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Entwicklung eines adaptierbaren Fertigungsverfahrens für modulare leichte Betonbauteile mittels voll-rezyklierbaren Schalungssystemen

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Werner Sobek Universität Stuttgart, ILEK

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl Universität Stuttgart, ISW

Bearbeiter

Dipl.-Arch. Daria Kovaleva Universität Stuttgart, ILEK

David Nigl, M. Sc. Universität Stuttgart, ILEK

Maximilian NistlerM. Sc. Universität Stuttgart, ISW

Frederik Wulle, M.Sc. Universität Stuttgart, ISW

Projektbeschreibung

Aufgrund des Bevölkerungswachstums und der gleichzeitig zunehmenden Verknappung der natürlichen Ressourcen, steht die Bauwirtschaft vor der Herausforderung das Bauvolumen zu erhöhen und den Materialverbrauch zu reduzieren. Um dieser Herausforderung zu begegnen ist es notwendig die Bauprozesse zu beschleunigen, die Effizienz der Bauteilkomponenten zu erhöhen und Bauabfälle zu vermeiden.
Im Rahmen des SPP befasst sich dieses Teilprojekt mit der Untersuchung von Fließfertigungspotenzialen für strukturoptimierte leichte Betonbauteile. Der Fokus liegt dabei auf der Integration einer additiven Fertigung von rezyklierbaren Schalungen in die Fließfertigungskette. Die Motivation für dieses innovative Verfahren ist durch die vorherrschende Fertigung von Schalungskomponenten gegeben. In der Praxis spielt die Schalung eine Schlüsselrolle für die Genauigkeit und die Qualität der darin zu fertigenden Betonelemente. Insbesondere bei geometrisch komplexen Bauteilen ist der Herstellprozess der einzelnen Schalkomponenten nicht automatisiert. Die anfallenden Kosten sind dementsprechend hoch und die Wiederverwendbarkeit ist meist nicht gegeben. Das vorliegende Teilprojekt soll sowohl der letztgenannten Problematik als auch der Ressourcenverknappung entgegenwirken. Die Kombination aus additiver Fertigung zusammen mit abfallfreien, wasserlöslichen Materialsystemen wird als vielversprechende Alternative für die konventionelle Schalungsproduktion angesehen. Der Herstellprozess basiert auf der Pulverbett-Bindemittelstrahltechnologie und erfolgt durch das Aufspritzen von Wasser auf ein Gemisch aus Sand und wasserempfindlichem Bindemittel, welches nach seiner Erhärtung eine geometrisch stabile Form erhält. In gewissem Umfang ermöglich das Pulverbett-Verfahren auch weitere Fertigungsschritte zu integrieren. Hierzu zählen unter anderem eine automatisierte Bewehrungsintegration und einen Einbau von Verbindungselementen (Abb. 1) Um den erläuterten Fertigungsprozess zu gewährleisten sind diverse Einzelkomponenten zu entwerfen. Dies beinhaltet die Entwicklung des kinematischen Systems, der Komponenten des Materialversorgungs- und des Verarbeitungssystems sowie Endeffektoren für die Integration von Bewehrung und Verbindungselemente. Für eine qualitätssichernde Prozesssteuerung werden ein modulares, offenes Steuerungssystem sowie Online-Regelungsverfahren zur dynamischen Anpassung der Prozessparameter entwickelt.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Fertigungsprinzip des neuen Fließfertigungsverfahrens: 1) Einlegen der Verbindungs-Implantate, 2) Drucken der Schalungsstruktur und Bewehrungs-integration, 3) Entfernen des ungebundenen Materials, 4) Gießen, 5) Entfernen der Schalung, 6) Gefertigtes Bauteil.
Abbildung 1: Fertigungsprinzip des neuen Fließfertigungsverfahrens: 1) Einlegen der Verbindungs-Implantate, 2) Drucken der Schalungsstruktur und Bewehrungs-integration, 3) Entfernen des ungebundenen Materials, 4) Gießen, 5) Entfernen der Schalung, 6) Gefertigtes Bauteil.

Veröffentlichungen

2022

[7] Kovaleva, D.; Nistler, M.; Blandini, L.; Sobek, W.; Verl, A.:
Rezyklierbare Sandschalungen: Auf dem Weg zur Kreislaufproduktion leichter Betonbauteile
Beton- und Stahlbetonbau (6), 2022 (accepted)

[6] Kovaleva, D.; Nistler, M.; Verl, A.; Blandini, L.; Sobek, W.
Zero-waste Production of Lightweight Concrete Structures with Water-Soluble Sand Formwork
Proceedings of The 3rd RILEM International Conference on Digital Fabrication with Concrete (Digital Concrete 2022), Loughborough, UK, 2022 (accepted)

[5] Kovaleva, D.; Nistler, M.; Verl, A.; Blandini, L.; Sobek, W.
Abfallfreie Herstellung leichter Betonbauteile mittels wasserlöslicher Sandschalungen
Proceedings of 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau, 2022 (accepted)

[4] Kovaleva, D.
Ästhetik und Effizienz gradierter Bauteile
Betonprisma (112), Digitalisierung, 2021, S. 28-31.

[3] M. Nistler et al.
Camera-based Process Monitoring for Powder Bed Additive Manufacturing in Construction
Procedia CIRP, 2022 (accepted)

[2] F. Wulle et al.
Multi-axis 3D printing of gelatin methacryloyl hydrogels on a non-planar surface obtained from magnetic resonance imaging
Additive Manufacturing, vol. 50, p. 102566, 2022, doi: 10.1016/j.addma.2021.102566

2021

[1] Kovaleva, D.; Sobek, W.; Wulle, F.; Verl, A.:
Entwicklung eines adaptierbaren Fertigungsverfahrens für modulare leichte Betonbauteile mittels voll-rezyklierbaren Schalungssystemen.
In: BetonWerk International Nr. 1, 2021, S. 29-30
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Abschlussarbeiten

2021

[3] Tepper, Louis
Kamerabasiertes Prozess-Monitoring zur Prozessoptimierung für das Schalungsdrucken mittels Binder-Jetting Verfahren
Studienarbeit, stitut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart, Betreuer: Maximilian Nistler

[2] Sauer, Robin
Pulverbett-basierte Additive Fertigung mit variabler Auflösung
Bachelorarbeit, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart, Betreuer: Maximilian Nistler

[1] Salerno, Johannes
Hybride Bahnplanung linienförmiger Werkzeuge für die schichtbasierte Additive Fertigung
Bachelorarbeit, stitut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart, Betreuer: Maximilian Nistler