Schalungsdruck in der Fließfertigung

Entwicklung eines adaptierbaren Fertigungsverfahrens für modulare leichte Betonbauteile mittels voll-rezyklierbaren Schalungssystemen

Hintergrund

Aufgrund des Bevölkerungswachstums und der gleichzeitig zunehmenden Verknappung der natürlichen Ressourcen, steht die Bauwirtschaft vor der Herausforderung das Bauvolumen zu erhöhen und den Materialverbrauch zu reduzieren. Um dieser Herausforderung zu begegnen ist es notwendig die Bauprozesse zu beschleunigen, die Effizienz der Bauteilkomponenten zu erhöhen und Bauabfälle zu vermeiden. Das Schwerpunktprogramm (SPP2187) startete Anfang 2020 mit einer Gesamtlaufzeit von 6 Jahren in dem Methoden zum schnelleren, präziseren und ressourcenschonenderen Bauen mit Betonbauteilen entwickelt werden. Die Kernidee ist die aus der Produktionstechnik bekannte Fleißfertigung mit den Entwurfs- und Herstellungskonzepten des Konstruktiven Ingenieurbaus zu vereinen. Daran arbeitet das ISW in einem Kooperationsprojekt mit dem Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) zusammen mit rund 50 Forscher aus ganz Deutschland.

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Bild 1: Leichtbau mit Betonsegmenten - der Rosensteinpavillon als Vision zukünftiger effizienten Bauweisen

Ziele

Im Rahmen des SPP befasst sich dieses Teilprojekt mit der Untersuchung von Fließfertigungspotenzialen für strukturoptimierte leichte Betonbauteile. Der Fokus liegt dabei auf der Integration einer additiven Fertigung von rezyklierbaren Schalungen in die Fließfertigungskette. Die Motivation für dieses innovative Verfahren ist durch die vorherrschende Fertigung von Schalungskomponenten gegeben. In der Praxis spielt die Schalung eine Schlüsselrolle für die Genauigkeit und die Qualität der darin zu fertigenden Betonelemente. Insbesondere bei geometrisch komplexen Bauteilen ist der Herstellprozess der einzelnen Schalkomponenten nicht automatisiert. Die anfallenden Kosten sind dementsprechend hoch und die Wiederverwendbarkeit ist meist nicht gegeben. Das vorliegende Teilprojekt soll sowohl der letztgenannten Problematik als auch der Ressourcenverknappung entgegenwirken. Die Kombination aus additiver Fertigung zusammen mit abfallfreien, wasserlöslichen Materialsystemen wird als vielversprechende Alternative für die konventionelle Schalungsproduktion angesehen. Der Herstellprozess basiert auf der Pulverbett-Bindemittelstrahltechnologie und erfolgt durch das Aufspritzen von Wasser auf ein Gemisch aus Sand und wasserempfindlichem Bindemittel, welches nach seiner Erhärtung eine geometrisch stabile Form erhält. In gewissem Umfang ermöglich das Pulverbett-Verfahren auch weitere Fertigungsschritte zu integrieren. Hierzu zählen unter anderem eine automatisierte Bewehrungsintegration und einen Einbau von Verbindungselementen (Bild 2) Um den erläuterten Fertigungsprozess zu gewährleisten sind diverse Einzelkomponenten zu entwerfen. Dies beinhaltet die Entwicklung des kinematischen Systems, der Komponenten des Materialversorgungs- und des Verarbeitungssystems sowie Endeffektoren für die Integration von Bewehrung und Verbindungselemente. Für eine qualitätssichernde Prozesssteuerung werden ein modulares, offenes Steuerungssystem sowie Online-Regelungsverfahren zur dynamischen Anpassung der Prozessparameter entwickelt.

 

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Bild 2: Fertigungsprinzip des neuen Fließfertigungsverfahrens: 1) Einlegen der Verbindungs-Implantate, 2) Drucken der Schalungsstruktur und Bewehrungs-integration, 3) Entfernen des ungebundenen Materials, 4) Gießen, 5) Entfernen der Schalung, 6) Gefertigtes Bauteil.

Ihr Ansprechpartner

Maximilian  Nistler
M.Sc.

Maximilian Nistler

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Mechatronische Systeme und Prozesse"

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