3D-Druck mit Beton – numerische und experimentelle Beschreibung der Teilprozesse Extrusion, Ablage und schichtenweiser Aufbau

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine; Professor Dr. Günther Meschke
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545131259

Der 3D-Druck mit Beton hat ein hohes Potential, die Produktivität und Nachhaltigkeit im Bauwesen beträchtlich zu steigern und dem zunehmenden Fachkräftemangel nachhaltig entgegenzuwirken. Das Forschungsvorhaben fokussiert auf die experimentelle und numerische Untersuchung der Fließ- und Verformungsvorgänge von Beton während der Teilprozesse Extrusion, Materialablage und schichtenweiser Aufbau beim 3D-Betondruck. Die Ergebnisse aus dem Vorhaben sollen einerseits eine deutlich präzisere und verlässlichere Gestaltung der Produktionsvorgänge als bisher ermöglichen und anderseits eine bessere Prognose der Qualität additiv gefertigter Betonstrukturen ermöglichen. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit steht die Entwicklung eines numerischen Modells zur Beschreibung der gedruckten Betonstrukturen während und nach der Ablage des Betons. Dies erfordert die experimentelle Untersuchung und modellbasierte Charakterisierung von elasto-viskoplastischen Verformungen im frischen Zustand sowie von plastischen Verformungen infolge Hydratation, Schwinden und Kriechen im erhärtenden Zustand einschließlich hygrothermischer Wechselwirkungen. Hierzu werden experimentelle Methoden für die Charakterisierung des frischen Betons während des 3D-Druckprozesses bzw. nach dem Druckvorgang weiterentwickelt und um photo¬grammetrische Verfahren zur berührungslosen Deformationsanalyse ergänzt. Die entwickelte numerische Mehr-Ebenen-Simulationsstrategie erlaubt eine durchgehende Beschreibung des Betons im frischen und erhärtenden Zustand und eine nahtlose Verbindung von hochauflösenden Simulationen auf der Filament- und der Bauteilskala während der Prozessschritte Extrusion, Materialablage und dem schichtenweisen Aufbau ganzer Strukturen. Das numerische Modell wird mit Daten aus den experimentellen Untersuchungen kalibriert und systematisch mittels verschiedener experimenteller Benchmark-Studien auf der Filament- und Bauteilskala validiert. Auf der Filamentskala finden vergleichende Studien zur Umformung des Betons während der Teilprozesse Extrusion und Materialablage sowie zur exakten Stranggeometrie und deren Veränderung nach der Ablage statt. Auf der Bauteilskala werden Spannungszustände, Kraftwirkungen und Deformationen beim sukzessiven schichtenweisen Aufbau vergleichend beleuchtet. Als Anwendungsbeispiel wird das Durchdringen und Umschließen von Bewehrungsgittern bei Belegung mit Beton mittels 3D-Druck experimentell und numerisch eingehend untersucht. Damit leistet das Projekt auch einen Beitrag zur Integration von Bewehrung in den 3D-Druck mit Beton.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen