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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
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»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D
Rückblick
Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.)
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»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D
Rückblick
Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.)
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Gegenwart
www.studio-tm.com
www.peri.com.kw/files
Schalung
• material-, zeit-, und arbeitsintensiv
• 25-45 % der Rohbaukosten
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Vision
Infografik Uli StaigerMechcherine, Haist, Garrecht©
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Beton-3D-Druck
Methoden für den 3D-Druck mit BetonSelective binding
D-s
hape
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Extrusion
ww
w.t
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kust
om.c
omw
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.3D
prin
t.co
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Stand der Entwicklung
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Contour Crafting, Dr. Berokh Khoshnevis (USA)
www.contourcrafting.org
www.contourcrafting.org
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Stand der Entwicklung
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D-Shape, Enrico Dini (Italien/USA)
D-shape.com D-shape.com
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www.3ders.org
Stand der Entwicklung
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3D-gedruckte Fertigteile, WinSun (China)
www.3ders.org
www.ingenieur.de
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Stand der Entwicklung
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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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Stand der Entwicklung
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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
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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
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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
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Professur für Baumaschinen
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Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes
Anforderungen• Positionsgenauigkeit• Oberflächenqualität• Fenster, Türen, Ecken, Bögen• Druckgeschwindigkeit
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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
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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
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3
4 56
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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
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Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel Kostenbetrachtungen (netto)
Kosteneinsparpotenzial ca. 30 %
Institut für Baubetriebswesen
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,- €
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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
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Prüfmethoden
Experimentelle Untersuchungen
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ConTec 5 Viscometer
Hägermann Ausbreitmaß
Vicat-Gerät
Sch
leib
inge
r Ger
äte
T. u
. G. G
mbH
SLIPER
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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
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Sch
leib
inge
r Ger
äte
T. u
. G. G
mbH
Mechtcherine, Nerella, Kasten, 2014.
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Weitere Fragestellungen
• Grünstandfestigkeit
• Formstabilität
• Baugeschwindigkeit
• Technologie zum Beimischen derZusatzmittel
Prüfmethoden
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Versuchsstand
Prüfmethoden
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Experimente
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Versuchsstand – Ergebnisse• Extrudierbarkeit• Formstabilität• optimierte Konsistenz• erforderliche Menge an Beschleuniger• zeitliche Einflüsse• Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten
Druckfestigkeit
Biegezugfestigkeit
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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.
Dru
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Tag,
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Was
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Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit
Biegezugfestigkeit
Druckfestigkeit
Experimente
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160 mm
F F
FF
F F
Vertikal
Seitlich
F F
Vertikal Seitlich
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Experimente
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Experimente
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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
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DFG SPP 2005 OPUS FLUIDUM FUTURUMRheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme
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