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Datei:Beton3DDruck-Integration der Bewehrung1.png

2024-06-06T12:54:52Z

ASengebusch:

Beton-3D-Druck - Integration der Bewehrung

2024-06-06T12:52:39Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-Integration_der_Bewehrung1.png|right|thumb|300px|Integration von Bewehrung beim Beton-3D-Druck (KI-generiertes Symbolbild)]]
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze für den 3D-Druck von unbewehrten Betonbauteilen erforscht und entwickelt. Für die Herstellung tragender Betonbauteile ist der Einsatz von Bewehrung jedoch unerlässlich, um die statischen Anforderungen zu erfüllen. Die Herausforderung bei der Integration der Bewehrung besteht darin, die Vorteile des Beton-3D-Drucks, wie Effizienz und Flexibilität, zu erhalten.

Die Bewehrung gedruckter Betonbauteile ist Gegenstand aktueller Forschung. Im Folgenden werden eine Reihe von Ansätzen vorgestellt.
 
 

==Bewehrungsstäbe==
Die Integration konventioneller Bewehrungsstäbe in den Beton-3D-Druck wird intensiv erforscht.
Ein etabliertes Verfahren zur horizontalen Bewehrung gerader, gedruckter Wände besteht darin, ungebogene Stäbe parallel zur Druckebene in den frischen Beton einzubringen und sie anschließend mit einer zusätzlichen Schicht aus Beton abzudecken. Zudem werden spezielle Verfahren zur Positionierung vertikaler Bewehrungsstäbe entwickelt.

===Bewehrung mit Stahlseilen===
An der TU Eindhoven wurde bereits im Jahr 2017 eine Methode zur Verstärkung von 3D-gedrucktem Beton entwickelt. Die Universität verwendet ein Betondrucksystem, das aus einer Mischpumpe und einem Portalkran-Roboter besteht. Dieses System wurde um eine Bewehrungsvorrichtung erweitert, die es ermöglicht, Stahlseile noch im Druckkopf in das Betonfilament einzuführen. Dieses Verfahren ermöglicht einen vollautomatisierten Prozess, der die geometrischen Möglichkeiten des Beton-3D-Drucks nicht einschränkt. Allerdings ist diese Verstärkung nur in der Richtung längs zum Filament wirksam.<ref name="B3D-Q10">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Integrating reinforcement in Digital Fabrication with Concrete: A review and Classification framework, in: Cement & Concrete Composites 119 (2021).</ref>

===Wire Arc Additive Manufacturing===
Ein innovatives Verfahren namens Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglicht es, maßgeschneiderte Bewehrungsstäbe mittels Drahtbogenschweißen im Tropfenmodus herzustellen.<ref name="B3D-Q10"></ref> Kurz gesagt, werden neben dem Beton auch die Bewehrungsstäbe gedruckt. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung einer hochflexiblen Bewehrung mit maximaler geometrischer Anpassungsfähigkeit. Zugversuche bestätigen ein Tragverhalten, das mit herkömmlicher Stahlbewehrung vergleichbar ist, sowie ein duktiles Versagen der Stäbe. Dennoch bestehen noch einige Hindernisse bei der Anwendung von WAAM. Dazu zählen die langsamere Druckgeschwindigkeit im Vergleich zum Betondruck, die potenzielle Schädigung des Betons durch hohe Temperaturen während des Schweißprozesses und die damit verbundenen Kosten.<ref name="B3D-Q11">BADUGE, KRISTOMBU U.A.: Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods, in: Structures 29 (2021), S.1597-1609.</ref>

==Bewehrungsmatten, -Körbe und -Textilien==
Der Einsatz von Standard-Mattenbewehrung auf der Baustelle ermöglicht eine einfache Erstellung komplexer Bewehrungskörbe und spart im Vergleich zur Verlegung einzelner Bewehrungsstäbe einiges an Zeit. Im Beton-3D-Druck gibt es Ansätze zunächst die Bewehrung zu erstellen und dann den Beton aufzutragen oder die Bewehrungsmatten direkt nach dem Druck hinzufügen, um die Festigkeit und Stabilität der Strukturen zu verbessern. Andere Forschungsgruppen setzen auf automatisierte Montageverfahren und Schweißtechniken, um Bewehrungsmatten nahtlos in den Druckprozess zu integrieren. Neben der klassischen Stahlbewehrung wird auch mit Textilien aus Kohlenstoff-, Glas- oder Basaltfasern experimentiert.

===Verfahren mit Stahlbewehrung===

Ein Verfahren, das die computergestützte Integration von Bewehrungsgittern ermöglicht, ist das Mesh-Mould-Verfahren, das von Forschern der ETH Zürich entwickelt wurde. Dieses Verfahren beinhaltet das Biegen und Schweißen von Stahlbewehrung durch einen mobilen Roboter, um komplexe geometrische Bewehrungsstrukturen vor Ort zu schaffen. Nachdem die gesamte Gitterstruktur fertiggestellt ist, wird sie auf konventionelle Weise mit Beton befüllt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

An der TU Braunschweig wurde eine Bewehrungsstrategie für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] entwickelt, bei der Beton auf vorkonfigurierte und vorverlegte Bewehrungskörbe aufgebracht wird. In einem Experiment wurde ein herkömmlicher Bewehrungskorb auf einem computergesteuerten Drehtisch platziert und anschließend mit Beton überzogen. Ein Schnitt durch das gefertigte Bauteil zeigte eine gute Einbettung der Bewehrung ohne sichtbare Lufteinschlüsse.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung der einzelnen Betonschichten ist die Mesh-Reinforcement-Methode. Bei diesem Verfahren wird ein verzinktes Stahldrahtgitter in der Mitte jeder gedruckten Betonschicht vertikal eingebettet, wodurch eine Verstärkung zwischen den Schichten entsteht. Um die Kontinuität der Verstärkung sicherzustellen, überlappt das eingebettete Gitter in vertikaler Richtung an den Schnittstellen .<ref name="B3D-Q10"></ref>

===Bewehrungsmatten ohne Stahl===

Weitere Forschungsansätze untersuchen, ob sich Kohlefasermatten aufgrund ihrer höheren Flexibilität und geringeren Maschenweite im Vergleich zu Stahlmatten als Bewehrung für den Beton-3D-Druck eignen. Eine effektive Methode zur Verstärkung von Bauelementen besteht darin, unmittelbar nach dem Drucken des Betonkerns eine Kohlefasermatte in die noch frische Betonoberfläche einzubetten. Dieses Verfahren wurde erfolgreich mithilfe des [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] demonstriert. Um den Kern und die darin liegende Kohlefasermatte zu schützen, werden diese mit einer weiteren Schicht Beton bedeckt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Forscher der TU Dresden untersuchen den Einsatz von mineralimprägnierten Kohlefasern (MCF) im Betondruck. Ein erster Ansatz beschäftigt sich mit der Positionierung der MCF-Verstärkung zwischen den einzelnen Betonschichten. Das MCF-Garn, das zuvor in einer Betonsuspension getränkt wurde, wird von einem an den Druckkopf angeschlossenen Zuführgerät direkt hinter der Düse abgelegt. Während die MCF-Verstärkung platziert wird, dient der zuvor gedruckte Betonstrang als Stützmaterial. In einem nachfolgenden Schritt wird das Garn von der nächsten gedruckten Betonschicht bedeckt. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Kohlefasern getrennt vom Beton abgelegt werden können, was die Herstellung von Bauelementen mit komplexen Geometrien und spezifischen Verstärkungsanordnungen erleichtert. Nachteilig ist jedoch, dass eine schwächere Bindung zwischen der Bewehrung und dem Beton zu erwarten ist, da das Garn nur auf dem Betonstrang abgelegt wird.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q12">Anonym (2023), Auskunft eines Forschers der TU Dresden.</ref> Weitere Ansätze beschäftigen sich daher mit der Bewehrungsintegration, bei der das Garn durch den Druckkopf direkt in den Betonstrang eingeführt wird. Durch die Integration der Bewehrung in den Betonstrang entsteht eine verbesserte Verbundwirkung zwischen der Bewehrung und dem Beton.<ref name="B3D-Q12"></ref>

An der TU Dresden wurde zudem eine Methode vorgeschlagen, bei der ein spezielles Textil zwischen den Betonschichten platziert wird, um Kaltfugen zu vermeiden. Das Gewebe besteht aus einem grobmaschigen 2,5D-Textilstreifen, bei dem einzelne Fasern in beide Richtungen herausragen. Ziel dieser Methode ist es, die beiden übereinander liegenden Schichten mithilfe der abstehenden Fasern in vertikaler Richtung zu verbinden.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Kurzfasern==
In zahlreichen Studien wurde die Verwendung verschiedener Kurzfasern aus Polymer, Kohlenstoff, Glas, Stahl oder Edelstahl zur Verstärkung von gedrucktem Faserbeton erforscht. Untersuchungen im Bereich der faserverstärkten Betone haben gezeigt, dass diese eine hohe Bruchdehnung aufweisen können. Die Fasern können entweder vorab dem Trockenmörtelgemisch, während des Betonmischens oder unmittelbar vor dem Drucken dem Beton zugegeben werden. Versuche der TU Dresden haben gezeigt, dass gedruckter, hochduktiler Beton eine vergleichbare Duktilität wie herkömmlich hergestellte Referenzbetone aufweist.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Allerdings gibt es einige Herausforderungen, die das Anwendungsspektrum dieser Methode einschränken. Beispielsweise können selbst hochleistungsfähige Fasern bei realistischen Faserkonzentrationen im Beton eine Stabstahlbewehrung hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit nicht vollständig ersetzen. Zudem wird die Verarbeitbarkeit von Beton mit hohem Faseranteil deutlich komplexer, da die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften#Extrudierbarkeit|Extruierbarkeit]] durch den Druckkopf mit steigendem Fasergehalt abnimmt. Um dies zu umgehen, sind spezielle Druckkopfkonfigurationen erforderlich. Darüber hinaus erhöht sich mit zunehmendem Fasergehalt die Gefahr von Kaltfugen.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Vorspannlitzen==
Eine weitere Verstärkungsstrategie für 3D-gedruckten Beton ist die Verwendung von vorgespannten Litzen, mit denen Zugspannungen eliminiert werden können. Im Allgemeinen wird die Methode "Vorspannen ohne Verbund" verwendet. Als Beispiel sei eine niederländische Fahrradbrücke genannt, welche mittels Beton-3D-Druck hergestellt wurde. Dabei wurden sechs gedruckte Betonelemente mithilfe eines handelsüblichen Spannlitzensystems zusammengedrückt. Die Stränge wurden in gegossenen Betonendblöcken verankert und durch die offene innere Struktur der gedruckten Elemente geführt.<ref name="B3D-Q10"></ref>
Eine ähnliche Methode wurde bei der Herstellung einer vorgespannten Betonsäule an der TU Braunschweig angewendet. In diesem Fall wurden die einzelnen Segmente der Säule mit Spritzbeton im [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] hergestellt. Im Inneren der Säule wurde während des Drucks ein zentrierter Kanal für die Vorspannelemente frei gelassen. Anschließend wurden die Fugenoberflächen bearbeitet und durch Nachspannen der Litze verbunden und bewehrt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Penetrationsbewehrung==
Eine weitere Bewehrungsstrategie für additive Fertigungsverfahren besteht darin, Nägel, Schrauben und Stahlstäbe durch die gedruckten Betonschichten zu treiben. Der französische Forscher Arnaud Perrot führte Experimente mit Nägeln unterschiedlicher Länge, Durchmesser und Ausrichtungen durch. Diese Experimente zeigen, dass die Verwendung von Nägeln eine effiziente Methode zur Verstärkung eines gedruckten Betonstrangs ist. Allerdings muss die Ausrichtung der Nägel korrekt gewählt werden, und die Oberfläche der Nägel muss ausreichend rau sein, um eine gute Verbindung mit dem Mörtel zu gewährleisten.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q13">PERROT, ARNAUD U.A.: Nailing of Layers: a promising way to reinforce concrete 3D printing structures, in: Materials 13 (2020), H.7.</ref>

Bei einem von Hass und Bos entwickelten Verfahren werden Schrauben verwendet, die mit einer drehenden Vorwärtsbewegung in den frisch gedruckten Beton eingebracht werden. Diese Methode gewährleistet eine gute Haftung der Schrauben, bringt jedoch auch minimale Defekte mit sich. Zugversuche zeigen, dass dieses Verfahren auch über einen längeren Zeitraum nach dem Drucken des Betonstrangs angewendet werden kann.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q14">HASS, LAURI; BOS, FREEK: Bending and Pull-Out tests on a novel screw type reinforcement for Extrusion-Based 3D printed concrete, in: Rilem bookseries (2020), S.632-645.</ref>

Forscher der TU Braunschweig verglichen unterschiedliche Methoden zur Platzierung von kurzen Stäben für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]]. Es zeigt sich, dass der Einsatz von kurzen Stäben bei SC3DP-Strängen einen vielversprechenden Ansatz für die Bewehrungen im additiven Fertigungsprozess bietet. Das direkte Einführen der Bewehrung führt aber nur zu einer geringen Haftung aufgrund von entstehenden Hohlstellen. Die Verwendung eines Verpressmörtels oder alternativ der Einsatz von einschraubbaren Bewehrungen verhindert Hohlstellen und führt zu einer verbesserten Haftung.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q15">FREUND, NIKLAS; DRESSLER, INKA; LOWKE, DIRK: Studying the bond properties of vertical integrated short reinforcement in the Shotcrete 3D printing process, in: Rilem bookseries (2020), S.612-621.</ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Vergleich mit traditionellen Bauweisen

2024-06-06T12:50:54Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-Vergleich_mit_traditionellen_Bauweisen1.png|right|thumb|300px|Vergleich des Beton-3D-Drucks mit traditionellen Bauweisen (KI-generiertes Symbolbild)]]
Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderungen im Bausektor diskutiert. Dazu zählen Probleme wie stagnierende Produktivität, steigender Fachkräftemangel, das Ausmaß von Arbeitsunfällen oder aber hohe Umweltbelastungen durch Materialbedarf und CO2-Ausstoß.
Der Einsatz des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Produktivität bei konstanter oder sinkender Personaldecke zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
 
 

==Wirtschaftlichkeit==
Der Beton-3D-Druck wird oft als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Bauweisen angepriesen. Durch einen reduzierten Personalaufwand, eine effizientere Nutzung der Materialien und geringere Herstellungszeiten sollen die Baukosten durch den Einsatz von Drucktechnologien erheblich gesenkt werden. Pilotprojekte berichten von Einsparungen von bis zu 80% der Arbeitskosten und bis zu 70% der Bauzeit.<ref name="B3D-Q16">JENS, OTTO; KORTMANN, JAN; KRAUSE, MARTIN: Wirtschaftliche Perspektiven von Beton-3D-Druckverfahren, in: Beton- Und Stahlbetonbau 115 (2020), H.8, S.586-597.</ref>

===Zeitaufwand===
Signifikante Zeitersparnisse ergeben sich insbesondere bei Bauteilen, die Rundungen oder komplexe Geometrien aufweisen oder allgemein in der Herstellung aufwendiger sind. Während bei konventionellen Herstellungsmethoden präzise Schalungen erforderlich sind, können diese beim Beton-3D-Druck größtenteils eingespart werden.
Simulationsstudien haben die Druckgeschwindigkeit für die Wände eines dreigeschossigen Gebäudes mit einer Fläche von jeweils 600 m² berechnet und mit anderen Bauverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 72% im Vergleich zu konventionellen Bauweisen.<ref name="B3D-Q16"></ref>

===Kostenaufwand===
Die Kosten für den Bau eines vollständig gedruckten Gebäudes fallen noch hoch aus und werden sich erst mit einer zunehmenden Bekanntheit auf dem Markt und Nutzung der Verfahren allmählich verringern.
Dies hängt mit den aktuell hohen Anschaffungs- bzw. Mietkosten des Druckers sowie mit den notwendigen Schulungen für die Bedienung der Maschine zusammen. Außerdem besteht in Deutschland derzeit eine längere Vorlaufzeit aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Nachfrage.<ref name="B3D-Q17">NIEDERHAUS, LISA: Der Einfluss der 3D-Technologie auf sozialen Wohnungsbau und Wohnraummangel in Deutschland. Springer Vieweg, 2022.</ref>
Darüber hinaus ist das für den Betondruck benötigte Material im Vergleich zu Normalbeton, mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Grund dafür ist der (je nach Druckverfahren) enorme Einsatz von Betonzusatzstoffen, welche die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften|rheologischen Eigenschaften]] des Druckes regulieren. Zudem sind viele Drucker ausschließlich für Betone bestimmter Firmen zugelassen.
Es ist zu erwarten, dass diese typischen Herausforderungen in der Anfangsphase neuer Technologien mittelfristig an Bedeutung verlieren, sodass der Einsatz von Betondrucktechnologien zukünftig eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Bauweisen darstellen wird.

==Geometrische Freiheiten==
Um Kosten zu reduzieren und die Wiederverwendung von Schalungen zu gewährleisten werden die architektonischen Freiheiten in den traditionellen Bauweisen bereits in der Entwurfsphase einer Konstruktion durch vordefinierte Geometrien begrenzt. Aufgrund der aufwendigen Schalungsarbeiten werden im konventionellen Betonbau komplexe Bauteile, wie runde oder konisch geformte Elemente, gemieden.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>
Durch mathematische Nachweise konnte bestätigt werden, dass durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nahezu jede Geometrie im Beton-3D-Druck realisiert werden kann. Dabei kommen auch etablierte, rechnergestützte Methoden zur Herstellung von optimierten Strukturen zum Tragen. Die additive Fertigung bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung von Wandelementen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Flexibilität bei horizontalen Spannweiten aufgrund fundamentaler physikalischer Bedingungen deutlich eingeschränkt ist.<ref name="B3D-Q18">RØNNQUIST, ANDERS U.A.: Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities, in: Automation in Construction, 72 (2016), S347-366.</ref>
In additiven Fertigungsverfahren hat die geometrische Komplexität eines Bauteils nur einen geringen Einfluss auf die Fertigungszeit und den Kostenaufwand. Der entscheidende Faktor ist vielmehr das Volumen der zu fertigenden Struktur. Daher können z.B. Wände mit Rundungen in einer ähnlichen Geschwindigkeit und mit einem vergleichbaren Kostenaufwand, wie gerade Wände hergestellt werden.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Automatisierung==
Eine fortschreitende Digitalisierung in der Baubranche ist unerlässlich, um den baubetrieblichen Ablauf bestmöglich zu optimieren. Der Beton-3D-Druck schafft eine durchgängig automatisierte Prozesskette. Geometrische und stoffliche Daten werden in der Planung festgelegt und dienen der Generierung von Steuerungsdaten für den 3D-Druck.<ref name="B3D-Q19">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Conprint3D: Beton-3D-Druck als Ersatz für den Mauerwerksbau, in: Bauingenieur 92 (2017), H.9, S.355-363.</ref>

Die Automatisierung im Bauwesen kann dazu beitragen, das Problem der vielen Arbeitsunfälle auf Baustellen zu mindern. Die hohe Unfallrate in der Baubranche ist das Ergebnis von komplexen Bauprozessen und menschlichem Fehlverhalten. Dynamische Arbeitsbedingungen, das Zusammenspiel verschiedener Gewerke und wechselnde Umgebungen erhöhen das Unfallrisiko zusätzlich. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren und die damit verbundene Automatisierung können zu besseren und vorhersehbareren Arbeitsabläufen auf der Baustelle führen, was die Arbeitssicherheit im Vergleich zur traditionellen Bauweise erhöhen kann.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Baugewerbe leidet wie alle Branchen unter einem zunehmenden Fachkräftemangel. Die Einführung des 3D-Drucks in der Baubranche und die damit einher gehende Automatisierung kann diesem Mangel entgegenwirken. Durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren werden weniger gewerbliche Fachkräfte auf der Baustelle benötigt. Die Gerätebedienung der Drucktechnologie wird üblicherweise nur durch zwei Fachkräfte mit Ingenieursausbildung durchgeführt. Zudem kann der Einsatz innovativer Technologien ein Anreiz zur Aufnahme eines Studiums oder einer Ausbildung darstellen.

Jedoch hat die Automatisierung nicht nur Vorteile. Die traditionellen Bauweisen bieten aufgrund ihrer handwerklichen Ausprägung eine gewisse Flexibilität, um schnell auf individuelle Probleme oder Bedingungen zu reagieren. Im Gegensatz dazu können bei einer komplett digitalisierten Prozesskette bereits in der Planungsphase Fehler in den Daten auftreten, die auf der Baustelle nicht schnell behoben werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Nachhaltigkeit==
Obwohl die Betonproduktion mit einem Beitrag von 5% der weltweiten CO2-Emission zu einer der größten Umweltbelastungen zählt, ist Beton weiterhin das zentrale Material in der Baubranche. Die temporären Schalungen im traditionellen Betonbau tragen zusätzlich zur Umweltbelastung bei, da sie beträchtliche Mengen an Abfall erzeugen.<ref name="B3D-Q20">MOHAMMAD, MALEK; MASAD, EYAS; AL-GHAMDI, SAMI G.: 3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life cycle assessment of four construction method scenarios, in: Buildings 10 (2020).</ref> Bei Bauteilen mit gekrümmter Geometrie ist es häufig erforderlich, spezielle Schalungen anzufertigen, welche nach dem Gebrauch keine weitere Verwendung finden und entsorgt werden müssen. Durch die präzise Materialnutzung und den schalungsfreien Aufbau werden beim Beton-3D-Druck Abfälle deutlich reduziert und transportbedingte Emissionen verringert. Insbesondere der Einsatz von Leichtbeton trägt zu einer weiteren Verminderung des CO2- Ausstoßes im Vergleich zu herkömmlichem Betonen bei.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren verspricht durch den effektiven Einsatz von Materialien einen geringen Ressourcenverbrauch. Der Beton soll nur an den Stellen aufgebracht werden, wo er aufgrund der Belastung benötigt wird. Derzeit werden Forschungsansätze zur Entwicklung von sogenannten Gradientenbetonen verfolgt. Dieser innovative Beton zeichnet sich dadurch aus, dass seine Materialeigenschaften je nach den lokalen Anforderungen flexibel angepasst werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Untersuchungen zur Umweltauswirkung des Beton-3D-Drucks im Vergleich zur konventionellen Bauweise zeigen deutlich, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens erhebliche positive Auswirkungen auf die Umweltbilanz haben kann. Es ist jedoch anzumerken, dass bei der Untersuchung von bewehrtem Beton-3D-Druck keine signifikanten Umweltvorteile festgestellt wurden.<ref name="B3D-Q20"></ref>

==Quellen==
<references />
 

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Datei:Beton3DDruck-Vergleich mit traditionellen Bauweisen1.png

2024-06-06T12:30:48Z

ASengebusch:

Beton-3D-Druck - Vergleich mit traditionellen Bauweisen

2024-06-06T12:30:17Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-Vergleich_mit_traditionellen_Bauweisen1.png|right|thumb|300px|Vergleich des Beton-3D-Drucks mit traditionellen Bauweisen (KI-generiertes Symbolbild)]] Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderungen im Bausektor diskutiert. Dazu zählen Probleme wie stagnierende Produktivität, steigender Fachkräftemangel, das Ausmaß von Arbeitsunfällen oder aber hohe Umweltbelastungen durch Materialbedarf und CO2-Ausstoß.
Der Einsatz des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Produktivität bei konstanter oder sinkender Personaldecke zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
 
 

==Wirtschaftlichkeit==
Der Beton-3D-Druck wird oft als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Bauweisen angepriesen. Durch einen reduzierten Personalaufwand, eine effizientere Nutzung der Materialien und geringere Herstellungszeiten sollen die Baukosten durch den Einsatz von Drucktechnologien erheblich gesenkt werden. Pilotprojekte berichten von Einsparungen von bis zu 80% der Arbeitskosten und bis zu 70% der Bauzeit.<ref name="B3D-Q16">JENS, OTTO; KORTMANN, JAN; KRAUSE, MARTIN: Wirtschaftliche Perspektiven von Beton-3D-Druckverfahren, in: Beton- Und Stahlbetonbau 115 (2020), H.8, S.586-597.</ref>

===Zeitaufwand===
Signifikante Zeitersparnisse ergeben sich insbesondere bei Bauteilen, die Rundungen oder komplexe Geometrien aufweisen oder allgemein in der Herstellung aufwendiger sind. Während bei konventionellen Herstellungsmethoden präzise Schalungen erforderlich sind, können diese beim Beton-3D-Druck größtenteils eingespart werden.
Simulationsstudien haben die Druckgeschwindigkeit für die Wände eines dreigeschossigen Gebäudes mit einer Fläche von jeweils 600 m² berechnet und mit anderen Bauverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 72% im Vergleich zu konventionellen Bauweisen.<ref name="B3D-Q16"></ref>

===Kostenaufwand===
Die Kosten für den Bau eines vollständig gedruckten Gebäudes fallen noch hoch aus und werden sich erst mit einer zunehmenden Bekanntheit auf dem Markt und Nutzung der Verfahren allmählich verringern.
Dies hängt mit den aktuell hohen Anschaffungs- bzw. Mietkosten des Druckers sowie mit den notwendigen Schulungen für die Bedienung der Maschine zusammen. Außerdem besteht in Deutschland derzeit eine längere Vorlaufzeit aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Nachfrage.<ref name="B3D-Q17">NIEDERHAUS, LISA: Der Einfluss der 3D-Technologie auf sozialen Wohnungsbau und Wohnraummangel in Deutschland. Springer Vieweg, 2022.</ref>
Darüber hinaus ist das für den Betondruck benötigte Material im Vergleich zu Normalbeton, mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Grund dafür ist der (je nach Druckverfahren) enorme Einsatz von Betonzusatzstoffen, welche die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften|rheologischen Eigenschaften]] des Druckes regulieren. Zudem sind viele Drucker ausschließlich für Betone bestimmter Firmen zugelassen.
Es ist zu erwarten, dass diese typischen Herausforderungen in der Anfangsphase neuer Technologien mittelfristig an Bedeutung verlieren, sodass der Einsatz von Betondrucktechnologien zukünftig eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Bauweisen darstellen wird.

==Geometrische Freiheiten==
Um Kosten zu reduzieren und die Wiederverwendung von Schalungen zu gewährleisten werden die architektonischen Freiheiten in den traditionellen Bauweisen bereits in der Entwurfsphase einer Konstruktion durch vordefinierte Geometrien begrenzt. Aufgrund der aufwendigen Schalungsarbeiten werden im konventionellen Betonbau komplexe Bauteile, wie runde oder konisch geformte Elemente, gemieden.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>
Durch mathematische Nachweise konnte bestätigt werden, dass durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nahezu jede Geometrie im Beton-3D-Druck realisiert werden kann. Dabei kommen auch etablierte, rechnergestützte Methoden zur Herstellung von optimierten Strukturen zum Tragen. Die additive Fertigung bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung von Wandelementen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Flexibilität bei horizontalen Spannweiten aufgrund fundamentaler physikalischer Bedingungen deutlich eingeschränkt ist.<ref name="B3D-Q18">RØNNQUIST, ANDERS U.A.: Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities, in: Automation in Construction, 72 (2016), S347-366.</ref>
In additiven Fertigungsverfahren hat die geometrische Komplexität eines Bauteils nur einen geringen Einfluss auf die Fertigungszeit und den Kostenaufwand. Der entscheidende Faktor ist vielmehr das Volumen der zu fertigenden Struktur. Daher können z.B. Wände mit Rundungen in einer ähnlichen Geschwindigkeit und mit einem vergleichbaren Kostenaufwand, wie gerade Wände hergestellt werden.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Automatisierung==
Eine fortschreitende Digitalisierung in der Baubranche ist unerlässlich, um den baubetrieblichen Ablauf bestmöglich zu optimieren. Der Beton-3D-Druck schafft eine durchgängig automatisierte Prozesskette. Geometrische und stoffliche Daten werden in der Planung festgelegt und dienen der Generierung von Steuerungsdaten für den 3D-Druck.<ref name="B3D-Q19">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Conprint3D: Beton-3D-Druck als Ersatz für den Mauerwerksbau, in: Bauingenieur 92 (2017), H.9, S.355-363.</ref>

Die Automatisierung im Bauwesen kann dazu beitragen, das Problem der vielen Arbeitsunfälle auf Baustellen zu mindern. Die hohe Unfallrate in der Baubranche ist das Ergebnis von komplexen Bauprozessen und menschlichem Fehlverhalten. Dynamische Arbeitsbedingungen, das Zusammenspiel verschiedener Gewerke und wechselnde Umgebungen erhöhen das Unfallrisiko zusätzlich. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren und die damit verbundene Automatisierung können zu besseren und vorhersehbareren Arbeitsabläufen auf der Baustelle führen, was die Arbeitssicherheit im Vergleich zur traditionellen Bauweise erhöhen kann.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Baugewerbe leidet wie alle Branchen unter einem zunehmenden Fachkräftemangel. Die Einführung des 3D-Drucks in der Baubranche und die damit einher gehende Automatisierung kann diesem Mangel entgegenwirken. Durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren werden weniger gewerbliche Fachkräfte auf der Baustelle benötigt. Die Gerätebedienung der Drucktechnologie wird üblicherweise nur durch zwei Fachkräfte mit Ingenieursausbildung durchgeführt. Zudem kann der Einsatz innovativer Technologien ein Anreiz zur Aufnahme eines Studiums oder einer Ausbildung darstellen.

