittelleims selektiv gebunden.
• b) Bei der Selektiven Zementaktivierung wird ein Gemisch von Gesteinskörnung und Bindemittelpulver ausgebracht und der Hydratationsprozess durch Einbringen von Wasser aktiviert.

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Bei den bekannten Forschungsarbeiten zur additiven Fertigung von Bauteilen aus Beton kamen bisher nur Extrusionsverfahren zum Einsatz. Diese haben den erheblichen Nachteil, dass Überhänge nur bedingt machbar sind, was die geometrische Freiheit stark einschränkt. Bei dem einen bekannten Projekt zum Einsatz des selektiven Bindens zur Fertigung von Konstruktionselementen kommt als Bindemittel kein Portlandzement zum Einsatz. Jedoch gerade letzteres Verfahren hat aufgrund der damit erzielbaren geometrischen Freiheit großes Potential für einen Einsatz im Bauwesen.

Um zusätzlich an den enormen Erfahrungsschatz im Betonbau hinsichtlich Festigkeits-, Verformungs- und Dauerhaftigkeitseigenschaften anknüpfen zu können und die Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien sicherzustellen, sollen im geplanten Forschungsvorhaben übliche Zemente auf Calciumsilikatbasis als Bindemittel verwendet werden. Die prinzipielle Machbarkeit des gewählten Ansatzes wurde in Vorversuchen der Antragsteller nachgewiesen. Weitere grundlegende Forschungsarbeiten sind jedoch erforderlich, um mit dem Verfahren des selektiven Bindens frei geformte Bauteile aus Beton mit hoher Auflösung, Formtreue, Festigkeit und Dauerhaftigkeit bei großer Baugeschwindigkeit realisieren zu können.

Im Jahr 2016 konnten bereits mit beiden Verfahren sehr gute Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit und Formtreue erzielt werden. Unter anderem war es möglich, Festigkeiten im Bereich von Normalbeton zu erreichen. Des Weiteren wurden erste Demonstratoren erstellt, die auf der BAU 2017 auf dem Stand des Betoninformationszentrums vorgestellt wurden und große positive Resonanz des Fachpublikums hervorriefen. Im Zuge der Messe wurde ein Film gedreht, der unter anderem die Forschungsaktivitäten in der additiven Fertigung an der TUM im Bereich des SPP vorstellt. Dieser Film ist auf dem YouTube-Kanal der TUM (unter folgendem Link zum Film) zu sehen.

© Daniel Weger | hb TUM

Publikationen

• Lowke, D.; Weger, D.; Henke, K.; Talke, D.; Winter, S.; Gehlen, C.: 3D-Drucken von Betonbauteilen durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen – Erste Ergebnisse zu betontechnologischen und verfahrenstechnischen Einflüssen. In: Ludwig, H. M. (Hrsg.): Tagungsband der 19. Int. Baustofftagung ibausil, 16.–18.09.2015 in Weimar, Weimar: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, 2015, Beitrag 20-10, S. 1-1113–1-1120
• Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.: 3D Printing of Concrete Structures with Calcium Silicate based Cements using the Selective Binding Method – Effects of Concrete Technology on Penetration Depth of Cement Paste. In: Fehling, E.; Middendorf, B.; Thiemicke, J. (Hrsg.): Proc. of Hipermat 2016 – 4th Int. Symposium on Ultra-High Performance Concrete and High Performance Construction Materials, 09.–11.03.2016 in Kassel, erschienen in Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Heft 27, Kassel: kassel university press, 2016, S. 193–202
• Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.: 3D printing of concrete structures using the selective binding method – Effect of concrete technology on contour precision and compressive strength. In: Maekawa, K.; Kasuga, A.; Yamazaki, J. (Hrsg.): Proc. of 11th Int. fib PhD Symp. in Civil Engineering, 29.–31.08.2016 in Tokio (Japan), 2016, S. 403–410
• Henke, K.; Talke, D.; Winter, S.: Multifunctional Concrete – Additive Manufacturing by the Use of Lightweight Concrete. In: Bögle, A.; Grohmann, M. (Hrsg.): Interfaces: architecture.engineering.science – Proc. of the IASS Annual Symp. 2017, 25.–28.09.2017 in Hamburg, Hamburg: HCU und IASS, 2017, Beitrag Nr. 10133, Book of Abstracts: S. 85, Langfassung auf USB-Stick, 9 S.
• Pierre, A.; Weger, D.; Perrot, A.; Lowke, D.: Penetration of cement pastes into sand packings during 3D printing: Analytical and experimental study. Materials and Structures 51 (2018) 22, 12 S. – DOI: 10.1617/s11527-018-1148-5.
• Lowke, D.; Dini, E.; Perrot, A.; Weger, D.; Gehlen, C.; Dillenburger, B.: Particle-bed 3D printing in concrete construction – possibilities and challenges. Cement and Concrete Research 112 (2018) – Special Issue (SI): Digital Concrete 2018, S. 50–65 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.018
• Weger, D.; Gehlen, C.; Lowke, D.: Additive Fertigung von Betonbauteilen durch selektive Zementleim-Intrusion. In: Ludwig, H. M. (Hrsg.): Tagungsband der 20. Int. Baustofftagung ibausil, 12.–14.09.2018 in Weimar, Weimar: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, 2018, S. 1-1–1-16
• Lowke, D: Partikelbett 3D-Drucktechniken für den Betonbau – Möglichkeiten und Herausforderungen. In: Ludwig, H. M. (Hrsg.): Tagungsband der 20. Int. Baustofftagung ibausil, 12.–14.09.2018 in Weimar, Weimar: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, 2018, S. 1-257–1-269
• Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.; Talke, D.; Henke, K.: Additive manufacturing of concrete elements using selective cement paste intrusion – Effect of layer orientation on strength and durability. In: Wangler, T.; Flatt, R. J. (Hrsg.): Proc. of 1st Int. Conf. on Concrete and Digital Fabrication – Digital Concrete (ICCDF) 2018, 10.–12.09.2018 in Zürich (Schweiz), 2018, extended abstract (auf USB-Stick)
• Weger, D.; Gehlen, C.; Lowke, D.: 3D-Betondrucken – Stand der Forschung an der TUM. In: Fischer, O.; Gehlen, C.; Große, Ch.; Heinz, D. (Hrsg.): Beiträge zur 6. DAfStb-Jahrestagung mit 59. Forschungskolloquium, 11./12.10.2018 in München, TU München, 2018, S. 25–35
• Lowke, D.; Talke, D.; Dressler, I.; Weger, D.; Gehlen, C.; Ostertag, C.; Rael, R.: Particle-bed 3D-Printing by Selective Cement Activation – Applications, material and process technology. Cement and Conrete Research 134 (2020) – Special Issue for the 2nd RILEM Int. Conf. on Concrete and Digital Fabrication 2020 (SI: Digital Concrete 2020; Bos, F. P.; Salet, T. A. M.; Wolfs, R. (Hrsg.)), 106077, 13 S. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106077
• Weger, D.: Additive Fertigung von Betonstrukturen mit der Selective Paste Intrusion – SPI. Dissertation, hb, 2020
• Talke, D.: Additive Fertigung mittels selektiver Zementaktivierung. (Dissertation, Fertigstellung geplant | Completion planned for 2022)
• Schlussbericht: https://doi.org/10.25368/2022.333