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Kontinuierliche Fertigung von dünnwandigen faserverstärkten Präzisions-Betonelementen für freigeformte Modulbauweisen - KoBeMo

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. habil. Sandra Gelbrich Technische Universität Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h. c. Dr. h. c. Prof. Lothar Kroll Technische Universität Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Bearbeiter

Dipl.-Ing. Marco Lindner Technische Universität Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Dipl.-Ing. Henrik Funke Technische Universität Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Ronny Scharf; Hilfswissenschaftler; Technische Universität Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Projektbeschreibung

Ziel dieses Projektes ist die grundlegende Untersuchung der Interaktionen von Prozess- und Materialparametern einer neuen Fließstrecke zur kontinuierlichen Präzisionsfertigung von modularen Elementen mit integrierter berührungsloser Messtechnik zur Qualitätssicherung und Prozessteuerung. Die einfach und doppelt gekrümmten Grundmodule bestehen aus dünnwandigem faserverstärkten Beton mit Stützstruktur und darin integrierten kraftflussgerechten Verankerungselementen (Inserts), die für die spätere Befestigung am Bauwerk notwendig sind. Konstruktionsmethode und Leichtbauweise dieser hochbelastbaren freigeformten Strukturbauteile sind neuartig und basieren auf den erzielten Forschungsergebnissen der letzten Jahre (Abb. 1). Die Fertigung erfolgt in einem robotergestützten Fließfertigungsprozess mit Hilfe von Betonspritz- und Extrusionstechnologien in Kombination mit einer integrierten optischen Präzisionsmesstechnik. Dazu sind insbesondere die roboterdedizierten Einzelbaustufen zu konzipieren und zu erweitern. Der neu installierte Fertigungskomplex zur präzisen Herstellung der Grundmodule mit integrierter Qualitätssicherung soll um Schnittstellen für das Datenmanagement sowie die später geplanten cyber-physischen Systeme erweitert werden. Die parameterabhängige Vereinbarkeit der einzelnen Teilprozesse wird durch Ermittlung prozess- und materialspezifischer Kennwerte, ihrer Wechselwirkungen und Kennwert-Effekt-Korrelationen durchleuchtet, um eine digitale Gesamtrepräsentation zu erzeugen. Mittels Künstlicher Intelligenz (KI) und „Gene Expression Programming with Free Coefficients“ (GEP-FC) werden diese komplexen Wechselwirkungen untersucht und modelliert. Auf dieser Grundlage werden die vielschichtigen Rückkopplungen zwischen Strukturmerkmalen und Verarbeitungskenngrößen besser verstanden. So können für den zukünftigen Präzisionsschnellbau die Grundlagen zur intelligenten Verknüpfung von CAD, Roboter-, Fertigungs-, Mess- und Regelungstechnik geschaffen werden, um die komplette Prozesskette vom Entwurf bis hin zum fertigen Produkt digital abzubilden und praktisch umzusetzen. Zudem werden grundsätzliche Untersuchungen der emissions- und kostenbestimmenden Prozessbedingungen, wie etwa Schalungs-, Maschinen-, Material- und Energiebedarf, durchgeführt, um die Nachhaltigkeit der modularen Strukturbauteile einschätzen zu können. Durch die Nutzung prozessaffiner, skalierbarer Grundmodule als Basis für individuelle Großstrukturen folgt das angestrebte Modulsystem dem definierten Prinzip „Individualität im Großen – Ähnlichkeit im Kleinen“. Innerhalb der Forschungsfließstrecke werden skalierbare Elemente in Sichtbetonqualität gefertigt. Zielkriterien sind Fertigungszeiten bis maximal 15 min, Elementflächen von 2,5 m x 1,0 m, Einzelgewichte bis etwa 200 kg und Toleranzen im mm-Bereich.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Roboterarena der TU Chemnitz
Abbildung 1: Roboterarena der TU Chemnitz

Veröffentlichungen

[14] Lindner, M.; Gliniorz, R.; Rudolph, E.;  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
Werkzeugentwicklung für robotergestütze Fließfertigungsprozesse zur Herstellung von dünnwandigen faserverstärkten Betonelementen
DGM 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung
Datum / Ort: 11. 13. Mai / Dresden & Online

