Grundlegende Untersuchungen zur robotergestützten magnetischen Verteilung und Ausrichtung von Mikrostahlfasern in dünnwandigen UHPFRC-Bauteilen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Kloft
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408043955

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, die Grundlagen für die Herstellung ressourceneffizienter Bauteile mithilfe der gesteuerten, robotergestützten magnetischen Verteilung und Orientierung von Stahlfasern in UHPFRC (Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete) zu erforschen. Das beantragte Forschungsvorhaben setzt dabei zwischen den Möglichkeiten digitaler und robotergestützter Bauteilfertigung auf der einen Seite und den Potenzialen der Faserausrichtung zur Steigerung der Materialeffizienz von UHPFRC auf der anderen Seite an. Die gewählte Methode zur Verteilung und Orientierung der Stahlfasern in UHPFRC basiert auf dem physikalischen Phänomen des Magnetismus. Da Stahlfasern ferromagnetisch sind, kann deren Lage im frischen Beton durch Nutzung magnetischer Felder gezielt verändert werden. Der Forschungsansatz zielt darauf ab, die Lage der Stahlfasern in der Betonmatrix während des Produktionsprozesses entsprechend dem Kraftfluss und der Devise „Form Follows Force“ auszurichten. Diese definierte Anordnung der Fasern in einem Bauteil soll die Effektivität des eingesetzten Faseranteils signifikant steigern und so neben einer verbesserten Verarbeitbarkeit zu einer erheblichen Reduktion der eingesetzten Mikrofasern führen, wodurch ein großes Einsparpotential an ökologischen und ökonomischen Ressourcen gegeben ist. Entscheidend für eine wirtschaftliche, baupraktische Anwendung des Verfahrens wird die reproduzierbare Steuerung der Verfahrensprozesse sein, die durch die Nutzung der neuesten Entwicklungen im Bereich der robotischen Fertigung sichergestellt wird. Die Ergebnisse der ersten Arbeitspakete sollen möglichst noch in das bis Ende 2017 am ITE und iBMB laufende Teilvorhaben des DFG-Schwerpunktprogramm 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ einfließen. Insbesondere könnte die Methode bei der Herstellung von modular aufgebauten Stab- und Flächenelementen (Platten) als auch an den hochbelasteten Fügestellen (Zahnverbindungen) zum Einsatz kommen mit dem Ziel, eine eindeutige Leistungssteigerung dieser Hochleistungsbauteile zu erreichen.Die Faserausrichtung stellt in einer zukünftigen Gesamtfertigungskette einen von mehreren, sich aufeinander beziehenden, digital gesteuerten Bearbeitungsschritten für die Herstellung eines Bauteils dar. Die praktischen Anwendungsmöglichkeiten für dieses Verfahren der magnetischen Faserausrichtung sind vielfältig und für unterschiedliche Bauteilgruppen denkbar. So könnte der Faseranteil bei großflächigen Bauteilen, wie z.B. Industriefußböden, durch eine definierte Faserausrichtung erheblich reduziert werden. Weiter kann das Verfahren zur Zugfestigkeitserhöhung in lokal hoch beanspruchten Bereichen, wie z.B. im Bauteil-Fügebereich dienen oder zur Gradierung der Materialeigenschaften über die Bauteildicke angewendet werden. Darüber hinaus zielt das Forschungsvorhaben auf den bereichsweisen Ersatz konventioneller Bewehrung ab, wie etwa der Schubbewehrung in Doppel-T-Trägern oder Hohlbalken aus UHPFRC.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen