Additive In Situ Fertigung von Kappendecken

Deutsche Fassung

Slab Net Zero untersuchte den robotergestützten In-situ-3D-Druck von Beton für gewölbte Kappendecken und deren Potenzial, schalungsfrei direkt auf der Baustelle Ressourceneffizienz, funktionale Integration und Gestaltungsfreiheit zu ermöglichen. Ausgehend von historischen Gewölbetechniken wurden tragwerksgerechte Geometrien digital formgefunden und für die additive Fertigung optimiert. So konnten dünnwandige Kappensegmente mit stationären und mobilen Robotersystemen präzise und materialeffizient realisiert werden.

Für den mobilen Roboter wurde ein 2K-Extrusions-Endeffektor mit zentraler Steuerung, automatisierter Materialzufuhr und integriertem Materialcontainer entwickelt und unter Baustellenbedingungen getestet. Parallel entstand eine verfahrensspezifische Betonmischung, deren Verarbeitbarkeit und Aushärtung mittels Verzögerer-Beschleuniger-Kombinationen auf den mobilen In-situ-3D-Druck abgestimmt wurden. Zudem wurden bauphysikalische Funktionen wie thermische Masse, thermische Aktivierung und Akustik in die Schalenstrukturen integriert und durch Simulationen sowie Experimente bewertet.

Die 1:1-Demonstratoren bestätigten die technische Machbarkeit und die Potenziale des Ansatzes. Das Projekt zeigt, dass additive Fertigung im Bauwesen Gestaltung, Produktivität und Ressourceneffizienz verbinden kann und auf Anwendungen wie Bestandssanierung, alternative Bindemittel oder mobile robotische Bauprozesse übertragbar ist.

Englische Fassung

Slab Net Zero investigated robotic in-situ concrete 3D printing to produce vaulted floor slabs and their potential to enable resource efficiency, functional integration and architectural design freedom directly on construction sites without formwork. Based on historical vaulting techniques, structurally efficient geometries were digitally form-found and optimised for additive manufacturing. This enabled thin-walled cap segments to be produced precisely and with minimal material use, using both stationary and mobile robotic systems.

For the mobile robot, a 2K extrusion end effector with central control, automated material supply and an integrated material container was developed and tested under construction-site conditions. In parallel, a process-specific concrete mix was developed, with workability and hardening behaviour tailored for mobile in-situ 3D printing via retarder-accelerator combinations. Building-physics functions, such as thermal mass, thermal activation, and acoustic performance, were also integrated into the shell structures and evaluated through simulations and experiments.

The full-scale demonstrators confirmed both the technical feasibility and the approach's potential. The project shows that additive manufacturing in construction can combine design quality, productivity and resource efficiency, and can be transferred to applications such as building renovation, alternative binders or other mobile robotic construction processes.