Kombinierte additive Fertigungsverfahren für bewehrte Betonbauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Dröder; Professor Dr.-Ing. Harald Kloft; Professor Dr.-Ing. Dirk Lowke
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416601133

Additive Fertigungstechniken (AF) ermöglichen die automatisierte Herstellung von nahezu beliebig geformten Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien. Für den Werkstoff Beton sind in den letzten Jahren zahlreiche Verfahren zur additiven Fertigung von unbewehrten Betonbauteilen entwickelt worden, die das Potenzial von AF für das Bauwesen aufzeigen. Die Herstellung statisch-konstruktiver Bauteile stellt den nächsten Schritt in der Entwicklung dieser innovativen Fertigungsmethode dar. In diesem Zusammenhang ist die Integration von zugfesten Materialien unabdingbar, um die aus der Belastung entstehenden Zugkräfte abtragen zu können sowie ein duktiles Versagen statisch relevanter Betonbauteile zu gewährleisten. Bei der Integration von Bewehrungselementen muss hinsichtlich des Prozesses einerseits die Flexibilität und Effizienz additiver Fertigungsmethoden sowie aus materialtechnischer Sicht andererseits die effektive Ausnutzung der Bewehrung gesichert sein. Es besteht daher die Notwendigkeit, kom-binierte additive Fertigungsmethoden zu entwickeln, die die fertigungsgegebene Formfreiheit erhalten und gleichzeitig einen guten Verbund zum umgebenden Material sicherstellen. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die grundlegende Erforschung und explorativ-vergleichende Bewertung kombinierter AF zur automatisierten Integration von Bewehrungselementen in den additiven Fertigungsprozess von Betonbauteilen. Der bislang noch sehr punktuelle Stand der Forschung und die Vielzahl denkbarer Technologiekonkurrenten stellen die Motivation für die grundlegenden Untersuchungen mehrerer ausgewählter Verfahrenskombinationen dar. Zur Exploration werden mehrere kombinierte additive Fertigungsprozesse experimentell im Labormaßstab entwickelt und auf ihre statisch-konstruktive Leistungsfähigkeit hin untersucht. Darauf aufbauend werden zur vergleichenden Bewertung produktionstechnische Kennwerte (bspw. die Produktivität) sowie Bauteilkennwerte (bspw. die Festigkeit) experimentell ermittelt und schlussendlich in einer matrixartigen Übersicht bewertend gegenübergestellt. Der grundsätzliche Forschungsbedarf besteht in der hohen kombinatorischen Vielfalt innovativer Bewehrungstechniken mit materialeffizienten AF sowie der bisher unbekannten experimentellen Bewertung dieser Technologiekombinationen. Als Technologiekandidaten für die additive Herstellung der Betonmatrix werden a) ein extrusionsbasierter Prozess sowie b) der Betonauftrag im Spritzverfahren (Shotcrete 3D Printing) zugrunde gelegt. Für die Fertigung von Bewehrungselementen werden a) das Ablegen von Faserbündeln, b) die Herstellung von Stahlstäben mittels additivem Auftragsschweißprozess sowie c) das robotergestützte Einstecken von Kurzstäben vergleichend untersucht. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit aus den Bereichen Fertigungsautomatisierung (K. Dröder), Bauteilstrukturentwurf (H. Kloft) und Materialwissenschaften (D. Lowke) stellt die erforderliche fachübergreifende Betrachtung sicher.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen