Suche
Effect of pumping pressure on additive manufacturing of lightweight aggregate concrete
Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung individualisierter Bauteile, bei denen der Materialeinsatz bewusst an die Funktion des Bauteils angepasst wird. Ein spezielles Verfahren der additiven Fertigung ist die Extrusion. Bei dieser wird Material, z.B. Beton, durch Schläuche zu einer Düse gepumpt und dann Schicht für Schicht von einem Roboter abgelegt. Die Schichten ergänzen sich zu einem dreidimensionalen Objekt.
Für die Extrusion können grundsätzlich verschiedene Materialien eingesetzt werden – sehr häufig wird Normalbeton verwendet. Der Vorteil von Leichtbeton, der in dieser Arbeit untersucht wird, liegt in der Kombination von dämmenden und tragenden Materialeigenschaften.
So attraktiv der Einsatz von Leichtbeton in der Extrusion ist, so herausfordernd sind auch die Anforderungen an das Material: Der Leichtbeton muss im frischen Zustand die spezifischen, teilweise widersprüchlichen Anforderungen des Extrusionsprozesses erfüllen. Der Pumpvorgang benötigt eine hohe Fließfähigkeit, während das schichtweise Ablegen eine eher geringe Fließfähigkeit und möglichst hohe Grünstandfestigkeit benötigt. Schon diese Anforderungen stehen im offensichtlichen Widerspruch, zusätzlich verändern sich die Materialeigenschaften (Rohdichte und Fließgrenze) von Leichtbeton durch den Pumpendruck. Mithilfe von Experimenten konnte gezeigt werden, dass diese Veränderung der Materialeigenschaften unter Druck durch eine erhöhte Wasseraufnahme und durch ein Aufrauen der Oberfläche in Verbindung mit dem Einpressen von Zementleim in die Leichtzuschläge verursacht werden.
Diese Veränderungen führen zwar zu einer geringfügigen Verringerung der Dämmwirkung, aber gleichzeitig zu einer deutlichen Verbesserung der Baubarkeit. Die herzustellenden Objekte können deutlich schneller aufgebaut werden, ohne dass es zu einem Versagen kommt. Ein neu entwickeltes Modell mit dazugehörigem Testregime ermöglicht eine Vorhersage der Baubarkeit mit geringerem Aufwand und, in Bezug auf Leichtbeton, mit höherer Genauigkeit als bestehende Modelle, da es den Einfluss des Drucks auf das Material berücksichtigt.
Die Extrusion von Leichtbeton kann erfolgreich für die Herstellung von individuellen Bauteilen eingesetzt werden. Die Kombination von Experimenten auf verschiedenen Skalen von mikroskopischen Materialuntersuchungen bis hin zur Herstellung von 2 m hohen Bauteilen, trägt zum tieferen Verständnis der Vorgänge bei. Ein neues Modell und ein zugehöriges Testregime integrieren den Einfluss des (Pump-)Drucks in die Berechnung der Baubarkeit. Dieser Ansatz erlaubt eine einfachere und präzisere Beurteilung der Eignung des Materials sowie der erforderlichen Prozessparameter vor Beginn des Extrusionsvorgangs. Dadurch reduzieren sich Aufwand und Kosten notwendiger Versuche, was sowohl in der baulichen Praxis, als auch in der Forschung für die Weiterentwicklung weiterer Materialien Vorteile bringt.
Die additive Fertigung kann durch mehrere Faktoren die Nachhaltigkeit im Bauprozess verbessern: Im Extrusionsprozess können mehrere Funktionen des Bauteils mit demselben Material erfüllt werden; Material kann spezifisch nur an für die Funktionalität notwendigen Stellen eingesetzt werden; zusätzlich notwendiger Materialverbrauch durch Nacharbeitung und Schalungsmüll werden reduziert. Zukünftig sollte dies mit einer Reduzierung des Klinkeranteils im Beton kombiniert werden, um eine substanzielle Reduktion der CO2- Emissionen zu erreichen. Gradierung und kurze Förderwege können das Potential weiterhin so erhöhen, dass die Konstruktion von Bauteilen komplett neu gedacht werden kann und multifunktionale, ressourceneffizient hergestellte Bauteile möglich werden.
Dr. -Ing. Carla Matthäus
TUM
Lehrstuhl für Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bauwesen
