Design Tool for Extrusion Based…

Professur
Digitale Fabrikation
Forschungsarbeit

Im Vergleich zur Herstellung einfacher Geometrien, können mit der Technologie der additiven Fertigung auch komplexere Geometrien ohne großen Produktionsmehraufwand hergestellt werden. Diese geometrische Freiheit kann dazu verwendet werden, zusätzliche Funktionen im Druckprozess zu integrieren. Für die Anwendung im Bauwesen existieren bereits Verfahren für das dreidimensionale Drucken mit Beton. Additiv gefertigte Leichtbetonelemente könnten dabei durch interne Zellstrukturen und gleichzeitige geometrische Freiheit so funktionalisiert werden, dass der Materialeinsatz gegenüber konventionellen Konstruktionen reduziert werden könnte. Bei der Planung der Geometrien müssen allerdings materialtechnische Eigenschaften des Betons berücksichtigt werden.

Design Tool for Extrusion Based Additive Manufacturing of Functionally Enhanced Lightweight Concrete Wall Elements with Internal Cellular Structures

Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Designwerkzeug zu entwickeln, welches die Gestaltung von Wandelementen mit internen Zellstrukturen ermöglicht. Deren Druckbarkeit sowie thermische Isolationsleistung soll dabei unter Berücksichtigung der Prozessparameter während dem Designprozess abgeschätzt werden können. Ausgehend von einer Analyse raumfüllender Körper wurde die Form eines Oktaederstumpfes gewählt, um geschlossene Zellstrukturen geometrisch abzubilden. Die Druckpfade wurden durch eine Sequenz von Vektoren parametrisch so modelliert, dass der Druck kontinuierlich, also ohne Unterbrechungen erfolgen kann. Berechnungen von Überhängen und Schichtumlaufzeiten wurden zur Abschätzung der Druckbarkeit herangezogen. Die Wärmedämmeigenschaften der Strukturen wurden über die Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten abgeschätzt. Die Machbarkeit der Entwicklung wurde abschließend durch die experimentelle Fertigung zweier Demonstratoren evaluiert. Das physische Druckexperiment konnte die prinzipielle Machbarkeit von 3D-gedruckten Zellstrukturen innerhalb von frei geformten Wandelementen aus Leichtbeton bestätigen. Obwohl sich die Überhänge während dem Druckprozess als grundsätzlich stabil erwiesen, kollabierten einige Zellen mit sehr großen Überhängen, wenn sie nicht von benachbarten Zellen unterstützt waren. Im Vergleich zu einem massiven Wandelement konnte gezeigt werden, dass ein Wandelement mit inneren Zellstrukturen die gleiche wärmedämmende Funktion mit weniger Materialeinsatz erreichen kann. Das ideale Verhältnis von Zellvolumen zu Beton ist dabei allerdings abhängig von der verwendeten Druckauflösung.

Kollaborierende:
Gido Dielemans – TT Professorship Digital Fabrication, TUM Department of Architecture
Carla Matthäus – Centrum Baustoffe und Materialprüfung, Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, Technische Universität München
Daniel Talke, Klaudius Henke – Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion, Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, Technische Universität München