TU Eindhoven entwickelt mathematisches Modell zur Optimierung des 3D-Drucks von Bauwerken aus Beton

An der Technischen Universität Eindhoven hat Akke Suiker, Professor für angewandte Mechanik ein Mathemodell für stabilere Bauwerke aus dem 3D-Drucker entwickelt. Ingenieure können mit dem Modell die optimalen Abmessungen und Druckgeschwindigkeiten festlegen, bei der gedruckte Wände noch stabil bleiben. Die TU Eindhoven hat bei der additiven Fertigung von Gebäuden durchaus praktische Erfahrung. Zusammen mit dem Bauunternehmen BAM Infrastructure (Royal BAM Group) hat die TU Eindhoven eine Fahrradbrücke entworfen, die im Sommer 2017 mit einem 3D-Beton-Drucker gefertigt wurde.

Gedruckter Beton muss ohne Unterstützung einer Schalung gleich das Gewicht der darüber gefertigten Betonschichten tragen. Jede weitere Schicht erhöht die Spannung und ob der Beton schon hart und stark genug ist, um eine zusätzliche Schicht aufzudrucken, ist eine der zentralen Fragen beim 3D-Druck von Gebäuden. Auf der International Journal of Mechanical Sciences zeigte Akke Suiker jetzt die Ergebnisse seiner Berechnungen, die auch unter dem Titel „Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments“ im International Journal of Mechanical Sciences erschienen sind..

Seine Gleichungen erlauben eine Berechnung, in welcher Geschwindigkeit bei der angegebenen Aushärtungscharakteristik und Abmessungen der Wände die gedruckten Schichten ohne zusammenbrechende Strukturen aufgetragen werden können.

Optimiertes Automatisierung beim Rohbau möglich

Suiker kann auch berechnen, auf welcher Weise eine Wand mit so geringen Materialeinsatz wie möglich hergestellt werden kann und welche Auswirkungen bauliche Unregelmäßigkeiten haben. Es gibt 15 bis 20 Faktoren auf die man achten muss, doch weil Suiker seine Gleichungen zweckmäßig skalierte, blieben fünf dimensionslose Parameter übrig und aus diesem Grund erfolgt die Lösung des Problems mit einem intuitiven Modell.

Die Erkenntnisse aus dem Modell schaffen Suiker zufolge wichtiges Basiswissen für alle, die Bauwerke per 3D-Drucker fertigen wollen. Er nannte Bauingenieure, Ingenieurbüros und Unternehmen, die dünnwandige, kleine Kunststoffprothesen drucken als Beispiele, weil dort auch die errechneten Gleichungen gelten würden. Von der Cambrigde University wurde Professor Suiker für ein Seminar über seine Arbeit eingeladen. Wie wir im Oktober 2016 berichteten, erhielt die TU Eindhoven die Erlaubnis, in der Stadt Eindhoven ein Haus aus Beton mit einem 3D-Drucker aufzubauen.

Sein Modell validierte er mit Testergebnissen, die von PhD-Student Rob Wolfs per Beton-3D-Drucker an der TU Eindhoven gewonnen wurden. Er entwickelte gleichzeitig mit Suiker ein Computermodell, mit dem eine Berechnung des Verhaltens im Druckprozess möglich ist. Das Computermodell basiert auf der Finite-Elemente-Methode.

Die Ergebnisse der unabhängig voneinander entstandenen Modelle bestätigten sich einander. Das Modell von Wolf funktioniert vor allem in Verbindung mit einer detaillierten Analyse komplexer Probleme bei besonderen Druckbedingungen. Der rein numerischer Charakter und die erforderliche Rechenzeit reichen nicht aus, um die wichtigsten Effekte des Druckvorgangs zu erfassen und übergreifende Trends zu beschreiben. Weitere News zu diesem Thema auch in Zukunft im Newsletter von dem 3D-grenzenlos Magazin (kostenlos abonnieren).