Entwicklung eines Verfahrens zur Bewehrung 3D-gedruckter Betonkörper

Während des Entwicklungsprozesses einer druckfesten Zementsuspension entstand immer häufiger das Problem der zu geringen Zugfestigkeit 3D-gedruckter Betonkörper, da es in dem bisherigen Prozess nicht möglich ist die gedruckte Struktur zu bewehren.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Optimierung 3D-gedruckter Betonkörper anhand einer injizierten Bewehrung. Die zu konstruierende Traglaststruktur kann ohne diverse Schalungsarbeiten direkt vom Drucker in Auftrag genommen und hergestellt werden. Eine darauffolgende Einbringung der Bewehrung mittels Injektion erfolgt in die nicht ausgehärteten Bereiche, die anhand einer Berechnung eines FEM-Programms als Zugstränge definiert wurden. Diese Bereiche können sowohl mit dem nicht erhärtenden Compound befüllt sein oder nachträglich ausgehöhlt werden. Dies führt neben der bereits erreichten Betondruckfestigkeit zur signifikanten Steigerung der aufnehmbaren Zugfestigkeit biegebelasteter Tragwerkskonstruktionen. Die Interaktion der Vorteile führt zu einer belastungsorientierten Konzeption eines neuen Tragwerksystems, das aufgrund seiner Topologieoptimierung maximal ausgelastet ist, dabei ressourcenoptimiert und emissionsreduziert hergestellt werden kann. Das heißt, dass die Tragwerksstruktur so konzipiert wird, dass gering ausgelastete Bereiche im Beton während des Druckprozesses nicht erhärten und somit eine Rezyklierung des überschüssigen Materials möglich ist. Neben der erheblichen Materialeinsparung, einer Verringerung des Eigengewichts und einer Entlastung aller tragenden Elemente des Bauwerks können die vertikal lastführenden Strukturen minimiert werden, sodass eine Vergrößerung der Nutzfläche und eine effektivere Umnutzung ermöglicht wird. Mit diesem Verfahren ist eine detaillierte Optimierbarkeit in jedem Bereich der Decken-, Unterzug- oder Stützenkonstruktion unter Verwendung eines FEM-Programms realisierbar.

Das geplante Forschungsprojekt kann direkt an die erarbeiteten Erkenntnisse im 3D-Pulverdruckverfahren aus dem vorherigen Forschungsvorhaben (AiF-ZIM gefördert) anknüpfen, sodass die Technologie in Bezug auf die injizierte Bewehrung und eine belastungsorientierte Tragwerksstruktur weiterentwickelt werden kann. Der Erforschung additiver Fertigungstechniken kann im Hinblick auf die ressourcenoptimierte Produktion, einer Recyclierung des nicht verwendeten Materials sowie der neu entwickelten Biegetragfähigkeit ein neuer wesentlicher Aspekt im Bereich des Betondrucks zukommen.

Demnach sind folgende Forschungsansätze im Einzelnen als Weiterentwicklung des 3D-Betondruckverfahrens definiert:
• Aufbau einer Versuchsapparatur zur Optimierung einzelner Parameter der injizierten Bewehrung
• Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus zur Injektion der flüssigen Bewehrung
• Konzeption und Simulation topologieoptimierter 3D-Strukturen