3D-Druck von Betonbauteilen durch selektives Binden

Transkript

1 1 13. Münchner Baustoffseminar 15. März D-Druck von Betonbauteilen durch selektives Binden D. Weger, D. Lowke, C. Gehlen TU München Centrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm) Daniel Weger, M.Sc.

2 2 Additive Fertigung / 3D-Drucken - Stand der Technik?! protec3d protec3d

3 Additive Fertigung Funktionsweise 3

4 Costs 4 Additive Fertigung Vorteile Keine speziellen Werkzeuge oder Formen zur Herstellung unterschiedlicher Geometrien nötig Kaum Einschränkungen in Form und Komplexität Entkopplung der Kosten von Komplexität und Stückzahl 3D printing Conventional Rael Sanfratello Complexity Number of units

5 5 3D-Drucken mit Beton Verfahrenstechnik Extrusion Selektives Binden Z GK W Z W W GK GK+Z

6 6 Stand der Technik Contour Crafting Khoshnevis additive Fertigung für konstruktive Elemente: Extrusionstechnik Contour Crafting Nachteile: Limitierung in der Geometrie ( Überhängende Strukturen)

7 7 Stand der Technik D-Shape Dini Additive Fertigung für konstruktive Elemente: Selektives Binden D-Shape Nachteile: Limitierungen in den Materialeigenschaften

8 8 Ziele der Forschung Gewinnung grundlegender Erkenntnissen in Verfahrens- und Materialtechnologie für additive Fertigung im Bauwesen Selektives Binden Verwendung von Standardzementen

9 9 3D-Drucken mit selektivem Binden- Verfahrensvarianten SELECTIVE PASTE INTRUSION SELECTIVE CEMENT ACTIVATION Schichten aus Gesteinskörnung Schichten aus Gesteinskörnung und Zement LOKALES EINBRINGEN fließfähige Zementsuspension Wasser und Additive

10 10 3D-Drucker Neues Bild!

11 20 mm 11 Einfluss der Granulometrie und Rheologie d agg = mm d agg = mm d agg = mm h L

12 12 Selective paste Intrusion Versuchsprogramm w/z-wert 0,3 0,4 0,5 Zement Ausbreitfließmaß [mm] Stabilität Bluten Wasser Fließmittel Rheologie Fließgrenze Viskosität Thixotropie Gedruckte Probekörper Konturtreue Druckfestigkeit Gesteinskörnung Größe der GK d agg [mm] 0,5 1,0 1,0 2,0 2,0 3,0

13 13 Konturtreue vs. Gesteinskörnung d agg (Permeabilität) A r des Die horizontale (A/A des ) Konturtreue sinkt mit steigender Größe der Gesteinskörnung d agg (Permeabilität).

14 20 mm 14 Eindringhöhe des Leimes h int vs. Schichtenverbund h L,2 h L,1 h L,1 h L,1 h int h disk d agg = mm d agg = mm d agg = mm h L - d agg, : sichtbare Schichten (h int h L ) - d agg, : monolithisches Erscheinungsbild (h int >> h L )

15 Paste Intrusion Height h int [mm] Compressive Strength (7d) f 7 [MPa] 15 Eindringhöhe des Leims h int vs. Druckfestigkeit Pa 9.5 Pa mm mm mm h L Grain Size d agg [mm] Paste Intrusion Height h int [mm] h L - h int steigt mit größerer GK (Permeabilität) - Druckfestigkeit steigt mit steigender h int

16 20 mm 16 Ausblick Selective paste intrusion - Bereits Druckfestigkeiten bis zu 23 Mpa (7d) - Weitere Verbesserung der Druckfestigkeit durch betontechnogische Maßnahmen (z.b. höherfeste Zemente, ) und besserer Durchdringung der Schichten h L d agg = mm - Weitere Verbesserung der Konturtreue durch Anpassung der rheologischen Eigenschaften (z.b. Thixotropie, Fließgrenze) in Kombination mit optimierter Granulometrie der Gesteinskörnung

17 17 3D-Drucken mit selektivem Binden Verfahrensvarianten SELECTIVE PASTE INTRUSION SELECTIVE CEMENT ACTIVATION Schichten aus Gesteinskörnung Schichten aus Gesteinskörnung und Zement LOKALES EINBRINGEN fließfähige Zementsuspension Wasser und Additive

18 Selective cement activation Versuchsprogramm 18 Trockengemisch 40% Zement 60% Quarz 20% Zement 80% Quarz 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Quarzsand w/z-wert 0,19 0,31 0,37 0,49 0,62 Zement < 100 µm 0,47 0,70 Druckfestigkeit 1&7 d 0,82 Wasser Festbeton Biegezugfestigkeit 1&7 d Spaltzugfestigkeit 7 d

19 compressive strength(7d) f c7 [MPa] 19 Druckfestigkeit Einfluss von: - w/z-wert - Zement- / Gesteinskörnungsgehalt S.A S.A w/c [-]

20 Compressive strength (7d) f c7 [N/mm²] Bedning tensile strength (7d) f b7 [N/mm²] 20 Einfluss des Wassergehalts V w Φ w = V S + V W S.A S.A Φ w [-] w [-]

21 Depth [µm] 21 Schichtenbildung Z GK W Z GK W Z GK W Z GK W Z GK W Applikation der Zement-/Gesteinskörnungschicht Kapillares Saugen Lokales Aufbringen von Wasser 1 H-NMR spectroscopy Water content [Vol.%]

22 compressive strength(7d) f c7 [MPa] 22 Ausblick Selective cement activation S.A S.A w/c [-]

23 23 Centrum Baustoffe und Materialprüfung Dr.-Ing. Dirk Lowke & Daniel Weger, M.Sc. Centrum Baustoffe und Materialprüfung Technische Universität München