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
Rückblick Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.) 2
Rückblick Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.) 3
Gegenwart Schalung material-, zeit-, und arbeitsintensiv 25-45 % der Rohbaukosten www.studio-tm.com www.peri.com.kw/files 4
Vision Infografik Uli Staiger Mechcherine, Haist, Garrecht
Beton-3D-Druck Methoden für den 3D-Druck mit Beton Extrusion Selective binding www.totalkustom.com www.3dprint.com D-shape.com 6
Stand der Entwicklung Contour Crafting, Dr. Berokh Khoshnevis (USA) www.contourcrafting.org www.contourcrafting.org 7
Stand der Entwicklung D-Shape, Enrico Dini (Italien/USA) D-shape.com D-shape.com 8
Stand der Entwicklung 3D-gedruckte Fertigteile, WinSun (China) www.3ders.org www.3ders.org www.ingenieur.de 9
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, http://3druck.com www.cybe.eu www.cybe.eu 10
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
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Zielstellung des Projektes Machbarkeitsuntersuchung zur Anwendung automatisierter, schalungsfreier Formungssysteme für Beton Umsetzung mittels weitestgehend vorhandener Maschinentechnik Entwicklung einer geeigneten Betontechnologie Prozessoptimierung, Wirtschaftlichkeit, Marktpotenzialstudien 13
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
Professur für Baumaschinen Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes Anforderungen Positionsgenauigkeit Oberflächenqualität Fenster, Türen, Ecken, Bögen Druckgeschwindigkeit 15
Institut für Baubetriebswesen Marktpotential Beispiel Ersatz für Mauerwerksbau Baugenehmigungen im Hochbau Deutschland 2014 Wohn- und Nichtwohngebäude Wohngebäude Nichtwohngebäude Gesamt 209.257 163.844 45.413 Neubau 138.365 111.610 26.755 Überwiegend verwendete Baustoffe von Wohngebäuden 2014 Wohngebäude insgesamt Ziegel Holz Kalksandstein Porenbeton Stahlbeton Leichtbeton Sonstige 111.610 34.683 24.898 20.334 8.891 16.823 4.108 1.873 100,0% 31,1% 22,3% 18,2% 8,0% 15,1% 3,7% 1,6% Gesamtersatzpotenzial bei Wohngebäuden: 75,3 % Wohn- und Nutzfläche: 24.500.000 m 2 Tragende Wandfläche: ca. 40.000.000 m 2 (Faktor 1,5-1,7 m 2 WandFL/m 2 WohnFL, selbst ermittelt) www.destatis.de; www.genesis.destatis.de 16
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
Institut für Baubetriebswesen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Terminliche Betrachtungen 1 6 4 5 7 2 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
Institut für Baubetriebswesen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel Kostenbetrachtungen (netto) Modell EFH-Geschoss Mauerwerksarbeiten CONPrint3D Lohn 4.200,- 336,- Material 9.090,- 6.760,- Gerät 1.634,- Sonstige Kosten 1.058,- 13.300,- 9.800,- Kosteneinsparpotenzial ca. 30 % 19
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
Prüfmethoden Experimentelle Untersuchungen Hägermann Ausbreitmaß Schleibinger Geräte T. u. G. GmbH ConTec 5 Viscometer Vicat-Gerät SLIPER 21
Prüfmethoden Ergebnisse: Pumpbarkeit mit SLIPER 11 30 8 6 w/b = 0.30 5 7 25 Druck P (kpa) Schleibinger Geräte T. u. G. GmbH 35 20 10 15 3 10 w/b = 0.45 4 12 1 2 w/b = 0.60 5 0 0 10 20 30 40 Fördermenge Q 50 60 70 80 (m3/h) Mechtcherine, Nerella, Kasten, 2014. 22
Prüfmethoden Weitere Fragestellungen Grünstandfestigkeit Formstabilität Baugeschwindigkeit Technologie zum Beimischen der Zusatzmittel 23
Prüfmethoden Versuchsstand 24
Experimente Versuchsstand Ergebnisse Extrudierbarkeit Formstabilität optimierte Konsistenz erforderliche Menge an Beschleuniger zeitliche Einflüsse Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten Biegezugfestigkeit Druckfestigkeit 25
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 1.-7. Tag, unter Wasser 26
Experimente Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit Biegezugfestigkeit F F Vertikal F F Seitlich 160 mm Druckfestigkeit F F F F Vertikal Seitlich 27
Experimente 28
Experimente Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit hohe Festigkeit kein Festigkeitsverlust sehr guter Verbund weitgehend isotrop Druckfestigkeit [N/mm 2 ] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 7 14 21 28 35 Alter [Tage] Druck V Druck H Druck Norm 29
DFG SPP 2005 OPUS FLUIDUM FUTURUM Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme Infografik Uli Staiger Mechcherine, Haist, Garrecht