Jedoch hat die Automatisierung nicht nur Vorteile. Die traditionellen Bauweisen bieten aufgrund ihrer handwerklichen Ausprägung eine gewisse Flexibilität, um schnell auf individuelle Probleme oder Bedingungen zu reagieren. Im Gegensatz dazu können bei einer komplett digitalisierten Prozesskette bereits in der Planungsphase Fehler in den Daten auftreten, die auf der Baustelle nicht schnell behoben werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Nachhaltigkeit==
Obwohl die Betonproduktion mit einem Beitrag von 5% der weltweiten CO2-Emission zu einer der größten Umweltbelastungen zählt, ist Beton weiterhin das zentrale Material in der Baubranche. Die temporären Schalungen im traditionellen Betonbau tragen zusätzlich zur Umweltbelastung bei, da sie beträchtliche Mengen an Abfall erzeugen.<ref name="B3D-Q20">MOHAMMAD, MALEK; MASAD, EYAS; AL-GHAMDI, SAMI G.: 3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life cycle assessment of four construction method scenarios, in: Buildings 10 (2020).</ref> Bei Bauteilen mit gekrümmter Geometrie ist es häufig erforderlich, spezielle Schalungen anzufertigen, welche nach dem Gebrauch keine weitere Verwendung finden und entsorgt werden müssen. Durch die präzise Materialnutzung und den schalungsfreien Aufbau werden beim Beton-3D-Druck Abfälle deutlich reduziert und transportbedingte Emissionen verringert. Insbesondere der Einsatz von Leichtbeton trägt zu einer weiteren Verminderung des CO2- Ausstoßes im Vergleich zu herkömmlichem Betonen bei.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren verspricht durch den effektiven Einsatz von Materialien einen geringen Ressourcenverbrauch. Der Beton soll nur an den Stellen aufgebracht werden, wo er aufgrund der Belastung benötigt wird. Derzeit werden Forschungsansätze zur Entwicklung von sogenannten Gradientenbetonen verfolgt. Dieser innovative Beton zeichnet sich dadurch aus, dass seine Materialeigenschaften je nach den lokalen Anforderungen flexibel angepasst werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Untersuchungen zur Umweltauswirkung des Beton-3D-Drucks im Vergleich zur konventionellen Bauweise zeigen deutlich, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens erhebliche positive Auswirkungen auf die Umweltbilanz haben kann. Es ist jedoch anzumerken, dass bei der Untersuchung von bewehrtem Beton-3D-Druck keine signifikanten Umweltvorteile festgestellt wurden.<ref name="B3D-Q20"></ref>

==Quellen==
<references />
 

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Datei:Beton3DDruck-RheologischeEigenschaften1.png

2024-06-05T08:34:35Z

ASengebusch:

Datei:Beton3DDruck-RheologischeEigenschaften2.png

2024-06-05T08:33:09Z

ASengebusch:

Beton-3D-Druck - Rheologische Eigenschaften

2024-06-05T08:24:24Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-RheologischeEigenschaften1.png|right|thumb|300px|Rheologische Eigenschaften beim Drucken mit Beton (KI-generiertes Symbolbild)]]
Die rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten und Verformbarkeit) des Frischbetons sind für die verschiedenen Teilprozesse des 3D-Drucks von entscheidender Bedeutung. Je nach Produktionsabschnitt und Produktionsbedingungen muss der Beton bestimmte rheologische Eigenschaften aufweisen und innerhalb kürzester Zeit unterschiedliche, teils gegensätzliche Anforderungen erfüllen.

[[File:Beton3DDruck-RheologischeEigenschaften2.png|center|thumb|600px|Rheologische Eigenschaften im Beton-3D-Druck]]

==Pumpbarkeit==

Der Beton wird in [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren|additiven Fertigungsverfahren]] üblicherweise mithilfe von Betonpumpen an die gewünschte Position transportiert. Um einen reibungslosen Transport zu gewährleisten, muss der Frischbeton eine bestimmte Pumpfähigkeit aufweisen.

Zur Konsistenzkontrolle eignen sich der [[Ausbreitmaßversuch]] und der [[Setzfließmaßversuch]]. Aufgrund der unterschiedlichen Scherraten und Scherspannungen, die beim Pumpen deutlich höher sind als bei diesen Versuchen, können diese Methoden jedoch wenig über die tatsächliche Pumpfähigkeit eines Betons aussagen.<ref name="B3D-Q7">MECHTCHERINE, VIKTOR: Beton-3D-Druck durch selektive Ablage, in: Beton- und Stahlbetonbau 114 (2018), H.1, S.24-32.</ref>

Die Pumpfähigkeit hängt nur minimal von den rheologischen Eigenschaften des Betons ab. Vielmehr ist sie von der Ausbildung einer Randzonen-Gleitschicht während des Pumpvorgangs abhängig. Aufgrund hoher Schergradienten an den Innenwänden der Zuleitungsrohre trennen sich Feinstoffe und Wasser vom Beton. Dadurch entsteht eine Gleitschicht, die den Reibungswiderstand zwischen Frischbeton und Rohrwandung verringert. Im Inneren des Rohrs dagegen bildet sich ein steifer Betonpfropfen, der arm an Bindemitteln und Feinstoffen ist. Die Pumpfähigkeit eines Frischbetons wird maßgeblich durch die Zusammensetzung der Gleitschicht bestimmt.<ref name="B3D-Q8">MECHTCHERINE, VIKTOR; BUTLER, MARKO; SECRIERU, EGOR: Prüfen der Pumpbarkeit von Beton - vom Labor in die Praxis, in: Bautechnik 91 (2014), H.11, S.797-811.</ref>

==Extrudierbarkeit==

Beim [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Extrusionsverfahren|Extrusionsverfahren]] wird Material durch eine formgebende Öffnung, den Extruder, gepresst.
Die Extrudierbarkeit von Beton ist keine physikalische Eigenschaft, sondern eine prozessspezifische Charakteristik. Ein Material gilt als extrudierbar, wenn es die nötige Konsistenz hat, um kontrolliert durch den Extruder gepresst zu werden und dabei seine Form zu behalten.
Beim Beton-3D-Druck wird dieser Begriff jedoch weiter gefasst. Da der verwendete Beton oft weicher ist als üblicher Extrusionsbeton zerfließt er unter seinem Eigengewicht und verliert die Form, die durch die Düsenöffnung vorgegeben ist. Deshalb beschreibt die Extrudierbarkeit im Beton-3D-Druck, wie gut sich Beton mit minimalem Energieaufwand in einer bestimmten Fördermenge durch eine Öffnung pressen lässt.

Um einen optimalen Betonfluss in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Druckkopfes zu gewährleisten, ist die extrudierte Menge pro Zeiteinheit ein wichtiger Faktor. Störungen des Betonstrangs können auftreten, wenn die Extrudierrate zu niedrig oder zu hoch ist. Um dies zu verhindern, wird die Förderrate durch einen Schneckenextruder im Druckkopf an die Fahrgeschwindigkeit angepasst.<ref name="B3D-Q7"></ref>

==Verbaubarkeit==

Die Verbaubarkeit einer in [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren|additiven Fertigungsverfahren]] gedruckten Struktur hängt von der Formstabilität des Betonstrangs und dem Verbund der einzelnen Schichten ab. Eine unzureichende Verbaubarkeit kann zu unzulässigen Verformungen oder sogar zum Kollaps eines gedruckten Bauteils führen. Der gedruckte Strang muss unmittelbar nach dem Austreten aus der Düse eine ausreichende Formstabilität aufweisen, um die geplante Bauteilgeometrie zu realisieren und ein Fließen des Betons zu vermeiden.

Um eine gute Verbaubarkeit der gedruckten Struktur sicherzustellen, muss der Beton schnell genug erhärten, um Belastungen standzuhalten. Dabei darf er jedoch nicht zu schnell erhärten, da sonst keine frische Verbindung zwischen den Schichten gewährleistet werden kann und womöglich kalte Fugen entstehen. Abhängig von der Betonrezeptur gibt es minimale und maximale Verarbeitungszeiten, die bei der 3D-Druckstrategie berücksichtigt werden müssen.

Bei größeren Grundrissen kann eine längere Abbindezeit erforderlich sein, um die Bildung von kalten Fugen zu verhindern. Bei kleineren Grundrissen ist hingegen eine schnell abbindende Rezeptur vorteilhaft, um eine gewisse Grundstandfestigkeit zu gewährleisten. Wenn der Beton zu schnell aushärtet um eine frische Verbindung sicherzustellen, kann es sinnvoll sein, den Grundriss in verschiedene Druckabschnitte zu unterteilen.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

==Kontrolle der rheologischen Eigenschaften==

Um die im 3D-Druck erforderlichen Materialeigenschaften des Betons sicherzustellen, sind umfangreiche Prüfungen und Kontrollen notwendig. Die geforderten Eigenschaften hängen sowohl von der verwendeten Druckmethode als auch vom Druckkopf ab und können erheblich variieren.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref> Der Zustand und die rheologischen Eigenschaften des Frischbetons unmittelbar nach dem Auftrag sind entscheidend, da sie wesentlich zur Entwicklung der Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils beitragen. Der strukturelle Aufbau wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die Scherspannung des Frischbetons, die Reaktivität des Bindemittels, die Form der Partikel, die Geometrie der Bauteile und die zeitliche Entwicklung.<ref name="B3D-Q9">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Digitaler Betonbau durch additive Verfahren – Sachstand und Forschungsbedarf, in: Beton- Und Stahlbetonbau 116 (2021), H.11, S.881-900.</ref>

Zur Bestimmung und Prüfung der Pumpbarkeit eines Betons werden [[Tribometer]] oder [[Gleitrohr-Rheometer]](Slipper) eingesetzt. Diese Messgeräte können die statische Fließgrenze und die plastische Viskosität der Gleitschicht bestimmen, wodurch die Pumpbarkeit berechnet werden kann.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Mit einem [[Rheometer]] lassen sich rheologische Eigenschaften wie die statische Fließgrenze und die viskoelastischen Eigenschaften eines Betons bestimmen, die einen großen Einfluss auf die Extrudierbarkeit des Betons haben. Rheometer sind jedoch nicht für Betone mit einer hohen Schergrenze geeignet.
Eine neuere Methode zur Bestimmung der Extrudierbarkeit von sehr steifen Materialien ist der Extrudierbarkeitstest. Dabei wird mithilfe eines Stempels das steife Material durch eine Düse gedrückt und die erforderliche Kraft ermittelt. Durch verschiedene Extrusionsgeschwindigkeiten kann eine Fließkurve erstellt werden, mit der die Extrudierbarkeit vorhergesagt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Verbaubarkeit gedruckten Betons hängt mit der statischen Fließgrenze und der Aufbaurate der gedruckten Struktur zusammen. Liegen die Werte vor, kann die Verbaubarkeit berechnet werden. Da ein [[Rheometer]] nicht für Betone mit hoher Scherfestigkeit geeignet ist, bietet der Direkt-Drucktest eine gute Alternative zur Überprüfung der Verbaubarkeit.<ref name="B3D-Q1"></ref> Dabei wird der gedruckte Beton vertikal mit einer Platte belastet und die Verformung ermittelt. Mit den Ergebnissen wird eine Spannungs-Dehnungslinie erstellt, mit der die Verbaubarkeit des gedruckten Bauteils bestimmt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Untersuchung der Materialeigenschaften bei additiv gefertigten Betonbauteilen erfordert eine richtungsabhängige Analyse, da die geschichtete Bauweise zu Anisotropien führen kann.

Derzeit gibt es keine einheitlichen Prüfprinzipien oder Normen für additiv gefertigte Betonbauteile. Probekörperabmessungen, Entnahmekriterien und Lagerungsbedingungen sind oft nicht geregelt. Bestehende Prüfmethoden werden aktuell an die additiven Fertigungsprozesse angepasst und weiterentwickelt. Für die Bewertung der mechanischen Materialeigenschaften werden meist zerstörende Prüfmethoden eingesetzt. Wichtige geprüfte Eigenschaften sind unter anderem die plastische Verformung, das Schwindverhalten, die Druck- und Biegezugfestigkeit, der Haftverbund zwischen gedruckten Schichten und Bewehrung sowie der Anprallwiderstand. Bei additiv gefertigten Schalungen muss zudem der Widerstand gegen den Schalungsdruck des konventionell eingebrachten Frischbetons geprüft werden.<ref name="B3D-Q9"></ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Integration der Bewehrung

2024-06-05T08:07:27Z

ASengebusch:

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze für den 3D-Druck von unbewehrten Betonbauteilen erforscht und entwickelt. Für die Herstellung tragender Betonbauteile ist der Einsatz von Bewehrung jedoch unerlässlich, um die statischen Anforderungen zu erfüllen. Die Herausforderung bei der Integration der Bewehrung besteht darin, die Vorteile des Beton-3D-Drucks, wie Effizienz und Flexibilität, zu erhalten.

Die Bewehrung gedruckter Betonbauteile ist Gegenstand aktueller Forschung. Im Folgenden werden eine Reihe von Ansätzen vorgestellt.
 
 

==Bewehrungsstäbe==
Die Integration konventioneller Bewehrungsstäbe in den Beton-3D-Druck wird intensiv erforscht.
Ein etabliertes Verfahren zur horizontalen Bewehrung gerader, gedruckter Wände besteht darin, ungebogene Stäbe parallel zur Druckebene in den frischen Beton einzubringen und sie anschließend mit einer zusätzlichen Schicht aus Beton abzudecken. Zudem werden spezielle Verfahren zur Positionierung vertikaler Bewehrungsstäbe entwickelt.

===Bewehrung mit Stahlseilen===
An der TU Eindhoven wurde bereits im Jahr 2017 eine Methode zur Verstärkung von 3D-gedrucktem Beton entwickelt. Die Universität verwendet ein Betondrucksystem, das aus einer Mischpumpe und einem Portalkran-Roboter besteht. Dieses System wurde um eine Bewehrungsvorrichtung erweitert, die es ermöglicht, Stahlseile noch im Druckkopf in das Betonfilament einzuführen. Dieses Verfahren ermöglicht einen vollautomatisierten Prozess, der die geometrischen Möglichkeiten des Beton-3D-Drucks nicht einschränkt. Allerdings ist diese Verstärkung nur in der Richtung längs zum Filament wirksam.<ref name="B3D-Q10">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Integrating reinforcement in Digital Fabrication with Concrete: A review and Classification framework, in: Cement & Concrete Composites 119 (2021).</ref>

===Wire Arc Additive Manufacturing===
Ein innovatives Verfahren namens Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglicht es, maßgeschneiderte Bewehrungsstäbe mittels Drahtbogenschweißen im Tropfenmodus herzustellen.<ref name="B3D-Q10"></ref> Kurz gesagt, werden neben dem Beton auch die Bewehrungsstäbe gedruckt. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung einer hochflexiblen Bewehrung mit maximaler geometrischer Anpassungsfähigkeit. Zugversuche bestätigen ein Tragverhalten, das mit herkömmlicher Stahlbewehrung vergleichbar ist, sowie ein duktiles Versagen der Stäbe. Dennoch bestehen noch einige Hindernisse bei der Anwendung von WAAM. Dazu zählen die langsamere Druckgeschwindigkeit im Vergleich zum Betondruck, die potenzielle Schädigung des Betons durch hohe Temperaturen während des Schweißprozesses und die damit verbundenen Kosten.<ref name="B3D-Q11">BADUGE, KRISTOMBU U.A.: Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods, in: Structures 29 (2021), S.1597-1609.</ref>

==Bewehrungsmatten, -Körbe und -Textilien==
Der Einsatz von Standard-Mattenbewehrung auf der Baustelle ermöglicht eine einfache Erstellung komplexer Bewehrungskörbe und spart im Vergleich zur Verlegung einzelner Bewehrungsstäbe einiges an Zeit. Im Beton-3D-Druck gibt es Ansätze zunächst die Bewehrung zu erstellen und dann den Beton aufzutragen oder die Bewehrungsmatten direkt nach dem Druck hinzufügen, um die Festigkeit und Stabilität der Strukturen zu verbessern. Andere Forschungsgruppen setzen auf automatisierte Montageverfahren und Schweißtechniken, um Bewehrungsmatten nahtlos in den Druckprozess zu integrieren. Neben der klassischen Stahlbewehrung wird auch mit Textilien aus Kohlenstoff-, Glas- oder Basaltfasern experimentiert.

