Komplexe Stahlbeton-Gussformen
Ressourcenschonende Herstellung von funktionalisierten, komplexen und individuellen Betongussformen für das Bauwesen mittels Multimaterialschalungen
Komplexe Stahlbeton-Bauteile werden von Architekten, Ingenieuren und Designern immer häufiger nachgefragt. Da mittels direktem 3D-Beton-Druck erzeugte Bauteile nur eine geringe Druck-Festigkeit und auf Grund der fehlenden Bewehrung fast keine Zug-Festigkeit haben, erforschte FORWISS zusammen mit dem 3D-Drucker-Hersteller und Servicedienstleister voxeljet AG und der Hemmerlein Ingenieur GmbH verschiedene Schalungssysteme und die entsprechende Prozesstechnik zur Herstellung dieser.
Ausgehend von einer CAD-Beschreibung einer Fläche entwickelte FORWISS Algorithmen, welche die entsprechenden Schalungselemente berechnen. Die ausgedruckten Schalungselemente werden anschließend ausgedruckt, montiert und vergossen. Die produzierten Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Detailgenauigkeit und Funktionalisierung aus, ermöglichen Hinterschneidungen und Freiformen.
Bild: Freiform-Wand aus Stahlbeton
Bild: Komplexe Form aus Beton
Bild: Funktionalisiertes Waschbecken
Hintergrundinformation: 3D-Druck von pulverförmigem Material
Der pulverbettbasierte 3D-Druck eignet sich hervorragend, um komplizierte Formen unterschiedlichster Form und Größe schnell und in höchster Präzision ohne jegliches Werkzeug herzustellen. Die Drucker der voxeljet AG, die nach diesem Prinzip arbeiten, bieten neben der hohen Baugeschwindigkeit auch große Bauvolumina. Grundsätzlich bestehen die Materialien aus einem Partikelmaterial, das das eigentliche Baufeld ausmacht und einer flüssigen Komponente, dem Binder, der über einen Druckkopf präzise und selektiv auf das Baufeld aufgebracht wird. In Abbildung 12 sind die einzelnen Prozessschritte im pulverbettbasierten 3D-Druck schematisch dargestellt. Das Partikelmaterial wird mittels eines Vibrationsbeschichters auf die Bauplattform aufgetragen. Dabei fließt nur dann Material aus dem Beschichter, wenn dieser in Vibration versetzt wird. Eine Klinge streicht gleichzeitig das Baufeld glatt und gewährleistet eine immer gleichbleibende Schichtdicke während des gesamten Druckvorgangs. Nach dem Auftragen einer Schicht bedruckt der Druckkopf das ebene Pulverbett mit Binderflüssigkeit. Ist eine Schicht vollständig bedruckt, wird die Bauebene um
eine Schichtstärke versetzt und eine neue Partikelmateriallage mit dem Beschichter aufgelegt. Die vorherigen Schritte werden sooft wiederholt bis alle Bauteile fertig sind. Nach dem Druck der letzten Schicht und einer vom Materialsystem abhängigen Wartezeit können die Teile aus dem Pulverbett entnommen und von losen Partikeln befreit werden.
Prozesstechnik und Schalungssysteme
Furanharzgebundene Schalungen aus Quarzsand, wie diese bei voxeljet seit vielen Jahren hergestellt werden, erweisen sich als sehr geeignet für den Betonabguss. Die abgegossenen Teile sind sehr detailreich und zeichnen sich durch eine hohe Oberflächengüte auf. Die Oberflächen und die Haptik der Objekte lassen sich noch weiter durch gängige Verfahrensschritte wie Polieren oder Lasieren verbessern. Die Forschungspartner erforschten entsprechende Beschichtungen der Schalungsgrenzfläche zu Beton und Trennmittel, um ein Eindringen des Flüssigbetons in die Schalung zu verhindern und die einfache und schnelle Entschalbarkeit zu gewährleisten.
Schalungssysteme
Schalungselemente in beliebiger Größe können weder hergestellt noch transportiert werden. Daher untersuchte FORWISS verschiedene Schalungssysteme.
Zerlegung in Paneele
Das Freiform-Bauteil wird in einzelne kleinere Paneele aufgeteilt und diese werden dann mittels eines Multi-Material-Schalungssystems produziert. Dieses Schalungssystem besteht aus einer wiederverwertbaren äußeren stabilen Schalung und einer in diese einlegbaren umweltfreundlichen inneren Schalung. Die einzelnen Paneele werden anschließend vor Ort zu einem Großbauteil montiert. Dieses Verfahren eignet sich für Bauteile, bei denen die Verbindungstechnik zwischen den Paneelen einfach gehalten werden kann, also beispielsweise für nur druckbelastete Bauteile.
Bild: Multimaterial-Schalungssystem zum Verguss von Paneelen
Verlorene Schalung
Dieses Verfahren besteht aus der Produktion einer verlorenen Schalung und der anschließenden Montage der Schalung, der Bewehrung und dem Verguss. Zwischen der verlorenen oberen und unteren Schalung werden Stege eingebracht, um die Schalung mit Schalungsankern verschrauben zu können. Dadurch erhält man ein Bauteil, das aus statischer Sicht gut handhabbar ist. Die Beton-Paneele dienen ausschließlich als Schalung und haben auf die Stabilität des Bauteils keine Auswirkung; statisch tragend ist nur der Ortbeton in Verbindung mit der Bewehrung.
Bild: Verlorene Schalung aus Paneelen, die vor Ort vergossen wird
Schalungssystem mit Unterstützungsstrukturen
Die Schalung besteht aus stabilen Furanharzplatten, die zusätzlich durch kostengünstige zweidimensionale Unterstützungsstrukten aus Holz stabilisiert wird. FORWISS entwickelte einen Algorithmus, der ausgehend von einer Freiform-Fläche die entsprechenden Schalungselemente inklusive Abstandshalter, Ankerlöcher, Eingusslöcher, Entlüftungslöcher, die entsprechenden Knicklängen und Knickwinkel der Bewehrung und die entsprechenden Unterstützungsstrukturen berechnet. Die Schalungselemente werden 3D-gedruckt, die Bewehrung gebogen und die Unterstützungsstrukturen aus Holzplatten mit CNC-Maschinen ausgeschnitten. Anschließend wird die Schalung verbaut und vergossen.
Bild: Algorithmisch berechnete Schalungselemente inklusive Bewehrung
Bild: Algorithmisch berechnete Schalungselemente inklusive Unterstützungsstrukturen
Bild: Aufbau des Schalungssystems mit Unterstützungsstrukturen aus Holz und 3D-gedruckten Schalungselementen
Fotobeton
Fotobeton ermöglicht das Aufbringen von einfarbigen Bildern direkt auf der Betonoberfläche. Meist wird Beton aus Weißzement mit dunklem Gesteinszuschlag verwendet. Durch kontrolliertes partielles Aufbringen einer Substanz, die das Abbinden des Betons verzögert, kann nach dem Entschalen der nicht abgebundene Beton an der Oberfläche abgewaschen werden. Die darunterliegenden Zuschlagstoffe werden dadurch sichtbar.
FORWISS entwickelte ein Schalungssystem, welches nach unserem Kenntnisstand zum ersten Mal das Aufbringen von Pixelbildern auf mehrfach gekrümmte Betonoberflächen ermöglicht.
Bild: Explositionszeichnung der einzelnen Schalungselemente
Pixelbild auf mehrfach gekrümmter Betonoberfläche