DE102021101138A1 - Process for the extrusion-based production of a reinforced concrete component - Google Patents

Process for the extrusion-based production of a reinforced concrete component Download PDF

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Steffen Müller
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils (1), umfassend ein Matrixmaterial Beton (4, 4') und eine Bewehrung (2), wobei die Herstellung des Betonbauteils (1) extrusionsbasiert additiv erfolgt, wobei in einem ersten Schritt die Bewehrung (2) errichtet und Schichten des Betons (4, 4') durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse (10) ausgepresst wird. Nach der Erfindung werden zumindest vertikale erste und zweite Seitenflächen (6, 6') des Betonbauteils (1) durch den Betonstrang gebildet, der dazu aus der Extrusionsdüse (10) in horizontaler Richtung, lateral zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes, austritt und gegen die Bewehrung (2) abgegeben wird.The invention relates to a method for producing a reinforced concrete component (1), comprising a matrix material concrete (4, 4') and a reinforcement (2), the production of the concrete component (1) being extrusion-based additively, the reinforcement being produced in a first step (2) erected and layers of the concrete (4, 4') are formed by at least one concrete strand which is extruded from an extrusion nozzle (10). According to the invention, at least vertical first and second side surfaces (6, 6') of the concrete component (1) are formed by the concrete strand, which emerges from the extrusion nozzle (10) in a horizontal direction, lateral to the direction of movement of the print head, and presses against the reinforcement ( 2) is delivered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine Bewehrung, wobei die Herstellung des Betonbauteils extrusionsbasiert additiv erfolgt, wobei in einem ersten Schritt die Bewehrung errichtet und Betonschichten durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse ausgepresst wird.The invention relates to a method for producing a reinforced concrete component, comprising a matrix material concrete and reinforcement, the production of the concrete component being extrusion-based additively, with the reinforcement being erected in a first step and concrete layers being formed by at least one concrete strand which is pressed out of an extrusion nozzle becomes.

Unter additiver Fertigung wird die schichtweise Erstellung eines Bauteils auf Basis eines elektronischen Datensatzes verstanden, auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet. In der Regel wird dieser Datensatz aus einem dreidimensionalen CAD-Modell abgeleitet. Im Unterschied zu abtragenden Fertigungsverfahren, wie beim Fräsen, entstehen bei der additiven Fertigung Bauteile durch die Zugabe von Material. So wird die Herstellung von Bauteilen ermöglicht, die mit konventionellen Fertigungstechnologien nicht ohne weiteres herzustellen wären.Additive manufacturing is the layered creation of a component based on an electronic data record, also referred to as a 3D printing process. As a rule, this data set is derived from a three-dimensional CAD model. In contrast to manufacturing processes that remove material, such as milling, components are created in additive manufacturing by adding material. This makes it possible to manufacture components that would not be easy to produce using conventional manufacturing technologies.

Additive Fertigungsverfahren in der Betonteilfertigung, darunter auch extrusionsbasierte Fertigungsverfahren, sind bekannt. Hierzu seien beispielhaft die Druckschriften DE 10 2018 217 141 A1 und US 2007/0138678 A1 genannt.Additive manufacturing processes in the manufacture of concrete parts, including extrusion-based manufacturing processes, are well known. The publications are examples of this DE 10 2018 217 141 A1 and U.S. 2007/0138678 A1 called.

Im Stand der Technik erfolgt die additive Fertigung mit Beton jedoch entweder ganz ohne Bewehrung oder diese wird manuell und diskontinuierlich eingefügt, wie beispielsweise in den Druckschriften WO 2020/126701 A1 und WO 2020/126705 A1 beschrieben. So wird eine senkrecht zur Betonierebene liegende Bewehrung (im Allgemeinen lotrechte Bewehrung) nachträglich in dafür freigelassenen Hohlräumen positioniert, welche anschließend mit Beton oder anderweitig verfüllt werden. Die Bewehrung kann sowohl spannungsfrei als auch gespannt verbaut werden. Eine verwandte Variante ist die additive Herstellung einer integrierten Betonschalung, in die ein Bewehrungskorb eingeführt wird. Nach der Herstellung der integrierten Schalung bzw. eines Elements mit vertikalen Öffnungen erfolgt die Platzierung der Bewehrung und Betonage konventionell, d. h. mit allen Nachteilen im Hinblick auf die Produktivität, Flexibilität und Automatisierbarkeit. Dies widerspricht insbesondere jedoch dem Prinzip der additiven Fertigung.In the prior art, however, additive manufacturing with concrete is either carried out without reinforcement at all or it is inserted manually and discontinuously, as for example in the publications WO 2020/126701 A1 and WO 2020/126705 A1 described. Reinforcement lying perpendicular to the concreting level (generally vertical reinforcement) is subsequently positioned in cavities left free for this purpose, which are then filled with concrete or otherwise. The reinforcement can be installed tension-free or tensioned. A related variant is the additive manufacturing of an integrated concrete formwork into which a reinforcement cage is inserted. After the production of the integrated formwork or an element with vertical openings, the reinforcement and concreting are placed in the conventional way, ie with all the disadvantages in terms of productivity, flexibility and the possibility of automation. However, this contradicts the principle of additive manufacturing in particular.