===Verfahren mit Stahlbewehrung===

Ein Verfahren, das die computergestützte Integration von Bewehrungsgittern ermöglicht, ist das Mesh-Mould-Verfahren, das von Forschern der ETH Zürich entwickelt wurde. Dieses Verfahren beinhaltet das Biegen und Schweißen von Stahlbewehrung durch einen mobilen Roboter, um komplexe geometrische Bewehrungsstrukturen vor Ort zu schaffen. Nachdem die gesamte Gitterstruktur fertiggestellt ist, wird sie auf konventionelle Weise mit Beton befüllt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

An der TU Braunschweig wurde eine Bewehrungsstrategie für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] entwickelt, bei der Beton auf vorkonfigurierte und vorverlegte Bewehrungskörbe aufgebracht wird. In einem Experiment wurde ein herkömmlicher Bewehrungskorb auf einem computergesteuerten Drehtisch platziert und anschließend mit Beton überzogen. Ein Schnitt durch das gefertigte Bauteil zeigte eine gute Einbettung der Bewehrung ohne sichtbare Lufteinschlüsse.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung der einzelnen Betonschichten ist die Mesh-Reinforcement-Methode. Bei diesem Verfahren wird ein verzinktes Stahldrahtgitter in der Mitte jeder gedruckten Betonschicht vertikal eingebettet, wodurch eine Verstärkung zwischen den Schichten entsteht. Um die Kontinuität der Verstärkung sicherzustellen, überlappt das eingebettete Gitter in vertikaler Richtung an den Schnittstellen .<ref name="B3D-Q10"></ref>

===Bewehrungsmatten ohne Stahl===

Weitere Forschungsansätze untersuchen, ob sich Kohlefasermatten aufgrund ihrer höheren Flexibilität und geringeren Maschenweite im Vergleich zu Stahlmatten als Bewehrung für den Beton-3D-Druck eignen. Eine effektive Methode zur Verstärkung von Bauelementen besteht darin, unmittelbar nach dem Drucken des Betonkerns eine Kohlefasermatte in die noch frische Betonoberfläche einzubetten. Dieses Verfahren wurde erfolgreich mithilfe des [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] demonstriert. Um den Kern und die darin liegende Kohlefasermatte zu schützen, werden diese mit einer weiteren Schicht Beton bedeckt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Forscher der TU Dresden untersuchen den Einsatz von mineralimprägnierten Kohlefasern (MCF) im Betondruck. Ein erster Ansatz beschäftigt sich mit der Positionierung der MCF-Verstärkung zwischen den einzelnen Betonschichten. Das MCF-Garn, das zuvor in einer Betonsuspension getränkt wurde, wird von einem an den Druckkopf angeschlossenen Zuführgerät direkt hinter der Düse abgelegt. Während die MCF-Verstärkung platziert wird, dient der zuvor gedruckte Betonstrang als Stützmaterial. In einem nachfolgenden Schritt wird das Garn von der nächsten gedruckten Betonschicht bedeckt. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Kohlefasern getrennt vom Beton abgelegt werden können, was die Herstellung von Bauelementen mit komplexen Geometrien und spezifischen Verstärkungsanordnungen erleichtert. Nachteilig ist jedoch, dass eine schwächere Bindung zwischen der Bewehrung und dem Beton zu erwarten ist, da das Garn nur auf dem Betonstrang abgelegt wird.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q12">Anonym (2023), Auskunft eines Forschers der TU Dresden.</ref> Weitere Ansätze beschäftigen sich daher mit der Bewehrungsintegration, bei der das Garn durch den Druckkopf direkt in den Betonstrang eingeführt wird. Durch die Integration der Bewehrung in den Betonstrang entsteht eine verbesserte Verbundwirkung zwischen der Bewehrung und dem Beton.<ref name="B3D-Q12"></ref>

An der TU Dresden wurde zudem eine Methode vorgeschlagen, bei der ein spezielles Textil zwischen den Betonschichten platziert wird, um Kaltfugen zu vermeiden. Das Gewebe besteht aus einem grobmaschigen 2,5D-Textilstreifen, bei dem einzelne Fasern in beide Richtungen herausragen. Ziel dieser Methode ist es, die beiden übereinander liegenden Schichten mithilfe der abstehenden Fasern in vertikaler Richtung zu verbinden.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Kurzfasern==
In zahlreichen Studien wurde die Verwendung verschiedener Kurzfasern aus Polymer, Kohlenstoff, Glas, Stahl oder Edelstahl zur Verstärkung von gedrucktem Faserbeton erforscht. Untersuchungen im Bereich der faserverstärkten Betone haben gezeigt, dass diese eine hohe Bruchdehnung aufweisen können. Die Fasern können entweder vorab dem Trockenmörtelgemisch, während des Betonmischens oder unmittelbar vor dem Drucken dem Beton zugegeben werden. Versuche der TU Dresden haben gezeigt, dass gedruckter, hochduktiler Beton eine vergleichbare Duktilität wie herkömmlich hergestellte Referenzbetone aufweist.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Allerdings gibt es einige Herausforderungen, die das Anwendungsspektrum dieser Methode einschränken. Beispielsweise können selbst hochleistungsfähige Fasern bei realistischen Faserkonzentrationen im Beton eine Stabstahlbewehrung hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit nicht vollständig ersetzen. Zudem wird die Verarbeitbarkeit von Beton mit hohem Faseranteil deutlich komplexer, da die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften#Extrudierbarkeit|Extruierbarkeit]] durch den Druckkopf mit steigendem Fasergehalt abnimmt. Um dies zu umgehen, sind spezielle Druckkopfkonfigurationen erforderlich. Darüber hinaus erhöht sich mit zunehmendem Fasergehalt die Gefahr von Kaltfugen.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Vorspannlitzen==
Eine weitere Verstärkungsstrategie für 3D-gedruckten Beton ist die Verwendung von vorgespannten Litzen, mit denen Zugspannungen eliminiert werden können. Im Allgemeinen wird die Methode "Vorspannen ohne Verbund" verwendet. Als Beispiel sei eine niederländische Fahrradbrücke genannt, welche mittels Beton-3D-Druck hergestellt wurde. Dabei wurden sechs gedruckte Betonelemente mithilfe eines handelsüblichen Spannlitzensystems zusammengedrückt. Die Stränge wurden in gegossenen Betonendblöcken verankert und durch die offene innere Struktur der gedruckten Elemente geführt.<ref name="B3D-Q10"></ref>
Eine ähnliche Methode wurde bei der Herstellung einer vorgespannten Betonsäule an der TU Braunschweig angewendet. In diesem Fall wurden die einzelnen Segmente der Säule mit Spritzbeton im [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] hergestellt. Im Inneren der Säule wurde während des Drucks ein zentrierter Kanal für die Vorspannelemente frei gelassen. Anschließend wurden die Fugenoberflächen bearbeitet und durch Nachspannen der Litze verbunden und bewehrt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Penetrationsbewehrung==
Eine weitere Bewehrungsstrategie für additive Fertigungsverfahren besteht darin, Nägel, Schrauben und Stahlstäbe durch die gedruckten Betonschichten zu treiben. Der französische Forscher Arnaud Perrot führte Experimente mit Nägeln unterschiedlicher Länge, Durchmesser und Ausrichtungen durch. Diese Experimente zeigen, dass die Verwendung von Nägeln eine effiziente Methode zur Verstärkung eines gedruckten Betonstrangs ist. Allerdings muss die Ausrichtung der Nägel korrekt gewählt werden, und die Oberfläche der Nägel muss ausreichend rau sein, um eine gute Verbindung mit dem Mörtel zu gewährleisten.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q13">PERROT, ARNAUD U.A.: Nailing of Layers: a promising way to reinforce concrete 3D printing structures, in: Materials 13 (2020), H.7.</ref>

Bei einem von Hass und Bos entwickelten Verfahren werden Schrauben verwendet, die mit einer drehenden Vorwärtsbewegung in den frisch gedruckten Beton eingebracht werden. Diese Methode gewährleistet eine gute Haftung der Schrauben, bringt jedoch auch minimale Defekte mit sich. Zugversuche zeigen, dass dieses Verfahren auch über einen längeren Zeitraum nach dem Drucken des Betonstrangs angewendet werden kann.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q14">HASS, LAURI; BOS, FREEK: Bending and Pull-Out tests on a novel screw type reinforcement for Extrusion-Based 3D printed concrete, in: Rilem bookseries (2020), S.632-645.</ref>

Forscher der TU Braunschweig verglichen unterschiedliche Methoden zur Platzierung von kurzen Stäben für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]]. Es zeigt sich, dass der Einsatz von kurzen Stäben bei SC3DP-Strängen einen vielversprechenden Ansatz für die Bewehrungen im additiven Fertigungsprozess bietet. Das direkte Einführen der Bewehrung führt aber nur zu einer geringen Haftung aufgrund von entstehenden Hohlstellen. Die Verwendung eines Verpressmörtels oder alternativ der Einsatz von einschraubbaren Bewehrungen verhindert Hohlstellen und führt zu einer verbesserten Haftung.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q15">FREUND, NIKLAS; DRESSLER, INKA; LOWKE, DIRK: Studying the bond properties of vertical integrated short reinforcement in the Shotcrete 3D printing process, in: Rilem bookseries (2020), S.612-621.</ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Rheologische Eigenschaften

2024-06-05T08:04:49Z

ASengebusch:

Die rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten und Verformbarkeit) des Frischbetons sind für die verschiedenen Teilprozesse des 3D-Drucks von entscheidender Bedeutung. Je nach Produktionsabschnitt und Produktionsbedingungen muss der Beton bestimmte rheologische Eigenschaften aufweisen und innerhalb kürzester Zeit unterschiedliche, teils gegensätzliche Anforderungen erfüllen.
 
 

==Pumpbarkeit==

Der Beton wird in [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren|additiven Fertigungsverfahren]] üblicherweise mithilfe von Betonpumpen an die gewünschte Position transportiert. Um einen reibungslosen Transport zu gewährleisten, muss der Frischbeton eine bestimmte Pumpfähigkeit aufweisen.

Zur Konsistenzkontrolle eignen sich der [[Ausbreitmaßversuch]] und der [[Setzfließmaßversuch]]. Aufgrund der unterschiedlichen Scherraten und Scherspannungen, die beim Pumpen deutlich höher sind als bei diesen Versuchen, können diese Methoden jedoch wenig über die tatsächliche Pumpfähigkeit eines Betons aussagen.<ref name="B3D-Q7">MECHTCHERINE, VIKTOR: Beton-3D-Druck durch selektive Ablage, in: Beton- und Stahlbetonbau 114 (2018), H.1, S.24-32.</ref>

Die Pumpfähigkeit hängt nur minimal von den rheologischen Eigenschaften des Betons ab. Vielmehr ist sie von der Ausbildung einer Randzonen-Gleitschicht während des Pumpvorgangs abhängig. Aufgrund hoher Schergradienten an den Innenwänden der Zuleitungsrohre trennen sich Feinstoffe und Wasser vom Beton. Dadurch entsteht eine Gleitschicht, die den Reibungswiderstand zwischen Frischbeton und Rohrwandung verringert. Im Inneren des Rohrs dagegen bildet sich ein steifer Betonpfropfen, der arm an Bindemitteln und Feinstoffen ist. Die Pumpfähigkeit eines Frischbetons wird maßgeblich durch die Zusammensetzung der Gleitschicht bestimmt.<ref name="B3D-Q8">MECHTCHERINE, VIKTOR; BUTLER, MARKO; SECRIERU, EGOR: Prüfen der Pumpbarkeit von Beton - vom Labor in die Praxis, in: Bautechnik 91 (2014), H.11, S.797-811.</ref>

==Extrudierbarkeit==

Beim [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Extrusionsverfahren|Extrusionsverfahren]] wird Material durch eine formgebende Öffnung, den Extruder, gepresst.
Die Extrudierbarkeit von Beton ist keine physikalische Eigenschaft, sondern eine prozessspezifische Charakteristik. Ein Material gilt als extrudierbar, wenn es die nötige Konsistenz hat, um kontrolliert durch den Extruder gepresst zu werden und dabei seine Form zu behalten.
Beim Beton-3D-Druck wird dieser Begriff jedoch weiter gefasst. Da der verwendete Beton oft weicher ist als üblicher Extrusionsbeton zerfließt er unter seinem Eigengewicht und verliert die Form, die durch die Düsenöffnung vorgegeben ist. Deshalb beschreibt die Extrudierbarkeit im Beton-3D-Druck, wie gut sich Beton mit minimalem Energieaufwand in einer bestimmten Fördermenge durch eine Öffnung pressen lässt.

Um einen optimalen Betonfluss in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Druckkopfes zu gewährleisten, ist die extrudierte Menge pro Zeiteinheit ein wichtiger Faktor. Störungen des Betonstrangs können auftreten, wenn die Extrudierrate zu niedrig oder zu hoch ist. Um dies zu verhindern, wird die Förderrate durch einen Schneckenextruder im Druckkopf an die Fahrgeschwindigkeit angepasst.<ref name="B3D-Q7"></ref>

==Verbaubarkeit==

Die Verbaubarkeit einer in [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren|additiven Fertigungsverfahren]] gedruckten Struktur hängt von der Formstabilität des Betonstrangs und dem Verbund der einzelnen Schichten ab. Eine unzureichende Verbaubarkeit kann zu unzulässigen Verformungen oder sogar zum Kollaps eines gedruckten Bauteils führen. Der gedruckte Strang muss unmittelbar nach dem Austreten aus der Düse eine ausreichende Formstabilität aufweisen, um die geplante Bauteilgeometrie zu realisieren und ein Fließen des Betons zu vermeiden.

Um eine gute Verbaubarkeit der gedruckten Struktur sicherzustellen, muss der Beton schnell genug erhärten, um Belastungen standzuhalten. Dabei darf er jedoch nicht zu schnell erhärten, da sonst keine frische Verbindung zwischen den Schichten gewährleistet werden kann und womöglich kalte Fugen entstehen. Abhängig von der Betonrezeptur gibt es minimale und maximale Verarbeitungszeiten, die bei der 3D-Druckstrategie berücksichtigt werden müssen.

Bei größeren Grundrissen kann eine längere Abbindezeit erforderlich sein, um die Bildung von kalten Fugen zu verhindern. Bei kleineren Grundrissen ist hingegen eine schnell abbindende Rezeptur vorteilhaft, um eine gewisse Grundstandfestigkeit zu gewährleisten. Wenn der Beton zu schnell aushärtet um eine frische Verbindung sicherzustellen, kann es sinnvoll sein, den Grundriss in verschiedene Druckabschnitte zu unterteilen.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

==Kontrolle der rheologischen Eigenschaften==

Um die im 3D-Druck erforderlichen Materialeigenschaften des Betons sicherzustellen, sind umfangreiche Prüfungen und Kontrollen notwendig. Die geforderten Eigenschaften hängen sowohl von der verwendeten Druckmethode als auch vom Druckkopf ab und können erheblich variieren.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref> Der Zustand und die rheologischen Eigenschaften des Frischbetons unmittelbar nach dem Auftrag sind entscheidend, da sie wesentlich zur Entwicklung der Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils beitragen. Der strukturelle Aufbau wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die Scherspannung des Frischbetons, die Reaktivität des Bindemittels, die Form der Partikel, die Geometrie der Bauteile und die zeitliche Entwicklung.<ref name="B3D-Q9">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Digitaler Betonbau durch additive Verfahren – Sachstand und Forschungsbedarf, in: Beton- Und Stahlbetonbau 116 (2021), H.11, S.881-900.</ref>

Zur Bestimmung und Prüfung der Pumpbarkeit eines Betons werden [[Tribometer]] oder [[Gleitrohr-Rheometer]](Slipper) eingesetzt. Diese Messgeräte können die statische Fließgrenze und die plastische Viskosität der Gleitschicht bestimmen, wodurch die Pumpbarkeit berechnet werden kann.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Mit einem [[Rheometer]] lassen sich rheologische Eigenschaften wie die statische Fließgrenze und die viskoelastischen Eigenschaften eines Betons bestimmen, die einen großen Einfluss auf die Extrudierbarkeit des Betons haben. Rheometer sind jedoch nicht für Betone mit einer hohen Schergrenze geeignet.
Eine neuere Methode zur Bestimmung der Extrudierbarkeit von sehr steifen Materialien ist der Extrudierbarkeitstest. Dabei wird mithilfe eines Stempels das steife Material durch eine Düse gedrückt und die erforderliche Kraft ermittelt. Durch verschiedene Extrusionsgeschwindigkeiten kann eine Fließkurve erstellt werden, mit der die Extrudierbarkeit vorhergesagt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Verbaubarkeit gedruckten Betons hängt mit der statischen Fließgrenze und der Aufbaurate der gedruckten Struktur zusammen. Liegen die Werte vor, kann die Verbaubarkeit berechnet werden. Da ein [[Rheometer]] nicht für Betone mit hoher Scherfestigkeit geeignet ist, bietet der Direkt-Drucktest eine gute Alternative zur Überprüfung der Verbaubarkeit.<ref name="B3D-Q1"></ref> Dabei wird der gedruckte Beton vertikal mit einer Platte belastet und die Verformung ermittelt. Mit den Ergebnissen wird eine Spannungs-Dehnungslinie erstellt, mit der die Verbaubarkeit des gedruckten Bauteils bestimmt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Untersuchung der Materialeigenschaften bei additiv gefertigten Betonbauteilen erfordert eine richtungsabhängige Analyse, da die geschichtete Bauweise zu Anisotropien führen kann.

Derzeit gibt es keine einheitlichen Prüfprinzipien oder Normen für additiv gefertigte Betonbauteile. Probekörperabmessungen, Entnahmekriterien und Lagerungsbedingungen sind oft nicht geregelt. Bestehende Prüfmethoden werden aktuell an die additiven Fertigungsprozesse angepasst und weiterentwickelt. Für die Bewertung der mechanischen Materialeigenschaften werden meist zerstörende Prüfmethoden eingesetzt. Wichtige geprüfte Eigenschaften sind unter anderem die plastische Verformung, das Schwindverhalten, die Druck- und Biegezugfestigkeit, der Haftverbund zwischen gedruckten Schichten und Bewehrung sowie der Anprallwiderstand. Bei additiv gefertigten Schalungen muss zudem der Widerstand gegen den Schalungsdruck des konventionell eingebrachten Frischbetons geprüft werden.<ref name="B3D-Q9"></ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-05T08:02:54Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|3D-Druck mit Beton]]
Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren1.png|center|thumb|600px|Fertigungsverfahren im Beton-3D-Druck]]

==Additive Verfahren==

==Extrusionsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Extrusion]]
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren3.png|center|thumb|600px|Extrusionsverfahren im Beton-3D-Druck]]
Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [[verlorene Schalung]] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren4.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Selektives Binden]]
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [[verlorene Schalung]] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

* Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.
* Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.
* Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren5.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Spritzbetonverfahren]]
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [[Schüttdichte]]). Zusammen mit einer erhöhten [[Rohdichte]], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

==Formative Verfahren==

==Gleitschalungsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren6.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Gleitschalungsverfahren]]
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Vergleich mit traditionellen Bauweisen

2024-06-05T07:39:38Z

ASengebusch:

Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderungen im Bausektor diskutiert. Dazu zählen Probleme wie stagnierende Produktivität, steigender Fachkräftemangel, das Ausmaß von Arbeitsunfällen oder aber hohe Umweltbelastungen durch Materialbedarf und CO2-Ausstoß.
Der Einsatz des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Produktivität bei konstanter oder sinkender Personaldecke zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
 
 

==Wirtschaftlichkeit==
Der Beton-3D-Druck wird oft als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Bauweisen angepriesen. Durch einen reduzierten Personalaufwand, eine effizientere Nutzung der Materialien und geringere Herstellungszeiten sollen die Baukosten durch den Einsatz von Drucktechnologien erheblich gesenkt werden. Pilotprojekte berichten von Einsparungen von bis zu 80% der Arbeitskosten und bis zu 70% der Bauzeit.<ref name="B3D-Q16">JENS, OTTO; KORTMANN, JAN; KRAUSE, MARTIN: Wirtschaftliche Perspektiven von Beton-3D-Druckverfahren, in: Beton- Und Stahlbetonbau 115 (2020), H.8, S.586-597.</ref>

===Zeitaufwand===
Signifikante Zeitersparnisse ergeben sich insbesondere bei Bauteilen, die Rundungen oder komplexe Geometrien aufweisen oder allgemein in der Herstellung aufwendiger sind. Während bei konventionellen Herstellungsmethoden präzise Schalungen erforderlich sind, können diese beim Beton-3D-Druck größtenteils eingespart werden.
Simulationsstudien haben die Druckgeschwindigkeit für die Wände eines dreigeschossigen Gebäudes mit einer Fläche von jeweils 600 m² berechnet und mit anderen Bauverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 72% im Vergleich zu konventionellen Bauweisen.<ref name="B3D-Q16"></ref>

===Kostenaufwand===
Die Kosten für den Bau eines vollständig gedruckten Gebäudes fallen noch hoch aus und werden sich erst mit einer zunehmenden Bekanntheit auf dem Markt und Nutzung der Verfahren allmählich verringern.
Dies hängt mit den aktuell hohen Anschaffungs- bzw. Mietkosten des Druckers sowie mit den notwendigen Schulungen für die Bedienung der Maschine zusammen. Außerdem besteht in Deutschland derzeit eine längere Vorlaufzeit aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Nachfrage.<ref name="B3D-Q17">NIEDERHAUS, LISA: Der Einfluss der 3D-Technologie auf sozialen Wohnungsbau und Wohnraummangel in Deutschland. Springer Vieweg, 2022.</ref>
Darüber hinaus ist das für den Betondruck benötigte Material im Vergleich zu Normalbeton, mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Grund dafür ist der (je nach Druckverfahren) enorme Einsatz von Betonzusatzstoffen, welche die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften|rheologischen Eigenschaften]] des Druckes regulieren. Zudem sind viele Drucker ausschließlich für Betone bestimmter Firmen zugelassen.
Es ist zu erwarten, dass diese typischen Herausforderungen in der Anfangsphase neuer Technologien mittelfristig an Bedeutung verlieren, sodass der Einsatz von Betondrucktechnologien zukünftig eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Bauweisen darstellen wird.

==Geometrische Freiheiten==
Um Kosten zu reduzieren und die Wiederverwendung von Schalungen zu gewährleisten werden die architektonischen Freiheiten in den traditionellen Bauweisen bereits in der Entwurfsphase einer Konstruktion durch vordefinierte Geometrien begrenzt. Aufgrund der aufwendigen Schalungsarbeiten werden im konventionellen Betonbau komplexe Bauteile, wie runde oder konisch geformte Elemente, gemieden.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>
Durch mathematische Nachweise konnte bestätigt werden, dass durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nahezu jede Geometrie im Beton-3D-Druck realisiert werden kann. Dabei kommen auch etablierte, rechnergestützte Methoden zur Herstellung von optimierten Strukturen zum Tragen. Die additive Fertigung bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung von Wandelementen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Flexibilität bei horizontalen Spannweiten aufgrund fundamentaler physikalischer Bedingungen deutlich eingeschränkt ist.<ref name="B3D-Q18">RØNNQUIST, ANDERS U.A.: Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities, in: Automation in Construction, 72 (2016), S347-366.</ref>
In additiven Fertigungsverfahren hat die geometrische Komplexität eines Bauteils nur einen geringen Einfluss auf die Fertigungszeit und den Kostenaufwand. Der entscheidende Faktor ist vielmehr das Volumen der zu fertigenden Struktur. Daher können z.B. Wände mit Rundungen in einer ähnlichen Geschwindigkeit und mit einem vergleichbaren Kostenaufwand, wie gerade Wände hergestellt werden.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Automatisierung==
Eine fortschreitende Digitalisierung in der Baubranche ist unerlässlich, um den baubetrieblichen Ablauf bestmöglich zu optimieren. Der Beton-3D-Druck schafft eine durchgängig automatisierte Prozesskette. Geometrische und stoffliche Daten werden in der Planung festgelegt und dienen der Generierung von Steuerungsdaten für den 3D-Druck.<ref name="B3D-Q19">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Conprint3D: Beton-3D-Druck als Ersatz für den Mauerwerksbau, in: Bauingenieur 92 (2017), H.9, S.355-363.</ref>

Die Automatisierung im Bauwesen kann dazu beitragen, das Problem der vielen Arbeitsunfälle auf Baustellen zu mindern. Die hohe Unfallrate in der Baubranche ist das Ergebnis von komplexen Bauprozessen und menschlichem Fehlverhalten. Dynamische Arbeitsbedingungen, das Zusammenspiel verschiedener Gewerke und wechselnde Umgebungen erhöhen das Unfallrisiko zusätzlich. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren und die damit verbundene Automatisierung können zu besseren und vorhersehbareren Arbeitsabläufen auf der Baustelle führen, was die Arbeitssicherheit im Vergleich zur traditionellen Bauweise erhöhen kann.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Baugewerbe leidet wie alle Branchen unter einem zunehmenden Fachkräftemangel. Die Einführung des 3D-Drucks in der Baubranche und die damit einher gehende Automatisierung kann diesem Mangel entgegenwirken. Durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren werden weniger gewerbliche Fachkräfte auf der Baustelle benötigt. Die Gerätebedienung der Drucktechnologie wird üblicherweise nur durch zwei Fachkräfte mit Ingenieursausbildung durchgeführt. Zudem kann der Einsatz innovativer Technologien ein Anreiz zur Aufnahme eines Studiums oder einer Ausbildung darstellen.

Jedoch hat die Automatisierung nicht nur Vorteile. Die traditionellen Bauweisen bieten aufgrund ihrer handwerklichen Ausprägung eine gewisse Flexibilität, um schnell auf individuelle Probleme oder Bedingungen zu reagieren. Im Gegensatz dazu können bei einer komplett digitalisierten Prozesskette bereits in der Planungsphase Fehler in den Daten auftreten, die auf der Baustelle nicht schnell behoben werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Nachhaltigkeit==
Obwohl die Betonproduktion mit einem Beitrag von 5% der weltweiten CO2-Emission zu einer der größten Umweltbelastungen zählt, ist Beton weiterhin das zentrale Material in der Baubranche. Die temporären Schalungen im traditionellen Betonbau tragen zusätzlich zur Umweltbelastung bei, da sie beträchtliche Mengen an Abfall erzeugen.<ref name="B3D-Q20">MOHAMMAD, MALEK; MASAD, EYAS; AL-GHAMDI, SAMI G.: 3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life cycle assessment of four construction method scenarios, in: Buildings 10 (2020).</ref> Bei Bauteilen mit gekrümmter Geometrie ist es häufig erforderlich, spezielle Schalungen anzufertigen, welche nach dem Gebrauch keine weitere Verwendung finden und entsorgt werden müssen. Durch die präzise Materialnutzung und den schalungsfreien Aufbau werden beim Beton-3D-Druck Abfälle deutlich reduziert und transportbedingte Emissionen verringert. Insbesondere der Einsatz von Leichtbeton trägt zu einer weiteren Verminderung des CO2- Ausstoßes im Vergleich zu herkömmlichem Betonen bei.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren verspricht durch den effektiven Einsatz von Materialien einen geringen Ressourcenverbrauch. Der Beton soll nur an den Stellen aufgebracht werden, wo er aufgrund der Belastung benötigt wird. Derzeit werden Forschungsansätze zur Entwicklung von sogenannten Gradientenbetonen verfolgt. Dieser innovative Beton zeichnet sich dadurch aus, dass seine Materialeigenschaften je nach den lokalen Anforderungen flexibel angepasst werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Untersuchungen zur Umweltauswirkung des Beton-3D-Drucks im Vergleich zur konventionellen Bauweise zeigen deutlich, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens erhebliche positive Auswirkungen auf die Umweltbilanz haben kann. Es ist jedoch anzumerken, dass bei der Untersuchung von bewehrtem Beton-3D-Druck keine signifikanten Umweltvorteile festgestellt wurden.<ref name="B3D-Q20"></ref>

==Quellen==
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Vergleich mit traditionellen Bauweisen

2024-06-04T13:24:31Z

ASengebusch: Die Seite wurde neu angelegt: „Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderung…“

Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderungen im Bausektor diskutiert. Dazu zählen Probleme wie stagnierende Produktivität, steigender Fachkräftemangel, das Ausmaß von Arbeitsunfällen oder aber hohe Umweltbelastungen durch Materialbedarf und CO2-Ausstoß.
Der Einsatz des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Produktivität bei konstanter oder sinkender Personaldecke zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
 
 

==Wirtschaftlichkeit==
Der Beton-3D-Druck wird oft als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Bauweisen angepriesen. Durch einen reduzierten Personalaufwand, eine effizientere Nutzung der Materialien und geringere Herstellungszeiten sollen die Baukosten durch den Einsatz von Drucktechnologien erheblich gesenkt werden. Pilotprojekte berichten von Einsparungen von bis zu 80% der Arbeitskosten und bis zu 70% der Bauzeit.<ref name="B3D-Q16">JENS, OTTO; KORTMANN, JAN; KRAUSE, MARTIN: Wirtschaftliche Perspektiven von Beton-3D-Druckverfahren, in: Beton- Und Stahlbetonbau 115 (2020), H.8, S.586-597.</ref>

===Zeitaufwand===
Signifikante Zeitersparnisse ergeben sich insbesondere bei Bauteilen, die Rundungen oder komplexe Geometrien aufweisen oder allgemein in der Herstellung aufwendiger sind. Während bei konventionellen Herstellungsmethoden präzise Schalungen erforderlich sind, können diese beim Beton-3D-Druck größtenteils eingespart werden.
Simulationsstudien haben die Druckgeschwindigkeit für die Wände eines dreigeschossigen Gebäudes mit einer Fläche von jeweils 600 m² berechnet und mit anderen Bauverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 72% im Vergleich zu konventionellen Bauweisen.<ref name="B3D-Q16"></ref>

===Kostenaufwand===
Die Kosten für den Bau eines vollständig gedruckten Gebäudes fallen noch hoch aus und werden sich erst mit einer zunehmenden Bekanntheit auf dem Markt und Nutzung der Verfahren allmählich verringern.
Dies hängt mit den aktuell hohen Anschaffungs- bzw. Mietkosten des Druckers sowie mit den notwendigen Schulungen für die Bedienung der Maschine zusammen. Außerdem besteht in Deutschland derzeit eine längere Vorlaufzeit aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Nachfrage.<ref name="B3D-Q17">NIEDERHAUS, LISA: Der Einfluss der 3D-Technologie auf sozialen Wohnungsbau und Wohnraummangel in Deutschland. Springer Vieweg, 2022.</ref>
Darüber hinaus ist das für den Betondruck benötigte Material im Vergleich zu Normalbeton, mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Grund dafür ist der (je nach Druckverfahren) enorme Einsatz von Betonzusatzstoffen, welche die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften|rheologischen Eigenschaften]] des Druckes regulieren. Zudem sind viele Drucker ausschließlich für Betone bestimmter Firmen zugelassen.
Es ist zu erwarten, dass diese typischen Herausforderungen in der Anfangsphase neuer Technologien mittelfristig an Bedeutung verlieren, sodass der Einsatz von Betondrucktechnologien zukünftig eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Bauweisen darstellen wird.

==Geometrische Freiheiten==
Um Kosten zu reduzieren und die Wiederverwendung von Schalungen zu gewährleisten werden die architektonischen Freiheiten in den traditionellen Bauweisen bereits in der Entwurfsphase einer Konstruktion durch vordefinierte Geometrien begrenzt. Aufgrund der aufwendigen Schalungsarbeiten werden im konventionellen Betonbau komplexe Bauteile, wie runde oder konisch geformte Elemente, gemieden.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>
Durch mathematische Nachweise konnte bestätigt werden, dass durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nahezu jede Geometrie im Beton-3D-Druck realisiert werden kann. Dabei kommen auch etablierte, rechnergestützte Methoden zur Herstellung von optimierten Strukturen zum Tragen. Die additive Fertigung bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung von Wandelementen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Flexibilität bei horizontalen Spannweiten aufgrund fundamentaler physikalischer Bedingungen deutlich eingeschränkt ist.<ref name="B3D-Q18">RØNNQUIST, ANDERS U.A.: Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities, in: Automation in Construction, 72 (2016), S347-366.</ref>
In additiven Fertigungsverfahren hat die geometrische Komplexität eines Bauteils nur einen geringen Einfluss auf die Fertigungszeit und den Kostenaufwand. Der entscheidende Faktor ist vielmehr das Volumen der zu fertigenden Struktur. Daher können z.B. Wände mit Rundungen in einer ähnlichen Geschwindigkeit und mit einem vergleichbaren Kostenaufwand, wie gerade Wände hergestellt werden.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Automatisierung==
Eine fortschreitende Digitalisierung in der Baubranche ist unerlässlich, um den baubetrieblichen Ablauf bestmöglich zu optimieren. Der Beton-3D-Druck schafft eine durchgängig automatisierte Prozesskette. Geometrische und stoffliche Daten werden in der Planung festgelegt und dienen der Generierung von Steuerungsdaten für den 3D-Druck.<ref name="B3D-Q19">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Conprint3D: Beton-3D-Druck als Ersatz für den Mauerwerksbau, in: Bauingenieur 92 (2017), H.9, S.355-363.</ref>

Die Automatisierung im Bauwesen kann dazu beitragen, das Problem der vielen Arbeitsunfälle auf Baustellen zu mindern. Die hohe Unfallrate in der Baubranche ist das Ergebnis von komplexen Bauprozessen und menschlichem Fehlverhalten. Dynamische Arbeitsbedingungen, das Zusammenspiel verschiedener Gewerke und wechselnde Umgebungen erhöhen das Unfallrisiko zusätzlich. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren und die damit verbundene Automatisierung können zu besseren und vorhersehbareren Arbeitsabläufen auf der Baustelle führen, was die Arbeitssicherheit im Vergleich zur traditionellen Bauweise erhöhen kann.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Baugewerbe leidet wie alle Branchen unter einem zunehmenden Fachkräftemangel. Die Einführung des 3D-Drucks in der Baubranche und die damit einher gehende Automatisierung kann diesem Mangel entgegenwirken. Durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren werden weniger gewerbliche Fachkräfte auf der Baustelle benötigt. Die Gerätebedienung der Drucktechnologie wird üblicherweise nur durch zwei Fachkräfte mit Ingenieursausbildung durchgeführt. Zudem kann der Einsatz innovativer Technologien ein Anreiz zur Aufnahme eines Studiums oder einer Ausbildung darstellen.

Jedoch hat die Automatisierung nicht nur Vorteile. Die traditionellen Bauweisen bieten aufgrund ihrer handwerklichen Ausprägung eine gewisse Flexibilität, um schnell auf individuelle Probleme oder Bedingungen zu reagieren. Im Gegensatz dazu können bei einer komplett digitalisierten Prozesskette bereits in der Planungsphase Fehler in den Daten auftreten, die auf der Baustelle nicht schnell behoben werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

==Nachhaltigkeit==
Obwohl die Betonproduktion mit einem Beitrag von 5% der weltweiten CO2-Emission zu einer der größten Umweltbelastungen zählt, ist Beton weiterhin das zentrale Material in der Baubranche. Die temporären Schalungen im traditionellen Betonbau tragen zusätzlich zur Umweltbelastung bei, da sie beträchtliche Mengen an Abfall erzeugen.<ref name="B3D-Q20">MOHAMMAD, MALEK; MASAD, EYAS; AL-GHAMDI, SAMI G.: 3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life cycle assessment of four construction method scenarios, in: Buildings 10 (2020).</ref> Bei Bauteilen mit gekrümmter Geometrie ist es häufig erforderlich, spezielle Schalungen anzufertigen, welche nach dem Gebrauch keine weitere Verwendung finden und entsorgt werden müssen. Durch die präzise Materialnutzung und den schalungsfreien Aufbau werden beim Beton-3D-Druck Abfälle deutlich reduziert und transportbedingte Emissionen verringert. Insbesondere der Einsatz von Leichtbeton trägt zu einer weiteren Verminderung des CO2- Ausstoßes im Vergleich zu herkömmlichem Betonen bei.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren verspricht durch den effektiven Einsatz von Materialien einen geringen Ressourcenverbrauch. Der Beton soll nur an den Stellen aufgebracht werden, wo er aufgrund der Belastung benötigt wird. Derzeit werden Forschungsansätze zur Entwicklung von sogenannten Gradientenbetonen verfolgt. Dieser innovative Beton zeichnet sich dadurch aus, dass seine Materialeigenschaften je nach den lokalen Anforderungen flexibel angepasst werden können.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Untersuchungen zur Umweltauswirkung des Beton-3D-Drucks im Vergleich zur konventionellen Bauweise zeigen deutlich, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens erhebliche positive Auswirkungen auf die Umweltbilanz haben kann. Es ist jedoch anzumerken, dass bei der Untersuchung von bewehrtem Beton-3D-Druck keine signifikanten Umweltvorteile festgestellt wurden.<ref name="B3D-Q20"></ref>

=Quellen=
<references />
 

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Beton-3D-Druck - Rheologische Eigenschaften

2024-06-04T13:10:32Z

ASengebusch:

Beton-3D-Druck - Rheologische Eigenschaften

2024-06-04T13:04:40Z

ASengebusch: Die Seite wurde neu angelegt: „Die rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten und Verformbarkeit) des Frischbetons sind für die verschiedenen Teilprozesse des 3D-Drucks von entscheidender…“

Die rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten und Verformbarkeit) des Frischbetons sind für die verschiedenen Teilprozesse des 3D-Drucks von entscheidender Bedeutung. Je nach Produktionsabschnitt und Produktionsbedingungen muss der Beton bestimmte rheologische Eigenschaften aufweisen und innerhalb kürzester Zeit unterschiedliche, teils gegensätzliche Anforderungen erfüllen.
 
 

==Pumpbarkeit==

Der Beton wird in [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren|additiven Fertigungsverfahren]] üblicherweise mithilfe von Betonpumpen an die gewünschte Position transportiert. Um einen reibungslosen Transport zu gewährleisten, muss der Frischbeton eine bestimmte Pumpfähigkeit aufweisen.

Zur Konsistenzkontrolle eignen sich der [Ausbreitmaßversuch] und der [Setzfließmaßversuch]. Aufgrund der unterschiedlichen Scherraten und Scherspannungen, die beim Pumpen deutlich höher sind als bei diesen Versuchen, können diese Methoden jedoch wenig über die tatsächliche Pumpfähigkeit eines Betons aussagen.<ref name="B3D-Q7">MECHTCHERINE, VIKTOR: Beton-3D-Druck durch selektive Ablage, in: Beton- und Stahlbetonbau 114 (2018), H.1, S.24-32.</ref>

Die Pumpfähigkeit hängt nur minimal von den rheologischen Eigenschaften des Betons ab. Vielmehr ist sie von der Ausbildung einer Randzonen-Gleitschicht während des Pumpvorgangs abhängig. Aufgrund hoher Schergradienten an den Innenwänden der Zuleitungsrohre trennen sich Feinstoffe und Wasser vom Beton. Dadurch entsteht eine Gleitschicht, die den Reibungswiderstand zwischen Frischbeton und Rohrwandung verringert. Im Inneren des Rohrs dagegen bildet sich ein steifer Betonpfropfen, der arm an Bindemitteln und Feinstoffen ist. Die Pumpfähigkeit eines Frischbetons wird maßgeblich durch die Zusammensetzung der Gleitschicht bestimmt.<ref name="B3D-Q8">MECHTCHERINE, VIKTOR; BUTLER, MARKO; SECRIERU, EGOR: Prüfen der Pumpbarkeit von Beton - vom Labor in die Praxis, in: Bautechnik 91 (2014), H.11, S.797-811.</ref>

==Extrudierbarkeit==

Beim [Extrusionsverfahren] wird Material durch eine formgebende Öffnung, den Extruder, gepresst.
Die Extrudierbarkeit von Beton ist keine physikalische Eigenschaft, sondern eine prozessspezifische Charakteristik. Ein Material gilt als extrudierbar, wenn es die nötige Konsistenz hat, um kontrolliert durch den Extruder gepresst zu werden und dabei seine Form zu behalten.

Beim Beton-3D-Druck wird dieser Begriff jedoch weiter gefasst. Da der verwendete Beton oft weicher ist als üblicher Extrusionsbeton zerfließt er unter seinem Eigengewicht und verliert die Form, die durch die Düsenöffnung vorgegeben ist. Deshalb beschreibt die Extrudierbarkeit im Beton-3D-Druck, wie gut sich Beton mit minimalem Energieaufwand in einer bestimmten Fördermenge durch eine Öffnung pressen lässt.

Um einen optimalen Betonfluss in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Druckkopfes zu gewährleisten, ist die extrudierte Menge pro Zeiteinheit ein wichtiger Faktor. Störungen des Betonstrangs können auftreten, wenn die Extrudierrate zu niedrig oder zu hoch ist. Um dies zu verhindern, wird die Förderrate durch einen Schneckenextruder im Druckkopf an die Fahrgeschwindigkeit angepasst.<ref name="B3D-Q7"></ref>

==Verbaubarkeit==

Die Verbaubarkeit einer in [additiven Fertigungsverfahren] gedruckten Struktur hängt von der Formstabilität des Betonstrangs und dem Verbund der einzelnen Schichten ab. Eine unzureichende Verbaubarkeit kann zu unzulässigen Verformungen oder sogar zum Kollaps eines gedruckten Bauteils führen. Der gedruckte Strang muss unmittelbar nach dem Austreten aus der Düse eine ausreichende Formstabilität aufweisen, um die geplante Bauteilgeometrie zu realisieren und ein Fließen des Betons zu vermeiden.

Um eine gute Verbaubarkeit der gedruckten Struktur sicherzustellen, muss der Beton schnell genug erhärten, um Belastungen standzuhalten. Dabei darf er jedoch nicht zu schnell erhärten, da sonst keine frische Verbindung zwischen den Schichten gewährleistet werden kann und womöglich kalte Fugen entstehen. Abhängig von der Betonrezeptur gibt es minimale und maximale Verarbeitungszeiten, die bei der 3D-Druckstrategie berücksichtigt werden müssen.

