Kontinuierliches, schalungsfreies Bauverfahren durch 3D-Druck mit Beton

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1 Institut für Baustoffe Institut für Baubetriebswesen Professur für Baumaschinen Veranstaltungsreihe»Die Zukunft des Bauens«Ressourceneffiziente Materialien und Systeme, 22. September 2016 Kontinuierliches, schalungsfreies Bauverfahren durch 3D-Druck mit Beton Viktor MECHTCHERINE, Venkatesh Naidu NERELLA Gefördert mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des BBSR

2 Rückblick Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.) 2

3 Rückblick Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.) 3

4 Gegenwart Schalung material-, zeit-, und arbeitsintensiv % der Rohbaukosten 4

5 Vision Infografik Uli Staiger Mechcherine, Haist, Garrecht

6 Beton-3D-Druck Methoden für den 3D-Druck mit Beton Extrusion Selective binding D-shape.com 6

7 Stand der Entwicklung Contour Crafting, Dr. Berokh Khoshnevis (USA) 7

8 Stand der Entwicklung D-Shape, Enrico Dini (Italien/USA) D-shape.com D-shape.com 8

9 Stand der Entwicklung 3D-gedruckte Fertigteile, WinSun (China)

10 Stand der Entwicklung 3D Printing Concrete 3DPC, TU Eindhoven (NL) Stationärer 3D-Drucker L x B x H = 11 x 5 x 4 [m] Baustoffe: Feinkörnige Betone Fa. CyBe (NL) Rien Meulman,

11 Stand der Entwicklung Herausforderungen und Einschränkungen keine Baustellenanwendungen Druckerportal muss größer sein als Bauteil bzw. Bauwerk kein Materialdesign-Konzept kein Konzept für rheologisches Verhalten von Frischbeton keine Methoden zur Beurteilung der Druckbarkeit unbestimmte Qualität und Reproduzierbarkeit kaum Fachpublikationen 11

12 12

13 Zielstellung des Projektes Machbarkeitsuntersuchung zur Anwendung automatisierter, schalungsfreier Formungssysteme für Beton Umsetzung mittels weitestgehend vorhandener Maschinentechnik Entwicklung einer geeigneten Betontechnologie Prozessoptimierung, Wirtschaftlichkeit, Marktpotenzialstudien 13

14 Professur für Baumaschinen Steuerung des Betonpumpenmastes Entwicklung von Steueralgorithmen für inverse Kinematik Vorgabe der Druckkopf-Bewegung (Trajektorie des TCP) Berechnung der Gelenkwinkel Ansteuerung der entsprechenden Antriebe Druckbewegung r β Betonpumpenmast Kinematische Skizze des Mastes & Gelenkwinkel z 14

15 Professur für Baumaschinen Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes Anforderungen Positionsgenauigkeit Oberflächenqualität Fenster, Türen, Ecken, Bögen Druckgeschwindigkeit 15

16 Institut für Baubetriebswesen Marktpotential Beispiel Ersatz für Mauerwerksbau Baugenehmigungen im Hochbau Deutschland 2014 Wohn- und Nichtwohngebäude Wohngebäude Nichtwohngebäude Gesamt Neubau Überwiegend verwendete Baustoffe von Wohngebäuden 2014 Wohngebäude insgesamt Ziegel Holz Kalksandstein Porenbeton Stahlbeton Leichtbeton Sonstige ,0% 31,1% 22,3% 18,2% 8,0% 15,1% 3,7% 1,6% Gesamtersatzpotenzial bei Wohngebäuden: 75,3 % Wohn- und Nutzfläche: m 2 Tragende Wandfläche: ca m 2 (Faktor 1,5-1,7 m 2 WandFL/m 2 WohnFL, selbst ermittelt)

17 Institut für Baubetriebswesen Untersuchungen zu Datenstrukturen und -formaten Aufzeigen erforderlicher Datenstrukturen Aufbereiten der vorhandenen Daten (CAD-Daten, Stoffdaten) zur Steuerung des Gesamtprozesses Prozesskette zur Datenaufbereitung CAD - Druckstrategie - Vorgabe Schichthöhe (Grünstandfestigkeit, Verbindung der Schichten) - Fenster, Türen, kraftschlüssige Verbindungen 3D-Kunststoffdruck M 1:100 17

18 Institut für Baubetriebswesen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Terminliche Betrachtungen Annahme: Druckgeschwindigkeit 150 mm/s = 4,5 m/min = 270 m/h (langsam) Gesamtvolumen V Beton = 52,1 m 3 Fördermenge pro Stunde bei Schichtdicke 5,0 cm: 5,4 m 3 /h Zeitaufwand mit Beton-3D-Druck bei Schichtdicke 5,0 cm: 9,6 h 1 AT Beispiel Wohnungsbau Einfamilienhaus 3 Zeitaufwand konventionell Ca. 140,0 h 3 AK á 6 AT 18

19 Institut für Baubetriebswesen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel Kostenbetrachtungen (netto) Modell EFH-Geschoss Mauerwerksarbeiten CONPrint3D Lohn 4.200,- 336,- Material 9.090, ,- Gerät 1.634,- Sonstige Kosten 1.058, , ,- Kosteneinsparpotenzial ca. 30 % 19

20 Institut für Baustoffe Entwicklung geeigneter Betontechnologie mit Hilfe experimenteller Untersuchungen zur Rheologie und Pumpbarkeit Erstarrungszeit Grünstandfestigkeit Baugeschwindigkeit etc. Druckbarkeit Pumpbarkeit Open-time Formstabilität Zusammensetzung Rheologie Erstarrungszeit Fließmittel Beschleuniger Grünstandfestigkeit Schichtdicke Baugeschwindigkeit 20

21 Prüfmethoden Experimentelle Untersuchungen Hägermann Ausbreitmaß Schleibinger Geräte T. u. G. GmbH ConTec 5 Viscometer Vicat-Gerät SLIPER 21

22 Prüfmethoden Ergebnisse: Pumpbarkeit mit SLIPER w/b = Druck P (kpa) Schleibinger Geräte T. u. G. GmbH w/b = w/b = Fördermenge Q (m3/h) Mechtcherine, Nerella, Kasten,

23 Prüfmethoden Weitere Fragestellungen Grünstandfestigkeit Formstabilität Baugeschwindigkeit Technologie zum Beimischen der Zusatzmittel 23

24 Prüfmethoden Versuchsstand 24

25 Experimente Versuchsstand Ergebnisse Extrudierbarkeit Formstabilität optimierte Konsistenz erforderliche Menge an Beschleuniger zeitliche Einflüsse Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten Biegezugfestigkeit Druckfestigkeit 25

26 Experimente Untersuchungsparameter Druck-, Biegezugfestigkeit Prüfrichtung (vertikal, seitlich) Vergleich mit konventionellen Prismen Zeiteinfluss 0-2 St. Drucken Druckregime Kalibrierung (Q = O + K V) 1 m langer Streifen Pause Wiederholungen 2 St. Wasser, Abdeckung Nachbehandlung 2 Stunden: sanft Besprühen mit Wasser nach 2 Std.: Wasserbehälter, Abdeckung 1. bis 7. Tag: Unterwasserlagerung 7. Tag: Sägen 7. bis 28. Tag: Klimaraum Tag, unter Wasser 26

27 Experimente Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit Biegezugfestigkeit F F Vertikal F F Seitlich 160 mm Druckfestigkeit F F F F Vertikal Seitlich 27

28 Experimente 28

29 Experimente Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit hohe Festigkeit kein Festigkeitsverlust sehr guter Verbund weitgehend isotrop Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Alter [Tage] Druck V Druck H Druck Norm 29

30 DFG SPP 2005 OPUS FLUIDUM FUTURUM Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme Infografik Uli Staiger Mechcherine, Haist, Garrecht