MOE-Fellowship: Roman Shuvalov

3D-Druck mit Porenbeton

Zusammenfassung.
Beton ist der weltweit am häufigsten verwendete Baustoff. Derzeit ist mehr als die Hälfte davon Transportbeton, mit einem Volumen von 46 Millionen m3 in Deutschland. Die meisten Betonarten, insbesondere der Transportbeton, benötigen Schalungen für den Einbau. Der Einsatz von Schalungen führt häufig zu hohen Material-, Arbeits- und Maschinenkosten und darüber hinaus nicht selten zu Zeitverzögerungen und Umweltbelastungen. Weitere Herausforderungen, denen sich die Bauindustrie zu stellen hat, sind geringe Produktivität, fehlende Arbeitskräfte, eingeschränkte geometrische Freiheit, lange Bauzeiten, Bauen in gefährlichen oder entlegenen Gebieten, Kostendruck und Nachhaltigkeit. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird an der TU Dresden ein neues Bauverfahren im Rahmen der Technologie des 3D-Drucks mit Beton zur Anwendung auf der Baustelle entwickelt. Zu den Vorteilen der CONPrint3D®-Technologie gehören das Entfallen von Schalungen, Kostensenkungen von 35 – 45 %, hohe geometrische Flexibilität, Verwendung herkömmlicher Baumaschinen und geringer Bedarf an qualifizierter Arbeitskraft.

1. Zielsetzung

Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Weltweit werden jährlich zirka 2 Milliarden Tonnen hergestellt. Allein in Deutschland sind es 120 Millionen Tonnen.

Die städtische Bevölkerung wächst rasant. Die Nachfrage nach Wohnungen steigt. Dafür braucht man entsprechend mehr Baustoffe. Der Einsatz von Schalungen beim Bauen mit Beton ist üblich, führt aber oft zu hohen Material-, Arbeits- und Maschinenkosten und zur negativen Umweltauswirkungen. Die Mehrheit der Gebäude wird immer noch traditionell gebaut (Mauerwerksbau, Beton mit Schalung, Stahlbau). Die Nachteile sind wie folgt:

• Niedrige Arbeitsleistung und Arbeitsqualität
• Hohe Unfallrate auf den Baustellen. Die Unfälle werden vorwiegend durch werden durch menschlichen Faktor verursacht.
• Begrenzte Freiheit in der architektonischen Gestaltung
• Niedrige Energieeffizienz von Gebäuden. Bis zu 40% (vierzig Prozent) des europäischen Energieverbrauchs betrifft die Klimakontrolle von Gebäuden
• Schädliche Umweltauswirkungen
• Hohe Material- und Personalkosten bei der Anwendung von Schalungen
• Erhebliche zeitverzögerungen

Die Nachhaligkeit im Bauwesen ist ein wichtiges Thema, das mit dem 3D-Druck-Verfahren verbindet warden kann.

Der Ansatz basiert sich auf Schalungsfreies 3D-Druck Bauen mit Beton (CONPrint3D). Das Ziel ist Einerseits geht es um Ressource wie Zeit, Arbeitskraft und Material zu sparen. Anderseits es wird angestrebt, dass diese neue Technik eine breite Tauglichkeit in der Bauindustrie erreicht. Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist einen Druckkopf für eine Betonpumpe zu entwickeln, der die additive Fertigung Schicht auf Schicht ermöglicht.

2. Arbeitsmethoden und –techniken

In der Phasen 0-2 geht es um die Formulierung und Präzisierung des Forschungsproblems, Durchführung einer Sicherheitsunterweisung. Erlernen der an der TU Dresden vorhandenen projektrelevanten Ausstattung (Geräte).

Phase 3. Entwicklung einer Schaumbetonrezeptur. Dieses Bauverfahren benötigt ein Material mit höher Pumpbarkeit, Extrudierbarkeit, Frühfestigkeit, Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeit sowohl in senkrechte als auch in parallele Richtungen.

Phasen 4-5: 3D-Druck mit Mörtel. Im ersten Teil der experimentellen Arbeit wurden Probeversuche mit einem speziellen Hochleistungsmörtel durchgeführt. Es wurden Versuche durchgeführt, um die Bindungsqualität zwischen gedruckten Schichten zu untersuchen.

Phase 6: gezielte Wiederholung von 3D-Druckversuchen mit tragenden Schaumbeton.

Phase 7: Optimierung der entwickelten Betonzusammensetzung

Phase 8: Herselltung erstes umweltfreundlichen und ultraleichten tragenden 3D-Shaumbetons

3. Ergebnisse

Studieren von verschiedenen 3D-Druckprojekten und Materialien. Weltweit gibt es mehr als 20 verschiedene Projekte über das Thema 3D-Druck:

• Contour crafting ist eine der bekanntesten Techniken, in den USA, Universität von Südkalifornien;
• Die Firma TotalKuston anwendet eine ähnliche Technik wie Contour Crafting. Diese Firma hat bereits ein Modelschloss gebaut;
• Die Firma CyBe Additive Industries in den Niederlanden, hat eine spezielle Düse entwickelt und die an einem Roboterarm montiert. Das Mörtel erreiecht eine hohe Frühfestigkeit innerhalb von weniger Minuten;
• 3D-Druck an der Loughborougher Universität;
• World’S Advanced Saving Project in Italien. Diese bis 6 m hohe Gebäude sollen als Häuser für die dritte Welt dienen;
• Apiscor in Russland. Das ist ein automatisiertes Gerät für den Bau von Gebäuden. Zusätzlich kann man feinen Faserbeton als Baumaterial einsetzen;

Dieses Bauverfahren benötigt ein Material mit höher Pumpbarkeit, Extrudierbarkeit, Frühfestigkeit, Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeit sowohl in senkrechte als auch in parallele Richtungen.

Der Ansatz für die neue Schaumbetonrezeptur ist:

• Polystyrolkügelchen in verschiedenen Dichten werden als Zuschlagstoff verwendet;
• Portlandzement wird als Bindemittel eingesetz;
• Aluminatzement wird als Teilersatz für Zement eingesetzt um den Erhärtungsverlauf zu beschleunigen und den Schaum in der Matrix zu behalten;
• Naphthalinbasiertes Fließmittel um deine gute Verarbeitbarkeit des Frischbetons zu gewährleisten;
• Schaummittel;
• Latexpulver für eine bessere Haftigkeit zwischen Zementmatrix und Zuschlagstoff.
• 3D-Druck mit Mörtel.

Im ersten Teil der experimentellen Arbeit wurden Probeversuche mit einem speziellen Hochleistungsmörtel durchgeführt.

Vielversprechende Anwendung des 3D-Druckes mit Beton in der Bauindustrie wurden zusammengefasst. Ein neuartiger Ansatz für die 3D-Druck Technik mit einem spezielen Druckkopf CON-Print3D wurde vorgestellt. Dieser neue experimentelle Ansatz wurde bereits erfolgreich getestet.

Die hervorragende Verbindung zwischen den bedruckten Schichten ist vielversprechend, benötigt aber dennoch weitere Forschung

Entwicklung von neuen Zusatzmitteln bzw. Leichtbeton können bei diesem neuen Verfahren viel beitragen