Bei größeren Grundrissen kann eine längere Abbindezeit erforderlich sein, um die Bildung von kalten Fugen zu verhindern. Bei kleineren Grundrissen ist hingegen eine schnell abbindende Rezeptur vorteilhaft, um eine gewisse Grundstandfestigkeit zu gewährleisten. Wenn der Beton zu schnell aushärtet um eine frische Verbindung sicherzustellen, kann es sinnvoll sein, den Grundriss in verschiedene Druckabschnitte zu unterteilen.<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

==Kontrolle der rheologischen Eigenschaften==

Um die im 3D-Druck erforderlichen Materialeigenschaften des Betons sicherzustellen, sind umfangreiche Prüfungen und Kontrollen notwendig. Die geforderten Eigenschaften hängen sowohl von der verwendeten Druckmethode als auch vom Druckkopf ab und können erheblich variieren.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref> Der Zustand und die rheologischen Eigenschaften des Frischbetons unmittelbar nach dem Auftrag sind entscheidend, da sie wesentlich zur Entwicklung der Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils beitragen. Der strukturelle Aufbau wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die Scherspannung des Frischbetons, die Reaktivität des Bindemittels, die Form der Partikel, die Geometrie der Bauteile und die zeitliche Entwicklung.<ref name="B3D-Q9">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Digitaler Betonbau durch additive Verfahren – Sachstand und Forschungsbedarf, in: Beton- Und Stahlbetonbau 116 (2021), H.11, S.881-900.</ref>

Zur Bestimmung und Prüfung der Pumpbarkeit eines Betons werden [[Tribometer]] oder [[Gleitrohr-Rheometer]](Slipper) eingesetzt. Diese Messgeräte können die statische Fließgrenze und die plastische Viskosität der Gleitschicht bestimmen, wodurch die Pumpbarkeit berechnet werden kann.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Mit einem [[Rheometer]] lassen sich rheologische Eigenschaften wie die statische Fließgrenze und die viskoelastischen Eigenschaften eines Betons bestimmen, die einen großen Einfluss auf die Extrudierbarkeit des Betons haben. Rheometer sind jedoch nicht für Betone mit einer hohen Schergrenze geeignet.
Eine neuere Methode zur Bestimmung der Extrudierbarkeit von sehr steifen Materialien ist der Extrudierbarkeitstest. Dabei wird mithilfe eines Stempels das steife Material durch eine Düse gedrückt und die erforderliche Kraft ermittelt. Durch verschiedene Extrusionsgeschwindigkeiten kann eine Fließkurve erstellt werden, mit der die Extrudierbarkeit vorhergesagt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Verbaubarkeit gedruckten Betons hängt mit der statischen Fließgrenze und der Aufbaurate der gedruckten Struktur zusammen. Liegen die Werte vor, kann die Verbaubarkeit berechnet werden. Da ein [[Rheometer]] nicht für Betone mit hoher Scherfestigkeit geeignet ist, bietet der Direkt-Drucktest eine gute Alternative zur Überprüfung der Verbaubarkeit.<ref name="B3D-Q1"></ref> Dabei wird der gedruckte Beton vertikal mit einer Platte belastet und die Verformung ermittelt. Mit den Ergebnissen wird eine Spannungs-Dehnungslinie erstellt, mit der die Verbaubarkeit des gedruckten Bauteils bestimmt werden kann.<ref name="B3D-Q9"></ref>

Die Untersuchung der Materialeigenschaften bei additiv gefertigten Betonbauteilen erfordert eine richtungsabhängige Analyse, da die geschichtete Bauweise zu Anisotropien führen kann.

Derzeit gibt es keine einheitlichen Prüfprinzipien oder Normen für additiv gefertigte Betonbauteile. Probekörperabmessungen, Entnahmekriterien und Lagerungsbedingungen sind oft nicht geregelt. Bestehende Prüfmethoden werden aktuell an die additiven Fertigungsprozesse angepasst und weiterentwickelt. Für die Bewertung der mechanischen Materialeigenschaften werden meist zerstörende Prüfmethoden eingesetzt. Wichtige geprüfte Eigenschaften sind unter anderem die plastische Verformung, das Schwindverhalten, die Druck- und Biegezugfestigkeit, der Haftverbund zwischen gedruckten Schichten und Bewehrung sowie der Anprallwiderstand. Bei additiv gefertigten Schalungen muss zudem der Widerstand gegen den Schalungsdruck des konventionell eingebrachten Frischbetons geprüft werden.<ref name="B3D-Q9"></ref>

=Quellen=
<references />

Beton-3D-Druck - Integration der Bewehrung

2024-06-04T12:59:40Z

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In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze für den 3D-Druck von unbewehrten Betonbauteilen erforscht und entwickelt. Für die Herstellung tragender Betonbauteile ist der Einsatz von Bewehrung jedoch unerlässlich, um die statischen Anforderungen zu erfüllen. Die Herausforderung bei der Integration der Bewehrung besteht darin, die Vorteile des Beton-3D-Drucks, wie Effizienz und Flexibilität, zu erhalten.

Die Bewehrung gedruckter Betonbauteile ist Gegenstand aktueller Forschung. Im Folgenden werden eine Reihe von Ansätzen vorgestellt.
 
 

==Bewehrungsstäbe==
Die Integration konventioneller Bewehrungsstäbe in den Beton-3D-Druck wird intensiv erforscht.
Ein etabliertes Verfahren zur horizontalen Bewehrung gerader, gedruckter Wände besteht darin, ungebogene Stäbe parallel zur Druckebene in den frischen Beton einzubringen und sie anschließend mit einer zusätzlichen Schicht aus Beton abzudecken. Zudem werden spezielle Verfahren zur Positionierung vertikaler Bewehrungsstäbe entwickelt.

===Bewehrung mit Stahlseilen===
An der TU Eindhoven wurde bereits im Jahr 2017 eine Methode zur Verstärkung von 3D-gedrucktem Beton entwickelt. Die Universität verwendet ein Betondrucksystem, das aus einer Mischpumpe und einem Portalkran-Roboter besteht. Dieses System wurde um eine Bewehrungsvorrichtung erweitert, die es ermöglicht, Stahlseile noch im Druckkopf in das Betonfilament einzuführen. Dieses Verfahren ermöglicht einen vollautomatisierten Prozess, der die geometrischen Möglichkeiten des Beton-3D-Drucks nicht einschränkt. Allerdings ist diese Verstärkung nur in der Richtung längs zum Filament wirksam.<ref name="B3D-Q10">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Integrating reinforcement in Digital Fabrication with Concrete: A review and Classification framework, in: Cement & Concrete Composites 119 (2021).</ref>

===Wire Arc Additive Manufacturing===
Ein innovatives Verfahren namens Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglicht es, maßgeschneiderte Bewehrungsstäbe mittels Drahtbogenschweißen im Tropfenmodus herzustellen.<ref name="B3D-Q10"></ref> Kurz gesagt, werden neben dem Beton auch die Bewehrungsstäbe gedruckt. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung einer hochflexiblen Bewehrung mit maximaler geometrischer Anpassungsfähigkeit. Zugversuche bestätigen ein Tragverhalten, das mit herkömmlicher Stahlbewehrung vergleichbar ist, sowie ein duktiles Versagen der Stäbe. Dennoch bestehen noch einige Hindernisse bei der Anwendung von WAAM. Dazu zählen die langsamere Druckgeschwindigkeit im Vergleich zum Betondruck, die potenzielle Schädigung des Betons durch hohe Temperaturen während des Schweißprozesses und die damit verbundenen Kosten.<ref name="B3D-Q11">BADUGE, KRISTOMBU U.A.: Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods, in: Structures 29 (2021), S.1597-1609.</ref>

==Bewehrungsmatten, -Körbe und Textilien==
Der Einsatz von Standard-Mattenbewehrung auf der Baustelle ermöglicht eine einfache Erstellung komplexer Bewehrungskörbe und spart im Vergleich zur Verlegung einzelner Bewehrungsstäbe einiges an Zeit. Im Beton-3D-Druck gibt es Ansätze zunächst die Bewehrung zu erstellen und dann den Beton aufzutragen oder die Bewehrungsmatten direkt nach dem Druck hinzufügen, um die Festigkeit und Stabilität der Strukturen zu verbessern. Andere Forschungsgruppen setzen auf automatisierte Montageverfahren und Schweißtechniken, um Bewehrungsmatten nahtlos in den Druckprozess zu integrieren. Neben der klassischen Stahlbewehrung wird auch mit Textilien aus Kohlenstoff-, Glas- oder Basaltfasern experimentiert.

===Verfahren mit Stahlbewehrung===

Ein Verfahren, das die computergestützte Integration von Bewehrungsgittern ermöglicht, ist das Mesh-Mould-Verfahren, das von Forschern der ETH Zürich entwickelt wurde. Dieses Verfahren beinhaltet das Biegen und Schweißen von Stahlbewehrung durch einen mobilen Roboter, um komplexe geometrische Bewehrungsstrukturen vor Ort zu schaffen. Nachdem die gesamte Gitterstruktur fertiggestellt ist, wird sie auf konventionelle Weise mit Beton befüllt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

An der TU Braunschweig wurde eine Bewehrungsstrategie für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] entwickelt, bei der Beton auf vorkonfigurierte und vorverlegte Bewehrungskörbe aufgebracht wird. In einem Experiment wurde ein herkömmlicher Bewehrungskorb auf einem computergesteuerten Drehtisch platziert und anschließend mit Beton überzogen. Ein Schnitt durch das gefertigte Bauteil zeigte eine gute Einbettung der Bewehrung ohne sichtbare Lufteinschlüsse.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung der einzelnen Betonschichten ist die Mesh-Reinforcement-Methode. Bei diesem Verfahren wird ein verzinktes Stahldrahtgitter in der Mitte jeder gedruckten Betonschicht vertikal eingebettet, wodurch eine Verstärkung zwischen den Schichten entsteht. Um die Kontinuität der Verstärkung sicherzustellen, überlappt das eingebettete Gitter in vertikaler Richtung an den Schnittstellen .<ref name="B3D-Q10"></ref>

===Bewehrungsmatten ohne Stahl===

Weitere Forschungsansätze untersuchen, ob sich Kohlefasermatten aufgrund ihrer höheren Flexibilität und geringeren Maschenweite im Vergleich zu Stahlmatten als Bewehrung für den Beton-3D-Druck eignen. Eine effektive Methode zur Verstärkung von Bauelementen besteht darin, unmittelbar nach dem Drucken des Betonkerns eine Kohlefasermatte in die noch frische Betonoberfläche einzubetten. Dieses Verfahren wurde erfolgreich mithilfe des [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] demonstriert. Um den Kern und die darin liegende Kohlefasermatte zu schützen, werden diese mit einer weiteren Schicht Beton bedeckt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Forscher der TU Dresden untersuchen den Einsatz von mineralimprägnierten Kohlefasern (MCF) im Betondruck. Ein erster Ansatz beschäftigt sich mit der Positionierung der MCF-Verstärkung zwischen den einzelnen Betonschichten. Das MCF-Garn, das zuvor in einer Betonsuspension getränkt wurde, wird von einem an den Druckkopf angeschlossenen Zuführgerät direkt hinter der Düse abgelegt. Während die MCF-Verstärkung platziert wird, dient der zuvor gedruckte Betonstrang als Stützmaterial. In einem nachfolgenden Schritt wird das Garn von der nächsten gedruckten Betonschicht bedeckt. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Kohlefasern getrennt vom Beton abgelegt werden können, was die Herstellung von Bauelementen mit komplexen Geometrien und spezifischen Verstärkungsanordnungen erleichtert. Nachteilig ist jedoch, dass eine schwächere Bindung zwischen der Bewehrung und dem Beton zu erwarten ist, da das Garn nur auf dem Betonstrang abgelegt wird.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q12">Anonym (2023), Auskunft eines Forschers der TU Dresden.</ref> Weitere Ansätze beschäftigen sich daher mit der Bewehrungsintegration, bei der das Garn durch den Druckkopf direkt in den Betonstrang eingeführt wird. Durch die Integration der Bewehrung in den Betonstrang entsteht eine verbesserte Verbundwirkung zwischen der Bewehrung und dem Beton.<ref name="B3D-Q12"></ref>

An der TU Dresden wurde zudem eine Methode vorgeschlagen, bei der ein spezielles Textil zwischen den Betonschichten platziert wird, um Kaltfugen zu vermeiden. Das Gewebe besteht aus einem grobmaschigen 2,5D-Textilstreifen, bei dem einzelne Fasern in beide Richtungen herausragen. Ziel dieser Methode ist es, die beiden übereinander liegenden Schichten mithilfe der abstehenden Fasern in vertikaler Richtung zu verbinden.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Kurzfasern==
In zahlreichen Studien wurde die Verwendung verschiedener Kurzfasern aus Polymer, Kohlenstoff, Glas, Stahl oder Edelstahl zur Verstärkung von gedrucktem Faserbeton erforscht. Untersuchungen im Bereich der faserverstärkten Betone haben gezeigt, dass diese eine hohe Bruchdehnung aufweisen können. Die Fasern können entweder vorab dem Trockenmörtelgemisch, während des Betonmischens oder unmittelbar vor dem Drucken dem Beton zugegeben werden. Versuche der TU Dresden haben gezeigt, dass gedruckter, hochduktiler Beton eine vergleichbare Duktilität wie herkömmlich hergestellte Referenzbetone aufweist.<ref name="B3D-Q10"></ref>

Allerdings gibt es einige Herausforderungen, die das Anwendungsspektrum dieser Methode einschränken. Beispielsweise können selbst hochleistungsfähige Fasern bei realistischen Faserkonzentrationen im Beton eine Stabstahlbewehrung hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit nicht vollständig ersetzen. Zudem wird die Verarbeitbarkeit von Beton mit hohem Faseranteil deutlich komplexer, da die [[Beton-3D-Druck_-_Rheologische_Eigenschaften#Extrudierbarkeit|Extruierbarkeit]] durch den Druckkopf mit steigendem Fasergehalt abnimmt. Um dies zu umgehen, sind spezielle Druckkopfkonfigurationen erforderlich. Darüber hinaus erhöht sich mit zunehmendem Fasergehalt die Gefahr von Kaltfugen.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Vorspannlitzen==
Eine weitere Verstärkungsstrategie für 3D-gedruckten Beton ist die Verwendung von vorgespannten Litzen, mit denen Zugspannungen eliminiert werden können. Im Allgemeinen wird die Methode "Vorspannen ohne Verbund" verwendet. Als Beispiel sei eine niederländische Fahrradbrücke genannt, welche mittels Beton-3D-Druck hergestellt wurde. Dabei wurden sechs gedruckte Betonelemente mithilfe eines handelsüblichen Spannlitzensystems zusammengedrückt. Die Stränge wurden in gegossenen Betonendblöcken verankert und durch die offene innere Struktur der gedruckten Elemente geführt.<ref name="B3D-Q10"></ref>
Eine ähnliche Methode wurde bei der Herstellung einer vorgespannten Betonsäule an der TU Braunschweig angewendet. In diesem Fall wurden die einzelnen Segmente der Säule mit Spritzbeton im [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]] hergestellt. Im Inneren der Säule wurde während des Drucks ein zentrierter Kanal für die Vorspannelemente frei gelassen. Anschließend wurden die Fugenoberflächen bearbeitet und durch Nachspannen der Litze verbunden und bewehrt.<ref name="B3D-Q10"></ref>

==Penetrationsbewehrung==
Eine weitere Bewehrungsstrategie für additive Fertigungsverfahren besteht darin, Nägel, Schrauben und Stahlstäbe durch die gedruckten Betonschichten zu treiben. Der französische Forscher Arnaud Perrot führte Experimente mit Nägeln unterschiedlicher Länge, Durchmesser und Ausrichtungen durch. Diese Experimente zeigen, dass die Verwendung von Nägeln eine effiziente Methode zur Verstärkung eines gedruckten Betonstrangs ist. Allerdings muss die Ausrichtung der Nägel korrekt gewählt werden, und die Oberfläche der Nägel muss ausreichend rau sein, um eine gute Verbindung mit dem Mörtel zu gewährleisten.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q13">PERROT, ARNAUD U.A.: Nailing of Layers: a promising way to reinforce concrete 3D printing structures, in: Materials 13 (2020), H.7.</ref>

Bei einem von Hass und Bos entwickelten Verfahren werden Schrauben verwendet, die mit einer drehenden Vorwärtsbewegung in den frisch gedruckten Beton eingebracht werden. Diese Methode gewährleistet eine gute Haftung der Schrauben, bringt jedoch auch minimale Defekte mit sich. Zugversuche zeigen, dass dieses Verfahren auch über einen längeren Zeitraum nach dem Drucken des Betonstrangs angewendet werden kann.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q14">HASS, LAURI; BOS, FREEK: Bending and Pull-Out tests on a novel screw type reinforcement for Extrusion-Based 3D printed concrete, in: Rilem bookseries (2020), S.632-645.</ref>

Forscher der TU Braunschweig verglichen unterschiedliche Methoden zur Platzierung von kurzen Stäben für das [[Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren#Spritzbetonverfahren|Shotcrete-3D-Druck-Verfahren]]. Es zeigt sich, dass der Einsatz von kurzen Stäben bei SC3DP-Strängen einen vielversprechenden Ansatz für die Bewehrungen im additiven Fertigungsprozess bietet. Das direkte Einführen der Bewehrung führt aber nur zu einer geringen Haftung aufgrund von entstehenden Hohlstellen. Die Verwendung eines Verpressmörtels oder alternativ der Einsatz von einschraubbaren Bewehrungen verhindert Hohlstellen und führt zu einer verbesserten Haftung.<ref name="B3D-Q10"></ref><ref name="B3D-Q15">FREUND, NIKLAS; DRESSLER, INKA; LOWKE, DIRK: Studying the bond properties of vertical integrated short reinforcement in the Shotcrete 3D printing process, in: Rilem bookseries (2020), S.612-621.</ref>

=Quellen=
<references />
 

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Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:57:48Z

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[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|3D-Druck mit Beton]]
Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren1.png|center|thumb|600px|Fertigungsverfahren im Beton-3D-Druck]]

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Extrusion]]
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren3.png|center|thumb|600px|Extrusionsverfahren im Beton-3D-Druck]]
Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [[verlorene Schalung]] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren4.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Selektives Binden]]
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [[verlorene Schalung]] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

* Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.
* Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.
* Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren5.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Spritzbetonverfahren]]
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [[Schüttdichte]]). Zusammen mit einer erhöhten [[Rohdichte]], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren6.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Gleitschalungsverfahren]]
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />
 

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Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:57:04Z

ASengebusch:

[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|3D-Druck mit Beton]]
Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren1.png|left|thumb|600px|Fertigungsverfahren im Beton-3D-Druck]]

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren2.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Extrusion]]
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren3.png|left|thumb|600px|Extrusionsverfahren im Beton-3D-Druck]]
Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [[verlorene Schalung]] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren4.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Selektives Binden]]
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [[verlorene Schalung]] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

* Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.
* Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.
* Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren5.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Spritzbetonverfahren]]
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [[Schüttdichte]]). Zusammen mit einer erhöhten [[Rohdichte]], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren6.png|right|thumb|300px|Druckverfahren mit Beton: Gleitschalungsverfahren]]
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />
 

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Datei:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren1.png

2024-06-04T11:40:42Z

ASengebusch:

Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:37:57Z

ASengebusch:

Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.
[[File:Beton3DDruck-Fertigungsverfahren1.png|right|thumb|300px|Fertigungsverfahren im Beton-3D-Druck]]

 

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [[verlorene Schalung]] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [[verlorene Schalung]] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

* Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.
* Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.
* Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [[Schüttdichte]]). Zusammen mit einer erhöhten [[Rohdichte]], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />

Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:27:47Z

ASengebusch: /* Selektives Binden */

Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen. 

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [verlorene Schalung] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [verlorene Schalung] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

* Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.
* Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.
* Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [Schüttdichte]). Zusammen mit einer erhöhten [Rohdichte], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />

Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:21:59Z

ASengebusch:

Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen. 

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [verlorene Schalung] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [verlorene Schalung] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

• Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.

•Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.

• Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [Schüttdichte]). Zusammen mit einer erhöhten [Rohdichte], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />

Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:20:57Z

ASengebusch:

Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: additive und formative Verfahren.
Bei additiven Verfahren werden Bauteile schichtweise aufgebaut, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Bei formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [verlorene Schalung] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [verlorene Schalung] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

• Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.

•Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.

• Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [Schüttdichte]). Zusammen mit einer erhöhten [Rohdichte], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />

Beton-3D-Druck-Fertigungsverfahren

2024-06-04T11:19:22Z

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Beim 3D-Druck mit Beton kommen zwei grundlegende Fertigungsverfahren zum Einsatz: das additive und das formative Verfahren.
Das additive Verfahren baut Bauteile schichtweise auf, indem Material in der jeweils gewünschten Form aufgetragen wird. So entsteht das Objekt Schicht für Schicht. Beim formativen Verfahren hingegen wird das Material geformt oder entfernt, um die vorgegebene Geometrie zu erreichen.
 
 

=Additive Verfahren=

==Extrusionsverfahren==
Das Extrusionsverfahren ist das am weitesten verbreitete und am besten erforschte additive Fertigungsverfahren im 3D-Druck mit Beton. Dabei wird das vorgemischte Material durch eine steuerbare Düse gepresst und mit einer festgelegten Geschwindigkeit entlang definierter Pfade ausgebracht, um das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Zusammensetzung des Betons ist so gewählt, dass er die nötige Fließfähigkeit hat, um kontinuierlich durch die Düse gepresst zu werden. Zugleich muss eine ausreichende Festigkeit gegeben sein, um das schichtweise Aufbauen überhaupt erst zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Beton spezielle Zusatzmittel beigefügt werden.<ref name="B3D-Q1">MECHTCHERINE, VIKTOR: 3-D-Druck mit Beton: Sachstand, Entwicklungstendenzen, Herausforderungen, in: Bautechnik 95 (2018), H.4, S.275-287.</ref>

Beim Extrusionsverfahren wird zwischen zwei methodischen Ansätzen unterschieden: dem Strangdruck und dem Vollwanddruck.

===Strangdruck===
Beim Strangdruck wird ein Wandquerschnitt aus mehreren Betonquersträngen zusammengesetzt. Zu den bekanntesten Methoden im Bereich des Strangdrucks gehören das Contour Crafting (CC) und das Concrete Printing (CP).<ref name="B3D-Q2">KRAUSE, MARTIN: Baubetriebliche Optimierung des Vollwandigen Beton-3D-Drucks. Springer Vieweg, 2021.</ref>

Die frühen Forschungsansätze des Contour Crafting konzentrieren sich zunächst auf den Betondruck von Schalungen. Diese Schalungen werden in einem weiteren Schritt mit Beton gefüllt, sodass die 3D-gedruckten Elemente als [verlorene Schalung] fungieren. Weitere Entwicklungsschritte im Contour Crafting ermöglichen das gleichzeitige Drucken mehrerer Schalungen und die Verbesserung der Stabilität im Inneren des Bauteils durch den Einsatz fachwerkähnlicher Strukturen. Dies wird erreicht, indem der Wandquerschnitt mehrfach mit einer Multidüse überfahren wird.<ref name="B3D-Q2"></ref>

Das Fertigungsverfahren Concrete Printing ist eng mit dem Contour Crafting verwandt, bietet jedoch größere Freiheiten in der dreidimensionalen Gestaltung und ermöglicht eine flexiblere Formgebung. Für den Druck wird ein faserverstärkter, hochleistungsfähiger Feinbeton verwendet. Dadurch werden in dem Verfahren bessere Materialeigenschaften als beim Contour Crafting erzielt.<ref name="B3D-Q3">PRASAD, C. VENKATA SIVA RAMA: 3D Concrete Printing Technology Current Progress and Future Perspective: A State-of-the-Art Review, in: Recent Advances in Civil Engineering (2022), S.27-39.</ref> Die Schichtdicke der im Concrete Printing gedruckten Betonstränge beträgt lediglich 4–22 mm. Damit sind sie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren deutlich dünner und es lassen sich präzisere und komplexere Strukturen realisieren.<ref name="B3D-Q2"></ref>

===Vollwanddruck===
Beim Vollwanddruck werden die Wände durch einmaliges Abfahren, monolithisch und in voller Wandbreite gedruckt.<ref name="B3D-Q2"></ref> Durch eine Autobetonpumpe und einen speziellen Druckkopf, entstehen die Betonbauteile schalungsfrei und automatisiert direkt auf der Baustelle. Im Vergleich zum Strangdruck, bietet der Vollwanddruck aufgrund der weit höheren Festigkeit der Bauteile den Vorteil, dass die Wände größere Lasten aufnehmen und ableiten können. Zudem können die bauphysikalischen Eigenschaften der Bauteile wie z.B. Wärmedämmfähigkeit oder Schallschutz klarer definiert und durch die Betonrezeptur leichter beeinflusst werden. Als Berechnungsbasis lassen sich statische Nachweisverfahren für monolithische Betonwände oder Mauerwerkswände verwenden.<ref name="B3D-Q4">MECHTCHERINE, VIKTOR U.A.: Beton-3D-Druck – Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton (2017).</ref>

Aktuell widmen sich nur wenige Forschungsstandorte dem Ansatz des Vollwanddrucks. Die Technische Universität Dresden arbeitet derzeit an der Entwicklung des Druckverfahrens CONPrint3D, welches auf dem Vollwanddruck basiert.

==Selektives Binden==
Das Selektive Binden (auch Partikellbett-3D-Druck genannt) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches sich durch das kontrollierte Eindringen eines Aktivators in ein Reservoir ungebundener Materialteile auszeichnet. Das Druckverfahren durchläuft zwei sich wiederholende Arbeitsschritte: Im ersten Arbeitsschritt wird zunächst eine dünne Schicht trockener Materialien auf einer Plattform (Bett) angeordnet. Im darauf folgenden Schritt wird der Aktivator, der meist aus einem chemischen Binder oder Wasser besteht, selektiv in das lose Material eingetragen um die Partikel zu binden. Nach dem Erhärten beginnt der Prozess von vorn und die nächste Schicht trockenes Material wird aufgebracht. Das überschüssige und nicht gebundene Material dient dabei temporär als eine Art [verlorene Schalung] und wird nach Abschluss des Druckvorganges entfernt.<ref name="B3D-Q1"></ref>

Das Selektive Binden bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil einer besonders hohen Formfreiheit. Dank der stabilisierenden Wirkung der ungebundenen Partikel können auch komplexe geometrische Strukturen wie Bögen oder Überhänge realisiert werden. Die Qualität der hergestellten Bauteile ist hinsichtlich Präzision und Oberflächenbeschaffenheit vergleichsweise hoch.
Allerdings eignet sich dieses Verfahren vorrangig für die Herstellung von filigranen Bauteilen mit komplexen Formen und ist weniger für den direkten Einsatz auf Baustellen geeignet. Dies liegt am höheren Arbeitsaufwand und der geringeren Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann das Selektive Binden in drei verschiedene Druckverfahren unterteilt werden.

• Bei der Selektiven Zementaktivierung (Cement Activation) besteht das Partikelbett aus einer feinen Gesteinskörnung (< 1 mm) und Zement. Durch Einstrahlen von Wasser oder einer Wasser-Zusatzmittel-Lösung wird das Material gebunden.

•Bei der Selektiven Leimintrusion (Paste Intrusion) besteht das Partikelbett aus einer Gesteinskörnung mit einem Durchmesser von ≤ 5 mm. Der Aktivator in diesem Verfahren ist eine fließfähige Suspension aus Wasser, Zement und Zusatzmittel.

• Beim Binder Jetting besteht das Partikelbett aus einem Gemisch von Gesteinskörnung und Aktivator. So kann mit dem Druckkopf z.B. ein Harz als Bindemittel eingebracht werden, welches mit einer Härterkomponente (Aktivator) im Partikelbett reagiert.

==Spritzbetonverfahren==
Das Shotcrete-3D-Printing (SC3DP) ist ein robotergesteuertes 3D-Druckverfahren, das auf der Spritzbetonbauweise basiert. Anders als bei den Extrusionsverfahren wird das Material beim SC3DP durch zugeführte Druckluft in der Düse beschleunigt und Schicht für Schicht aufgesprüht. Durch die Beimischung von Chemikalien können bestimmte Eigenschaften des Betons gezielt beeinflusst werden. So können zum Beispiel Erstarrungsbeschleuniger die Aushärtungszeit verkürzen und den Bauprozess beschleunigen.
Das Spritzbetonverfahren bietet im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren den Vorteil einer großen räumlichen Auftragsfreiheit, welche eine hohe geometrische Freiheit der Bauteile ermöglicht. Durch das Beschleunigen beim Austritt aus der Düse wird das Material beim Aufprall verdichtet (höhere [Schüttdichte]). Zusammen mit einer erhöhten [Rohdichte], weist das Material des SC3DP im Vergleich zum Extrusionsverfahren so eine erhöhte Druck- und Biegezugfestigkeit auf. Zudem bewirkt die hohe kinetische Energie beim Aufprall eine mechanische Verzahnung mit dem Untergrund und erzeugt somit einen guten Verbund zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten.<ref name="B3D-Q1"></ref><ref name="B3D-Q5">KLOFT, HARALD U.A.: Additive Fertigung im Bauwesen: erste 3-D-gedruckte und bewehrte Betonbauteile im Shotcrete-3-D-Printing-Verfahren (SC3DP), in: Bautechnik 96 (2019), H.12, S.929-938.</ref>

=Formative Verfahren=

==Gleitschalungsverfahren==
Das robotergesteuerte, adaptive Gleitschalungsverfahren Smart Dynamic Casting (SDC) wurde 2012 an der ETH Zürich entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine dynamische Schalung kontinuierlich mit Beton befüllt und vertikal bewegt. Eine speziell für diese Methode entwickelte Software pumpt kleine Mengen Beton sowie ein Beschleunigungsmittel in einen Mixer, welcher sich direkt über der Schalung befindet. Im Mixer wird das Material zu selbstverdichtendem Beton verarbeitet, der anschließend in festgelegten Intervallen in die Schalung eingefüllt wird.

Um einen kontinuierlichen Gießprozess zu gewährleisten, wird die vertikale Bewegung der Schalung mit der Pumprate synchronisiert. Um ein zu schnelles Ausschalen zu verhindern, passt eine Software die Geschwindigkeiten so an, dass der flüssig zugeführte, selbstverdichtende Beton in der Schalung einen formbaren Zustand annimmt und beim Austreten aus der Schalung in einen festen Zustand übergeht. Der Beton muss in diesen Zustand sein eigenes Gewicht, sowie das Gewicht des Materials in der Schalung tragen können.<ref name="B3D-Q1"></ref> Das Smart Dynamic Casting eignet sich besonders zur Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen mit kleinen Querschnitten. Ein Vorteil im Vergleich zu anderen digitalen Fertigungsverfahren besteht darin, dass die Standard-Stahlbewehrung ohne Umstände verwendet werden kann.<ref name="B3D-Q6">SCOTTO, FABIO U.A.: Adaptive Control System for Smart Dynamic Casting - Defining Fabrication-Informed design tools and process parameters in digital fabrication processes (2018).</ref>

=Quellen=
<references />