Additive Fertigung frei geformter, bewehrter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Gehlen; Professor Dr.-Ing. Stefan Winter
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257344691

Bionisch inspirierte, formoptimierte Konstruktionselemente können mit herkömmlichen Fertigungsverfahren oft nur mit großem Aufwand hergestellt werden. Hier bieten additive Fertigungsverfahren (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 >Nassdrucken< werden zur Herstellung des Betonbauteils Schichten aus feiner Gesteinskörnung ausgebracht und durch gezieltes Einbringen eines Bindemittelleims selektiv gebunden. b) Bei der >Selektiven Aktivierung< wird ein Gemisch von Gesteinskörnung und Bindemittelpulver ausgebracht und der Hydratationsprozess durch Einbringen von Wasser aktiviert.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. Zudem sollen erstmals Untersuchungen zur Herstellung bewehrter Betonbauteile im 3D-Druckverfahren durchgeführt 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.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1542: Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien