Schalungsfreie Fließfertigung adaptiver Tragstrukturen aus variablen Rahmenelementen - ACDC and beyond

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Lordick; Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424057211

Betonschalen gehören zu den effektivsten flächenbildenden Tragwerken und gewinnen als Leichtbaukonstruktion immer größere Attraktivität aufgrund höherer ökologischer Nachhaltigkeit durch geringen Materialverbrauch. Ein flächendeckender Einsatz wird bislang jedoch durch extrem hohe Schalungs- und Betonageaufwendungen verhindert.Als Lösungsansatz wurde in der ersten Phase des ACDC-Projekts eine Technologie zur automatisierten Fließfertigung von ebenen Modulen für die anschließende Montage von Gitterschalen aus Beton entwickelt und durch die Herstellung eines Demonstrators validiert. Das Projekt lieferte zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse im Bereich des computerbasierten Designs von Gitterschalen und der digitalen Fertigung mit zementgebundenen Materialien.Die zweite Phase des Projekts zielt darauf ab, über ebene Module hinauszugehen; was sich auch in seinem neuen Titel widerspiegelt: ACDC and beyond. Der Einsatz von doppelt gekrümmten Modulen und Raumfachwerken wird die verfügbaren Geometrien für modulare Schalentragwerke erheblich erweitern und die Möglichkeiten der geometrischen Optimierung auf ein neues Niveau heben. Wesentliche Forschungsaufgaben sind dabei die parametrische Modellierung von Schalenstrukturen, die Entwicklung von Segmentierungsalgorithmen und ihre geometrische Optimierung auf Basis einer Strukturanalyse. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von lösbaren Modulverbindungen, die eine schnelle Montage und Demontage von modularen Strukturen sowie die Reparatur oder Wiederverwendung einzelner Module ermöglichen.Der Übergang von ebenen zu doppelt gekrümmten Modulen führt zu erheblichen technologischen Herausforderungen. Für die Produktion soll eine adaptive Schalplattform gebaut werden, die automatisch in die gewünschte Flächengeometrie verformt werden kann. Die Module bestehen aus einer Randzone und einer Füllung. Die Randzone entsteht im 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines neu entwickelten, mineralischen Verbundwerkstoffs (SHCC), der auf einem nachhaltigen Bindemittel aus kalziniertem Tonkalksteinzement (LC3) basiert. SHCC gewährleistet eine hohe Festigkeit und hohe Duktilität der Module für ihr Zusammenspiel innerhalb der Tragstruktur sowie eine hohe Robustheit bei Transport und Montage. Die gekrümmten Formen stellen hohe Anforderungen an die Rheologie des frischen Füllbetons und ihre zeitliche Entwicklung. Der Füllbeton wird belastungsgerecht durch ein robotergestütztes Freiform-Textilgarnverlegesystem bewehrt.Entwurf und Fertigung werden durch einen direkten Datenaustausch verbunden, der die Steuerung der adaptiven Plattform, des 3D-Druckers und der Roboterarme ermöglicht. Die Modulfertigungslinie soll durch ein Inline-Kontrollsystem ergänzt werden, das automatisiert Inkonsistenzen und Fehlstellen erkennt sowie die notwendigen Anpassungen des Produktionsprozesses ermöglicht. Im Gegenzug werden Entwurf und Layout der Module in einem iterativen Prozess durch die Produktionsparameter beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2187: Adaptive Modulbauweisen mit Fließfertigungsmethoden - Präzisionsschnellbau der Zukunft