So wird nach einem bekannten Verfahren, veröffentlicht in B. Sevenson, „Shanghaibased WinSun 3D Prints 6-Story Apartment Building and an Incredible Home“, 3DPrint.com / The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing, 18-Jan-2015, nach der Herstellung einer integrierten Schalung (Contour Crafting Verfahren) ein Bewehrungskorb eingeführt (vgl. im Dokument). Hierfür darf im Vorfeld lediglich die Kontur gedruckt werden, ohne eine wellen- oder zickzackförmige Aussteifung im Inneren der Wand (vgl. im Dokument). Das Verfahren schränkt die Formfreiheit der zu fertigenden Betonteile stark ein. Die nachträgliche Implementierung der Bewehrung schließt eine Verjüngung, Krümmung oder Verdrehung der Bauteilgeometrie in vielen Fällen aus.According to a well-known method, published in B. Sevenson, "Shanghai-based WinSun 3D Prints 6-Story Apartment Building and an Incredible Home", 3DPrint.com / The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing, 18-Jan-2015, according to the Production of an integrated formwork (contour crafting process) introduced a reinforcement cage (cf. in the document). For this purpose, only the contour may be printed in advance, without a wavy or zigzag-shaped reinforcement inside the wall (cf. in the document). The process severely restricts the freedom of form of the concrete parts to be manufactured. The subsequent implementation of the reinforcement excludes a tapering, curvature or torsion of the component geometry in many cases.

Aus der Druckschrift WO 2020/193150 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine dünne vertikale Lage Beton an ein generativ gefertigtes Bauteil angebracht wird (vgl. 3 und zugehörige Beschreibung). Allerdings dient diese Lage nur zum begleitenden, schützenden Einschluss und zur Anbindung einer zwingend textilen Bewehrungsfaser, die als lotrechte Bewehrung zur Verbesserung der Biegetragfähigkeit bei horizontaler Belastungsrichtung angebracht werden soll. Zudem wird die Lage Beton ihrerseits durch die eingebettete Bewehrungsfaser an der vertikalen Wand gehalten.From the pamphlet WO 2020/193150 A1 a method is known in which a thin vertical layer of concrete is attached to an additively manufactured component (cf. 3 and associated description). However, this layer is only used for the accompanying, protective enclosure and for the connection of a mandatory textile reinforcement fiber, which is to be attached as vertical reinforcement to improve the bending load-bearing capacity with a horizontal load direction. In addition, the layer of concrete is in turn held to the vertical wall by the embedded reinforcement fiber.

Andere Verfahren sehen vor, dass die Bewehrung längs der Bauteilachse (Längsbewehrung) inklusive angeschweißter Querkraftbewehrung manuell auf einzelne gedruckte Betonfilamente aufgelegt und anschließend durch eine neue Lage Beton überdruckt wird. Die diskontinuierliche, insbesondere manuelle Bewehrungsintegration führt jedoch zur Unterbrechung des Druckprozesses, da der Prozess mehrmals wiederholt werden muss. Eine vertikale bzw. geneigte Bewehrung kann nicht integriert werden.Other methods envisage that the reinforcement along the component axis (longitudinal reinforcement), including the welded shear force reinforcement, is placed manually on individual printed concrete filaments and then overprinted with a new layer of concrete. However, the discontinuous, especially manual integration of reinforcement leads to the interruption of the printing process, since the process has to be repeated several times. A vertical or inclined reinforcement cannot be integrated.

Es ist auch bekannt, mithilfe eines gegabelten Druckkopfes eine im Vorfeld montierte Bewehrung mit Beton durch den Extrusionsvorgang zu umschließen. Das Verfahren schränkt die Formfreiheit der zu fertigenden Bauteile stark ein. Die Umschließung der gesamten Bewehrungkonstruktion mit dem Druckkopf schränkt die Flexibilität hinsichtlich Verjüngung, Krümmung oder Verdrehungen sehr stark ein bzw. macht diese unmöglich. Der Druckkopf muss sehr groß bzw. hoch sein, um die vertikale Bewehrung von den beiden Seiten gleichzeitig zu umschließen. Das bedingt eine sehr schwere und teure Konstruktion des Manipulators (z. B. eines Roboters). In jedem Fall ist die Höhe der Bewehrung durch die Länge des gegabelten Druckkopfes beschränkt.It is also known to use a forked head to enclose pre-installed rebar in concrete through the extrusion process. The process severely restricts the freedom of form of the components to be manufactured. Enclosing the entire rebar construction with the print head severely limits or makes it impossible to have flexibility in terms of taper, curvature or twisting. The print head must be very large or high in order to enclose the vertical reinforcement from both sides at the same time. This requires a very heavy and expensive construction of the manipulator (e.g. a robot). In any case, the height of the armor is limited by the length of the bifurcated print head.

Bei einem weiteren Verfahren erfolgt das Aufbringen der Mattenbewehrung auf die vorher 3D-gedruckte Betonwand mit anschließender Betondeckung manuell oder durch Spritzen und Glätten. Dieses Verfahren übernimmt die Abläufe aus der Instandsetzungstechnologie für bestehende Betonbauwerke. Die Technologie erreicht nur eine geringe Produktivität und Automatisierbarkeit.In another method, the mesh reinforcement is applied to the previously 3D-printed concrete wall with subsequent concrete cover, either manually or by spraying and smoothing. This procedure adopts the processes from the repair technology for existing concrete structures. The technology achieves only a low level of productivity and automation.

Auch ein Aufspritzen des Betons bzw. Mörtels auf einen zuvor aufgestellten Bewehrungskorb bietet nicht den gewünschten Erfolg, zumal es sich um eine Spritztechnik handelt, nicht um Extrusion. Durch den Rückprall und den Spritznebel ist das Verfahren ungenau und unsauber. Die resultierende raue Oberfläche erfordert Nachbearbeitung. Das Verfahren eignet sich außerdem nur für Feinkornbeton, nicht für andere Sorten Beton.Even spraying the concrete or mortar onto a previously installed reinforcement cage does not offer the desired result, especially since it is a spraying technique, not extrusion. The process is imprecise and unclean due to the rebound and the spray mist. The resulting rough surface requires post-processing. The method is also only suitable for fine-grain concrete, not for other types of concrete.

Bekannt ist es außerdem, dass zur Bewehrung ein flexibler, geflochtener Draht während der Extrusion kontinuierlich in das Betonfilament integriert wird. Die Ausrichtung der Bewehrung ist nur in der Richtung der Betonfilamente (d. h. horizontal) möglich. Die Implementierung der vertikalen Bewehrung muss dabei weiterhin separat durchgeführt werden. Die Bewehrung ist somit nicht durchgängig.It is also known that a flexible, braided wire is continuously integrated into the concrete filament during extrusion for reinforcement. Reinforcement orientation is only possible in the direction of the concrete filaments (i.e. horizontal). The implementation of the vertical reinforcement still has to be carried out separately. The reinforcement is therefore not continuous.

Das Ablegen des Drahtes ist bei Richtungsänderungen problematisch, da die Umlenkradien durch die Steifigkeit des Drahtes beschränkt sind. Die äußerst glatten Stahldrähte besitzen zudem unzureichende Verbundeigenschaften zum Beton, weshalb abhängig vom Drahtdurchmesser große Verankerungslängen zu berücksichtigen sind. Ein geflochtener Draht hat zusätzlich den Nachteil, dass bei Belastung eine sehr hohe Verformung bis zum Erreichen der Festigkeit auftreten muss, da er sich noch strukturell dehnt. Um Rissweiten im Bauteil auf einem gewünschten Niveau zu halten, wird demnach ein größerer Bewehrungsquerschnitt als bei geradlinigen Elementen benötigt.Laying down the wire is problematic when changing direction, since the deflection radii are limited by the rigidity of the wire. The extremely smooth steel wires also have insufficient bonding properties to the concrete, which is why large anchoring lengths must be taken into account depending on the wire diameter. A braided wire has the additional disadvantage that, under load, a very high degree of deformation must occur before the strength is reached, since it is still structurally stretching. In order to keep crack widths in the component at a desired level, a larger reinforcement cross section is required than with straight elements.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines bewehrten Betonbauteils vorzuschlagen, bei dem Restriktionen beim Einsatz und der Art der Bewehrung vermieden werden und insbesondere eine Stahlbewehrung eine ausreichende Überdeckung erhält.It is therefore the object of the present invention to propose a method for the additive manufacturing of a reinforced concrete component, in which restrictions on the use and type of reinforcement are avoided and in particular a steel reinforcement is given sufficient coverage.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine Bewehrung, wobei die Herstellung des Betonbauteils extrusionsbasiert additiv erfolgt. In einem ersten Schritt werden die Bewehrung errichtet und Betonschichten durch wenigstens einen Betonstrang gebildet, der aus einer Extrusionsdüse ausgepresst wird. Nach der Erfindung werden zumindest vertikale oder gegenüber der Vertikalen geneigte erste und/oder zweite Seitenflächen des Betonbauteils durch den Betonstrang gebildet. Dieser tritt dazu aus der Extrusionsdüse in im Wesentlichen horizontaler Richtung, lateral zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes, aus und wird gegen die Bewehrung abgegeben. Die Neigung gegenüber der Vertikalen beträgt 0° bis 45°, bevorzugt 0 bis 40°, besonders bevorzugt 0 bis 30°. Es ist gleichermaßen vorgesehen, dass das Verfahren einseitig, an der ersten oder der zweiten Seitenfläche, zum Einsatz kommt, beispielsweise bei der Sanierung des Außenbereichs eines Betonbauwerks.The object is achieved by a method for producing a reinforced concrete component, comprising a matrix material concrete and a reinforcement, the production of the concrete component being extrusion-based additive. In a first step, the reinforcement is erected and concrete layers are formed by at least one concrete strand, which is pressed out of an extrusion nozzle. According to the invention, at least first and/or second side surfaces of the concrete component that are vertical or inclined relative to the vertical are formed by the concrete strand. For this purpose, it emerges from the extrusion nozzle in a substantially horizontal direction, lateral to the direction of movement of the print head, and is released against the reinforcement. The inclination to the vertical is 0° to 45°, preferably 0 to 40°, particularly preferably 0 to 30°. It is also provided that the method is used on one side, on the first or the second side surface, for example when renovating the outer area of a concrete structure.

Nach einer ersten Alternative wird die Bewehrung durch den seitlich eintretenden Betonstrang mit Beton ausgefüllt und zugleich die Bewehrung an den Seitenflächen von Beton überdeckt. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen den beiden Seiten, von denen aus der Betonstrang eintritt, eine Mittellage eingebracht wird, die ein Übertreten des von einer ersten Seite eintretenden Betonstrangs in eine zweite Seite sowie das Austreten aus der zweiten Seite unterbindet. Bevorzugt kommt als Mittellage Maschendraht zum Einsatz.According to a first alternative, the reinforcement is filled with concrete by the concrete strand entering from the side and at the same time the reinforcement on the side surfaces is covered with concrete. It has proven to be advantageous if a middle layer is introduced between the two sides from which the concrete strand enters, which prevents the concrete strand entering from a first side from passing over into a second side and from exiting from the second side. Wire mesh is preferably used as the middle layer.

Nach einer zweiten Alternative wird in einem ersten Arbeitsschritt eine unbewehrte Konstruktion durch additive Fertigung aus Beton hergestellt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird sie bewehrt, indem eine Bewehrung bevorzugt an in der unbewehrten Konstruktion eingebrachten Ankern angebracht wird. In einem dritten Arbeitsschritt wird die Konstruktion durch den seitlich zugeführten Betonstrang an den Seitenflächen von Beton überdeckt. Das Anbringen der Bewehrungsstruktur erfolgt bevorzugt automatisiert. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Innere der Konstruktion zuvor extrusionsbasiert mit Beton ausgefüllt wurde, beispielsweise durch eine herkömmliche Extrusionsdüse, bei der der Beton vertikal beispielsweise nach unten ausgegeben wird.According to a second alternative, in a first step, an unreinforced construction is made of concrete by additive manufacturing. In a second step, it is reinforced by attaching reinforcement, preferably to anchors placed in the unreinforced structure. In a third step, the side surfaces of the construction are covered with concrete by the concrete strand that is fed in from the side. The reinforcement structure is preferably attached automatically. In particular, it is envisaged that the interior of the construction has previously been filled with concrete in an extrusion-based manner, for example through a conventional extrusion nozzle, in which the concrete is discharged vertically, for example downwards.

Eine erste Variante zum Betonaustrag in der erfindungsgemäß vorgesehenen horizontalen Orientierung sieht fließfähigen Beton vor, dem im Druckkopf ein Beschleuniger zugegeben wird. Dieser Beton bildet dann den Betonstrang. Zur Sicherstellung einer ansprechenden Oberflächenqualität kann der fließfähige Beton mit einer Gleitschalung unterstützt werden.A first variant for discharging concrete in the horizontal orientation provided according to the invention provides flowable concrete to which an accelerator is added in the pressure head. This concrete then forms the concrete strand. To ensure an attractive surface quality, the flowable concrete can be supported with a slipform.

Eine zweite Variante zum Betonaustrag in der vorgesehenen horizontalen Orientierung sieht hochtixotropen Beton vor, um den Betonstrang zu bilden, der während der Austragung kurzzeitig einer Anregung unterzogen wird und damit eine hinreichende Fließfähigkeit zur Umschließung der Bewehrung und zum Ausfüllen des Wandquerschnittes bekommt. Mit Wegfall der Anregung steift der Beton wieder an und verliert seine Fließfähigkeit. Zur erforderlichen Anregung sind eine Knetwirkung in der Fördereinrichtung des Extruders, eine Ultraschalleinwirkung, z. B. durch Ultraschallvibration, oder eine mechanische Vibration vorgesehen.A second variant for pouring concrete in the planned horizontal orientation provides for highly tixotropic concrete to form the concrete strand, which is briefly subjected to excitation during the pouring process and thus has sufficient flowability to enclose the reinforcement and fill the wall cross-section. When the excitation ceases, the concrete stiffens again and loses its flowability. A kneading effect in the conveying device of the extruder, an ultrasonic effect, e.g. B. provided by ultrasonic vibration, or mechanical vibration.

Die Erfindung ermöglicht die Integration von standardisierten und vorhandenen Bewehrungselementen für horizontale und insbesondere vertikale Zugkraftübertragung im 3D-Druckverfahren mit Beton. Die Betone können weitgehend der bestehenden Norm entsprechen.The invention enables the integration of standardized and existing reinforcement elements ments for horizontal and especially vertical tensile force transmission in the 3D printing process with concrete. The concretes can largely correspond to the existing standard.

Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise die vollautomatisierte Fertigung von Betonbauteilen mit vollständiger horizontaler und vertikaler Bewehrung, wie sie aus dem bisherigen Betonbauverfahren bekannt ist, realisiert werden. Es können also alle bisher bekannten und zugelassenen Berechnungsverfahren angewendet werden. Dies stellt einen wesentlichen Schritt für die Etablierung des 3D-Druckverfahrens im Konzept des digitalen Bauens dar. Durch die Erfindung wird ebenfalls die Herstellung von geschwungenen oder sich verjüngenden Bauteilen ermöglicht. Das Verfahren kann aber auch zur flächigen Instandsetzung oder Verstärkung von bestehenden Bauwerken eingesetzt werden. Denn die äußere Überdeckung der Bewehrung, insbesondere im Sinne der zweiten erfindungsgemäßen Alternative, kann gleichermaßen bei bestehenden Betonbauteilen oder Bauwerken erfolgen.With the help of the present invention, for example, the fully automated production of concrete components with complete horizontal and vertical reinforcement, as is known from previous concrete construction methods, can be implemented. All previously known and approved calculation methods can therefore be used. This represents an essential step for the establishment of the 3D printing process in the concept of digital construction. The invention also enables the production of curved or tapered components. However, the method can also be used for extensive repair or reinforcement of existing structures. Because the outer covering of the reinforcement, in particular in the sense of the second alternative according to the invention, can be done in the same way with existing concrete components or buildings.

Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

  • 1: schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Betonbauteils bei der Herstellung nach einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2: schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Betonbauteils bei der Herstellung nach einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention is explained in more detail below on the basis of the description of exemplary embodiments and their representation in the associated drawings. Show it:
  • 1 : schematically a sectional view of an embodiment of a concrete component during production according to an embodiment of a method according to the invention and
  • 2 1: schematically shows a sectional view of an embodiment of a concrete component during production according to a further embodiment of a method according to the invention.

1 zeigt hierzu ein Betonbauteil 1 mit einer Stahlbewehrung 2, die hier in Form eines üblichen Bewehrungskorbs ausgeführt ist. Zwischen einer ersten und einer zweiten Seite des Betonbauteils 1 ist im Innenbereich 5 zwischen den beiden Lagen der Stahlbewehrung 2 eine Mittellage 8 eingefügt. Diese verhindert bei der Abgabe des Betons 4 aus einer Extrusionsdüse 10 von einer Seitenfläche 6 oder 6' her den unerwünschten Übertritt zur anderen Seite oder sogar aus der Kubatur des zu fertigenden Betonbauteils 1 hinaus. 1 shows a concrete component 1 with a steel reinforcement 2, which is designed here in the form of a conventional reinforcement cage. A middle layer 8 is inserted between a first and a second side of the concrete component 1 in the inner area 5 between the two layers of the steel reinforcement 2 . When the concrete 4 is discharged from an extrusion nozzle 10 from a side surface 6 or 6', this prevents the undesired transfer to the other side or even out of the cubature of the concrete component 1 to be produced.

Die erste Seite des Betonbauteils 1, als eine Außenseite erkennbar und als Seitenfläche 6' bezeichnet, ist bereits hergestellt, füllt den Innenbereich 5 innerhalb der Stahlbewehrung 2 aus und überdeckt an der Außenseite die Stahlbewehrung 2. Die zweite Seitenfläche 6' befindet sich gerade in der Fertigung, indem die Extrusionsdüse 10 eine Schicht Beton 4 ablegt. Diese tritt von der Seitenfläche 6 her durch die Bewehrung 2 hindurch und gelangt bis zur Mittellage 8, hier als Maschendraht ausgeführt, bzw. bis zur betonierten ersten Seite des Innenbereichs 5.The first side of the concrete component 1, recognizable as an outside and referred to as side surface 6', has already been produced, fills the inner area 5 within the steel reinforcement 2 and covers the steel reinforcement 2 on the outside. The second side surface 6' is located in the Manufacturing by the extrusion nozzle 10 deposits a layer of concrete 4. This passes from the side surface 6 through the reinforcement 2 and reaches the middle layer 8, designed here as wire mesh, or up to the concreted first side of the inner area 5.

Die Extrusionsdüse 10 ist in der Weise ausgeführt, dass der Beton 4 in horizontaler Richtung ausgegeben werden kann, ohne sofort nach unten zu fallen. Hierzu sind zwei Austragsprinzipe vorgesehen. Das erste Austragsprinzip beruht auf fließfähigen Beton, dem in einem Druckkopf, dessen Bestandteil die Extrusionsdüse 10 ist, ein Beschleuniger zugegeben wird, der eine schnelle Versteifung des Betons 4 nach dem Austritt aus der Extrusionsdüse 10 zur Folge hat.The extrusion nozzle 10 is designed in such a way that the concrete 4 can be discharged in the horizontal direction without immediately falling down. Two discharge principles are provided for this purpose. The first discharge principle is based on free-flowing concrete, to which an accelerator is added in a pressure head, part of which is the extrusion nozzle 10 , which results in rapid stiffening of the concrete 4 after it emerges from the extrusion nozzle 10 .

Eine hier nicht dargestellte Gleitschalung, die mit dem Druckkopf zusammen oder gesondert bewegt werden kann, unterstützt das erfindungsgemäße Verfahren und sichert eine hohe Oberflächenqualität.A sliding mold, not shown here, which can be moved together with the print head or separately, supports the method according to the invention and ensures a high surface quality.

Eine alternative Ausführung des Druckkopfes, die ebenfalls dazu dient, dass die Extrusionsdüse 10 den Beton 4, 4' in horizontaler Richtung ausgeben kann, beruht auf der Verwendung eines hochtixotropen Betons 4, 4'. Thixotropie bezeichnet in der Rheologie eine Zeitabhängigkeit der Fließeigenschaften bei nichtnewtonschen Fluiden, bei der die Viskosität infolge andauernder äußerer Einflüsse abnimmt und erst nach beendigter Beanspruchung wieder in die Ausgangsviskosität zurückkehrt.An alternative design of the print head, which also serves to ensure that the extrusion nozzle 10 can output the concrete 4, 4' in a horizontal direction, is based on the use of a highly thixotropic concrete 4, 4'. In rheology, thixotropy describes a time dependence of the flow properties of non-Newtonian fluids, in which the viscosity decreases as a result of ongoing external influences and only returns to the initial viscosity after the stress has ended.

Dieser hochtixotrope Beton 4, 4' wird während der Austragung und vor dem Austritt durch die Extrusionsdüse 10 kurz angeregt, wodurch er eine hinreichende Fließfähigkeit zur Umschließung der Bewehrung 2 bzw. zum Ausfüllen des Querschnitts innerhalb der Bewehrung 2 erhält. Sobald der Beton 4, 4' dort angekommen ist, steift der Beton 4, 4' wieder an und verliert seine Fließfähigkeit, da die Anregung weggefallen ist. Anregungsmechanismen können unter anderem eine Wirkung in der Fördereinrichtung eines Extruders, eine Ultraschalleinwirkung oder eine mechanische Vibration sein.This highly tixotropic concrete 4, 4' is briefly excited during discharge and before exiting through the extrusion nozzle 10, giving it sufficient fluidity to enclose the reinforcement 2 or to fill the cross section within the reinforcement 2. As soon as the concrete 4, 4' has arrived there, the concrete 4, 4' stiffens again and loses its flowability since the excitation has ceased. Excitation mechanisms can be, among other things, an effect in the conveying device of an extruder, an ultrasonic effect or mechanical vibration.

2 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Betonbauteils 1 bei der Herstellung nach einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zunächst zwischen den beiden Lagen der Stahlbewehrung 2 Beton 4 eingebracht wird. Dies ist nach der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ebenfalls im 3-D Druck vorgesehen, wobei aber ein herkömmlicher Druckkopf mit der Abgabe von Beton 4 vertikal nach unten vorgesehen ist. Die Ablage von Beton 4 zwischen den beiden Lagen der Stahlbewehrung 2 kann zwar auch in der horizontalen Richtung erfolgen, jedenfalls aber parallel zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes, während beim erfindungsmäßigen Verfahren die Betonaußenlage 4' auf die Seitenfläche 6 seitlich, senkrecht bzw. lateral zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes abgegeben wird. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a concrete component 1 during production according to a further embodiment of a method according to the invention, in which concrete 4 is first introduced between the two layers of steel reinforcement 2 . According to the preferred embodiment shown, this is also provided in 3D printing, but a conventional print head with the delivery of concrete 4 vertically downwards is provided. The deposit of concrete 4 between the two layers of steel reinforcement 2 can also take place in the horizontal direction, but in any case parallel to the direction of movement of the print head, while in the inventive method the concrete outside layer 4 'on the side surface 6 is delivered laterally, perpendicularly or laterally to the direction of movement of the print head.

Alternativ dazu kann die Betonierung des Innenbereichs schon länger zurückliegen, zum Beispiel Teil eines bestehenden Bauwerks sein, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren saniert werden muss.As an alternative to this, the concreting of the interior area can be a long time ago, for example part of an existing building that has to be renovated using the method according to the invention.

In einem zweiten Schritt wird eine Betonaußenlage 4' auf die Seitenfläche 6 aufgebracht, wodurch die Bewehrung 2 eine ausreichend schützende Überdeckung erhält. Auch hier kommt die Extrusionsdüse 10 zum Einsatz, die durch die zu 1 beschriebenen Maßnahmen im vorgelagerten Druckkopf die horizontale Abgabe des Betons 4 auf die Seitenfläche 6 ermöglicht.In a second step, a concrete outer layer 4' is applied to the side surface 6, as a result of which the reinforcement 2 is given a sufficiently protective cover. Here, too, the extrusion nozzle 10 is used, which is to 1 described measures in the upstream print head allows the horizontal delivery of the concrete 4 on the side surface 6.

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11
Betonbauteilconcrete component
22
Bewehrung, StahlbewehrungReinforcement, steel reinforcement
44
Betonconcrete
4'4'
Betonaußenlageconcrete outer layer
55
Innenbereichinterior
66
erste Seitenflächefirst face
6'6'
zweite Seitenflächesecond side face
88th
Mittellagemiddle position
1010
Extrusionsdüseextrusion die

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils (1), umfassend ein Matrixmaterial Beton (4, 4') und eine Bewehrung (2), wobei die Herstellung des Betonbauteils (1) extrusionsbasiert additiv erfolgt, wobei in einem ersten Schritt die Bewehrung (2) errichtet und Schichten des Betons (4, 4') durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse (10) ausgepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vertikale oder gegenüber der Vertikalen geneigte erste und/oder zweite Seitenflächen (6, 6') des Betonbauteils (1) durch den Betonstrang gebildet werden, der dazu aus der Extrusionsdüse (10) in im Wesentlichen horizontaler Richtung, lateral zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes, austritt und gegen die Bewehrung (2) abgegeben wird.Method for producing a reinforced concrete component (1), comprising a matrix material concrete (4, 4') and a reinforcement (2), the production of the concrete component (1) being extrusion-based additively, the reinforcement (2) being erected in a first step and layers of the concrete (4, 4') are formed by at least one concrete strand which is pressed out of an extrusion nozzle (10), characterized in that at least vertical first and/or second side surfaces (6, 6') or inclined relative to the vertical of the concrete component (1) are formed by the concrete strand, which emerges from the extrusion nozzle (10) in a substantially horizontal direction, lateral to the direction of movement of the print head, and is delivered against the reinforcement (2). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Innenbereich (5) innerhalb der Bewehrung (2) durch den seitlich in den Innenbereich (5) eintretenden Betonstrang mit Beton (2) ausgefüllt und zugleich die Bewehrung (2) an den Seitenflächen (6) von Beton (4) überdeckt wird.procedure after claim 1 An inner area (5) within the reinforcement (2) is filled with concrete (2) by the concrete strand entering the inner area (5) from the side and at the same time the reinforcement (2) is covered on the side surfaces (6) by concrete (4). . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen den beiden Seitenflächen (6, 6'), von denen aus der Betonstrang eintritt, eine Mittellage (8) eingebracht wird, die ein Übertreten des von der ersten Seitenfläche (6) eintretenden Betonstrangs zu der zweiten Seitenfläche (6') hin unterbindet.procedure after claim 1 or 2 , a middle layer (8) being introduced between the two side surfaces (6, 6') from which the concrete strand enters, which prevents the concrete strand entering from the first side surface (6) from passing over to the second side surface (6'). prevents. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Mittellage (8) Maschendraht zum Einsatz kommt.procedure after claim 3 , whereby wire mesh is used as the middle layer (8). Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem ersten Arbeitsschritt eine unbewehrte Konstruktion durch additive Fertigung aus Beton (4) hergestellt, in einem zweiten Arbeitsschritt bewehrt, indem eine Bewehrung (2) angebracht und in einem dritten Arbeitsschritt durch den seitlich zugeführten Betonstrang an den Seitenflächen (6, 6') von Beton (4') überdeckt wird.procedure after claim 1 , wherein in a first work step an unreinforced structure is produced from concrete (4) by additive manufacturing, reinforced in a second work step by a reinforcement (2) being attached and in a third work step by the laterally supplied concrete strand on the side surfaces (6, 6' ) is covered by concrete (4'). Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Innenbereich (5) extrusionsbasiert ausgefüllt wird.procedure after claim 5 , whereby the inner area (5) is filled out based on extrusion. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei fließfähiger Beton (4, 4'), dem im Druckkopf ein Beschleuniger zugegeben wird, den Betonstrang bildet.Method according to one of the preceding claims, in which flowable concrete (4, 4'), to which an accelerator is added in the pressure head, forms the concrete string. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der fließfähige Beton (4, 4') mit einer Gleitschalung unterstützt werden kann.procedure after claim 7 , wherein the flowable concrete (4, 4 ') can be supported with a slip form. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei hochtixotroper Beton (4, 4'), der während der Austragung kurzzeitig einer Anregung unterzogen wird und damit eine hinreichende Fließfähigkeit zur Umschließung der Bewehrung (2) durch eine Betonaußenlage (4') und zum Ausfüllen des Inneren (5) bekommt, den Betonstrang bildet.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , whereby highly thixotropic concrete (4, 4'), which is briefly subjected to excitation during discharge and thus acquires sufficient flowability to enclose the reinforcement (2) with a concrete outer layer (4') and to fill the interior (5), the concrete strand forms. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zur Anregung eine Knetwirkung in der Fördereinrichtung des Extruders, eine Ultraschalleinwirkung oder eine mechanische Vibration vorgesehen sind.procedure after claim 9 , wherein a kneading effect in the conveying device of the extruder, an ultrasonic effect or a mechanical vibration are provided for excitation.
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