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TP Gehlen/Winter

Additive Fertigung frei geformter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen



Kurzvorstellung

Bionisch inspirierte, formoptimierte Konstruktionselemente können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren oft nur mit großem Aufwand hergestellt werden. Hier bieten additive Fertigungsverfahren, z. B. 3D-Drucken, mit der ihnen eigenen großen geometrischen Freiheit eine vielversprechende Alternative. Während jedoch die additiven Fertigungsverfahren heute in vielen Bereichen der Produktion zum Stand der Technik gezählt werden können, wurde ihr Einsatz im Bauwesen bislang nur in wenigen Forschungsprojekten thematisiert. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, einen neuen Weg für den Einsatz der additiven Fertigungsverfahren beim Bauen mit Beton zu zeigen.

Hierbei sollen insbesondere die Grundlagen für ein Verfahren zur Herstellung von frei geformten Betonbauteilen und die dafür geeigneten Werkstoffe geschaffen werden. Bei dem vorgeschlagenen Fertigungsverfahren Selektives Binden handelt es sich um ein Verfahren des 3D-Druckens im engeren Sinn, bei dem dünne Schichten eines schüttbaren Materials durch lokales Einbringen eines fließfähigen Materials selektiv gebunden werden, so dass Schicht für Schicht der zuvor am Computer modellierte Festkörper entsteht. Es sollen zwei Verfahrensvarianten untersucht werden:

a) Beim Selektiven Zementleimeintrag werden zur Herstellung des Betonbauteils Schichten aus feiner Gesteinskörnung ausgebracht und durch gezieltes Einbringen eines Bindemittelleims selektiv gebunden.
b) Bei der Selektiven Zementaktivierung wird ein Gemisch von Gesteinskörnung und Bindemittelpulver ausgebracht und der Hydratationsprozess durch Einbringen von Wasser aktiviert.

 

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen
gehlen@tum.de
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Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter

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Bearbeiter/in:

Daniel Weger M.Sc.
daniel.weger@tum.de
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Dr.-Ing. Dirk Lowke
lowke@tum.de
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AR Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Klaudius Henke
henke@tum.de
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Daniel Talke M.Sc.
daniel.talke@tum.de
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Projektlaufzeit: von 10/2014 bis 09/2017
 

 

Bei den bekannten Forschungsarbeiten zur additiven Fertigung von Bauteilen aus Beton kamen bisher nur Extrusionsverfahren zum Einsatz. Diese haben den erheblichen Nachteil, dass Überhänge nur bedingt machbar sind, was die geometrische Freiheit stark einschränkt. Bei dem einen bekannten Projekt zum Einsatz des selektiven Bindens zur Fertigung von Konstruktionselementen kommt als Bindemittel kein Portlandzement zum Einsatz. Jedoch gerade letzteres Verfahren hat aufgrund der damit erzielbaren geometrischen Freiheit großes Potential für einen Einsatz im Bauwesen.

Um zusätzlich an den enormen Erfahrungsschatz im Betonbau hinsichtlich Festigkeits-, Verformungs- und Dauerhaftigkeitseigenschaften anknüpfen zu können und die Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien sicherzustellen, sollen im geplanten Forschungsvorhaben übliche Zemente auf Calciumsilikatbasis als Bindemittel verwendet werden. Die prinzipielle Machbarkeit des gewählten Ansatzes wurde in Vorversuchen der Antragsteller nachgewiesen. Weitere grundlegende Forschungsarbeiten sind jedoch erforderlich, um mit dem Verfahren des selektiven Bindens frei geformte Bauteile aus Beton mit hoher Auflösung, Formtreue, Festigkeit und Dauerhaftigkeit bei großer Baugeschwindigkeit realisieren zu können.

Im Jahr 2016 konnten bereits mit beiden Verfahren sehr gute Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit und Formtreue erzielt werden. Unter anderem war es möglich, Festigkeiten im Bereich von Normalbeton zu erreichen. Des Weiteren wurden erste Demonstratoren erstellt, die auf der BAU 2017 auf dem Stand des Betoninformationszentrums vorgestellt wurden und große positive Resonanz des Fachpublikums hervorriefen. Im Zuge der Messe wurde ein Film gedreht, der unter anderem die Forschungsaktivitäten in der additiven Fertigung an der TUM im Bereich des SPP vorstellt. Dieser Film ist auf dem YouTube-Kanal der TUM (unter folgendem Link zum Film) zu sehen.

Ausgestelle Demonstratoren auf der BAU 2017 hergestellt mit dem additiven Fertigungsverfahren „Selektiver Zementleimeintrag“ (Foto: D. Weger)Ausgestelle Demonstratoren auf der BAU 2017 hergestellt mit dem additiven Fertigungsverfahren „Selektiver Zementleimeintrag“ (Foto: Daniel Weger)

 

Veröffentlichungen

[1]
Lowke, D.; Weger, D.; Henke, K.; Talke, D.; Winter. S.; Gehlen, C.: 3D-Drucken von Betonbauteilen durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen – Erste Ergebnisse zu betontechnologischen und verfahrenstechnischen Einflüssen. In: Ludwig, H.-M. (Hrsg.): Tagungsband zur 19. Internationalen Baustofftagung ibausil 2015, 16.−18.9.2015 in Weimar, Weimar: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, 2015, S. 1-1113–1-1120
[2] Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.: 3D printing of concrete structures using the selective binding method – Effect of concrete technology on contour precision and compressive strength. In Maekawa, K.; Kasuga, A.; Yamazaki, J. (Eds.): Proceedings of the 11th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, 29.−31.8.2016 in Tokyo (Japan), Tokyo: University of Tokyo, 2016, pp. 403–410 – ISBN: 978-4-9909148-0-6
[3] Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.: 3D printing of Concrete Structures with Calcium Silicate based Cements using the Selective Binding Method – Effects of Concrete Technology on Penetration Depth of Cement Paste. In Fehling, E., Middendorf, B.; Thiemicke, J. (Eds.): Ultra-High Performance Concrete and High Performance Construction Materials. Proceedings of the HiPerMat 2016, 4th International Symposium on Ultra-High Performance Concrete and High Performance Materials, 9.−11.3.2016 in Kassel, kassel university press, 2016, pp. 193
[4] Weger, D.; Lowke, D.; Gehlen, C.: 3D-Druck von Betonbauteilen durch selektives Binden. BETON - Neue Konzepte, 13. Münchener Baustoffseminar, 15.3.2016, München
[5] Weger, D.; Lowke, D.; Henke, K.; Talke, D.; Gehlen, C.; Winter, S.: Partikelbett-3D-Druckverfahren zur Herstellung freigeformter Betonbauteile. IAB-Wissenschaftstage 2016, 16./17.11.2016, Weimar