EP3946859A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines bewehrten betonbauteils sowie betonbauteil - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines bewehrten betonbauteils sowie betonbauteil

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Publication number
EP3946859A1
EP3946859A1 EP20710920.8A EP20710920A EP3946859A1 EP 3946859 A1 EP3946859 A1 EP 3946859A1 EP 20710920 A EP20710920 A EP 20710920A EP 3946859 A1 EP3946859 A1 EP 3946859A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
concrete
fiber strand
strand
reinforcement
reinforcing fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20710920.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Viktor Mechtcherine
Albert Michel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP3946859A1 publication Critical patent/EP3946859A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B23/00—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects
    • B28B23/0006—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects the reinforcement consisting of aligned, non-metal reinforcing elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04—Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
    • E04G21/0463—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom control mechanisms, e.g. to automate concrete distribution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a reinforced concrete component, comprising a matrix material concrete and a textile reinforcement made of at least one reinforcing fiber strand, a yarn being soaked with a mineral suspension and thus the at least one reinforcing fiber strand being formed.
  • the invention further relates to a device for producing a reinforced concrete component, the concrete component comprising a matrix material concrete and a reinforcement made of at least one textile reinforcement fiber strand, wherein a reinforcement fiber strand delivery plant as a device for dispensing the reinforcement fiber strand, comprising an impregnation device, which is made from a yarn with a mineral Suspension soaked reinforcing fiber strand is provided.
  • the invention also relates to a reinforced concrete component, in which a permanent formwork is filled with flowable concrete or shotcrete, and a reinforced concrete component that is additively manufactured using extrusion, comprising concrete layers that are formed by at least one concrete strand that was pressed from at least one extrusion nozzle .
  • a preferred use of the present invention is in additive manufacturing.
  • Additive manufacturing is the creation of a component in layers on the basis of an electronic data record, also known as a 3D printing process. This data set is usually derived from a three-dimensional CAD model.
  • additive manufacturing creates components by adding material. This enables components to be manufactured that could not be easily manufactured using conventional manufacturing technologies.
  • Additive manufacturing can be laser-based or extrusion-based, among other things. Extrusion-based processes deposit small drops or strands of material in a defined manner. This is built up by translational movement of the extrusion nozzle and / or the construction platform that carries a component. Additive manufacturing processes are increasingly moving into focus in the manufacture of concrete components, including extrusion-based manufacturing processes. In the prior art, however, additive manufacturing with concrete either takes place entirely without reinforcement or it is inserted manually and discontinuously, which contradicts the principle of additive manufacturing. Furthermore, the previous methods limit the geometry and thus the freedom of shape as well as the durability and strength of the components.
  • a multifilament yarn high-performance filament yarn 7; claim 2
  • a suspension wetted with fine concrete 21" - claim 3
  • At least one fiber strand 20 is formed from the impregnated multifilament yarn 7 (claim 3), which by means of a moving device (laying robot 19; para. [0099]) for dispensing the at least one fiber strand 20
  • a textile fiber material is impregnated with a hardenable polymer.
  • the textile fiber material impregnated with the polymer is concreted into the concrete component in a still uncured state, so that the polymer is mixed with the concrete in a composite zone.
  • a concrete component has a textile reinforcement, which is a textile fiber material impregnated with a curable polymer.
  • the concrete component has a composite zone in which the polymer is mixed with the concrete.
  • the publication DE 10 2006 018 407 A1 describes rovings with filaments encased in fine concrete, including individual filaments, and their deposition in more than two layers (FIG. 1) fresh on fresh in a wax sheet.
  • a filament soaked with a mineral suspension is placed between two layers of concrete and enveloped by them.
  • the resulting concrete component is a reinforcement structure made of reinforced concrete.
  • the wax sheet only allows a fixed structure of the reinforcement and is also complex to manufacture.
  • the reinforcement perpendicular to the pressure plane (generally the vertical reinforcement) is subsequently positioned in cavities left free for this purpose (see Fig. 1 in the document), which are then dilapidated with concrete.
  • the reinforcement introduced in this way can be installed both stress-free and prestressed.
  • a flexible, braided or twisted wire strand bundle similar to a Bowden cable, is unwound from a spool with the help of a mechanical drive, inserted into an opening on the extrusion nozzle for the concrete pressure and thus continuously into one during the extrusion Concrete strand incorporated.
  • This method has been published in F. Bos, Z. Ahmed, E. Jutinov, and T. Salet, "Experimental Exploration of Meta I Cable as Reinforcement in 3D Printed Concrete", Materials, Vol. 10, No. 11, 5.1314, Nov. 2017 as well as in JH Lim, B. Panda, and Q.-C. Pham, "Im proving flexural characteristics of 3D printed geopolymer composites with in-process steel cable reinforcement", Construction and Building Materials, Vol. 178, 5, 32-41, July 2018.
  • the method allows reinforcement to be inserted, but only in the direction of the concrete strands (usually horizontally).
  • the implementation of the vertical reinforcement must still be carried out separately. Since the deflection radii are limited by the bending stiffness of the wire, the variety of shapes and the freedom of the reinforcement guidance is also limited with this method. For example, it is not possible to make corners.
  • the reinforcement does not provide corrosion protection if the concrete cover is poor.
  • the extremely smooth steel wires have insufficient bonding properties to concrete, which is why anchoring lengths of up to 180 mm are necessary, depending on the wire diameter.
  • the height of the reinforcement is limited to the length of the forked printhead. It is only possible to produce relatively simple vertical elements with a cross-section that is unchangeable over height and length.
  • the reinforcement elements as such must also be designed in a simple and uniform manner, since otherwise the concrete cannot enclose the reinforcement with sufficient quality.
  • extruded concrete is usually applied in layers by means of an application head which comprises an extrusion nozzle.
  • the problem here is the dynamic introduction of reinforcement to improve the component properties.
  • a device is known which enables a dynamic introduction of a steel wire - however, in practice there are disadvantages due to the use of wire-shaped wires Steel reinforcement.
  • Steel reinforcements for example, have a low level of flexibility, which is particularly disadvantageous for complex component structures.
  • Another disadvantage is the poor adhesion of steel wires in the concrete structure and a susceptibility to corrosion in areas in which the reinforcement is not sufficiently covered by concrete. Even if steel wires were replaced by plastic wires without a tendency to corrosion, apart from the lack of strength, only an inadequate connection to the surrounding matrix would be achieved.
  • Process features from the known solutions could not be used for a suitable reinforcement either, because, for example, the aforementioned rigid plastic wires place low procedural requirements on a feed.
  • the object of the present invention is to offer a method for the inline implementation of temperature and corrosion-resistant high-performance reinforcement for extrusion-based additive manufacturing processes and the manufacturing process and the product.
  • the method should also be suitable for integrating all three required reinforcement directions, vertical reinforcement parallel to the vertical surface, horizontal reinforcement and transverse force reinforcement in each case parallel to the horizontal surface, in particular for wall-like concrete components, and also to provide a process sequence that is continuous, discontinuous or in the desired Graduation can be designed.
  • the object is achieved by a method for producing a concrete component, comprising a matrix material concrete and a textile reinforcement made from at least one reinforcing fiber strand.
  • a yarn is first impregnated with a mineral suspension.
  • the at least one reinforcing fiber strand is released in such a way, preferably by means of a moving device for dispensing the at least one reinforcing fiber strand, particularly preferably stress-free, that the at least one reinforcing fiber strand • according to a first embodiment in at least one concrete strand or
  • the reinforcing fiber strand can be applied to at least one vertical side surface of several superimposed concrete layers of the concrete component so that a vertical reinforcement or a reinforced concrete layer is produced on the outside of the concrete component. This is done according to one of the above-mentioned embodiments, in the concrete strand or on the concrete layer.
  • the at least one reinforcement fiber strand is enclosed by the concrete immediately when it is deposited or subsequently before the mineral suspension has hardened. This represents a particular advantage of the invention.
  • the material deposit through an extrusion nozzle which releases the concrete
  • the extrusion nozzle can be exchanged for a spray nozzle, for example.
  • another concrete layer can also be applied in order to embed the reinforcing fiber strand in concrete.
  • the concrete component produced by means of a permanent formwork for the production of which preferably flowable concrete is used for pouring or, in the case of inclined surfaces, sprayed concrete, can be produced in such a way that the entire formwork is filled at once. In this case, only the outer shell, the permanent formwork, is reinforced. According to an alternative embodiment, however, it is provided that concrete layers are formed. On each of these a Reinforcing fiber strand are applied in the manner described above. Then the entire volume of the concrete component receives reinforcement, preferably designed to suit the load.
  • a further, particularly advantageous embodiment of the method according to the invention relates to a method for the extrusion-based additive production of a reinforced concrete component, including in particular horizontal concrete layers that are formed by at least one concrete strand that is pressed out of an extrusion nozzle, which by means of a manipulation device for each concrete layer in the particular horizontal plane of the concrete layer is moved relative to the concrete component being manufactured or to the substrate or the previously produced concrete layer.
  • a yarn preferably a multifilament yarn, is provided as reinforcement, which, impregnated with a mineral suspension, forms a reinforcing fiber strand.
  • the reinforcement fiber strand is fed to the concrete component to be manufactured by means of a reinforcement fiber strand delivery system moved by a manipulation device, a device for delivering the reinforcement fiber strand.
  • the reinforcing fiber strand is to be used as the reinforcement material, which comprises the yarn, preferably a multifilament yarn, which is coated with a mineral suspension, in particular a particle suspension, e.g. B. is based on fine cement, geopolymer, alkaline activated binder or pozzolanic fine materials, soaked or impregnated.
  • a mineral suspension in particular a particle suspension, e.g. B. is based on fine cement, geopolymer, alkaline activated binder or pozzolanic fine materials, soaked or impregnated.
  • Preferred materials for the multifilament yarn are carbon, but also glass, basalt or polymer.
  • the concrete strands and the minerally impregnated carbon yarns are deposited using a manipulation device, for example an articulated arm robot or a gantry robot. Furthermore, it is provided that an insertion of the reinforcement fiber strand into the concrete component to be produced and a direct, immediately following or later enclosing the
  • the yarn in particular a carbon yarn as the preferred multifilament yarn, is impregnated or impregnated with a suitable suspension. Impregnation is an impregnating treatment of solid, porous materials. The following steps are the basic requirements for a successful impregnation of multifilament yarns with mineral suspensions:
  • Impregnation of the multifilament yarn can be carried out using the methods known from the prior art in the textile sector using a padder or a gusseted pad.
  • the padder the multifilament yarn is fed into the suspension, which is located in an impregnation bath.
  • the gusset foulard is an open system.
  • the suspension is not in an impregnation bath, but is filled into the gusset between two rollers through which the multifilament yarn is passed.
  • fixed elements can be used over which the multifilament yarn is guided. If necessary, several yarns can be fed side by side through the impregnation and then bundled.
  • Squeezing off excess suspension and shaping the yarn Squeezing off excess suspension and shaping the impregnated multifilament yarn, the reinforcing fiber strand, should take place in one work step, as this results in a very even distribution of (carbon) filaments and mineral suspension.
  • Strand nozzles whose diameters can be expanded or which can be opened have proven successful for the process. By narrowing the cross-section, high fiber volume contents can be achieved.
  • Both a padder and a gusset pad are suitable for the present application.
  • the reinforcing fiber strand is formed in a stationary manner in a strand preparation device which comprises at least one impregnation device and is fed to the reinforcing fiber strand delivery plant for delivery to the concrete component to be produced.
  • a strand preparation device which comprises at least one impregnation device and is fed to the reinforcing fiber strand delivery plant for delivery to the concrete component to be produced.
  • This variant is also referred to as stationary-direct, because the reinforcing fiber strand is impregnated or soaked with the help of a stationary strand preparation device and passed directly to the reinforcing fiber strand delivery plant attached to the manipulation device via a strand transfer, which can be formed by deflection points.
  • the impregnation or soaking process is preferably implemented using a three or five-roller padder.
  • the number and the shape of the deflection rollers (e.g. convex for improved yarn spreading) in the suspension bath of the mineral suspension can be varied.
  • a kiss coater is also provided, which is used to wet the yarn with a small amount of water before the impregnation or soaking process.
  • Yarn guide devices can be used to center the yarn. The squeezing off of excess matrix material, the mineral suspension, as well as the shape of the cross-section of the
  • Reinforcement fiber strand, the reinforcement cross-section, is carried out with the aid of a strand nozzle that is conical or funnel-shaped in the strand direction
  • Outlet diameter is either constant or variable.
  • Reinforcement fiber strand supply plant In the alternative embodiment, the yarn is fed directly into the extrusion nozzle for the concrete pressure.
  • the reinforcing fiber strand is formed in a stationary manner in a strand preparation device and wound up to form a strand spool.
  • the strand preparation device comprises at least one impregnation device, which can also be designed as an impregnation bath.
  • This variant is also referred to as stationary-indirect.
  • This process is identical up to the shaping with the first embodiment, which was referred to as stationary-direct impregnation or soaking process.
  • the reinforcing fiber strand is rolled up onto the further spool, the strand spool, in the sense of a semi-finished product.
  • the strand reel After the strand reel has been fully charged, it is removed from the impregnation system and installed in the reinforcement fiber strand delivery plant at the manipulation device, where the reinforcement fiber strand is unrolled from the strand reel and in extrusion-based additive
  • Manufacturing process also known as the concrete printing process, is installed. It should be noted that the time window from the beginning of the impregnation process to the complete installation of the reinforcing fiber strand is limited due to the progressive chemical reactions in the suspension. However, if it is possible to prevent the yarn from drying out or hardening, a processing time window of several hours is possible.
  • a third embodiment provides that the reinforcing fiber strand is itself formed in the reinforcing fiber strand delivery plant which moves over the concrete component surface in the course of the extrusion-based additive method.
  • the reinforcing fiber strand delivery plant comprises a strand preparation device which contains at least one impregnation device.
  • This embodiment is also referred to as unsteady-direct.
  • the reinforcing fiber strand is impregnated or soaked with the aid of a device which is attached directly to the manipulator and for this reason has to be dimensioned as compactly as possible.
  • the reinforcing fiber strand is formed by impregnation with a mineral suspension.
  • the impregnation or soaking process is preferably carried out with a padder, in particular a gusseted pad or a three-roll padder.
  • the number and shape of the pulleys in the suspension bath e.g. B. a convex shape for improved yarn spreading is variable.
  • Yarn guide devices can be used to center the yarn. Excess matrix is squeezed off and the reinforcement cross-section is shaped using an in Running direction of the multifilament yarn or the reinforcing fiber strand conically or funnel-shaped shaped strand nozzle, the outlet diameter of which is either constant or particularly advantageously variable.
  • a kiss coater is provided, which is used to wet the multifilament yarn with water before the impregnation or soaking process, a small amount of water being sufficient.
  • Other suitable methods for wetting or pre-wetting are also provided.
  • a particularly preferred impregnation system for carrying out the method according to the invention also has a thread brake from which the multifilament yarn is unwound, three thread guide levels through which the multifilament yarn is straightened, a total of four fixed deflections for yarn spreading, a three-roller pad impregnation and one Strand nozzle, also known as a shaping nozzle.
  • the impregnated or soaked multifilament yarn must be conveyed mechanically to the installation site as a reinforcing fiber strand.
  • This task is solved with the help of a reinforcement fiber strand supply plant.
  • the reinforcement fiber strand supply plant can be designed in such a way that it enables the reinforcement fiber strand to be integrated directly into a concrete strand or an integration between two concrete strands. The reinforcing fiber strand is thereby fed into or onto at least one of the concrete layers.
  • the reinforcing fiber strand is fed into at least one of the concrete layers or into the initially present concrete strand, also referred to as direct integration.
  • the reinforcement fiber strand delivery system is arranged so as to be fixed in terms of movement in relation to the extrusion nozzle, that is, both are connected to one another.
  • Reinforcement fiber strand delivery system and extrusion nozzle can be moved for each concrete layer in the, in particular, horizontal plane of the concrete layer relative to the concrete component or to the substrate or the previously produced concrete layer.
  • the reinforcement fiber strand is discharged in the extrusion direction of the extrusion nozzle and embedded in the emerging concrete strand. this happens for example by the entry of the reinforcing fiber strand into the extrusion nozzle from the side facing away from a discharge opening.
  • the reinforcing fiber strand for example a (carbon) yarn impregnated with cement
  • an inlet device for example designed as a funnel
  • a second pair of rollers directs the yarn in the intended direction, e.g. B. the horizontal to. It is then passed into a stripping device and through a guillotine cutting device.
  • the latter allows the conveying of the reinforcing fiber strand and the addition of reinforcement to the concrete strand to be interrupted at any time by cutting off the yarn.
  • the reinforcing fiber strand is introduced directly into the extrusion nozzle, which is provided for the concrete pressure, via a further guide device, which is preferably designed as a hose when conveyed horizontally.
  • the reinforcement fiber strand is integrated into the concrete strand, which is placed on a previously produced concrete strand, the lower concrete layer.
  • a closure device can be installed at the end of the hose. This can be closed with the concrete extrusion without reinforcement integration and must be opened with the reinforcement integration in order to let the reinforcement fiber strand through.
  • a method for depositing the reinforcing fiber strand alone is provided.
  • the reinforcing fiber strand is fed to at least one of the concrete layers. Is to the reinforcement fiber strand delivery plant for each concrete layer can be moved in the especially horizontal plane of the concrete layer relative to the concrete component being manufactured or to the substrate or the previously produced concrete layer.
  • the reinforcing fiber strand is released onto the concrete layer, preferably in a vertical downward direction, and covered by the subsequent concrete strand. If the reinforcing fiber strand is dispensed vertically downwards, it can be guided in any direction without this
  • Reinforcement fiber strand supply plant must be turned in the direction.
  • the reinforcement fiber strand When the reinforcement fiber strand is integrated between two concrete layers, the reinforcement fiber strand thus preferably emerges vertically downward from the reinforcement fiber strand delivery plant and can also be laid independently of the orientation of the concrete strand.
  • the second pair of rollers is arranged horizontally in the reinforcement fiber strand delivery plant.
  • the reinforcement fiber strand is positioned using a rotationally symmetrical, elliptical or oval shaped extrusion nozzle that is funnel-shaped on both sides. While the concrete strand can be placed without reinforcement with direct integration, but not the reinforcement fiber strand without concrete strand, this procedure is possible with this variant. The production of a reinforcement structure entirely without extruded concrete can thus be realized.
  • a flowable cement suspension or mortar can be introduced into the intermediate layer or between the concrete layers to improve adhesion between the reinforcement fiber strand and the concrete layer made of extruded concrete will. Since the concrete must have a very stiff consistency for extrusion, there is a risk that the yarn is not sufficiently enclosed by the concrete, but that a separating layer is formed.
  • the reinforcing fiber strand preferably the pretreated (carbon) yarn
  • the yarn feed can be stopped as often as required, the reinforcing fiber strand can be cut with the aid of the cutting device and the reinforcing fiber strand can be conveyed again if necessary.
  • the degree of reinforcement in the concrete is to be varied, it is possible to ply several yarns, ie, unlike twisting, to combine several yarns without twisting, or to arrange several yarns next to one another, which leads to a comparable result.
  • the height and, if necessary, the width of the concrete strings can be changed.
  • the implementation of the horizontal reinforcement layers can be coupled with the respective concrete layers.
  • the longitudinal reinforcement is placed with the concrete strands in the longitudinal direction of the concrete component, the transverse force reinforcement with the formation of zigzag-shaped stiffeners.
  • Reinforcement fiber strands are advantageously led out beyond the zigzag extruded concrete strand and are only deposited on the concrete strand in the longitudinal direction after the reinforcement has overlapped. There is thus the possibility of a non-positive connection between the surface-forming longitudinal filaments and the reinforcement that dissipates transverse forces.
  • the reinforcement fiber strand is discharged from the outside onto vertical surfaces of the concrete component, so that vertical reinforcement, preferably including an overlapping concrete strand, is particularly preferably generated on both sides of the concrete component to be produced.
  • an articulated arm robot with three-dimensional mobility can be used as a manipulation device.
  • the reinforcement of the vertical surfaces takes place after the completion of the concrete component or a component section, if the vertical reinforcement including overlapping concrete strands can be printed on both sides of the contour from the outside.
  • reinforcing fiber strand can also be covered by a concrete strand or integrated into it.
  • other components can also be produced with the method according to the invention.
  • a component entirely additively (e.g. extrusion-based) or just manufacture the contour.
  • the area or the space within the contour can then be provided with reinforcement, for example with the aid of the "indirect method” described above, ie concreting in particular in layers after the reinforcement fiber strand has been applied to the previous concrete layer.
  • reinforcement according to the state of the art can also be used. This procedure can be used for flat or curved surfaces.
  • the production of beam-like components can be carried out in a similar procedure to that of wall-like components, with the difference that more longitudinal reinforcement is required in the tension zone.
  • several reinforced concrete filaments, the fiber strands according to the invention can be placed next to and / or on top of one another.
  • Another aspect of the present invention relates to a device for producing a reinforced concrete component.
  • the concrete component comprises a matrix material concrete and a reinforcement made of at least one textile reinforcement fiber strand.
  • An impregnation device is provided, which forms the reinforcing fiber strand soaked with a mineral suspension from a yarn.
  • a device for the production and preferably tension-free storage of the textile reinforcing fiber strand is provided.
  • a reinforcement fiber strand delivery plant a device for dispensing the reinforcement fiber strand, is provided, which is movable and suitable relative to the concrete component or to the substrate or the previously produced concrete layer, the reinforcement fiber strand
  • the device for the extrusion-based additive production of a reinforced concrete component, comprising in particular horizontal concrete layers which are formed by at least one concrete strand.
  • the concrete strand is pressed out of an extrusion nozzle, which by means of a manipulation device for each concrete layer in the particular horizontal plane of the concrete layer is moved relative to the concrete component being manufactured or to the substrate or the previously produced concrete layer.
  • the device comprises the manipulation device and the extrusion nozzle.
  • an impregnation device which is suitable for soaking a yarn provided as reinforcement, preferably a multifilament yarn, with a mineral suspension and thus forming a reinforcing fiber strand that can be used as reinforcement.
  • a movable reinforcement fiber strand delivery plant is provided, which is suitable for feeding the reinforcement fiber strand to the concrete component to be produced by means of movement through a manipulation device, preferably free of tension, so that the reinforcement fiber strand is inserted into the concrete component to be produced and directly, immediately thereafter or, alternatively, it is enclosed later Reinforcement fiber strand with concrete takes place before the mineral suspension has hardened.
  • Advantageous embodiments of the manipulation device are an articulated arm robot with three-dimensional mobility or a gantry robot with at least two-dimensional mobility.
  • a gantry robot with at least the mobility of the extrusion nozzle in the plane with vertically movable concrete component, z. B. be secured via a lifting table.
  • the impregnation device preferably comprises a thread spool which takes up a multifilament thread, a padder, in particular a three-roll padder, or a gusseted padder.
  • a strand nozzle for squeezing off excess suspension from the reinforcing fiber strand and for shaping the reinforcement cross-section the cross-section of the reinforcement fiber strand, which is conical or funnel-shaped in the running direction of the reinforcement fiber strand and has a constant or variable outlet diameter has proven advantageous.
  • the impregnation device furthermore has a kiss coater, which is suitable for wetting the multifilament yarn with a small amount of water before the impregnation or soaking process.
  • the impregnation device is designed to be stationary and comprises a device for supplying the reinforcing fiber strand to the reinforcing fiber strand supply plant or, according to a second embodiment, a device for storing the reinforcing fiber strand on a strand spool, which is provided for supply to the reinforcing fiber strand supply plant.
  • the impregnation device is connected to the reinforcing fiber strand delivery plant, so that the reinforcing fiber strand can be supplied directly to the reinforcing fiber strand supply plant if required, even while it is moving.
  • the reinforcement fiber strand supply plant comprises a funnel and a first pair of rollers which convey the reinforcement fiber strand.
  • a second pair of rollers is provided in order to deflect the reinforcing fiber strand into the required position, for example into the horizontal position.
  • a stripping device and a guillotine cutting device are provided, through which the reinforcing fiber strand is then conveyed, a further guide device being provided, which is preferably designed as a hose when conveyed horizontally.
  • the reinforcing fiber strand is introduced directly into the extrusion nozzle in the extrusion direction, so that the reinforcing fiber strand enters the
  • a closure device has also proven to be advantageous which, in the case of concrete extrusion, without reinforcement integration, i.e. H. without integration of the
  • Reinforcement integration d. H. during the integration of the reinforcement fiber strand into the concrete strand, can be opened.
  • the closure device helps to prevent the extruded concrete from backing up in the further guide device.
  • the extrusion nozzle is designed in such a way that the concrete to be extruded is divided into two strands and converges again directly behind an opening through which the reinforcement fiber strand is introduced, so that the reinforcement fiber strand is immediately enclosed by the concrete, without having to undertake any complex sealing have to.
  • a reinforcement fiber strand delivery plant is provided that delivers it vertically downwards. Its function has already been described with the operating procedure above.
  • Another aspect of the present invention relates to an extrusion-based additively manufactured reinforced concrete component, comprising in particular horizontal concrete layers that are formed by at least one concrete strand that was pressed out of an extrusion nozzle.
  • a yarn and in particular a multifilament yarn is provided as reinforcement, which is present for installation in the concrete strand or soaked with a mineral suspension between two concrete strands as a reinforcement fiber strand that is completely enclosed in the concrete component with concrete, the installation and the Enclosing before hardening of the mineral suspension took place.
  • the concrete component is advantageously obtainable by a method as described above.
  • the invention advantageously enables the inline implementation of high-performance and permanent reinforcement in additive manufacturing with concrete, also referred to as concrete 3D printing.
  • concrete 3D printing also referred to as concrete 3D printing.
  • the invention also enables the manufacture of curved or tapered, non-corroding and high-temperature-resistant concrete components.
  • mineral-impregnated (carbon) fiber reinforcements according to the state of the art, there is the problem that these extremely thin structures dry out very quickly and thus the hardening of the binding agent does not proceed optimally. Since the described method envisages a direct, immediately subsequent or alternatively a short-term subsequent encasing of the reinforcing fiber strand with concrete (“fresh on fresh”), this is an ideal post-treatment that overcomes the existing disadvantages of the known solutions.
  • FIG. 8 a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention for non-stationary direct yarn delivery.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of a concrete component 1 according to the invention with inserted longitudinal reinforcement 22, designed as a reinforcing fiber strand 28.
  • the reinforcing fiber strand 28 is embedded in a concrete strand 4.
  • the concrete strand 4 is placed on the concrete layer 2, which has emerged from a previously produced concrete strand 4, so that the additive, layer-by-layer production of the concrete component 1 results.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a concrete component 1 according to the invention with inserted transverse reinforcement 24, consisting of a reinforcing fiber strand 28.
  • the transverse reinforcement 24 ensures the strength of the transverse struts which are zigzagged inside the concrete component 1.
  • the reinforcing fiber strand 28 is embedded in the concrete strand 4.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a concrete component 1 according to the invention with introduced vertical reinforcement 26 by means of a reinforcing fiber strand 28. If the production of the concrete component 1 or a section thereof in the sense of Figures 1 and 2 is completed, is at the Outer wall applied the vertical reinforcement 26, which ensures the bending capacity in the horizontal direction of loading. In the preferred embodiment, as shown, the reinforcement 26 is also embedded in a concrete strand 4. This ensures an optimal connection to the concrete matrix and also protects the reinforcing fiber strand 28 from damage.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a reinforcing fiber strand delivery system 40 according to the invention for the direct integration of the reinforcing fiber strand 28 into the concrete strand 4.
  • the reinforcing fiber strand supply system 40 for the direct integration of the reinforcing fiber strand 28 is firmly connected to the extrusion nozzle 6, since the direction of delivery of the reinforcing fiber strand 28 is on the working direction of the extrusion nozzle 6 is fixed.
  • the reinforcing fiber strand 28 is the
  • Reinforcement fiber strand delivery plant 40 for use as longitudinal reinforcement 22, transverse reinforcement 24 or vertical reinforcement 26 and enters the reinforcement fiber strand delivery plant 40 via inlet device 41.
  • the reinforcing fiber strand 28 is gripped by a first pair of rollers 42.
  • a second pair of rollers 43 deflects the reinforcing fiber strand 28 in the working direction.
  • the second pair of rollers 43 is followed by a guillotine cutting device 44, which in turn is followed by a further guide device, designed as a hose 46.
  • the hose 46 advantageously has a closable opening which can be closed if no reinforcing fiber strand 28 emerges and the ingress of concrete is to be prevented.
  • the hose 46 opens into the extrusion nozzle 6 so that the reinforcing fiber strand 28 can be embedded directly in the concrete flowing through the extrusion nozzle 6 and emerges from the extrusion nozzle 6 together with it as an already “reinforced” concrete strand 4.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of an embodiment of a reinforcing fiber strand delivery system 50 according to the invention for the integration of a reinforcing fiber strand 28 in an intermediate layer or a space between two concrete strands 4 or two concrete layers 2.
  • a first concrete strand 4 is applied as a concrete layer 2 and then the Reinforcing fiber strand 28 is applied as longitudinal reinforcement 22, transverse reinforcement 24 or vertical reinforcement 26.
  • the extrusion nozzle 6 is another Concrete strand 4 is applied, which forms a further concrete layer 2, immediately covers the reinforcing fiber strand 28 and thus embeds it in the concrete matrix.
  • the reinforcement fiber strand 28 can also be applied independently of the working direction of the extrusion nozzle 6, which can be advantageous, for example, for covering the reinforcement, the reinforcement fiber strand 28 is discharged vertically downward from the reinforcement fiber strand delivery plant 50 via an outlet guide device 56.
  • the reinforcing fiber strand 28 runs through a first pair of rollers 52, a second roller pair 53 and a cutting device 54.
  • the reinforcing fiber strand 28 first enters the reinforcing fiber strand delivery plant 50 via an inlet device 51.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of an embodiment of a device 60 according to the invention for stationary direct yarn delivery to the reinforcement fiber strand delivery system 40 for direct integration into the concrete strand 4 before it emerges from the extrusion nozzle 6 or to the
  • a strand preparation device 62 is provided, which by means of a strand transfer 64, in the simple case designed as deflection points, transfers the reinforcing fiber strand 28 to the reinforcing fiber strand delivery mechanism 40, 50 moving with the extrusion nozzle 6.
  • the strand preparation device 62 comprises a yarn bobbin 21 from which a multifilament yarn 20 is dispensed. From there it runs through the device for prewetting 32, which in the preferred embodiment is designed as a kiss coater. From there, the preferably pre-wetted multifilament yarn reaches an impregnation device 33, which is preferably designed as a padder.
  • a strand nozzle 34 serves to wipe off excess suspension 35 and to give the reinforcing fiber strand 28 the desired cross-sectional shape. Thereafter, the reinforcing fiber strand 28 formed in this way is drawn off via the strand transfer 64.
  • 7 shows a schematic representation of an embodiment of a device 70 according to the invention for stationary, indirect yarn delivery, which likewise comprises a strand preparation device 72, which, however, has a further bobbin, the strand bobbin 74, following the strand nozzle 34.
  • the freshly formed reinforcing fiber strand 28 is wound onto this.
  • the strand bobbin 74 is brought to the reinforcement fiber strand delivery plant 40, 50 so that the mineral suspension used for the impregnation does not harden in an undesirable manner.
  • the reinforcing fiber strand 28 is introduced into the reinforcing fiber strand delivery plant 40, 50, as previously described.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an embodiment of a device 80 according to the invention for non-stationary direct yarn delivery.
  • the entire strand preparation device 82 is directly connected to the reinforcement fiber strand delivery system 40, 50 and the extrusion nozzle 6 connected to it.
  • the entire assembly, consisting of extrusion nozzle 6, reinforcement fiber strand delivery system 40, 50 and device 80, is moved over the concrete component by a manipulation device in order to enable the concrete strands 4 to be dispensed.
  • the strand preparation device 82 always delivers freshly produced fiber strands 28, their production taking place in the manner shown in the description of FIGS. 6 and 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Betonbauteils, umfassend Beton und eine textile Bewehrung aus einem Bewehrungsfaserstrang (28), wobei zunächst ein Garn (20) mit einer mineralischen Suspension (35) getränkt wird und den wenigstens einen Bewehrungsfaserstrang (28) ausbildet. Nach der Erfindung wird der Bewehrungsfaserstrang (28) mittels einer bewegten Einrichtung zu geführt, sodass der Bewehrungsfaserstrang (28) in einen Betonstrang (4) eingebracht, auf einer Betonschicht (2) aufgebracht oder auf einer vertikalen Seitenfläche mehrerer übereinander abgelegter Betonschichten aufgebracht wird, sodass außen angeordnet eine lotrechte Bewehrung erzeugt wird, und wobei weiterhin der Bewehrungsfaserstrang (28) unmittelbar bei der Ablage oder nachfolgend von dem Beton umschlossen wird, bevor die mineralische Suspension (35) ausgehärtet ist. Auch ein bewehrtes Betonbauteil (1) ist Gegenstand der Erfindung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils sowie
Betonbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine textile Bewehrung aus wenigstens einem Bewehrungsfaserstrang, wobei ein Garn mit einer mineralischen Suspension getränkt wird und damit der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang gebildet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, das Betonbauteil umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine Bewehrung aus wenigstens einem textilen Bewehrungsfaserstrang, wobei ein Bewehrungsfaserstranglieferwerk als eine Einrichtung zur Abgabe des Bewehrungsfaserstrangs, umfassend eine Imprägniereinrichtung, die aus einem Garn den mit einer mineralischen Suspension getränkten Bewehrungsfaserstrang ausbildet, vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft auch ein bewehrtes Betonbauteil, bei dem eine verlorene Schalung mit fließfähigem Beton oder Spritzbeton ausgefüllt ist, und ein bewehrtes Betonbauteil, das extrusionsbasiert additiv hergestellt ist, umfassend Betonschichten, die durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus wenigstens einer Extrusionsdüse ausgepresst wurde.
Ein bevorzugter Einsatz der vorliegenden Erfindung erfolgt bei der additiven Fertigung. 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 Fertigung kann unter anderem laserbasiert oder extrusionsbasiert erfolgen. Extrusionsbasierte Verfahren legen kleine Materialtropfen oder -stränge definiert ab. Dabei wird durch translatorische Bewegung der Extrusionsdüse oder/ und der Bauplattform, die ein Bauteil trägt, dieses aufgebaut. Additive Fertigungsverfahren rücken verstärkt auch in der Betonbauteilfertigung in den Fokus, darunter auch extrusionsbasierte Fertigungsverfahren. Im Stand der Technik erfolgt die additive Fertigung mit Beton jedoch entweder ganz ohne Bewehrung oder diese wird manuell und diskontinuierlich eingefügt, was dem Prinzip der additiven Fertigung widerspricht. Weiterhin schränken die bisherigen Methoden die Geometrie und damit die Formfreiheit sowie außerdem die Dauerhaftigkeit und Festigkeit der Bauteile ein.
Textile Bewehrungen und ihre Anwendung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Herstellung eines bewehrten Betonbauteiles mit mindestens einem Faserstrang aus einem mit mineralischer Suspension getränktem Multifilamentgarn ist aus der Druckschrift DE 10 2015 100 438 B3 bekannt. Dort wird insbesondere in den Ansprüchen 1 - 4, Abs. [0035], [0058], [0064] und [0099] sowie den Figuren 2, 3, 10 und 11 ein bewehrtes Betonbauteil, bezeichnet als„Fertigteil aus Textilbeton" offenbart mit mindestens einem Faserstrang als textilem Bewehrungsstrang (Betonroving 20, Ansprüche 1 - 3, Fig. 10), bei dem ein Multifilamentgarn (Hochleistungsfilamentgarn 7; Anspruch 2) mit einer Suspension getränkt wird („mit Feinbeton 21 benetzt" - Anspruch 3) und mit dem getränkten Multifilamentgarn 7 wenigstens ein Faserstrang 20 ausgebildet wird (Anspruch 3), der mittels einer bewegten Einrichtung (Verlegeroboter 19; Abs. [0099]) zur Abgabe des wenigstens einen Faserstrangs 20
(Garnabgabeeinrichtung 18; Anspruch 4, Fig. 3) zugeführt wird (Anspruch 1 , Abs.
[0058]). Allerdings ist eine feste Form erforderlich, an der der Faserstrang umgelenkt und fixiert werden kann, um auch bei der nachfolgenden Betonage noch in der vorgesehen Position und ohne Beschädigung zu verbleiben. Es sind nur Betonbauteile in fester, vorgegebener Form herstellbar. Außerdem wird gemäß Absatz [0064] die mineralische Suspension zunächst ausgehärtet, ehe die Bewehrung mit dem Beton in die Schalung eingebracht wird.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Betonbauteils mit einer textilen Bewehrung, das die Druckschrift DE 10 2008 040 919 A1 offenbart, wird ein textiles Fasermaterial mit einem aushärtbaren Polymer getränkt. Das mit dem Polymer getränkte textile Fasermaterial wird in noch unausgehärtetem Zustand in das Betonbauteil einbetoniert, so dass in einer Verbundzone das Polymer mit dem Beton vermischt wird. Ein Betonbauteil weist eine textile Bewehrung auf, welche ein mit einem aushärtbaren Polymer getränktes textiles Fasermaterial ist. Das Betonbauteil weist eine Verbundzone auf, in welcher das Polymer mit dem Beton vermischt ist. Durch den Einsatz von einem Polymer, eines im Vergleich zum Beton anders gearteten Materials, sind Nachteile verbunden. Diese bestehen beispielsweise in der geringeren Belastbarkeit und Festigkeit bei Wärmeeinwirkung. Die Druckschrift EP 3 431 172 A1 offenbart insbesondere in den Ansprüchen 1 und 16 sowie den Absätzen [0039], [0073], [0093] - [0099] ein Verfahren zur extrusionsbasierten additiven Herstellung eines bewehrten Betonbauteils („Bauteile auf Basis von Beton; Anspruch 16) umfassend Betonschichten (Fig. 16), die durch wenigstens einen Betonstrang (Betonstrang, Schicht 15 [Abs. 0073]) gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse (Düse 21 ; Anspruch 1) ausgepresst wird, die mittels einer Manipulationseinrichtung (Roboter 32; Fig. 20) für jede Betonschicht 15 in der Ebene der Betonschicht 15 relativ zum Betonbauteil bewegt wird, wobei wenigstens ein Faserstrang („Bewehrungselement 30 im Endlosstrang"; Abs. [0097], „faserartiges Basismaterial wie Carbon, ... in Form von ... Fäden"; Absätze [0039], [0097]) eingesetzt wird, wobei der wenigstens eine Faserstrang 30 in eine der Betonschichten 15 zugeführt wird (Fig. 16). Der Faserstrang 30 wird mittels einer bewegten Einrichtung zur Abgabe des wenigstens einen Faserstrangs 30 der Betonschicht 15 zugeführt („während des Auftragsverfahrens automatisiert ... über einen Mechanismus der Düse ... eingebracht"; Abs. [0097]). Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht jedoch keine
Einbettung eines frisch mit einer mineralischen Suspension Faserstrangs in das Matrixmaterial Beton.
Die Druckschrift DE 10 2006 018 407 A1 beschreibt Rovinge mit von Feinbeton umhüllten Filamenten, auch einzelnen Filamenten, und ihre Ablage in mehr als zwei Schichten (Fig. 1) frisch auf frisch in einer Wachsplatte. Damit wird ein mit einer mineralischen Suspension getränktes Filament zwischen zwei Betonschichten abgelegt und von diesen umhüllt. Das entstehende Betonbauteil ist eine Bewehrungsstruktur aus bewehrtem Beton. Die Wachsplatte erlaubt nur eine fix vorgegeben Struktur der Bewehrung und ist zudem aufwändig in der Herstellung.
Additive Fertigungsverfahren, basierend auf der Extrusion und der streifenförmigen Ablage von Beton, sind aus der Nichtpatentliteratur bzw. aus anderen Medien bekannt. Beispielhaft seien zwei Veröffentlichungen im Internet genannt, zum Anmeldezeitpunkt abrufbar unter den Adressen https://www.detail.de/artikel/beton-3d-druck-auf-der- baustelle-29487/ und https://www.3d-grenzenlos.de/magazin/zukunft-visionen/us-army- patent-beton-kaserne-aus-3d-drucker-27409553/
Bei additiven Fertigungsverfahren basierend auf der Extrusion existieren derzeit vier Varianten der Bewehrungsintegration für die Herstellung wandartiger Betonbauteile. Ein erstes Verfahren wurde in S. Um, R. A. Buswell, T. T. Le, S. A. Austin, A. G. F. Gibb, und T. Thorpe, „Developments in construction-scale additive manufacturing processes", Automation in Construction, Bd. 21, Jan. 2012 sowie unter dem Titel„3D Printed Castle" (Autor: Andrey Rudenko) unter der Adresse http://totalkusto .com/photo.ht l (abgerufen am 25.02.2020) veröffentlicht. Bei diesem Verfahren ist es vorgesehen, die Bewehrung längs der Bauteilachse, als eine Längsbewehrung, inklusive angeschweißter Querkraftbewehrung, manuell auf einzelne gedruckte Betonstränge aufzulegen (vgl. Abb. 1 im Dokument). Die Bewehrung senkrecht zur Druckebene (im Allgemeinen die lotrechte Bewehrung) wird nachträglich in dafür freigelassenen Hohlräumen (vgl. Abb. 1 im Dokument) positioniert, welche anschließend mit Beton verfällt werden. Die auf diese Weise eingebrachte Bewehrung kann sowohl spannungsfrei als auch vorgespannt verbaut werden.
Die aus der manuellen, diskontinuierlichen Bewehrungseinlage resultierenden Probleme sind hier besonders ausgeprägt, da dieser Prozess dauernd wiederholt werden muss. Das nachträgliche Einfügen der lotrechten Bewehrung schränkt zudem die Bauteilgeometrie ein. Ein weiteres Problem stellt die Dauerhaftigkeit der eingebrachten Bewehrungsstrukturen dar, da so platzierte Bewehrungen häufig eine unzureichende Betondeckung aufweisen und somit anfällig gegen Korrosion und erhöhte Temperaturen sind. Die Korrosionsproblematik wird außerdem dadurch gesteigert, dass die Arbeitsfugen zwischen einzelnen Betonlagen im Vergleich zum Beton einen niedrigeren Widerstand gegenüber Flüssigkeiten und Gasen besitzen.
Nach einem zweiten bekannten Verfahren, veröffentlicht in B. Sevenson,„Shanghai- based Win Sun 3D Prints 6-Story Apartment Building and an Incredible Home", 3DPrint.com / The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing, 18-Jan-2015, wird nach der Herstellung einer integrierten Schalung (Contour Crafting Verfahren) ein Bewehrungskorb eingeführt (vgl. Abb. 2 im Dokument). Hierfür darf im Vorfeld lediglich die Kontur gedruckt werden, ohne eine wellen- oder zickzackförmige Aussteifung im Inneren der Wand (vgl. Abb. 1 im Dokument).
Das Verfahren schränkt die Formfreiheit der zu fertigenden Betonbauteile stark ein. Die nachträgliche Implementierung der Bewehrung schließt eine Verjüngung, Krümmung oder Verdrehung der Bauteilgeometrie in vielen Fällen aus.
Bei einem dritten bekannten Verfahren wird ein flexibles, geflochtenes oder verdrilltes Drahtlitzenbündel, ähnlich einem Bowdenzug, mithilfe eines mechanischen Antriebes von einer Spule abgewickelt, in eine Öffnung an der Extrusionsdüse für den Betondruck eingeführt und somit während der Extrusion kontinuierlich in einen Betonstrang eingearbeitet. Dieses Verfahren wurde veröffentlicht in F. Bos, Z. Ahmed, E. Jutinov, und T. Salet, "Experimental Exploration of Meta I Cable as Reinforcement in 3D Printed Concrete", Materials, Bd. 10, Nr 11, 5. 1314, Nov. 2017 sowie in J. H. Lim, B. Panda, und Q.-C. Pham, "Im proving flexural characteristics of 3D printed geopolymer composites with in-process Steel cable reinforcement", Construction and Building Materials, Bd. 178, 5. 32-41, Juli 2018.
Das Verfahren erlaubt zwar das Einlegen einer Bewehrung, jedoch nur in der Richtung der Betonstränge (i.d.R. waagerecht). Die Implementierung der vertikalen Bewehrung muss weiterhin separat durchgeführt werden. Da die Umlenkradien durch die Biegesteifigkeit des Drahtes beschränkt sind, ist auch bei diesem Verfahren die Formenvielfalt und Freiheit der Bewehrungsführung eingeschränkt. Beispielsweise ist die Ausführung von Ecken nicht möglich. Wie beim ersten Verfahren ist bei geringen Betondeckungen auch hier der Korrosionsschutz der Bewehrung nicht gegeben. Zudem besitzen die äußerst glatten Stahldrähte unzureichende Verbundeigenschaften zum Beton, weshalb, abhängig vom Drahtdurchmesser, Verankerungslängen von bis zu 180 mm notwendig sind.
Ein viertes Verfahren, veröffentlicht in„HuaShang Tengda - Hausbau mit dem Drucker (Herstellervideo) - Video.Golem.de“, Golem.de. [Online]. Verfügbar unter: httpsJ/video.goiem. de/wissenschaft/17348/huashang-tengda-hausbau-mit-dem- drucker-herstellen/ideo.html (Abruf vom 25.02.2020), nutzt einen gegabelten Druckkopf. Der gegabelte Druckkopf umschließt die bereits eingesetzte und lagesicher montierte Bewehrung und trägt beidseitig der Bewehrung Beton auf.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist die Höhe der Bewehrung auf die Länge des gegabelten Druckkopfes beschränkt. Es sind nur relativ einfache vertikale Elemente mit über die Höhe und Länge unveränderlichem Querschnitt herstellbar. Auch die Bewehrungselemente als solche sind einfach und gleichmäßig zu gestalten, da anderenfalls das Umschließen der Bewehrung durch Beton nicht in hinreichender Qualität ausgeführt werden kann.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird extrudierter Beton üblicherweise mittels eines Applikationskopfes, der eine Extrusionsdüse umfasst, schichtweise aufgetragen. Problematisch ist dabei das dynamische Einbringen einer Bewehrung zur Verbesserung der Bauteileigenschaften. Zwar ist eine Vorrichtung bekannt, welche ein dynamisches Einbringen eines Stahldrahtes ermöglicht - allerdings zeigen sich in der Praxis Nachteile durch die Verwendung von drahtförmigen Stahlbewehrungen. So weisen Stahlbewehrungen eine geringe Flexibilität auf, was insbesondere bei komplexen Bauteilstrukturen nachteilig ist. Von Nachteil sind weiterhin eine schlechte Haftvermittlung von Stahldrähten im Betongefüge und eine Korrosionsanfälligkeit in Bereichen, in denen die Bewehrung nicht ausreichend von Beton überdeckt wird. Auch mit einem Ersatz von Stahldrähten durch Kunststoffdrähte ohne Korrosionsneigung würde sich, abgesehen von der mangelnden Festigkeit, eine nur unzureichende Anbindung an die umgebende Matrix erreichen lassen. Auch Verfahrensmerkmale aus den bekannten Lösungen könnten keine Anwendung für eine geeignete Bewehrung finden, weil beispielsweise die vorgenannten steifen Kunststoffdrähte geringe verfahrenstechnische Anforderungen an eine Zuführung stellen.
Angesichts der vorgenannten Nachteile des Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Inline-Implementierung einer temperatur- und korrosionsbeständigen Hochleistungsbewehrung für extrusionsbasierte additive Fertigungsverfahren und das Fertigungsverfahren sowie das Erzeugnis anzubieten. Das Verfahren soll zudem geeignet sein, alle drei erforderlichen Bewehrungsrichtungen, lotrechte Bewehrung parallel zur senkrechten Oberfläche, waagerechte Bewehrung und Querkraftbewehrung jeweils parallel zur waagerechten Oberfläche, insbesondere für wandartige Betonbauteile, zu integrieren und zudem einen Verfahrensablauf vorzusehen, der kontinuierlich, diskontinuierlich oder in der gewünschten Graduierung gestaltet sein kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Betonbauteils, umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine textile Bewehrung aus wenigstens einem Bewehrungsfaserstrang. Zur Bildung des Bewehrungsfaserstrangs wird zunächst ein Garn mit einer mineralischen Suspension getränkt. Das derart vorbereite Garn, insbesondere ein Multifilamentgarn, bildet danach den wenigstens einen Bewehrungsfaserstrang aus.
Nach der Erfindung wird der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang in der Weise, bevorzugt mittels einer bewegten Einrichtung zur Abgabe des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs, besonders bevorzugt spannungsfrei abgegeben, dass der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang • nach einer ersten Ausführungsform in wenigstens einen Betonstrang eingebracht oder
• nach einer zweiten Ausführungsform auf wenigstens eine Betonschicht aufgebracht wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Bewehrungsfaserstrang auf wenigstens einer vertikalen Seitenfläche mehrerer übereinander abgelegter Betonschichten des Betonbauteils aufgetragen werden, sodass außen an dem Betonbauteil angeordnet eine lotrechte Bewehrung bzw. eine bewehrte Betonschicht erzeugt wird. Dies erfolgt nach einer der oben genannten Ausführungsformen, in den Betonstrang oder auf die Betonschicht.
Weiterhin wird der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang unmittelbar bei der Ablage oder nachfolgend von dem Beton umschlossen, bevor die mineralische Suspension ausgehärtet ist. Dies stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar.
Für das Umschließen bietet sich vor allem die Materialablage durch eine Extrusionsdüse an, die den Beton abgibt. Alternativ hierzu kann die Extrusionsdüse beispielsweise gegen eine Spritzdüse ausgetauscht werden. Es kann aber auch eine weitere Betonschicht aufgebracht werden, um den Bewehrungsfaserstrang in Beton einzubetten.
Bei der Verfüllung von größeren Volumina ist keine definierte Kontur vonnöten. Bei derartigen Bauteilen ist es ungünstig, Betonstrang an Betonstrang zu reihen, da diese untereinander nur einen schlechten Verbund hätten. Solche Bauteile sollten möglichst vergossen werden. Betonage und die Bewehrungsimplementierung können jedoch auch hier durch das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltung gemäß den Unteransprüchen kombiniert werden. Insbesondere kann mittels Betonsträngen eine verlorene Schalung gebildet und diese dann mit Beton vergossen werden.
Das mittels einer verlorenen Schalung hergestellte Betonbauteil, für dessen Herstellung vorzugsweise fließfähiger Beton für das Vergießen oder bei geneigten Flächen Spritzbeton verwendet wird, kann so hergestellt werden, dass die gesamte Schalung auf einmal ausgefüllt wird. In dem Fall ist nur die Außenschale, die verlorene Schalung, bewehrt. Nach einer alternativen Ausgestaltung ist es jedoch vorgesehen, dass Betonschichten gebildet werden. Auf diese kann dann jeweils ein Bewehrungsfaserstrang in der zuvor beschriebenen Weise aufgebracht werden. Dann erhält das gesamte Volumen des Betonbauteils eine bevorzugt lastgerecht angelegte Bewehrung. Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft ein Verfahren zur extrusionsbasierten additiven Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend insbesondere horizontale Betonschichten, die durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse ausgepresst wird, die mittels einer Manipulationseinrichtung für jede Betonschicht in der insbesondere horizontalen Ebene der Betonschicht relativ zum in der Fertigung befindlichen Betonbauteil bzw. zum Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht bewegt wird. Für andere Ebenen, beispielsweise die vertikale Ebene der Seitenwände, gilt dies entsprechend. Nach der Erfindung ist als Bewehrung ein Garn, bevorzugt ein Multifilamentgarn, vorgesehen ist, das mit einer mineralischen Suspension getränkt einen Bewehrungsfaserstrang ausbildet. Der Bewehrungsfaserstrang wird dem zu fertigenden Betonbauteil mittels eines durch eine Manipulationseinrichtung bewegten Bewehrungsfaserstranglieferwerks, einer Einrichtung zur Abgabe des Bewehrungsfaserstrangs, zugeführt.
Als Bewehrungsmaterial soll der Bewehrungsfaserstrang zum Einsatz kommen, der das Garn, bevorzugt ein Multifilamentgarn umfasst, das mit einer mineralischen Suspension, insbesondere einer Partikelsuspension, z. B. auf Basis von Feinstzement, Geopolymer, alkalisch aktiviertem Binder oder puzzolanischen Feinststoffen, getränkt bzw. imprägniert ist. Als Materialien für das Multifilamentgarn kommen bevorzugt Carbon, aber auch Glas, Basalt oder Polymer in Betracht. Im frisch getränkten Zustand ist der Bewehrungsfaserstrang auch bei geringer Krafteinwirkung umformbar und kann kontinuierlich im fortschreitenden 3D-Druckprozess mittels extrudiertem Beton, wobei Betonstränge ausgebildet werden, unmittelbar (inline) in die Betonstruktur eingebracht werden.
Die Ablage der Betonstränge sowie der mineralisch imprägnierten Carbongarne erfolgt mit einer Manipulationseinrichtung, beispielsweise einem Gelenkarmroboter oder einem Portalroboter. Weiterhin ist es vorgesehen, dass ein Einlegen des Bewehrungsfaserstrangs in das herzustellende Betonbauteil und ein direktes, unmittelbar anschließendes oder ein späteres Umschließen des
Bewehrungsfaserstrangs mit Beton erfolgen, bevor die mineralische Suspension ausgehärtet ist. Zu Prozessbeginn einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prozesses stehen die Tränkung oder Imprägnierung des Garns, insbesondere eines Carbongarns als bevorzugtes Multifilamentgarn, mit einer geeigneten Suspension. Imprägnierung ist eine durchtränkende Behandlung von festen porösen Stoffen. Grundsätzliche Bedingungen für eine erfolgreiche Imprägnierung von Multifilamentgarnen mit mineralischen Suspensionen sind die folgenden Schritte:
1. Herstellung einer geeigneten Tränkungsmatrix: Um die Penetration mit der Tränkungsmatrix zu gewährleisten, muss diese ausreichend fließfähig sein und Partikel mit sich führen, die fein genug sind, um zwischen den Filamenten hindurchgleiten zu können. Diese Anforderung setzt also die Verwendung von Feinstzementen (dgs <20 pm) und sehr feinen Zusatzstoffen, wie Mikrosilika voraus. Die Zugabe von Mikrosilika fördert die Bildung von Reaktionsprodukten auf der Oberfläche der Carbongarne. Die Verwendung von mehr als 20 % Mikrosilika, bezogen auf die gesamte Bindemittelmasse, ist jedoch nicht zu empfehlen, da der Wasserbedarf der Suspension gesteigert wird und zugleich die Festigkeit der ausgehärteten Matrix sinkt.
Bezüglich der Konsistenz sind eine Fließgrenze unter 80 Pa und eine plastische Viskosität unter 1 ,5 Pa*s notwendig. Die Reduzierung dieser Parameter durch eine erhöhte Zugabe von Wasser und Fließmittel führt zu einer verbesserten Imprägnierung. Der Kompromiss zwischen Fließfähigkeit der Suspension und Festigkeit der erhärteten Bindemittelmatrix muss hierbei selbstverständlich gleichfalls beachtet werden.
2. Vorbehandlung des Garns, Führung zum Tränkungsbad: Es ist notwendig, das Garn in einem möglichst weit gespreizten Zustand zu imprägnieren. Daher empfiehlt sich die Verwendung von Multifilamentgarnen, welche als„Flat-Tow" aufgerollt sind, da diese im Gegensatz zum „Narrow-Tow" herstellerseitig bereits im gespreizten Zustand geliefert werden. Vor und während der Tränkung ist eine Verdrehung des Garnes zu vermeiden, da an dieser Stelle der gespreizte Zustand aufgehoben wird. Das Garn kann auch durch die Führung über z. B. konvexe Elemente auch vor dem Eintauchen in das Tränkungsbad ggf. zusätzlich gespreizt werden. Ein Vornässen des Garns mit Wasser hat sich als günstig für die Durchtränkung sowie für die Prozessstabilität erwiesen und kann bei Bedarf in die Imprägnierungsanlage, wie durch einen Kiss Coater, integriert werden. 3. Implementierung eines geeigneten Tränkungsverfahrens: Grundsätzlich kommen zur
Tränkung des Multifilamentgarns die aus dem Stand der Technik im textilen Bereich bekannten Verfahren unter Verwendung eines Foulard oder eines Zwickelfoulard in Frage. Beim Foulard wird das Multifilamentgarn in die Suspension geführt, welche sich in einem Tränkungsbad befindet.
Es hat sich gezeigt, dass eine mehrfache Umlenkung des Multifilamentgarns für die vollständige Durchtränkung notwendig ist. Die einfache Umlenkung ist hingegen nicht zielführend. Als Umlenkung können Rollen oder fixierte Elemente verwendet werden. Konvex geformte Umlenkungen spreizen das Carbongarn zusätzlich und verbessern die Durchtränkung.
Beim Zwickelfoulard handelt es sich um ein offenes System. Die Suspension befindet sich nicht in einem Tränkungsbad, sondern wird in den Zwickel zwischen zwei Rollen gefüllt, durch welchen das Multifilamentgarn hindurchgeführt wird. Auch hier können statt der Rollen fixierte Elemente verwendet werden, über welche das Multifilamentgarn geführt wird. Bei Bedarf können auch mehrere Garne nebeneinander durch die Tränkung geführt und anschließend gebündelt werden.
4. Abquetschen überschüssiger Suspension und Formgebung des Garns: Das Abquetschen überschüssiger Suspension und die Formgebung des getränkten Multifilamentgarns, des Bewehrungsfaserstrangs, sollten in einem Arbeitsschritt stattfinden, da hierbei eine sehr gleichmäßige Verteilung von (Carbon-)Filamenten und mineralischer Suspension erreicht wird. Für den Prozess haben sich Strangdüsen bewährt, deren Durchmesser erweiterbar sind bzw. welche sich öffnen lassen. Durch die Verengung des Querschnittes können hohe Faservolumengehalte erreicht werden.
Sofern es beim Abquetschen, zum Beispiel durch Agglomerate in der Zementsuspension, zum Stocken kommt, ist es möglich, den Durchmesser kurzzeitig zu erweitern bzw. die Strangdüse zu öffnen, um die Kontinuität des Prozesses zu gewährleisten. Zu bemerken ist, dass hohe Faservolumengehalte die Ablage der getränkten Garne deutlich erleichtern, da weniger Suspension aus dem Garn austreten kann.
Für die vorliegende Anwendung sind sowohl ein Foulard als auch ein Zwickelfoulard geeignet. Für die Zuführung des imprägnierten Garns zur Manipulationseinrichtung bestehen drei Möglichkeiten, welche sich auch auf die Konzipierung des Imprägnierungsprozesses auswirken.
Nach einer ersten Ausführungsform wird der Bewehrungsfaserstrang stationär in einer Strangvorbereitungseinrichtung, die zumindest eine Imprägniereinrichtung umfasst, gebildet und dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk zur Abgabe an das herzustellende Betonbauteil zugeführt. Diese Variante wird auch als stationär-direkt bezeichnet, denn der Bewehrungsfaserstrang wird mithilfe einer stationären Strangvorbereitungseinrichtung imprägniert oder getränkt und über eine Strangübertragung, die durch Umlenkpunkte gebildet werden kann, direkt zum an der Manipulationseinrichtung befestigten Bewehrungsfaserstranglieferwerk geleitet.
Der Imprägnier- bzw. Tränkungsprozess wird dabei bevorzugt mittels eines Drei- oder Fünf-Rollen-Foulard realisiert. Die Anzahl und die Form der Umlenkrollen (z. B. konvex zur verbesserten Garnspreizung) im Suspensionsbad der mineralischen Suspension sind variierbar. Ebenfalls vorgesehen ist ein Kiss-Coater, welcher zum Benetzen des Garns vor dem Imprägnierungs- bzw. Tränkungsprozess mit einer geringen Menge Wasser genutzt wird. Zur Zentrierung des Garns können Garnführungseinrichtungen eingesetzt werden. Das Abquetschen überschüssigen Matrixmaterials, der mineralischen Suspension, sowie die Formgebung des Querschnitts des
Bewehrungsfaserstrangs, des Bewehrungsquerschnitts, erfolgt mithilfe einer in Strangrichtung konisch oder trichterförmig geformten Strangdüse, deren
Auslassdurchmesser entweder konstant oder variabel ist. Nach der Formgebung wird das Garn über eine Umlenkrolle zum
Bewehrungsfaserstranglieferwerk geleitet. In der alternativen Ausgestaltung wird das Garn direkt in die Extrusionsdüse für den Betondruck eingeführt.
Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bewehrungsfaserstrang stationär in einer Strangvorbereitungseinrichtung gebildet und zu einer Strangspule aufgewickelt. Die Strangvorbereitungseinrichtung umfasst zumindest eine Imprägniereinrichtung, die auch als Imprägnierungsbad ausgeführt sein kann. Diese Variante wird auch als stationär-indirekt bezeichnet. Dieser Prozess ist bis zur Formgebung identisch mit der ersten Ausführungsform, die als stationär-direkter Imprägnierungs- bzw. Tränkungsvorgang bezeichnet wurde. Nach der Formgebung wird der Bewehrungsfaserstrang jedoch im Sinne eines Halbzeugs auf die weitere Spule, die Strangspule, aufgerollt.
Nach dem vollständigen Beschicken der Strangspule wird diese aus der Imprägnierungsanlage entnommen und in das Bewehrungsfaserstranglieferwerk an der Manipulationseinrichtung eingebaut, wo der Bewehrungsfaserstrang von der Strangspule wieder abgerollt und im extrusionsbasierten additiven
Herstellungsverfahren, auch als Betondruckprozess bezeichnet, verbaut wird. Zu beachten ist, dass das Zeitfenster vom Beginn des Imprägnierungsvorgangs bis zum vollständigen Einbau des Bewehrungsfaserstrangs aufgrund der fortschreitenden chemischen Reaktionen in der Suspension begrenzt ist. Sofern es gelingt, die Austrocknung bzw. Aushärtung des Garns zu verhindern, ist jedoch ein Verarbeitungszeitfenster von mehreren Stunden möglich.
Eine dritte Ausführungsform sieht vor, dass der Bewehrungsfaserstrang in dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk, das sich im Zuge des extrusionsbasierten additiven Verfahrens über die Betonbauteiloberfläche bewegt, selbst gebildet wird. Das Bewehrungsfaserstranglieferwerk umfasst dazu eine Strangvorbereitungseinrichtung, die zumindest eine Imprägniereinrichtung enthält. Diese Ausführungsform wird auch als instationär-direkt bezeichnet. Nach einer weiteren Alternative wird der Bewehrungsfaserstrang mithilfe einer Vorrichtung imprägniert bzw. getränkt, welche direkt am Manipulator befestigt ist und aus diesem Grund möglichst kompakt dimensioniert werden muss.
In allen vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung wird der Bewehrungsfaserstrang durch Tränkung mit einer mineralischen Suspension ausgebildet. Der Imprägnier- bzw. Tränkungsprozess erfolgt bevorzugt mit einem Foulard, insbesondere einem Zwickelfoulard oder einem Drei-Rollen-Foulard. Die Anzahl und Form der Umlenkrollen im Suspensionsbad, z. B. eine konvexe Form zur verbesserten Garnspreizung, ist variierbar. Zur Zentrierung des Garns können Garnführungseinrichtungen eingesetzt werden. Das Abquetschen überschüssiger Matrix sowie die Formgebung des Bewehrungsquerschnitts erfolgen mithilfe einer in Laufrichtung des Multifilamentgarns bzw. des Bewehrungsfaserstrangs konisch oder trichterförmig geformten Strangdüse, deren Auslassdurchmesser entweder konstant oder besonders vorteilhafter Weise variabel ist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Kiss- Coater vorgesehen, welcher zum Benetzen des Multifilamentgarns vor dem Imprägnierungs- bzw. Tränkungsprozess mit Wasser genutzt wird, wobei Wasser in einer geringen Menge ausreichend ist. Auch andere geeignete Verfahren zum Benetzen bzw. Vornässen sind vorgesehen.
Eine besonders bevorzugte Imprägnierungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügt zudem über eine Fadenbremse, von der das Multifilamentgarn abgewickelt wird, drei Fadenführungsebenen, über die das Multifilamentgarn begradigt wird, insgesamt vier fest stehende Umlenkungen zur Garnspreizung, einer Drei-Walzen-Foulard-Imprägnierung sowie eine Strangdüse, auch als Formgebungsdüse bezeichnet.
Unabhängig von der Art der Imprägnierung oder Tränkung und der Positionierung der entsprechenden Vorrichtung muss das imprägnierte oder getränkte Multifilamentgarn als Bewehrungsfaserstrang mechanisch zum Einbauort gefördert werden. Diese Aufgabe wird mithilfe eines Bewehrungsfaserstranglieferwerks gelöst. Das Bewehrungsfaserstranglieferwerk kann so ausgeführt sein, dass es eine direkte Integration des Bewehrungsfaserstrangs in einen Betonstrang oder eine Integration zwischen zwei Betonstränge ermöglicht. Der Bewehrungsfaserstrang wird dadurch in oder auf wenigstens eine der Betonschichten zugeführt.
Der Bewehrungsfaserstrang wird in wenigstens eine der Betonschichten bzw. in den zunächst vorliegenden Betonstrang zugeführt, auch als direkte Integration bezeichnet. Dies wird erreicht, indem das Bewehrungsfaserstranglieferwerk in Bezug auf die Extrusionsdüse bewegungsfest angeordnet ist, das heißt, beide sind miteinander verbunden. Bewehrungsfaserstranglieferwerk und Extrusionsdüse sind für jede Betonschicht in der insbesondere horizontalen Ebene der Betonschicht relativ zum Betonbauteil bzw. zum Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht bewegbar. Der Bewehrungsfaserstrang wird in Extrusionsrichtung der Extrusionsdüse abgegeben und in den austretenden Betonstrang eingebettet. Dies erfolgt beispielsweise durch Eintritt des Bewehrungsfaserstrangs in die Extrusionsdüse von der von einer Abgabeöffnung abgewandten Seite her.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausgestaltung besteht eine weitere Möglichkeit zur direkten Integration des Bewehrungsfaserstrangs zwischen die Teilstränge eines geteilten Betonstrangs. Dies erfolgt, indem der zu extrudierende Beton in zwei Teilstränge geteilt und direkt hinter der Öffnung, durch welche die Bewehrung in Form des Bewehrungsfaserstrangs eingeführt wird, wieder zusammengeführt wird, sodass die Bewehrung vom Beton umschlossen wird. Die Teilstränge werden aus zwei gesonderten, nebeneinander angeordneten Extrusionsdüsen abgegeben. Das Bewehrungsfaserstranglieferwerk darf für den Fall der direkten Integration in beiden Varianten gegenüber der Extrusionsdüse nicht verschoben oder verdreht werden.
Bei der direkten Integration wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Bewehrungsfaserstrang, beispielsweise ein mit Zement imprägniertes (Carbon-)Garn, zunächst in eine Einlaufeinrichtung, beispielsweise ausgeführt als ein Trichter, geführt und von einem ersten Walzenpaar gefördert. Ein zweites Walzenpaar lenkt das Garn in die vorgesehene Richtung, z. B. die Horizontale, um. Anschließend wird es in eine Abstreifeinrichtung sowie durch eine Guillotinen-Schneideinrichtung geleitet. Letztere erlaubt es, die Förderung des Bewehrungsfaserstrangs und das Hinzufügen einer Bewehrung zum Betonstrang jederzeit durch Abtrennen des Garns zu unterbrechen.
Über eine weitere Führungseinrichtung, welche bei horizontaler Förderung bevorzugt als ein Schlauch ausgeführt ist, wird der Bewehrungsfaserstrang direkt in die Extrusionsdüse eingebracht, die für den Betondruck vorgesehen ist. Hier wird der Bewehrungsfaserstrang in den Betonstrang integriert, welcher auf einem zuvor hergestellten Betonstrang, der unteren Betonschicht, abgelegt wird. Um einen Rückstau des extrudierten Betons in den Schlauch zu vermeiden, kann am Ende des Schlauchs eine Verschlussvorrichtung eingebaut werden. Diese kann bei der Betonextrusion ohne Bewehrungsintegration geschlossen und muss bei der Bewehrungsintegration geöffnet werden, um den Bewehrungsfaserstrang hindurchzulassen.
Alternativ zu der direkten Integration des Bewehrungsfaserstrangs ist ein Verfahren zur Ablage des Bewehrungsfaserstrangs allein vorgesehen. Dabei wird der Bewehrungsfaserstrang auf wenigstens eine der Betonschichten zugeführt. Dazu ist das Bewehrungsfaserstranglieferwerk für jede Betonschicht in der insbesondere horizontalen Ebene der Betonschicht relativ zum in der Fertigung befindlichen Betonbauteil bzw. zum Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht bewegbar. Der Bewehrungsfaserstrang wird, bevorzugt in einer Richtung vertikal nach unten auf die Betonschicht, abgegeben und von dem nachfolgenden Betonstrang überdeckt. Wenn der Bewehrungsfaserstrang vertikal nach unten abgegeben wird, kann er in jede beliebige Richtung geführt werden, ohne dass das
Bewehrungsfaserstranglieferwerk in die Richtung gedreht werden muss. Bei der Integration des Bewehrungsfaserstrangs zwischen zwei Betonschichten tritt der Bewehrungsfaserstrang somit vorzugsweise vertikal nach unten aus dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk aus und kann auch unabhängig von der Orientierung des Betonstrangs verlegt werden. Für diese Art der Garnförderung wird das zweite Walzenpaar im Bewehrungsfaserstranglieferwerk horizontal angeordnet. Die Positionierung des Bewehrungsfaserstrangs erfolgt mithilfe einer rotationssymmetrisch, elliptisch oder oval geformten, beidseitig trichterförmigen Extrusionsdüse. Während bei der direkten Integration zwar der Betonstrang ohne Bewehrung abgelegt werden kann, nicht aber der Bewehrungsfaserstrang ohne Betonstrang, ist diese Vorgehensweise bei dieser Variante möglich. Auch die Herstellung einer Bewehrungsstruktur gänzlich ohne extrudierten Beton kann somit realisiert werden.
Für den Fall der Integration des Bewehrungsfaserstrangs zwischen zwei Betonsträngen, auch als Betonfilamente bezeichnet, bzw. zwischen zwei Betonschichten kann zur verbesserten Haftung zwischen dem Bewehrungsfaserstrang und der Betonschicht aus extrudiertem Beton eine fließfähige Zementsuspension bzw. ein Mörtel in die Zwischenschicht bzw. zwischen die Betonschichten eingebracht werden. Da der Beton zur Extrusion eine sehr steife Konsistenz haben muss, besteht die Gefahr, dass das Garn nicht ausreichend vom Beton umschlossen wird, sondern sich eine Trennschicht ausbildet.
Bei beiden Arten der Ablage bzw. der Integration wird zu Beginn des Prozesses der Bewehrungsfaserstrang, bevorzugt das vorbehandelte (Carbon-)Garn, einmalig in die Fördereinrichtung eingelegt. Im weiteren Verlauf kann die Garnförderung beliebig oft gestoppt, der Bewehrungsfaserstrang mithilfe der Schneideinrichtung durchtrennt und bei Bedarf der Bewehrungsfaserstrang erneut gefördert werden. Sofern der Bewehrungsgrad im Beton variiert werden soll, besteht die Möglichkeit, mehrere Garne zu fachen, d. h. im Unterschied zum Zwirnen mehrere Garne ohne Drehung zusammenzufassen, oder mehrere Garne nebeneinander anzuordnen, was zu einem vergleichbaren Ergebnis führt. Alternativ kann die Höhe und ggf. auch die Breite der Betonstränge verändert werden.
Die Implementierung der horizontalen Bewehrungslagen kann entsprechend mit den jeweiligen Betonschichten gekoppelt werden. Die Längsbewehrung wird entsprechend mit den Betonsträngen in Betonbauteillängsrichtung abgelegt, die Querkraftbewehrung unter Bildung zick-zack-förmiger Aussteifungen. Bei der Garnablage kann der
Bewehrungsfaserstrang dabei vorteilhafterweise über den im Zick-Zack extrudierten Betonstrang hinausgeführt und erst auf dem Betonstrang in Längsrichtung nach Überlappung mit dessen Bewehrung abgelegt werden. Damit besteht die Möglichkeit einer kraftschlüssigen Verbindung der flächenbildenden Längsfilamente und der querkraftabtragenden Aussteifung.
Im Baufortschritt laufen die vorgenannten Prozesse abwechselnd ab. Außerdem ist es vorgesehen, dass der Bewehrungsfaserstrang auf vertikale Flächen des Betonbauteils von außen abgegeben wird, sodass eine lotrechte Bewehrung, bevorzugt inklusive eines überdeckenden Betonstrangs, besonders bevorzugt beidseitig auf dem herzustellenden Betonbauteil, erzeugt wird. Hierzu kann als Manipulationseinrichtung ein Gelenkarmroboter mit dreidimensionaler Beweglichkeit zum Einsatz kommen. Die Bewehrung der vertikalen Flächen erfolgt nach der Fertigstellung des Betonbauteils oder eines Bauteilabschnittes, wenn die lotrechte Bewehrung inklusive überdeckender Betonstränge beidseitig von außen auf die Kontur gedruckt werden kann. Der
Bewehrungsfaserstrang kann, wie erwähnt, ebenfalls von einem Betonstrang überdeckt oder in ihm integriert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können neben wandartigen Elementen auch weitere Bauteile hergestellt werden. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, ein Bauteil gänzlich additiv (z. B. extrusionsbasiert) herzustellen oder lediglich die Kontur zu fertigen. Die Fläche bzw. der Raum innerhalb der Kontur kann anschließend mit einer Bewehrung versehen werden, beispielsweise mithilfe des zuvor beschriebenen "indirekten Verfahrens", also die insbesondere schichtweise Betonage nach dem Aufbringen des Bewehrungsfaserstrangs auf die vorherige Betonschicht. Alternativ kann auch eine Bewehrung nach dem Stand der Technik verwendet werden. Diese Vorgehensweise kann u. a. für ebene oder gekrümmte Flächen angewandt werden.
Die Fertigung von balkenartigen Bauteilen kann in ähnlicher Vorgehensweise wie die von wandartigen Bauteilen erfolgen, mit dem Unterschied, dass hierbei in der Zugzone mehr Längsbewehrung benötigt wird. Hierzu können mehrere bewehrte Betonfilamente, die erfindungsgemäßen Faserstränge, neben- und/oder übereinander gelegt werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils. Das Betonbauteil umfasst ein Matrixmaterial Beton und eine Bewehrung aus wenigstens einem textilen Bewehrungsfaserstrang. Es ist eine Imprägniereinrichtung vorgesehen, die aus einem Garn den mit einer mineralischen Suspension getränkten Bewehrungsfaserstrang ausbildet. Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung und bevorzugt spannungsfreien Ablage des textilen Bewehrungsfaserstrangs vorgesehen.
Weiterhin ist ein Bewehrungsfaserstranglieferwerk, eine Einrichtung zur Abgabe des Bewehrungsfaserstrangs, vorgesehen, das relativ zu dem Betonbauteil bzw. zum Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht bewegbar und geeignet ist, den Bewehrungsfaserstrang
• nach einer ersten Ausführungsform in einen Betonstrang einzubringen,
• nach einer zweiten Ausführungsform auf einer Betonschicht aufzubringen oder · nach einer dritten Ausführungsform auf einer vertikalen Seitenfläche mehrerer übereinander abgelegter Betonschichten des Betonbauteils aufzubringen oder in den dort aufgetragenen Betonstrang einzubringen.
In allen Ausführungsformen ist gesichert, dass ein unmittelbares oder nachfolgendes Umschließen des Bewehrungsfaserstrangs mit Beton erfolgt, bevor die mineralische Suspension ausgehärtet ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung zur extrusionsbasierten additiven Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend insbesondere horizontale Betonschichten, die durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, vorgesehen. Der Betonstrang wird aus einer Extrusionsdüse ausgepresst, die mittels einer Manipulationseinrichtung für jede Betonschicht in der insbesondere horizontalen Ebene der Betonschicht relativ zum in der Fertigung befindlichen Betonbauteil bzw. zum Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht bewegt wird. Die Vorrichtung umfasst die Manipulationseinrichtung und die Extrusionsdüse.
Erfindungsgemäß ist eine Imprägniereinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, ein als Bewehrung vorgesehenes Garn, bevorzugt ein Multifilamentgarn, mit einer mineralischen Suspension zu tränken und damit einen Bewehrungsfaserstrang auszubilden, der als Bewehrung zum Einsatz kommen kann. Weiterhin ist ein bewegbares Bewehrungsfaserstranglieferwerk vorgesehen, das geeignet ist, den Bewehrungsfaserstrang in der Weise dem herzustellenden Betonbauteil mittels Bewegung durch eine Manipulationseinrichtung bevorzugt spannungsfrei zuzuführen, dass ein Einlegen des Bewehrungsfaserstrangs in das herzustellende Betonbauteil und ein direktes, unmittelbar anschließendes oder alternativ ein später erfolgendes Umschließen des Bewehrungsfaserstrangs mit Beton erfolgt, bevor die mineralische Suspension ausgehärtet ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Manipulationseinrichtung stellen ein Gelenkarm roboter mit dreidimensionaler Beweglichkeit oder ein Portalroboter mit wenigstens zweidimensionaler Beweglichkeit dar. Für den Einsatz des Portalroboters muss zumindest die Beweglichkeit der Extrusionsdüse in der Ebene bei vertikal beweglichem Betonbauteil, z. B. über einen Hubtisch, gesichert sein.
Die Imprägniereinrichtung umfasst bevorzugt eine Garnspule, die ein Multifilamentgarn aufnimmt, einen Foulard, insbesondere einen Dreirollen-Foulard, oder einen Zwickelfoulard. Als vorteilhaft hat sich im Rahmen der Einrichtung zur Vorbehandlung des Multifilamentgarns eine Strangdüse zum Abquetschen überschüssiger Suspension aus dem Bewehrungsfaserstrang sowie zur Formgebung des Bewehrungsquerschnitts, des Querschnitts des Bewehrungsfaserstrangs, eine in Laufrichtung des Bewehrungsfaserstrangs konisch oder trichterförmig geformt ist und einen konstanten oder variablen Auslassdurchmesser aufweist.
Die Imprägniereinrichtung weist in ihrer bevorzugten Ausführungsform weiterhin einen Kiss-Coater auf, welcher zum Benetzen des Multifilamentgarns vor dem Imprägnierungs- bzw. Tränkungsprozess mit einer geringen Menge Wasser geeignet ist. Die Imprägniereinrichtung ist nach einer ersten Ausführungsform stationär ausgeführt und umfasst eine Einrichtung zur Zulieferung des Bewehrungsfaserstrangs an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk oder nach einer zweiten Ausführungsform eine Einrichtung zur Speicherung des Bewehrungsfaserstrangs auf einer Strangspule, die zur Zulieferung an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk vorgesehen ist. Nach einer dritten Ausführungsform ist die Imprägniereinrichtung mit dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk verbunden, sodass die unmittelbare Zulieferung des Bewehrungsfaserstrangs an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk bei Bedarf, auch während dessen Bewegung, erfolgen kann.
Das Bewehrungsfaserstranglieferwerk umfasst zur direkten Integration des Bewehrungsfaserstrangs in den Beton einen Trichter und ein erstes Walzenpaar, die den Bewehrungsfaserstrang fördern. Ein zweites Walzenpaar ist vorgesehen, um den Bewehrungsfaserstrang in die erforderliche, beispielsweise in die horizontale Lage, umzulenken. Weiterhin sind eine Abstreifeinrichtung sowie eine Guillotinen- Schneideinrichtung vorgesehen, durch die der Bewehrungsfaserstrang anschließend gefördert wird, wobei eine weitere Führungseinrichtung vorgesehen ist, welche bei horizontaler Förderung vorzugsweise als Schlauch ausgeführt ist. Mit Hilfe der weiteren Führungseinrichtung wird der Bewehrungsfaserstrang direkt in die Extrusionsdüse in Extrusionsrichtung eingebracht, sodass der Bewehrungsfaserstrang in den
Betonstrang integriert wird.
Als vorteilhaft hat sich weiterhin eine Verschlussvorrichtung erwiesen, die bei der Betonextrusion ohne Bewehrungsintegration, d. h. ohne Integration des
Bewehrungsfaserstrangs in den Betonstrang, geschlossen und bei der
Bewehrungsintegration, d. h. bei der Integration des Bewehrungsfaserstrangs in den Betonstrang, geöffnet werden kann. Die Verschlussvorrichtung hilft einen Rückstau des extrudierten Betons in die weitere Führungseinrichtung zu vermeiden.
Alternativ dazu ist die Extrusionsdüse derart ausgeführt ist, dass der zu extrudierende Beton in zwei Teilstränge geteilt und direkt hinter einer Öffnung, durch welche der Bewehrungsfaserstrang eingeführt wird, wieder zusammenläuft, sodass der Bewehrungsfaserstrang sofort vom Beton umschlossen wird, auch ohne eine aufwändige Abdichtung vornehmen zu müssen. Um den Bewehrungsfaserstrang zwischen zwei Betonschichten einzubringen, ist ein Bewehrungsfaserstranglieferwerk vorgesehen, dass diesen vertikal nach unten abgibt. Dessen Funktion wurde mit dem Betriebsverfahren oben bereits beschrieben. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein extrusionsbasiert additiv hergestelltes bewehrtes Betonbauteil, umfassend insbesondere horizontale Betonschichten, die durch wenigstens einen Betonstrang gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse ausgepresst wurde. Nach der vorliegenden Erfindung ist als Bewehrung ein Garn und insbesondere ein Multifilamentgarn vorgesehen, das zum Einbau in den Betonstrang oder zwischen zwei Betonstränge mit einer mineralischen Suspension getränkt als ein Bewehrungsfaserstrang vorliegt, der in dem Betonbauteil mit Beton vollständig umschlossen vorliegt, wobei der Einbau und das Umschließen vor Aushärtung der mineralischen Suspension erfolgte. Vorteilhafterweise ist das Betonbauteil erhältlich nach einem Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde.
Die Erfindung ermöglicht vorteilhafter Weise die Inline-Implementierung einer leistungsfähigen und dauerhaften Bewehrung in die additive Fertigung mit Beton, auch als Beton-3D-Druck bezeichnet. Mithilfe der Erfindung kann die vollautomatisierte und volldigitalisierte Fertigung von Betonbauteilen realisiert werden. Dies stellt einen wesentlichen Fortschritt für die Etablierung des 3D-Betondruckverfahrens im Konzept des digitalen Bauens dar. Durch die Erfindung wird ebenfalls die Herstellung von geschwungenen oder sich verjüngenden, nichtkorrodierenden und hochtemperaturbeständigen Betonbauteilen ermöglicht. Bei Herstellung von mineralisch getränkten (Carbon-)Faserbewehrungen nach dem Stand der Technik existiert das Problem, dass diese äußerst dünnen Strukturen sehr schnell austrocknen und somit die Erhärtung des Bindemittels nicht optimal verläuft. Da das beschriebene Verfahren ein direktes, unmittelbar anschließendes oder alternativ hierzu ein kurzfristig später nachfolgendes Umschließen des Bewehrungsfaserstrangs mit Beton vorsieht („frisch in frisch“), handelt es sich hierbei um eine ideale Nachbehandlung, die die bestehenden Nachteile der bekannten Lösungen überwindet.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils mit eingebrachter Längsbewehrung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils mit eingebrachter Querbewehrung;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils mit eingebrachter lotrechter Bewehrung;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur direkten Integration eines Bewehrungsfaserstrangs;
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Integration eines Bewehrungsfaserstrangs zwischen Betonschichten;
Fig. 6: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stationär-direkten Garnlieferung;
Fig. 7: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stationär-indirekten Garnlieferung und
Fig. 8: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur instationär-direkten Garnlieferung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils 1 mit eingebrachter Längsbewehrung 22, ausgeführt als ein Bewehrungsfaserstrang 28. Der Bewehrungsfaserstrang 28 ist in einen Betonstrang 4 eingebettet. Der Betonstrang 4 wird auf die Betonschicht 2, die aus einem zuvor hergestellten Betonstrang 4 hervorgegangen ist, aufgelegt, sodass sich die additive, schichtweise Herstellung des Betonbauteils 1 ergibt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils 1 mit eingebrachter Querbewehrung 24, bestehend aus einem Bewehrungsfaserstrang 28. Die Querbewehrung 24 sorgt für Festigkeit der Querstreben, die im Zickzack im Inneren des Betonbauteils 1 angelegt sind. Auch hier ist der Bewehrungsfaserstrang 28 in den Betonstrang 4 eingebettet.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils 1 mit eingebrachter lotrechter Bewehrung 26 mittels eines Bewehrungsfaserstrangs 28. Ist die Fertigung des Betonbauteils 1 oder eines Abschnitts davon im Sinne der Figuren 1 und 2 abgeschlossen, wird an der Außenwand die lotrechte Bewehrung 26 aufgebracht, die für die Biegetragfähigkeit bei horizontaler Belastungsrichtung sorgt. In der bevorzugten Ausführungsform wird, wie dargestellt, auch die Bewehrung 26 in einen Betonstrang 4 eingebettet. Dadurch ist eine optimale Anbindung an die Betonmatrix gewährleistet und der Bewehrungsfaserstrang 28 zudem vor Beschädigung geschützt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungsfaserstranglieferwerks 40 zur direkten Integration des Bewehrungsfaserstrangs 28 in den Betonstrang 4. Das Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40 zur direkten Integration des Bewehrungsfaserstrangs 28 ist fest mit der Extrusionsdüse 6 verbunden, da die Richtung der Abgabe des Bewehrungsfaserstrangs 28 auf die Arbeitsrichtung der Extrusionsdüse 6 festgelegt ist. Der Bewehrungsfaserstrang 28 wird dem
Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40 zum Einsatz als Längsbewehrung 22, Querbewehrung 24 oder lotrechte Bewehrung 26 zugeführt und läuft über die Einlaufeinrichtung 41 in das Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40 ein. Zunächst wird der Bewehrungsfaserstrang 28 durch ein erstes Walzenpaar 42 ergriffen. Ein zweites Walzenpaar 43 übernimmt die Ablenkung des Bewehrungsfaserstrangs 28 in die Arbeitsrichtung. Auf das zweite Walzenpaar 43 folgt eine Guillotinen- Schneideinrichtung 44, auf die wiederum eine weitere Führungseinrichtung, ausgeführt als Schlauch 46, folgt. Der Schlauch 46 weist vorteilhafterweise eine verschließbare Öffnung auf, die verschlossen werden kann, wenn kein Bewehrungsfaserstrang 28 austritt und ein Eindringen von Beton verhindert werden soll. Der Schlauch 46 mündet in die Extrusionsdüse 6 ein, sodass der Bewehrungsfaserstrang 28 unmittelbar in den durch die Extrusionsdüse 6 strömenden Beton eingebettet werden kann und gemeinsam mit diesem als bereits„bewehrter“ Betonstrang 4 aus der Extrusionsdüse 6 austritt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungsfaserstranglieferwerks 50 zur Integration eines Bewehrungsfaserstrangs 28 in eine Zwischenschicht bzw. einen Zwischenraum zwischen zwei Betonsträngen 4 bzw. zwei Betonschichten 2. Dabei wird zuerst ein erster Betonstrang 4 als eine Betonschicht 2 aufgetragen und darauf der Bewehrungsfaserstrang 28 als Längsbewehrung 22, Querbewehrung 24 oder lotrechte Bewehrung 26 aufgebracht. Danach wird über die Extrusionsdüse 6 ein weiterer Betonstrang 4 aufgebracht, der eine weitere Betonschicht 2 bildet, den Bewehrungsfaserstrang 28 sofort überdeckt und damit in die Betonmatrix einbettet.
Damit das Aufbringen des Bewehrungsfaserstrangs 28 auch unabhängig von der Arbeitsrichtung der Extrusionsdüse 6 erfolgen kann, was beispielsweise vorteilhaft für eine Überdeckung der Bewehrung sein kann, wird der Bewehrungsfaserstrang 28 senkrecht nach unten aus dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk 50 über eine Auslaufführungseinrichtung 56 abgegeben. Zuvor durchläuft der Bewehrungsfaserstrang 28 ein erstes Walzenpaar 52, ein zweites Walzenpaar 53 und eine Schneideinrichtung 54. Der Bewehrungsfaserstrang 28 läuft zuvor über eine Einlaufeinrichtung 51 in das Bewehrungsfaserstranglieferwerk 50 ein.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 60 zur stationär-direkten Garnlieferung an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40 zur direkten Integration in den Betonstrang 4 noch vor dem Austritt aus der Extrusionsdüse 6 oder an das
Bewehrungsfaserstranglieferwerk 50 zur Abgabe zwischen zwei Betonstränge 4.
Charakteristisch für diese Ausführungsform ist, dass eine Strangvorbereitungseinrichtung 62 vorgesehen ist, die mittels einer Strangübertragung 64, im einfachen Fall als Umlenkpunkte ausgeführt, den Bewehrungsfaserstrang 28 an das sich mit der Extrusionsdüse 6 bewegende Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40, 50 überträgt. Die Strangvorbereitungseinrichtung 62 umfasst eine Garnspule 21 , von der ein Multifilamentgarn 20 abgegeben wird. Von dort aus läuft es durch die Vorrichtung zum Vornässen 32, die in der bevorzugten Ausführungsform als ein Kiss-Coater ausgeführt ist. Von dort aus erreicht das bevorzugt vorgenässte Multifilamentgarn eine Imprägniereinrichtung 33, die bevorzugt als ein Foulard ausgeführt ist. Dieser fördert das Multifilamentgarn 20 über drei Walzen, wodurch die mineralische Suspension 35 zwischen die Filamente des Multifilamentgarns 20 eindringen kann und für eine optimale Imprägnierung sorgt. Zum Abschluss dient eine Strangdüse 34 dazu, überschüssige Suspension 35 abzustreifen und dem Bewehrungsfaserstrang 28 die gewünschte Querschnittsform zu geben. Danach wird der so gebildete Bewehrungsfaserstrang 28 über die Strangübertragung 64 abgezogen. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 70 zur stationär-indirekten Garnlieferung, die ebenfalls eine Strangvorbereitungseinrichtung 72 umfasst, die jedoch im Anschluss an die Strangdüse 34 eine weitere Spule, die Strangspule 74 aufweist. Auf diese wird der frisch gebildete Bewehrungsfaserstrang 28 aufgewickelt. Die Strangspule 74 wird unmittelbar danach zu dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40, 50 gebracht, damit die zur Imprägnierung verwandte mineralische Suspension nicht in unerwünschter Weise ausgehärtet. Dort wird der Bewehrungsfaserstrang 28, wie zuvor beschrieben, in das Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40, 50 eingeführt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80 zur instationär-direkten Garnlieferung. Dabei ist die gesamte Strangvorbereitungseinrichtung 82 unmittelbar mit dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40, 50 und der daran angeschlossenen Extrusionsdüse 6 verbunden. Die gesamte Baugruppe, bestehend aus Extrusionsdüse 6, Bewehrungsfaserstranglieferwerk 40, 50 und Vorrichtung 80, wird durch eine Manipulationseinrichtung über dem Betonbauteil bewegt, um die Abgabe der Betonstränge 4 zu ermöglichen. Dabei gibt die Strangvorbereitungseinrichtung 82 stets frisch hergestellte Faserstränge 28 ab, wobei deren Herstellung entsprechend der in der Beschreibung der Figuren 6 und 7 dargestellten Art und Weise erfolgt.
Bezugszeichenliste
1 Betonbauteil
2 Betonschicht
4 Betonstrang
6 Extrusionsdüse
20 Garn, Multifilamentgarn
21 Garnspule
22 Längsbewehrung
24 Querbewehrung
26 lotrechte Bewehrung
28 Bewehrungsfaserstrang
32 Vorrichtung zum Vornässen (Kiss-Coater)
33 Imprägnierungseinrichtung (Foulard)
34 Strangdüse
35 mineralische Suspension
40 Bewehrungsfaserstranglieferwerk (für direkte Integration)
41 Einlaufeinrichtung
42 erstes Walzenpaar
43 zweites Walzenpaar
44, 54 Schneideinrichtung (Guillotinen-)
46 Führungseinrichtung (Schlauch)
50 Bewehrungsfaserstranglieferwerk (für Zwischenschicht)
51 Einlaufeinrichtung
52 erstes Walzenpaar
53 zweites Walzenpaar
56 Auslaufführungseinrichtung
60 Vorrichtung zur stationär-direkten Garnlieferung
62 Strangvorbereitungseinrichtung (mit Strangübertragung)
64 Strangübertragung
70 Vorrichtung zur stationär-indirekten Garnlieferung
72 Strangvorbereitungseinrichtung (mit Strangspule)
74 Strangspule
80 Vorrichtung zur instationär-direkten Garnlieferung
82 Strangvorbereitungseinrichtung (mobil)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils, umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine textile Bewehrung aus wenigstens einem Bewehrungsfaserstrang, wobei ein Garn (20) mit einer mineralischen Suspension (35) getränkt und damit der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) aus einer bewegten Einrichtung zur Abgabe des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) abgegeben wird, sodass der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) nach einer ersten Ausführungsform in wenigstens einen Betonstrang (4) eingebracht, nach einer zweiten Ausführungsform auf wenigstens eine Betonschicht (2) aufgebracht oder nach einer dritten Ausführungsform auf wenigstens einer vertikalen Seitenfläche mehrerer übereinander abgelegter Betonschichten (2) des Betonbauteils (1) aufgebracht oder in den dort aufgetragenen Betonstrang (4) eingebracht wird, sodass außen angeordnet eine lotrechte Bewehrung (26) erzeugt wird, und wobei weiterhin der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) unmittelbar bei der Ablage oder nachfolgend von dem Beton umschlossen wird, bevor die mineralische Suspension (35) ausgehärtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Herstellung des Betonbauteils (1) mittels eines Verfahrens zur extrusionsbasierten additiven Herstellung erfolgt, wobei die Betonschichten (2) durch den wenigstens einen Betonstrang (4) gebildet werden, der aus einer Extrusionsdüse (6) ausgepresst wird, wobei für die Herstellung jeder Betonschicht (2) mittels einer Manipulationseinrichtung in der Ebene der Betonschicht (2) eine relative Bewegung zwischen der Extrusionsdüse (6) einerseits und einem Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht (2) andererseits erfolgt, wobei der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) in wenigstens einen der Betonstränge (4) eingebracht oder auf wenigstens eine der Betonschichten (2) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) in wenigstens eine der Betonschichten (2) eingebracht wird, indem das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40), ausgebildet für eine direkte Integration des Bewehrungsfaserstrangs (28) in den wenigstens einen aus der Extrusionsdüse (6) austretenden Betonstrang (4), wobei das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40) in Bezug auf die Extrusionsdüse (6) bewegungsfest angeordnet ist, wobei für die Herstellung jeder Betonschicht (2) das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40) und die Extrusionsdüse (6) einerseits und der Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht (2) andererseits in der Ebene der Betonschicht (2) relativ zueinander bewegt werden, und wobei der Bewehrungsfaserstrang (28) in einer Extrusionsrichtung der Extrusionsdüse (6) abgegeben und zugleich in den Betonstrang (4) eingebettet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) auf wenigstens eine der Betonschichten (2) aufgebracht wird, indem das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (50), ausgebildet für eine Integration des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) zwischen die Betonschichten (2), in der Ebene der Betonschicht (2) relativ zum Untergrund oder zu der zuvor hergestellten Betonschicht (2) bewegt wird, den wenigstens einen Bewehrungsfaserstrang (28) abgibt und dieser von dem nachfolgend aufgebrachten Betonstrang (4), der eine weitere Betonschicht (2) ausbildet, überdeckt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zur verbesserten Haftung zwischen dem Bewehrungsfaserstrang (28) und der Betonschicht (2) eine fließfähige Zementsuspension oder ein Mörtel zwischen die Betonschichten (2) eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das an einer Manipulationseinrichtung angeordnete Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) eine Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) und eine Imprägnierungseinrichtung (33) umfasst, wobei nach einer ersten Ausführungsform der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) stationär in der Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) gebildet und an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) übertragen wird, wobei nach einer zweiten Ausführungsform der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) stationär in der Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) gebildet, zu einer Strangspule (74) aufgewickelt, die Strangspule (74) mit dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) in der Weise verbunden wird, dass der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) aus der Strangspule (74) an das Betonbauteil (1) zugeführt wird, wobei nach einer dritten Ausführungsform das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) eine mobile Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) umfasst und der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) in dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) durch Tränkung mit einer mineralischen Suspension (35) ausgebildet wird, indem der Imprägnierprozess mit einem Foulard erfolgt; das Abquetschen überschüssiger Suspension (35) sowie die Formgebung des Querschnitts des Bewehrungsfaserstrangs (28) erfolgen mithilfe einer in Abgaberichtung konisch oder trichterförmig geformten Strangdüse (34).
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Betonschichten (2) eine verlorene Schalung bilden und in die verlorene Schalung fließfähiger Beton eingefüllt wird, wobei die gesamte Schalung auf einmal ausgefüllt wird oder Betonschichten (2) gebildet werden, die gemäß einem Verfahren nach Anspruch 4 mit wenigstens einem Bewehrungsfaserstrang (28) versehen werden.
9. Vorrichtung zur Herstellung eines bewehrten Betonbauteils (1), das Betonbauteil (1) umfassend ein Matrixmaterial Beton und eine Bewehrung aus wenigstens einem textilen Bewehrungsfaserstrang (28), wobei ein Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) als eine Einrichtung zur Abgabe des Bewehrungsfaserstrangs (28), umfassend eine Imprägniereinrichtung (33), die aus einem Garn (20) den mit einer mineralischen Suspension (35) getränkten Bewehrungsfaserstrang (28) ausbildet, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) relativ zu einem Untergrund oder einer zuvor hergestellten Betonschicht (2) bewegbar und geeignet ist, den Bewehrungsfaserstrang (28) nach einer ersten Ausführungsform in einen Betonstrang (4) einzubringen, der aus einer Extrusionsdüse (6) abgegeben wird, nach einer zweiten Ausführungsform auf eine bereits aufgebrachte Betonschicht (2) aufzubringen oder nach einer dritten Ausführungsform auf einer vertikalen Seitenfläche mehrerer übereinander abgelegter Betonschichten (2) des Betonbauteils (1) aufzubringen oder in den dort aufzutragenden Betonstrang (4) einzubringen, sodass bei jeder der Ausführungsformen ein unmittelbares oder nachfolgendes Umschließen des Bewehrungsfaserstrangs (28) mit Beton erfolgen kann, bevor die mineralische Suspension (35) ausgehärtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, ausgeführt zur extrusionsbasierten additiven Herstellung des Betonbauteils (1), das durch wenigstens einen Betonstrang (4) gebildet wird, der aus einer Extrusionsdüse (6) ausgepresst wird, die mittels einer Manipulationseinrichtung für jede Betonschicht (2) in der Ebene der Betonschicht (2) relativ zu dem Untergrund oder der zuvor hergestellten Betonschicht (2) bewegt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) eine Manipulationseinrichtung aufweist, die als ein Gelenkarm roboter mit dreidimensionaler Beweglichkeit oder als ein Portalroboter mit wenigstens zweidimensionaler Beweglichkeit in der Ebene ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei eine Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) eine Garnspule (21), die ein Garn (20) aufnimmt, die Imprägniereinrichtung (33), ausgeführt als ein Foulard oder ein Zwickelfoulard, umfasst und weiterhin eine Strangdüse (34) aufweist, die zum Abquetschen überschüssiger Suspension (35) sowie zur Formgebung des Querschnitts des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) geeignet ist, in Extrusionsrichtung konisch oder trichterförmig geformt ist und einen konstanten oder einen variablen Auslassdurchmesser aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72, 82) weiterhin eine Vorrichtung (32) zum Vornässen aufweist, welche zum Benetzen des Garns (20) vor dem Imprägnierungsprozess mit Wasser geeignet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Strangvorbereitungseinrichtung (62, 72) stationär ausgeführt ist und eine Strangübertragung (64) zur Zulieferung des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) umfasst, oder wobei eine Einrichtung zur Speicherung des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) auf einer Strangspule (74), die zur Zulieferung an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) vorgesehen ist, umfasst, oder wobei die Strangvorbereitungseinrichtung (82) mit dem Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50) verbunden ist, sodass die unmittelbare Zulieferung des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) an das Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40, 50), auch während dessen Bewegung, erfolgen kann.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das
Bewehrungsfaserstranglieferwerk (40) zur direkten Integration des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) in den Beton eine Einlaufeinrichtung (41) und ein erstes Walzenpaar (42) umfasst, das den wenigstens einen Bewehrungsfaserstrang (28) fördert, ein zweites Walzenpaar (43) ist vorgesehen, um den wenigstens einen Bewehrungsfaserstrang (28) in Richtung einer horizontalen Lage umzulenken, weiterhin sind eine Abstreifeinrichtung sowie eine Schneideinrichtung (44) vorgesehen, durch die der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) anschließend gefördert wird, wobei weiterhin eine Führungseinrichtung (46) vorgesehen ist, wobei mit Hilfe der
Führungseinrichtung (46) der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) direkt in die Extrusionsdüse (6) in Extrusionsrichtung eingebracht wird, sodass der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) in den aus der Extrusionsdüse (6) austretenden
Betonstrang (4) integriert wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei weiterhin eine
Verschlussvorrichtung vorgesehen ist, die bei der Betonextrusion ohne Integration des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) in den Betonstrang (4) geschlossen werden kann und bei der Integration des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) in den Betonstrang (4) geöffnet ist und die einen Rückstau des extrudierten Betons in die Führungseinrichtung (46) zu vermeiden hilft.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Extrusionsdüse (6) derart ausgeführt ist, dass der zu extrudierende Beton in zwei Teilstränge geteilt und direkt hinter einer Öffnung, durch welche der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) zwischen die zwei Teilstränge eingeführt wird, zur Einbettung des wenigstens einen Bewehrungsfaserstrangs (28) in den Beton wieder zusammengeführt werden kann.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei das
Bewehrungsfaserstranglieferwerk (50) zur Abgabe des wenigstens einen
Bewehrungsfaserstrangs (28) vertikal nach unten ausgeführt ist.
19. Bewehrtes Betonbauteil, bei dem eine verlorene Schalung mit fließfähigem Beton oder Spritzbeton ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die verlorene Schalung aus Betonschichten (2) gebildet ist, die gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gebildet ist.
20. Bewehrtes Betonbauteil nach Anspruch 19, wobei der fließfähige Beton oder der Spritzbeton schichtweise eingefüllt und auf zumindest einen Teil der Betonschichten (2) ein Bewehrungsfaserstrang (28) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 4 aufgebracht wird.
21. Bewehrtes Betonbauteil (1), das extrusionsbasiert additiv hergestellt ist, umfassend Betonschichten (2), die durch wenigstens einen Betonstrang (4) gebildet werden, der aus wenigstens einer Extrusionsdüse (6) ausgepresst wurde, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewehrung ein Garn (20) vorgesehen ist, das zum Einbau in den Betonstrang (4) oder zwischen zwei Betonstränge (4) oder zwischen zwei Betonschichten (2) mit einer mineralischen Suspension (35) getränkt als wenigstens ein Bewehrungsfaserstrang (28) vorliegt, der in dem Betonbauteil (1) mit Beton vollständig umschlossen vorliegt, wobei der Einbau und das Umschließen vor Aushärtung der mineralischen Suspension (35) erfolgte, wobei der wenigstens eine Bewehrungsfaserstrang (28) als Längsbewehrung (22), Querbewehrung (24) und/ oder lotrechte Bewehrung (26) vorgesehen ist.
22. Betonbauteil nach Anspruch 21 , erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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