Das Institut für Tragwerksentwurf (ITE) der TU Braunschweig hat mit Shotcrete 3D Printing (SC3DP) ein neues 3D-Betondruckverfahren in einem interdisziplinären Forschungsteam entwickelt. Robotergestützt kann damit Beton schichtweise aufgetragen und großformatige Bauteile ohne Schalung schnell und kostengünstig hergestellt werden.

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Traditionell wird Beton in Schalungskörper gegossen und resultiert in entsprechend hohen Kosten. Die Kosten für den Schalungsbau haben eine unmittelbare Auswirkung auf die Formfreiheit und Materialeinsatz. Die verfügbaren Schalungssysteme sind auf einfache geometrische Formen beschränkt. Schalungsbasierte Betonkonstruktionen werden noch immer zum Großteil aus biegebeanspruchten masse­intensiven Bauteilen  zusammengesetzt. In Eindhoven steht seit wenigen Tagen Europas erste Beton-3D-Druck-Fabrik, die ihren Betrieb aufnahm und einen Meilenstein für die 3D-Drucktechnologie im Bauwesen darstellt.

3D-Druck mit Beton
Shotcrete 3D Printing (SC3DP): 3D-Druck mit Beton an der TU Braunschweig (Bild © TU Braunschweig).

Die jetzt entwickelte neue AM-Technologie des ITE-Instituts der TU Braunschweig verbindet die Grundprinzipien bekannter Spritzbetonverfahren mit neuen Möglichkeiten der robotergestützten digitalen Fertigung. Die Grundlage für SC3DP ist das Digital Building Fabrication Laboratory (DBFL) und dabei handelt es sich um ein vor drei Jahren am ITE installiertes Forschungsgroßgerät. Beim DBFL wurden eine CNC-gesteuerte 5-Achs-Portalfräse und ein sechsachsiger Schwerlastroboter miteinander kombiniert. Die zwei Fertigungseinheiten lassen sich getrennt steuern und können auch synchron zusammenarbeiten. Der nutzbare Arbeitsraum beläuft sich auf 10,5 x 5,25 x 2,5 Meter und es wird mit einer Genauigkeit von 1/10 mm gearbeitet.

Bei der SC3DP-Betondrucktechnologie wird die Betonmatrix mittels kontrollierter Zuführung von Druckluft in der Extrusionsdüse schichtweise aufgetragen. Der Roboterarm erhält dafür eine Spritzbetondüse, die das Material via Exzenterschneckenpumpe bekommt. Im Dichtstromverfahren wird der Beton nass bis zur Betonspritzdüse gefördert. Der 3D-Druck mit Druckluft führt zu einem sehr guten Verbund der einzelnen Schichten hinweg und zeigt entsprechende positive Auswirkungen auf die Festbetoneigenschaften der gedruckten Betonteile. Die Freiheitsgrade sind ein zusätzlicher Pluspunkt der SC3DP-Technologie.

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Die neun ansteuerbaren Achsen resultieren in einer extremen geometrischen Freiheit und erlauben ein bislang nicht mögliches Formenspektrum für die industrielle Herstellung  von Betonbauteilen. In Verbindung mit innovativen Werkstoffen erhöht die Technologie ihr Potenzial um ein Vielfaches. Zugleich mit dem SC3DP-Drucker werden High-Tech Werkstoffe entwickelt. Kohlefaserbewehrung, Faserbetone und andere innovative Werkstoffe können in den 3D-Betondrucker integriert werden.

Am ITE wird außerdem der völlig neue Ansatz verfolgt, die Betonguss-Vorteile mit SC3DP zu vereinen. Hinter der Idee des AD-ON Printing steht es, gegossene Betondecken nach Möglichkeit so dünn wie machbar zu gestalten und sie mit aufgedruckten Rippen zu verstärkten. Die Kombination der SC3DP-Technologie mit der Betongusstechnik führt zu hochleistungsfähigen und materialsparenden Deckenbauteilen. Der Fertigungsprozess kann in diesem Zusammenhang wegen des Verzichts auf komplexe Schalungen sehr wirtschaftlich gestaltet werden.

Bei SC3DP handelt es sich um eine grundlegende AM-Technologie mit der der ressourcenef­fizienten Materialeinsatz wieder zum Ausgangspunkt der Planungs- und Bauprozesse werden kann. Über die weitere Entwicklung berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Newsletter (hier abonnieren).

Digital Building Fabrication Laboratory

Digital Building Fabrication Laboratory
Digital Building Fabrication Laboratory (Bild © TU Braunschweig).

Video zum Shotcrete 3D Printing-Verfahren

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