"Shotcrete 3D Printing": TU Braunschweig entwickelt modulares Konstruktionssystem für leichte Raumstrukturen aus verstärktem Beton

Die Entwicklung eines modularen, digitalen Konstruktionssystems für leichte Raumstrukturen aus verstärktem Beton ist das Thema der Forschungsarbeit mit dem Titel „Adaptive Modular Spatial Structures for Shotcrete 3D Printing“ von Norman Hack, Hendrik Lindemann und Harald Kloft von der Technischen Universität Braunschweig. Bereits im Februar hatten wir darüber berichtet.

Digitales Konstruktionssystem

Raumstruktursysteme sind tragende, geometrisch anpassbare Strukturen und eignen sich für säulenfreie Konstruktionen wie Hangars, Terminals oder Freigeometrien. Sie sind aus isotropen Materialien hergestellt wie Aluminium oder Stahl und nehmen sowohl Druck- als auch Zugkräfte auf.

Ein digitaler Workflow umfasst die Rationalisierung einer Freiformgeometrie in adaptive Module, die vollständig aus planaren Komponenten bestehen. Die 3D-Betondrucktechnologie „Shotcrete 3D Printing“ stellt diese Komponenten präzise und schnell her. Das integrative digitale Konstruktionssystem für adaptive modulare Raumstrukturen aus Stahlbeton berücksichtigt sämtliche Aspekte rund um den Bau. Die TU Graz erforscht ebenfalls den ressourcenschonenden 3D-Druck von Objekten aus Beton.

Von der Planung bis zum G-Code

Freiformgeometrien werden erst in planare Paneele rationalisiert, zu räumlichen Modulen entwickelt und ohne Bauschutt hergestellt. Um planare Strukturen zu erhalten, musste der Workflow eine gegebene Freiform-NURBS-Oberfläche in räumliche Module aus viereckigen planaren Komponenten rationalisieren. Die planaren Vierecke werden in eine räumliche Gitterstruktur überführt, die an eine bestimmte Belastungsbedingung angepasst wurde. Die Koordinaten und die Werkzeuggeschwindigkeit werden in einen mit Siemens Sinumeric verwendbaren G-Code übersetzt.

Der Druckvorgang

Nach dem Roboteraufbau wurde eine Holzgrundplatte im Arbeitsbereich installiert. Die Fertigungsdaten für jede Modulkomponente wurden hochgeladen, bevor der Betonmischprozess begann. Die überlegene Schichthaftung entstand, weil das Material extrudiert und mit Druck besprüht wurde. Die Modulkomponenten wurden einzeln mit einem 3D-Drucker gedruckt. Nach den ersten beiden Schichten wurden 8 × 100 cm große Streifen aus einem Kohlefaserverstärkungsgitter darauf gelegt. Danach folgte die letzte Schicht. Die 60 kg schweren Flächenelemente wurden nachgearbeitet und zwei Tage lang getrocknet.

Der fertige 2,2 x 1,5 x 1 m große Prototyp wurde in nur 25 Minuten mit 12 Minuten Sprühen und acht Minuten Nachbearbeitung gedruckt. Die größere Struktur wurde in nur fünf Minuten mit der Hilfe von drei Mitarbeitern zusammengebaut. Weitere Untersuchungen werden folgen. In unserem Newsletter werden wir darüber berichten (hier abonnieren).