Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät MaschinenwesenInstitut für BaustoffeInstitut für BaubetriebswesenProfessur für Baumaschinen

Veranstaltungsreihe »Die Zukunft des Bauens«Ressourceneffiziente Materialien und Systeme, 22. September 2016

Kontinuierliches, schalungsfreiesBauverfahren durch 3D-Druck mit Beton

Viktor MECHTCHERINE, Venkatesh Naidu NERELLA

Gefördert mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des BBSR

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Rückblick

Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.)

2

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Rückblick

Das Pantheon in Rom (118 bis 125 n. Chr.)

3

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Gegenwart

www.studio-tm.com

www.peri.com.kw/files

Schalung

• material-, zeit-, und arbeitsintensiv

• 25-45 % der Rohbaukosten

4

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Vision

Infografik Uli StaigerMechcherine, Haist, Garrecht©

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 6

Beton-3D-Druck

Methoden für den 3D-Druck mit BetonSelective binding

D-s

hape

.com

Extrusion

ww

w.t

otal

kust

om.c

omw

ww

.3D

prin

t.co

m

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 7

Stand der Entwicklung

7

Contour Crafting, Dr. Berokh Khoshnevis (USA)

www.contourcrafting.org

www.contourcrafting.org

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 8

Stand der Entwicklung

8

D-Shape, Enrico Dini (Italien/USA)

D-shape.com D-shape.com

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

www.3ders.org

Stand der Entwicklung

9

3D-gedruckte Fertigteile, WinSun (China)

www.3ders.org

www.ingenieur.de

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 10

Stand der Entwicklung

10

3D Printing Concrete – 3DPC, TU Eindhoven (NL)

• Stationärer 3D-Drucker

• L x B x H = 11 x 5 x 4 [m]

• Baustoffe: Feinkörnige Betone

Rien Meulman, http://3druck.comFa. CyBe (NL)

www.cybe.eu www.cybe.eu

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Stand der Entwicklung

11

Herausforderungen und Einschränkungen

• keine Baustellenanwendungen

• Druckerportal muss größer sein als Bauteil bzw. Bauwerk

• kein Materialdesign-Konzept

• kein Konzept für rheologisches Verhalten von Frischbeton

• keine Methoden zur Beurteilung der Druckbarkeit

• unbestimmte Qualität und Reproduzierbarkeit

• kaum Fachpublikationen

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 12

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Zielstellung des Projektes

13

Machbarkeitsuntersuchung zur• Anwendung automatisierter, schalungsfreier Formungssysteme für Beton

• Umsetzung mittels weitestgehend vorhandener Maschinentechnik

• Entwicklung einer geeigneten Betontechnologie

• Prozessoptimierung, Wirtschaftlichkeit, Marktpotenzialstudien

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 14

Steuerung des Betonpumpenmastes

• Entwicklung von Steueralgorithmen für inverse Kinematik Vorgabe der Druckkopf-Bewegung (Trajektorie des TCP) Berechnung der Gelenkwinkel

• Ansteuerung der entsprechenden Antriebe Druckbewegung

r

β

z

Professur für Baumaschinen

Betonpumpenmast Kinematische Skizze des Mastes & Gelenkwinkel

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Professur für Baumaschinen

15

Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes

Anforderungen• Positionsgenauigkeit• Oberflächenqualität• Fenster, Türen, Ecken, Bögen• Druckgeschwindigkeit

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Überwiegend verwendete Baustoffe von Wohngebäuden 2014

Wohngebäudeinsgesamt Ziegel Kalksand-

steinPoren-beton

Stahl-beton Holz Leicht-

beton Sonstige

111.610 34.683 24.898 20.334 8.891 16.823 4.108 1.873

100,0% 31,1% 22,3% 18,2% 8,0% 15,1% 3,7% 1,6%

16

Marktpotential – Beispiel Ersatz für Mauerwerksbau

Gesamtersatzpotenzial bei Wohngebäuden: 75,3 %

Wohn- und Nutzfläche: 24.500.000 m2

Tragende Wandfläche: ca. 40.000.000 m2

(Faktor 1,5-1,7 m2WandFL/m2

WohnFL, selbst ermittelt)

www.destatis.de; www.genesis.destatis.de

Institut für Baubetriebswesen

Baugenehmigungen im Hochbau Deutschland 2014Wohn- und

Nichtwohngebäude Wohngebäude Nichtwohngebäude

Gesamt 209.257 163.844 45.413Neubau 138.365 111.610 26.755

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 17

Untersuchungen zu Datenstrukturen und -formaten

• Aufzeigen erforderlicher Datenstrukturen • Aufbereiten der vorhandenen Daten (CAD-Daten, Stoffdaten)

zur Steuerung des Gesamtprozesses

Prozesskette zur Datenaufbereitung CAD

3D-Kunststoffdruck M 1:100- Druckstrategie- Vorgabe Schichthöhe (Grünstandfestigkeit,

Verbindung der Schichten) - Fenster, Türen, kraftschlüssige Verbindungen

Institut für Baubetriebswesen

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 18

1

2

3

4 56

7

Annahme: Druckgeschwindigkeit150 mm/s = 4,5 m/min = 270 m/h(langsam)

Zeitaufwand mit Beton-3D-Druck

bei Schichtdicke 5,0 cm: 9,6 h 1 AT

Gesamtvolumen VBeton= 52,1 m3

Fördermenge pro Stundebei Schichtdicke 5,0 cm: 5,4 m3/h

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Terminliche Betrachtungen

Zeitaufwand konventionell

Ca. 140,0 h 3 AK á 6 ATBeispiel Wohnungsbau Einfamilienhaus

Institut für Baubetriebswesen

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D 19

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel Kostenbetrachtungen (netto)

Kosteneinsparpotenzial ca. 30 %

Institut für Baubetriebswesen

Modell EFH-Geschoss

Mauerwerksarbeiten CONPrint3D

Lohn 4.200,- € 336,- €

Material 9.090,- € 6.760,- €

Gerät 1.634,- €

Sonstige Kosten 1.058,- €

≈ 13.300,- € ≈ 9.800,- €

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Institut für Baustoffe

Entwicklung geeigneter Betontechnologie mit Hilfe experimenteller Untersuchungen zur

• Rheologie und Pumpbarkeit• Erstarrungszeit• Grünstandfestigkeit• Baugeschwindigkeit etc.

20

Druckbarkeit

Pumpbarkeit

ZusammensetzungRheologie

Open-time

ErstarrungszeitFließmittel

Beschleuniger

Formstabilität

GrünstandfestigkeitSchichtdicke

Baugeschwindigkeit

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Prüfmethoden

Experimentelle Untersuchungen

21

ConTec 5 Viscometer

Hägermann Ausbreitmaß

Vicat-Gerät

Sch

leib

inge

r Ger

äte

T. u

. G. G

mbH

SLIPER

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Dru

ck P

(kP

a)

Fördermenge Q (m3/h)

8

116

57

10

3

412

12

w/b = 0.30

w/b = 0.45

w/b = 0.60

Ergebnisse: Pumpbarkeit mit SLIPER

Prüfmethoden

22

Sch

leib

inge

r Ger

äte

T. u

. G. G

mbH

Mechtcherine, Nerella, Kasten, 2014.

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Weitere Fragestellungen

• Grünstandfestigkeit

• Formstabilität

• Baugeschwindigkeit

• Technologie zum Beimischen derZusatzmittel

Prüfmethoden

23

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Versuchsstand

Prüfmethoden

24

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Experimente

25

Versuchsstand – Ergebnisse• Extrudierbarkeit• Formstabilität• optimierte Konsistenz• erforderliche Menge an Beschleuniger• zeitliche Einflüsse• Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten

Druckfestigkeit

Biegezugfestigkeit

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Experimente

26

Untersuchungsparameter• Druck-, Biegezugfestigkeit• Prüfrichtung (vertikal, seitlich)• Vergleich mit konventionellen Prismen• Zeiteinfluss

Druckregime• Kalibrierung (Q = O + K·V)• 1 m langer Streifen

Pause Wiederholungen

Nachbehandlung• 2 Stunden: sanft Besprühen mit Wasser• nach 2 Std.: Wasserbehälter, Abdeckung• 1. bis 7. Tag: Unterwasserlagerung• 7. Tag: Sägen• 7. bis 28. Tag: Klimaraum

0-2

St.

Dru

cken

2 St.

Was

ser,

Abd

ecku

ng1.

-7.

Tag,

un

ter

Was

ser

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit

Biegezugfestigkeit

Druckfestigkeit

Experimente

27

160 mm

F F

FF

F F

Vertikal

Seitlich

F F

Vertikal Seitlich

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Experimente

28

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

Experimente

29

Prüfung der Druck- und Biegezugfestigkeit

• hohe Festigkeit• kein Festigkeitsverlust• sehr guter Verbund• weitgehend isotrop

010

20

30

4050

60

7080

90

0 7 14 21 28 35

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m2]

Alter [Tage]

Druck V

Druck H

Druck Norm

Fakultät Bauingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen

»Die Zukunft des Bauens«, 22.09.2016 Beton-3D-Druck / CONPrint3D

DFG SPP 2005 OPUS FLUIDUM FUTURUMRheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme

Infografik Uli StaigerMechcherine, Haist, Garrecht©