Das Team des Forschungsbereichs „Leichtbau im Bauwesen“ am Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz fertigte den weltweit ersten Schwibbogen mittels 3D-Betondrucktechnologie. Der 120 cm breite, 60 cm hohe und 14 kg schwere Schwibbogen wurde in einem additiven Fertigungsverfahren mit Hilfe von 2 Robotern und auf Basis einer speziellen Rezeptur hergestellt.
Zwei Roboter übernehmen den 3D-Betondruck
In diesem etwas ungewöhnlichen Referenzbauteil eines Forschungsprojektes steckt das Knowhow langjähriger Forschung. Seit über 5 Jahren befasst sich der Bereich „Leichtbau im Bauwesen“ unter Leitung von Prof. Dr. Sandra Gelbrich mit der Entwicklung additiver Fertigungstechnologien zur effizienten Herstellung leichtbaugerechter Betonelemente mit Faserverstärkung.
„Dank der Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Sächsischen Aufbaubank und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen konnten wir wichtige wissenschaftliche Grundlagen hinsichtlich Material- und Technologieentwicklung schaffen, die nun in mehreren anwendungsnahen Forschungsprojekten in die Praxis umgesetzt werden“, berichtet Gelbrich.
Basis für den 3D-Betondruck ist ein Komplex aus 2 Robotern. Der erste Roboter generiert den Materialaustrag über die Betonextrusion, wobei er durch die Nutzung verschiedener Düsen sehr flexibel sind. Die Betonfördereinheit besteht aus einer speziellen Mischpumpe und einer Förderschnecke mit Behälter. Der zweite Roboter kann durch den Einbau verschiedener Werkzeuge beispielsweise zum Fräsen, zum Verlegen von Fasersträngen oder für das Positionieren von Ankern genutzt werden.
Software zerlegt das Design in mehrere Schichten
Bevor die Roboter ans Werk gehen können, kommt im Rahmen der Fertigungsplanung eine spezielle Software zum Einsatz, mit der verschiedene Designvarianten fertigungsgerecht gestaltet werden können. „Mit dieser Software erfolgt die Erstellung und das parametrische Aufbereiten der Geometrien, die Zerlegung dieser Geometrien in Einzelschichten und die Bahnplanung für die Roboter. Darauf aufbauend werden die finalen Roboterbefehle abgeleitet“, erläutert Enrico Rudolph, Leiter der Arbeitsgruppe „Additive Leichtbautechnologien“ am Forschungsbereich „Leichtbau im Bauwesen“.
Steinbeis-Innovationszentrums FiberCrete entwickelte Betonrezeptur
Die Idee, Schwibbögen als Referenzbauteil zu drucken, setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gemeinsam mit dem Steinbeis-Innovationszentrums FiberCrete in Chemnitz um, das die geeignete faserbewehrte Betonrezeptur entwickelte. „Dabei kommt es auf die richtige Mischung an, die während der Förderung pumpfähig sein, aber nach dem Austrag schnell ansteifen muss, um den Aufbau mehrerer Schichten zu gewährleisten“, so Henrik Funke, Forschungs- und Entwicklungsleiter von FiberCrete.
Weitere Produktentwicklungen im Bereich 3D-Betondruck sind in Vorbereitung. Denn durch die Entwicklung automatisierter additiver Technologien zur effizienten Fertigung können wichtige Weichen für den Wandel der Baubranche in naher Zukunft gestellt werden.
