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Toleranzfreie Serienfertigung von Hochleistungsbetonbauteilen durch transient-interaktive Kopplung von Entwurf und Produktion

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Massivbau

Bearbeiter

Jan Stindt, M. Sc. Ruhr-Universität Bochum, Institut für Massivbau

Alex Maximilian Frey, M. Sc. Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik

Projektbeschreibung

Tragwerksentwurf und Produktion einer Betonstruktur aus Modulen erfolgen derzeit sachlich getrennt und zeitlich nacheinander. Der vorlaufende Entwurf legt dabei die durch die Produktion zu erfüllenden Anforderungen, wie etwa Toleranzen, fest. Werden diese nicht erfüllt, müssen Module nachgearbeitet werden oder sind Ausschuss. Das kann sich beim neuartigen Modulbau besonders nachteilig auswirken, da viele Einzelmodule zu verbinden und entsprechend hohe Toleranzanforderungen an die Fertigungsprozesse zu stellen sind. Dieses Teilprojekt beschreitet einen gänzlich neuen Weg. Aus den bisher getrennten, konsekutiven Prozessen Entwurf und Produktion wird ein gemeinsamer.
Durch einen neuen Ansatz zu Produktion und Kombination von Bauteilen sollen produktionsbedingte Streuungen von Bauteileigenschaften ausgeglichen werden. Zum Beispiel lässt sich ein „zu lang“ produziertes Modul – zuvor außerhalb der Toleranz und damit Ausschuss – in der Gesamtstruktur durch ein gleichartig „zu kurzes“ Modul kompensieren, sodass beide Module verwendet werden können. Auf diese Weise soll eine effiziente und verschwendungsarme Serienfertigung von Hochleistungsbetonbauteilen entwickelt werden.
Die geometrischen Abweichungen von Stabmodulen resultieren maßgeblich aus dem Schwinden des verwendeten ultrahochfesten Betons (UHFB) und lassen sich durch eine Wärmebehandlung bei 80°C mit variabler Dauer eingrenzen. Der Zusammenhang zwischen der Dauer der Wärmebehandlung, dem residualem Schwinden und den Streuungen der Materialeigenschaften des UHFB wird experimentell bestimmt und statistisch aufbereitet. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird zum einen die erreichbare Genauigkeit der einzelnen Module durch Auswertung der zu erwarteten Knotenverschiebungen beurteilt.
Zum anderen wird ein Konzept für ein Produktionssystem nach dem Fließprinzip und eine adaptive Produktionssteuerung  entwickelt, mit der gezielt Einfluss auf die Wärmebehandlung genommen werden kann, um eine Steuerung von Bauteileigenschaften zu erreichen. Hierfür werden die erzielten Ist-Verteilungen der Bauteileigenschaften (z. B. geometrische Abweichungen) der zu einem bestimmten Zeitpunkt  produzierten Chargen ermittelt. Anschließend werden mit Hinblick auf die bereits assemblierten Bauteile und die zu erstellende Gesamtstruktur die Soll-Verteilungen der nächsten Charge bestimmt. Dies geschieht durch die gezielte toleranzausgleichende Assemblierung der hergestellten Module (gleichschenklige, gelenkig verbundene Y-Module) zu ebenen und statisch bestimmten Sechseckwaben. Hierzu wird ein stochastischer Permutationsansatz für die optimale Platzierung von Modulen in Abhängigkeit der geometrischen Abweichungen und der notwendigen Tragfähigkeit der Module verwendet. Der Entwurf als Anforderung an die Produktion wird somit von Charge zu Charge - d. h. transient – und in Interaktion mit der Produktion angepasst. Hierdurch entsteht eine transient-interaktive Kopplung zwischen Entwurf und Produktion in quasi Echtzeit, die eine toleranzfreie Serienfertigung ermöglicht (Abbildung 1).

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 1: Schema der Kopplung von Entwurf und Produktion
Abbildung 1: Schema der Kopplung von Entwurf und Produktion

Veröffentlichungen

2021

[7] Frey, A. M.; Lanza, G.
Adaptive Manufacturing Based on Active Sampling for Multi-component Individual Assembly
In Towards Sustainable Customization: Bridging Smart Products and Manufacturing Systems (pp. 372-380)
Springer, Cham

[6] Stindt, J.; Forman, P; Mark, P.
Influence of Rapid Heat Treatment on the Shrinkage and Strength of High-Performance Concrete
Materials 14(15) (DOI: 10.3390/ma14154102)

[5] Stindt, J.; Forman, P.; Mark, P.            
Experimente zur Schwindreduktion von hochfesten Betonbauteilen durch Wärmebehandlung
Beton- und Stahlbetonbau (DOI: 10.1002/best.202100028)

[4] Frey, A.; Stindt, J.; Lanza, G.; Mark, P.
Geometrische Bewertung und Optimierung der Modulanordnung in Tragwerken
Bautechnik 98, 2021 (DOI: 10.1002/bate.202100027)

[3] Mark, P.; Lanza, G.; Lordick, D.; Albers, A.; König, M.; Borrmann, A.; Stempniewski, L.; Forman, P.; Frey, A.; Renz, R.; Manny, A., Stindt, J.
Industrializing precast production - adaptive modularized constructions made in a flux
Civil Engineering Design 3(3), 2021, pp. 87-98. (DOI: 10.1002/cend.202100019)
PDF

[2]  Tkocz, J.:
Schnellfertigung von dünnwandigen Stabbauteilen aus Hochleistungsbeton mit gesteuerter Waermebehandlung
Dissertation, Lehrstuhl für Massivbau der Ruhr-Universität Bochum, 2021.
PDF

[1]    Stindt, J.; Frey, A.; Stricker, N.; Mark, P.; Lanza, G.:
Kopplungsmethoden von Entwurf und Produktion zur toleranzfreien Serienfertigung.
In: BetonWerk International Nr. 2, 2021, S. 20-21
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Abschlussarbeiten

2021

[2] Königshofer, J.
Prozesssteuerung mittels stochastischer dynamischer Optimierung zur Vermeidung von Verschwendung in der Produktion
Bachelor-Thesis, wbk – Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Betreuer: Alex Frey, M.Sc.

[1] Baumbach, J.
Schwinden von ultrahochfestem Beton bei Wärmebehandlung
Master-Thesis, Lehrstuhl für Massivbau der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum