WO2019092162A1 - Bewehrung von 3d-gedruckten betonkörpern - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component made of hardenable material according to the preamble of claim 1 and a corresponding component according to the preamble of claim 7.
  • a component made of hardenable material according to the preamble of claim 1 and a corresponding component according to the preamble of claim 7.
  • the production of concrete structures is still largely based on craftsmanship.
  • such structures or parts of these structures can be produced in two different ways.
  • the process is time consuming and requires the deployment of a large number of site workers.
  • Another method is to pour the concrete parts of the structure beforehand in a factory, so to create as prefabricated components and deliver as such to the site. Not only walls or floor components, but entire room cells can be manufactured as prefabricated concrete parts and delivered to the construction site.
  • This method is less expensive, but has a high degree of standardization and is therefore suitable only for the production of a large number of identical or similar structures or for very large structures which require a large number of identical spatial cells. An individual design is again possible only with high cost.
  • the building is designed on a computer and the data is then forwarded to a printer.
  • the printer is a fully automatic gantry robot that is larger than the building or part of the building to be constructed.
  • gantry robots can also Multi-axis or console robot or mobile robot can be used.
  • This has a print head and concrete feeds, via which the in-situ concrete is fed to the print head.
  • This printhead then pours the structure to be created or its walls in several layers on top of each other, each layer has a thickness between 1 and 10 cm.
  • the concrete used here is viscous enough to keep the stability until curing, or at least until hardening. In this way, the print head pours a wall in a plurality of layers arranged one above the other.
  • the problem is the creation of buildings by means of 3D printing process the reinforcement of the walls.
  • finished steel frameworks or similar reinforcing elements can be incorporated, but this can only take place when the wall is at least partially printed, since otherwise the reinforcing elements would disturb or prevent the movement of the printing head. If one waits, however, until the wall is completely printed, the lower layers of the concrete are already completely or largely cured, so that subsequently no reinforcing elements can be introduced more.
  • CN 106313272 A describes a 3 D printing process for the manufacture of concrete structures in which the concrete is reinforced with fibrous materials and where two printheads are used, one of which prints the concrete and the other steel elements.
  • the introduced steel elements each overlap two superimposed layers of concrete and connect them thus.
  • the disadvantage here is that only a selective connection of adjacent concrete layers is possible, but no large-area reinforcement, as in classical manufacturing method, e.g. with steel mats is possible.
  • Figure 1 A cross section through a partially created component according to the inventive method
  • Figure 2 an enlarged view of adjacent reinforcing elements with schematically shown power transmission.
  • a 3D printer e.g. in the form of a fully automatic gantry robot, which can print a wall or a full room cell or other vertical units of a building in successive layers.
  • a component is shown in the formation process, which consists of several superimposed printed layers of concrete, two middle layers are exemplified by the reference numerals 2 and 3 and wherein the topmost position is still in the formation process - ie during the printing process - is ,
  • each layer 2 or 3 of the curable material in this case concrete, is applied in a 3D printing method and in a second method step, a plurality of similar reinforcing elements 4 designed as elongate loops are introduced into the layers 2 and 3, respectively. Both process steps are cyclically repeated until the completion of the component 1.
  • Each reinforcing element 4 consists either of a rigid material, in particular metal, eg steel, and can be inserted into the uncured layers 2 or 3 of the curable material after they have been printed.
  • each reinforcing element 4 made of a flexible material, such as a tensile thread, eg made of Kevlar, and then inserted by means of a guide pin in the uncured layers 2 and 3 of the curable material.
  • Each reinforcing element 4 extends over at least two layers 2 and 3, respectively, and the reinforcing elements 4 are arranged in strands 5, each strand 5 extending through all the layers 2 and 3, etc.
  • Each strand 5 has in each layer 2 or 3 at least two reinforcing elements 4 formed as loops.
  • each formed as a loop reinforcing element 4 extends over two layers
  • the strand 5 is formed by the fact that the adjacent reinforcing element 4 on the immediately above two layers and turn the next reinforcing element 4 on the still further directly above two Stretches layers.
  • the strand 5 of loop-shaped reinforcing elements 4 thus has two adjacent reinforcing elements 4 in each layer 2 or 3.
  • the strands 5 of the reinforcing elements 4 can either extend perpendicular to the layers 2 and 3, as shown in Figure 3, or occupy an angle between 10 ° and 90 ° to this.
  • the exact arrangement of two reinforcing elements 4, which are part of a strand 5, shows the figure 2, wherein the situation is shown within a layer.
  • the lateral spacing of the mutually overlapping reinforcement elements 4 is to be kept low and should amount to a maximum of five times the largest lateral extent D of a reinforcing element 4, wherein the lateral extent D of Figure 2 is the width of the loop of the reinforcing element 4.
  • a smaller distance is preferred, so that a force flow, mediated by the concrete, is achieved within the position in the region of the illustrated five double arrows.
  • the inventive method can be carried out both with rigid reinforcing elements and with flexible reinforcing elements, which are then inserted by means of a guide pin in the layers 2 and 3 respectively.
  • the method is also suitable for other curing materials than concrete, in particular thixotropic materials.
  • the loops can be completely pressed into the two layers in order to join them together. In this case, the loop is not up out and the printhead can without applying the loop to collide the dahüber lying situation apply concrete.
  • a number of loop-shaped fasteners 4 can be pressed only in the last introduced layer, in which case it is necessary to work with a special printhead, which has a recess for the projecting out of the layer reinforcement elements 4, so he does not print them kinks or tears out.
  • the reinforcing elements may also consist of a material which is so elastic that they yield elastically when the printhead is moved over, and then spring back again into its starting position.
  • a suitable material for corresponding reinforcing elements is for example spring steel.
  • the inventive method and the thus created component have the advantage of a much more intimate connection of the reinforcing elements and a much firmer reinforcement, as by the strands 5 of individual reinforcing elements 4, a similar effect can be achieved as in classical concrete casting by using a steel mat.
  • the inventive formation of strands of individual reinforcing elements it is possible, even in 3D printing, where a continuous steel mat can not be used to achieve the same or similar strength values as in the use of continuous mild steel mats in concrete casting.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus aushärtbarem Material, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mindestens eine Lage (2, 3) des Materials in einem 3D-Druckverfahren gedruckt, in einem zweiten Verfahrensschritt mehrere gleichartige Bewehrungselemente (4) in die Lage(n) (2, 3) eingebracht, und die beiden Verfahrensschritte bis zur Fertigstellung des Bauteils (1) zyklisch wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich, mit Ausnahme der untersten und obersten Lage, jedes Bewehrungselement (4) über mindestens zwei Lagen (2, 3) erstreckt, und die Bewehrungselemente (4) in Strängen (5) angeordnet sind, welche sich durch alle Lagen (2, 3) erstrecken und in jeder Lage (2, 3) mindestens zwei überlappende Bewehrungselemente (4) aufweisen, deren seitlicher Abstand voneinander maximal das fünffache der größten seitlichen Ausdehnung (D) eines Bewehrungselements (4) beträgt, und die Bewehrungselemente (4) als längliche Schlaufen ausgebildet sind. Ferner wird ein entsprechendes Bauteil zur Verfügung gestellt.

Description

Beschreibung
Titel:
Bewehrung von 3D-gedruckten Betonkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus aushärtbarem Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Auch in Industrieländern beruht die Herstellung von Bauwerken aus Beton noch größtenteils auf handwerklichen Leistungen. Prinzipiell können solche Bauwerke oder Teile dieser Bauwerke auf zwei verschiedene Weisen hergestellt werden. Zum einen kann man vor Ort mit Schalungen arbeiten, welche dann mit sogenanntem Ortbeton ausgegossen werden, wobei bei tragenden Teilen zusätzlich Bewehrungen eingebracht werden können. Anschließend wird gewartet, bis der Beton teilweise oder vollständig ausgehärtet ist, worauf die Schalungen entfernt, gereinigt und dann wiederverwendet werden können. Das Verfahren ist zeitaufwendig und erfordert den Einsatz einer Vielzahl von Mitarbeitern an der Baustelle.
Eine andere Methode besteht darin, die Betonteile des Bauwerks vorher in einer Fabrik zu gießen, also als Fertigbauteile zu erstellen und als solche an die Baustelle zu liefern. Es können hier nicht nur Wände oder Bodenbestandteile, sondern ganze Raumzellen als Fertigteile aus Beton hergestellt und an die Baustelle geliefert werden. Dieses Verfahren ist preisgünstiger, hat jedoch einen hohen Standardisierungsgrad und eignet sich somit nur für die Herstellung einer Vielzahl von gleichen oder gleichartigen Bauwerken oder für sehr große Strukturen, welche eine Vielzahl gleicher Raumzellen benötigen. Eine individuelle Bauweise ist wiederum nur mit hohem Kostenaufwand möglich.
Ausgehend von diesen bekannten Techniken hat sich auch in der Herstellung von Bauwerken aus Beton in jüngster Zeit ein sogenanntes additives Herstellungsverfahren herausgebildet, nämlich das 3D-Drucken von Beton. Hierbei wird das Bauwerk an einem Computer entworfen und die Daten werden anschließend an einen Drucker weitergeleitet. Bei dem Drucker handelt es sich um einen vollautomatischen Portalroboter, der größer als das zu erstellende Gebäude bzw. Gebäudeteil ist. Anstelle von Portalrobotern können auch Mehrachs- oder Konsolroboter oder Mobilroboter eingesetzt werden. Dieser weist einen Druckkopf und Betonzuführungen auf, über welche der Ortbeton dem Druckkopf zugeführt wird. Dieser Druckkopf gießt sodann das zu erstellende Bauwerk bzw. dessen Wände in mehreren Lagen übereinander, wobei jede Lage eine Stärke zwischen 1 und 10 cm aufweist. Der verwendete Beton ist hierbei zähflüssig genug, um die Stabilität bis zum Aushärten, zumindest jedoch bis zum Anhärten zu halten. Auf diese Weise gießt der Druckkopf eine Wand in mehreren, übereinander angeordneten Lagen.
Problematisch ist bei der Erstellung von Bauwerken mittels 3D-Druckverfahren die Bewehrung der Wände. Es können prinzipiell fertige Stahlgerüste oder ähnliche Bewehrungselemente mit eingebracht werden, jedoch kann dies erst erfolgen, wenn die Wand zumindest teilweise gedruckt ist, da die Bewehrungselemente ansonsten die Bewegung des Druckkopfes stören bzw. verhindern würden. Wartet man allerdings ab, bis die Wand vollständig gedruckt ist, sind die unteren Lagen des Betons bereits ganz oder weitgehend ausgehärtet, sodass nachträglich keine Bewehrungselemente mehr eingebracht werden können.
Die CN 106313272 A beschreibt ein 3 D-Druckverfahren zur Herstellung von Betonbauwerken, wobei der Beton mit Fasermaterialien bewehrt ist und wobei mit zwei Druckköpfen gearbeitet wird, von denen einer den Beton und der andere Stahlelemente druckt. Hierbei übergreifen die eingebrachten Stahlelemente jeweils zwei übereinander liegende Lagen des Betons und verbinden diese somit.
Nachteilig ist hierbei, dass nur eine punktuelle Verbindung benachbarter Betonschichten möglich ist, jedoch keine großflächige Armierung, wie diese in klassischen Herstellungsverfahren z.B. mit Stahlmatten möglich ist.
Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus aushärtbarem Material, insbesondere Beton, so auszubilden, dass seine Bewehrung hohen Belastungen standhält und wobei die Bewehrung in einfacher Art und Weise in die zu bildenden Wände eingebracht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner besteht die Aufgabe, ein entsprechendes Bauteil bereit zu stellen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der begleitenden Zeichnungen länger erläutert. Diese zeigen:
Figur 1: Einen Querschnitt durch ein teilweise erstelltes Bauteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; Figur 2: eine vergrößerte Darstellung benachbarter Bewehrungselemente mit schematisch gezeigter Kraftübertragung.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird - insoweit in an sich bekannter Weise - ein 3D-Drucker, z.B. in Gestalt eines vollautomatischen Portalroboters, verwendet, welcher eine Wandung oder eine vollständige Raumzelle oder weitere vertikale Einheiten eines Bauwerks in aufeinanderfolgenden Lagen drucken kann. In Figur 1 ist ein Bauteil im Entstehungsprozess dargestellt, welches aus mehreren übereinander gedruckten Lagen aus Beton besteht, wobei zwei mittlere Lagen beispielhaft mit den Bezugszahlen 2 und 3 versehen sind und wobei die oberste dargestellte Lage sich noch im Entstehungsprozess - also während des Druckvorgangs - befindet.
In einem ersten Verfahrensschritt wird jeweils eine Lage 2 bzw. 3 des aushärtbaren Materials, hier Beton, in einem 3D-Druckverfahren aufgebracht und in einem zweiten Verfahrensschritt werden mehrere, gleichartige, als längliche Schlaufen ausgebildete Bewehrungselemente 4 in die Lagen 2 bzw. 3 eingebracht. Beide Verfahrensschritte werden bis zur Fertigstellung des Bauteils 1 zyklisch wiederholt. Jedes Bewehrungselement 4 besteht entweder aus einem starren Material, insbesondere Metall, z.B. Stahl, und kann in die noch nicht ausgehärteten Lagen 2 bzw. 3 des aushärtbaren Materials eingeschoben werden, nachdem diese gedruckt worden sind. Alternativ kann jedes Bewehrungselement 4 aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, z.B. aus Kevlar, bestehen und dann mithilfe eines Führungsstifts in die noch nicht ausgehärteten Lagen 2 bzw. 3 des aushärtbaren Materials eingeschoben werden. Jedes Bewehrungselement 4 erstreckt sich hierbei über mindestens zwei Lagen 2 bzw. 3 und die Bewehrungselemente 4 sind in Strängen 5 angeordnet, wobei sich jeder Strang 5 durch alle Lagen 2 bzw. 3 etc. erstreckt. Jeder Strang 5 weist in jeder Lage 2 bzw. 3 mindestens zwei, als Schlaufen ausgebildete Bewehrungselemente 4 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich jedes, als Schlaufe ausgebildete Bewehrungselement 4 über zwei Lagen, wobei der Strang 5 dadurch gebildet wird, dass sich das benachbarte Bewehrungselement 4 über die unmittelbar darüberliegenden zwei Lagen und das wiederum nächste Bewehrungselement 4 sich über die noch weiter unmittelbar darüberliegenden zwei Lagen erstreckt. Der Strang 5 von schlaufenförmigen Bewehrungselementen 4 weist also in jeder Lage 2 bzw. 3 zwei benachbarte Bewehrungselemente 4 auf.
Die Stränge 5 aus den Bewehrungselementen 4 können entweder senkrecht zu den Lagen 2 bzw. 3 verlaufen, so wie es in Figur 3 dargestellt ist, oder zu diesen einen Winkel zwischen 10° und 90° einnehmen.
Die genaue Anordnung von zwei Bewehrungselementen 4, welche Teil eines Strangs 5 sind, zeigt die Figur 2, wobei die Situation innerhalb einer Lage dargestellt ist. Das obere Bewehrungselement 4, welches nach unten ragt, überlappt sich mit dem unteren Bewehrungselement 4, welches nach oben ragt, im Bereich der fünf Doppelpfeile. Der seitliche Abstand der einander überlappenden Bewehrungselemente 4 ist gering zu halten und soll maximal das Fünffache der größten seitlichen Ausdehnung D eines Bewehrungselements 4 betragen, wobei die seitliche Ausdehnung D gemäß Figur 2 die Breite der Schlaufe des Bewehrungselements 4 ist. Bevorzugt wird jedoch ein geringerer Abstand, so dass ein Kraftfluss, vermittelt durch den Beton innerhalb der Lage im Bereich der dargestellten fünf Doppelpfeile erzielt wird. Eine dichte Anordnung der Bewehrungselemente 4 innerhalb eines Strangs 5 und eine Überlappung benachbarter Bewehrungselemente 4, wie in Figur 2 dargestellt, führt zu einem besseren Kraftfluss bzw. einer besseren Kraftübertragung durch den dazwischenliegenden Beton. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mit starren Bewehrungselementen als auch mit flexiblen Bewehrungselementen ausgeführt werden, welche dann mithilfe eines Führungsstifts in die Lagen 2 bzw. 3 eingeschoben werden. Das Verfahren eignet sich auch für andere aushärtende Materialien als Beton, insbesondere thixotrope Materialien.
Die genaue Ausführung des Verfahrens kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum einen können die Schlaufen nach Fertigstellung von zwei Lagen vollständig in die beiden Lagen eingedrückt werden, um diese miteinander zu verbinden. In diesem Falle steht die Schlaufe nicht nach oben heraus und der Druckkopf kann ohne mit der Schlaufe zu kollidieren die darüb erliegende Lage Beton aufbringen. Bei einer anderen Vorgehensweise kann jeweils eine Reihe von schlaufenförmigen Befestigungselementen 4 nur in die zuletzt eingebrachte Lage eingedrückt werden, wobei dann mit einem speziellen Druckkopf zu arbeiten ist, der eine Aussparung für die aus der Lage herausstehenden Bewehrungselemente 4 aufweist, damit er diese beim Drucken nicht umknickt oder herausreißt. Alternativ hierzu können die Bewehrungselemente auch aus einem Material bestehen, welches so elastisch ist, dass diese bei einem Darüberfahren des Druckkopfes elastisch nachgeben und anschließend wieder in ihre Ausgangsposition zurückfedern. Ein geeignetes Material für entsprechende Bewehrungselemente ist beispielsweise Federstahl.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das damit erstellte Bauteil haben den Vorteil einer wesentlich innigeren Verbindung der Bewehrungselemente und einer wesentlich festeren Bewehrung, da durch die Stränge 5 aus einzelnen Bewehrungselementen 4 eine ähnliche Wirkung erzielt werden kann, wie beim klassischen Betonguss durch Verwendung einer Stahlmatte. Durch die erfindungsgemäße Bildung von Strängen aus einzelnen Bewehrungselementen wird es möglich, auch im 3D-Druck, wo eine durchgängige Stahlmatte nicht eingesetzt werden kann, die gleichen oder ähnliche Festigkeitswerte zu erzielen wie bei der Verwendung durchgehender Baustahlmatten im Betongussverfahren.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus aushärtbarem Material, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mindestens eine Lage (2, 3) des Materials in einem 3D-Druckverfahren gedruckt, in einem zweiten Verfahrensschritt mehrere gleichartige Bewehrungselemente (4) in die Lage(n) (2, 3) eingebracht, und die beiden Verfahrensschritte bis zur Fertigstellung des Bauteils (1) zyklisch wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich, mit Ausnahme der untersten und obersten Lage, jedes Bewehrungselement (4) über mindestens zwei Lagen (2, 3) erstreckt, und die Bewehrungselemente (4) in Strängen (5) angeordnet sind, welche sich durch alle Lagen (2, 3) erstrecken und in jeder Lage (2, 3) mindestens zwei überlappende Bewehrungselemente (4) aufweisen, deren seitlicher Abstand voneinander maximal das fünffache der größten seitlichen Ausdehnung (D) eines Bewehrungselements (4) beträgt, und die Bewehrungselemente (4) als längliche Schlaufen ausgebildet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Material Beton ist.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungselemente (4) aus einem starren Material, insbesondere Metall, insbesondere Stahl bestehen, und in die noch nicht ausgehärteten Lagen (2, 3) des aushärtbaren Materials eingeschoben werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungselemente (4) aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, z.B. aus Kevlar, bestehen, und mit Hilfe eines Führungsstifts in die noch nicht ausgehärteten Lagen (2, 3) des aushärtbaren Materials eingedrückt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (5) senkrecht zu den Lagen (2, 3) verlaufen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (5) in einem Winkel zwischen 90° und 45° zu den Lagen (2, 3) verlaufen.
7. Bauteil (1) aus einem aushärtbaren Material, welches eine Vielzahl von in einem 3D-Druckverfahren hergestellte Lagen (2, 3) sowie diese verbindende Bewehrungselemente (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich, mit Ausnahme der untersten und obersten Lage, jedes Bewehrungselement (4) über mindestens zwei Lagen (2, 3) erstreckt, und die Bewehrungselemente (4) in Strängen (5) angeordnet sind, welche sich durch alle Lagen (2, 3) erstrecken und in jeder Lage (2, 3) mindestens zwei überlappende Bewehrungselemente (4) aufweisen, deren seitlicher Abstand voneinander maximal das fünffache der größten seitlichen Ausdehnung (D) eines Bewehrungselements (4) beträgt, und die Bewehrungselemente (4) als längliche Schlaufen ausgebildet sind.
8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Material Beton ist.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Bewehrungselemente (4) aus einem starren Material, insbesondere Metall, insbesondere Stahl bestehen.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Bewehrungselemente (4) aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, z.B. aus Kevlar, bestehen.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stränge (5) rechtwinklig zu den Lagen (2, 3) verlaufen.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stränge (5) in einem Winkel zwischen 90° und 45° zu den Lagen (2, 3) verlaufen.
13. Bauteil hergestellt in einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6.
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