Kontinuierliches, schalungsfreies Bauverfahren ... - DETAIL · Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen Institut für Baustoffe Institut für Baubetriebswesen Professur

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät MaschinenwesenInstitut für BaustoffeInstitut für BaubetriebswesenProfessur für Baumaschinen

Veranstaltungsreihe »Die Zukunft des Bauens«Ressourceneffiziente Materialien und Systeme, 22. September 2016

Kontinuierliches, schalungsfreiesBauverfahren durch 3D-Druck mit Beton

Viktor MECHTCHERINE, Venkatesh Naidu NERELLA

Gefördert mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des BBSR

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Rückblick

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

2



Rückblick

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

3



Gegenwart

www.studio-tm.com

www.peri.com.kw/files

Schalung

• material-, zeit-, und arbeitsintensiv

• 25-45 % der Rohbaukosten

4



Vision

Infografik Uli StaigerMechcherine, Haist, Garrecht©


»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 6

Beton-3D-Druck

Methoden für den 3D-Druck mit BetonSelective binding

D-s

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.com

Extrusion

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.3D

prin

t.co

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Stand der Entwicklung

7

Contour Crafting, Dr. Berokh Khoshnevis (USA)

www.contourcrafting.org

www.contourcrafting.org




8

D-Shape, Enrico Dini (Italien/USA)

D-shape.com D-shape.com



www.3ders.org


9

3D-gedruckte Fertigteile, WinSun (China)

www.3ders.org

www.ingenieur.de




10

3D Printing Concrete – 3DPC, TU Eindhoven (NL)

• Stationärer 3D-Drucker

• L x B x H = 11 x 5 x 4 [m]

• Baustoffe: Feinkörnige Betone

Rien Meulman, http://3druck.comFa. CyBe (NL)

www.cybe.eu www.cybe.eu




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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





Zielstellung des Projektes

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Machbarkeitsuntersuchung zur• Anwendung automatisierter, schalungsfreier Formungssysteme für Beton

• Umsetzung mittels weitestgehend vorhandener Maschinentechnik

• Entwicklung einer geeigneten Betontechnologie

• Prozessoptimierung, Wirtschaftlichkeit, Marktpotenzialstudien



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

z

Professur für Baumaschinen

Betonpumpenmast Kinematische Skizze des Mastes & Gelenkwinkel



Professur für Baumaschinen

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Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes

Anforderungen• Positionsgenauigkeit• Oberflächenqualität• Fenster, Türen, Ecken, Bögen• Druckgeschwindigkeit



Überwiegend verwendete Baustoffe von Wohngebäuden 2014

Wohngebäudeinsgesamt Ziegel Kalksand-

steinPoren-beton

Stahl-beton Holz Leicht-

beton 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%

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Marktpotential – Beispiel Ersatz für Mauerwerksbau

Gesamtersatzpotenzial bei Wohngebäuden: 75,3 %

Wohn- und Nutzfläche: 24.500.000 m2

Tragende Wandfläche: ca. 40.000.000 m2

(Faktor 1,5-1,7 m2WandFL/m2

WohnFL, selbst ermittelt)

www.destatis.de; www.genesis.destatis.de

Institut für Baubetriebswesen

Baugenehmigungen im Hochbau Deutschland 2014Wohn- und

Nichtwohngebäude Wohngebäude Nichtwohngebäude

Gesamt 209.257 163.844 45.413Neubau 138.365 111.610 26.755



Untersuchungen zu Datenstrukturen und -formaten

• Aufzeigen erforderlicher Datenstrukturen • Aufbereiten der vorhandenen Daten (CAD-Daten, Stoffdaten)

zur Steuerung des Gesamtprozesses

Prozesskette zur Datenaufbereitung CAD

3D-Kunststoffdruck M 1:100- Druckstrategie- Vorgabe Schichthöhe (Grünstandfestigkeit,

Verbindung der Schichten) - Fenster, Türen, kraftschlüssige Verbindungen




1

2

3

4 56

7

Annahme: Druckgeschwindigkeit150 mm/s = 4,5 m/min = 270 m/h(langsam)

Zeitaufwand mit Beton-3D-Druck

bei Schichtdicke 5,0 cm: 9,6 h 1 AT

Gesamtvolumen VBeton= 52,1 m3

Fördermenge pro Stundebei Schichtdicke 5,0 cm: 5,4 m3/h

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Terminliche Betrachtungen

Zeitaufwand konventionell

Ca. 140,0 h 3 AK á 6 ATBeispiel Wohnungsbau Einfamilienhaus




Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel Kostenbetrachtungen (netto)

Kosteneinsparpotenzial ca. 30 %


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,- €



Institut für Baustoffe

Entwicklung geeigneter Betontechnologie mit Hilfe experimenteller Untersuchungen zur

• Rheologie und Pumpbarkeit• Erstarrungszeit• Grünstandfestigkeit• Baugeschwindigkeit etc.

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Druckbarkeit

Pumpbarkeit

ZusammensetzungRheologie

Open-time

ErstarrungszeitFließmittel

Beschleuniger

Formstabilität

GrünstandfestigkeitSchichtdicke

Baugeschwindigkeit



Prüfmethoden

Experimentelle Untersuchungen

21

ConTec 5 Viscometer

Hägermann Ausbreitmaß

Vicat-Gerät

Sch

leib

inge

r Ger

äte

T. u

. G. G

mbH

SLIPER



0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Dru

ck P

(kP

a)

Fördermenge Q (m3/h)

8

116

57

10

3

412

12

w/b = 0.30

w/b = 0.45

w/b = 0.60

Ergebnisse: Pumpbarkeit mit SLIPER

Prüfmethoden

22

Sch

leib

inge

r Ger

äte

T. u

. G. G

mbH

Mechtcherine, Nerella, Kasten, 2014.



Weitere Fragestellungen

• Grünstandfestigkeit

• Formstabilität

• Baugeschwindigkeit

• Technologie zum Beimischen derZusatzmittel

Prüfmethoden

23



Versuchsstand

Prüfmethoden

24



Experimente

25

Versuchsstand – Ergebnisse• Extrudierbarkeit• Formstabilität• optimierte Konsistenz• erforderliche Menge an Beschleuniger• zeitliche Einflüsse• Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten

Druckfestigkeit

Biegezugfestigkeit



Experimente

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Untersuchungsparameter• Druck-, Biegezugfestigkeit• Prüfrichtung (vertikal, seitlich)• Vergleich mit konventionellen Prismen• Zeiteinfluss

Druckregime• Kalibrierung (Q = O + K·V)• 1 m langer Streifen

Pause Wiederholungen

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

0-2

St.

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Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit

Biegezugfestigkeit

Druckfestigkeit

Experimente

27

160 mm

F F

FF

F F

Vertikal

Seitlich

F F

Vertikal Seitlich



Experimente

28



Experimente

29

Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit

• hohe Festigkeit• kein Festigkeitsverlust• sehr guter Verbund• weitgehend isotrop

010

20

30

4050

60

7080

90

0 7 14 21 28 35

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m2]

Alter [Tage]

Druck V

Druck H

Druck Norm



DFG SPP 2005 OPUS FLUIDUM FUTURUMRheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme

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