Additive Fertigung im BauwesenEin Beitrag zum ressourceneffizienten Bauen der Zukunft

Prof. Dr.-Ing. Dirk LowkeProf. Dr.-Ing. Harald KloftProf. Dr.sc. Norman Hack

AKG Fachtagung - Möglichkeiten zum klimaneutralen BauenHamburg, 29. März 2019

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Additive Fertigung Bauwesen

Prof. Dr.sc. Norman Hack

Prof. Dr.-Ing. Dirk LowkeProf. Dr.-Ing. Harald Kloft Prof. Dr.sc. Norman Hack

Digital Building Fabricationtechnology transfer

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Additive Fertigung Bauwesen

Möglichkeiten und Vorteile der Additiven Fertigung

Koste

n

Komplexität Anzahl Bauteile

3D-Druck

Konventionell

Nahezu keine Begrenzung hinsichtlich Bauteilform und -komplexität

Keine Notwendigkeit spezieller Werkzeuge für die Herstellung verschiedener

Formen

Entkopplung von Kosten und Anzahl hergestellter Bauteile und Komplexität

Bionisch optimierte Stütze (TU München 2017)

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Additive Fertigung Bauwesen

Molding process (Householder)

SLS (Deckard et al.)

Binder jetting (Sachs)

Selective cement deposition (Pegna)

D-Shape Large-scale printer SPI (Dini)

SCA meterials research (Gibbons et al.)

Continous binder jet printer (Voxeljet)

Digital Grotesque (Hansemeyer, Dillenburger)3D printed house 1.0 (Rael, San Fratello)

Robotic binder jetting (Viridis3D)

Inorganic binder jetting (Fromm)

Bloom (Rael, San Fratello)

Selective cement activation (Lowke et al.)

Selective paste intrusion (Weger et al.)

Geopolymer-based selective binding (Xia, Sanjayan)

Commercial Selective Binding (Concr3de)

SCA meterials research (Shakor et al.)

SPI Modelling (Pierre et al.)

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

F&E 3D-Druck im Bauwesen

Buswell et al. Cem Con Res (2018)

Lowke Digital Concrete Conference (2018)

Extrusion-Deposition 3D Printing

Particle-bed 3D Printing

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Additive Fertigung Bauwesen

3D-Drucken mit Beton

PROZESS-

TECHNIK

ENTWURF MATERIAL

3D-BETONDRUCK

ANWENDUNG

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Additive Fertigung Bauwesen

Prozesstechnik

Gra

fik: D

. L

ow

ke

Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck

SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden

G G+Z

Z W W

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Additive Fertigung Bauwesen

Prozesstechnik

Gra

fik: D

. L

ow

ke

Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck

SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden

G G+Z

Z W W

Selektive

Leim-Intrusion

Selektive

Zement-Aktivierung

► Fließfähige Zementsuspension

► Wasser und Zusatzmittel

LOKALES AUFTRAGEN

► Schichten aus Gesteinskörnung

► Schichten aus Zementund Gesteinskörnung

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Additive Fertigung Bauwesen

Partikellbett-3D-Druck durch

Selektive Leim-Intrusion (Selective paste intrusion SPI)

Forschung TU München cbm (D. Weger, D. Lowke, C. Gehlen, 2017)

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Additive Fertigung Bauwesen

Partikellbett-3D-Druck durch

Selektive Zement-Aktivierung (Selective cement activation SCA)

Forschung TU München cbm (D. Weger, D. Lowke, C. Gehlen, 2017)

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Additive Fertigung Bauwesen

Prozesstechnik

Z WG

Gra

fik: D

. L

ow

ke

Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck

SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden

G G+Z

Z W W

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Additive Fertigung Bauwesen

Extrusions-3D-Druck

Sika

Danish Technological Institute

© Sika.com

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Technische Universität Braunschweig

TU Braunschweig (© ITE, H. Kloft, 2018)Digital Building Fabrication Lab

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Horizontales Schicht-Drucken - Wandelement

Speed 4X

Forschung TU Braunschweig H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al. 2018 (© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Horizontales Schicht-Drucken - Säulen

Forschung TU Braunschweig (H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al., 2018 (© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Horizontales Schicht-Drucken und Oberflächen-Nachbearbeitung

Forschung TU Braunschweig H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al., 2018 (© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

Vorteile / Nachteile

- Schnelle Herstellung

großformatiger, mono-

lithischer Strukturen

- Beschränkung in

Formfreiheit

- Geringe Auflösung

- Hohe Auflösung

- Nahezu keine

Einschränkungen der

Formfreiheit

- Beschränkung der

Größe durch Bauraum

- Recycling des unge-

bundenen Materials

Spritzbeton-3D-DruckExtrusions-3D-DruckPartikelbett-3D-Druck

- Schnelle Herstellung

großformatiger, mono-

lithischer Strukturen

- “Echter” 3D-Druck

- Hohe Verdichtung der

Zwischenschicht-

Verbundbereiche

- Geringe Auflösung

Gra

fik; D

.W

ege

r

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Gradual Transition Printing

Gra

fik; D

.We

ge

r

TU Braunschweig (© ITE, N. Hack, H. Kloft, 2018)

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Additive Fertigung Bauwesen

Shotcrete 3D printing (SC3DP)

Vertikales Schicht-Drucken

Speed 4X

TU Braunschweig 2018 (© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

3D-Drucken mit Beton

PROZESS-

TECHNIK

ENTWURF MATERIAL

3D-BETONDRUCK

ANWENDUNG

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Additive Fertigung Bauwesen

3D-Druck „konventioneller“ Strukturen

ApisCorHuaShang Tengda

US Army Construction Engineering Research LaboratoryRudenko/Yakich

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Additive Fertigung Bauwesen

3D-Druck „konventioneller“ Strukturen

Erste Versuche bleiben dekorativ, während die echten strukturellen Potentiale

unangetastet bleiben

Antikes Natursteinmauerwerk

https://i.pinimg.com/originals/a1/a7/e7/a1a7e73f003a9a22a9696a894c1a578a.jpg

3D-gedrucktes Hotel von Andrey Rudenko (2016), Phillipinen

Quelle: Mauerwerksatlas

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Additive Fertigung Bauwesen

Freiform

Parametrisches Objekt (konventionell nicht herstellbar)

© UAS Wismar, A. Fromm

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Additive Fertigung Bauwesen

Neuartiges Design und Ästhetik

ww

w.r

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llo.c

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cts

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R. Rael: lichtdurchlässiges Wandelement mit organischen Formen

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Additive Fertigung Bauwesen

Neuartiges Design und Ästhetik

www.rael-sanfratello.com/www.rael-sanfratello.com/

http://www.architectmagazine.com/practice/material-focus_o

www.rael-sanfratello.com/

3D printed house

© R. Rael, UC Berkeley (USA)

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Additive Fertigung Bauwesen

Neuartiges Design und Ästhetik und Modularisierung

Bloom

© R. Rael, UC Berkeley (USA)

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Additive Fertigung Bauwesen

Computergestützte Architektur

mittels digitaler Entwurfsalgorithmen

Digital Grotesque II B. Dillenburger

ETH Zurich (Schweiz)

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung I

Gradierung

• Form follows force

• Gradierung

Bionisch optimierte Säule

TU München, 2017www.bartleby.com/107/illus247.html

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung II

Topologieoptimierung

• Form follows force

• Topologieoptimierung

Decken Prototyp

ETH Zürich

(© Benjamin Dillenburger)

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung III

Hybrid Printing Techniques

Hybrid gedruckte Rippendecke

TU Braunschweig 2018

(© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

Hybrid 3D-Printing

© ITE

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung III

Hybrid Printing Techniques

Hybrid gedruckte Freiform-Rippendecke

TU Braunschweig 2018

(© ITE)

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen

Exhibition hall for the Turin moto show

Pier Luigi Nervi, Turin 1948

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen

© ITE, N. Hack, H. Kloft

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen

© ITE, N. Hack, H. Kloft

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen

© ITE, N. Hack, H. Kloft

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Additive Fertigung Bauwesen

Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen

© ITE, N. Hack, H. Kloft Exhibition hall for the Turin moto show

Pier Luigi Nervi, Turin 1948