[13] Lindner, M.; Gliniorz, R.; Rudolph, E.;  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
Additiv gefertigte Betonfertigteilelemente mit faserbasierter Bewehrung
DGM 23. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde
Datum / Ort: 20. 22. Juli / Leoben & Online

[12] Lindner, M.; Gliniorz, R.; Rudolph, E.;  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
Additiv gefertigte Leichtbaustrukturen mit Beton und Faserbewehrung
17. Chemnitzer Textiltechnik Tagung (CTT)
Datum / Ort: 28. 29. September / Online

[11] Lindner, M.; Gliniorz, R.; Rudolph, E.;  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
Tite1:Tool development for robot assisted flow production processes for the fabrication of thin walled fibre reinforced concrete elements
Titel 2: Combined additive manufacturing technology for continuous production of precision concrete elements for modular construction

14. fib phd Symposium (2 Vorträge)
Datum / Ort: 05. 07. September / Rom

[10] Lindner, M.; Gliniorz, R.; Rudolph, E.;  Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.
Additiv gefertigte Betonelemente mit faserbasierter Bewehrung
MSE Materials Science and Engineering
Datum / Ort: 27. - 29 . September / Darmstadt & Online

[9] Vanselow, K.; Lindner,M.; Gliniorz,R.; Gelbrich, S.
Innovative technology of additive manufacturing of textile concrete for lightweight structures
Aachen-Dresden-Denkendorf International Textile Conference 2021.

[8] Abstoß, M.; Rudolph, E.; Funke, H.: Gelbrich,S.
Extrusion komplex geformter Geometrien aus überfräsbarem Beton zur Herstellung von Gießharzformen für Betonfertigelemente
BetonWerk International, Ausgabe 4 2021, S. 142-150, ISSN 14397706, www.cpi-worldwide.com/de/flips/2021/4

[7] Rudolph, E.; Schönfelder, D.; Lindner, M.; Gliniorz, R.; Funke, H.; Gelbrich, S.
Effiziente Herstellung leichtbaugerechte Betonfertigteile durch Verfahrenskombination aus additiver Betonextrusion und konventioneller Betonfertigung
66. BetonTage 2022; registered and accepted.

[6] Abstoß, M.; Rudolph, E.; Funke, H.; Gelbrich, S.
3D printing and milling of complex concrete elements for the production of casting resin molds
CPT Woldwide, Nr.: 2, 2021, S.14-20, ISSN 2629-1592.

[5] Mandel, K.; Lindner, M.; Funke, H.; Gelbrich, S.
Bewehrungsintegration mit Positionierhilfen aus hochgefüllten Mineral-Kunststoff-Verbunden
BWI BetonWerk International; Nr. 3, 2021, S. 24-29, ISSN 1439-7706.

[4] Lindner, M.; Vanselow, K.; Gliniorz, R.; Gelbrich, S.
Additiv gefertigte Leichtbaustrukturen mit Beton und Faserbewehrung
Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung, https://additive-fertigung-2020.dgm.de/home/; Online 2020.

[3] DE102019133755A1
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten mineralischen Bauteils
Gelbrich, S.; Lindner, M.; Wagler, R.; Gliniorz, R.; Vanselow, K.

[2] Lindner, M.; Scharf-Wildenhain, R.; Gliniorz, R.; Funke, H.; Gelbrich, S.; Kroll, L.; Vanselow, K.
Kalibrierverfahren für konstante Materialstränge bei robotergestützer Betonextrusion
Beton- und Stahl-betonbau 116, Sonderheft Schneller bauen S2, September 2021, S. 42–47.
(https://doi.org/10.1002/best.202100051)

[1] Lindner, M.; Mandel, K.; Gelbrich, S.; Funke, H.; Kroll, L.:
Kontinuierliche Fertigung von dünnwandigen faserverstärkten Präzisions-Betonelementen für freigeformte Modulbauweisen (KoBeMo).
In: BetonWerk International Nr. 1, 2021, S. 28-29, ISSN 1437-9023.
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