Particle-Bed 3D Printing by Selective Cement Paste Intrusion (SPI) - Particle Surface Functionalisation, Particle Synthesis and Integration of WAAM Reinforcement
Bearbeiter: Alexander Straßer, M.Sc.
Förderer: DFG – im Rahmen des SFB/Transregio 277 „Additive Fertigung im Bauwesen – Die Herausforderung des großen Maßstabs“
Dem Forschungsprojekt „Particle-Bed 3D Printing by Selective Cement Paste Intrusion (SPI) - Particle Surface Functionalisation, Particle Synthesis and Integration of WAAM Reinforcement“ im Rahmen des DFG SFB/TRR 277 ging bereits ein DGF-gefördertes Projekt „Industrieller 3D-Betondruck durch selektive Zementaktivierung – Verfahren, Material, Anwendungen (Erkenntnistransfer-Projekt)“ voraus. In diesem konnten bereits vielversprechende Ergebnisse, wie hohe Festigkeiten und gute Dauerhaftigkeitseigenschaften der hergestellten Betonbauteile gewonnen werden.
Das Ziel des hier beschriebenen Projekts ist es nun, das selektiv bindende 3D-Druckverfahren „Selective Paste Intrusion“ (SPI) weiterzuentwickeln, um den in der Baupraxis relevanten Anforderungen gerecht werden zu können. Der avisierte nächste Entwicklungsschritt ist daher insbesondere Herstellen bewehrter Bauteile durch das Implementieren einer Stahlbewehrung in den additiven Fertigungsprozess. Das Besondere ist dabei, dass neben der Betonmatrix zeitgleich auch die Bewehrung selbst additive gefertigt werden soll.
Bei der Selective Paste Intrusion wird ein aus einer feinen Gesteinskörnung bestehendes Partikelbett selektiv mit Zementleim gebunden. Dadurch lassen sich bereits Bauteile mit einer hohen Auflösung, hohen Druckfestigkeiten und guten Dauerhaftigkeitseigenschaften herstellen, welche darüber hinaus eine nahezu unbegrenzte Freiheit hinsichtlich der Bauteilgeometrie besitzen.
Um die Eigenschaften hinsichtlich einwirkenden Zug- und Biegebeanspruchungen derart hergestellter Betonbauteile zu verbessern, ist eine Bewehrung notwendig. In dem hier beschriebenen Projekt soll dies durch das sogenannte Wire and Arc Additive Manufacturing – kurz WAAM - realisiert werden. Beim WAAM-Verfahren handelt es sich um ein Lichtbogen-Schweißprozess, der es ermöglicht, Stahlteile additiv zu fertigen, indem ein aufgeschmolzenes Stahlstück tropfenweise übereinander abgelegt wird. Durch das Zusammenführen beider additiv herstellenden Verfahren soll so die Stahlbewehrung parallel zum Betonbauteil in einem Partikelbett hergestellt werden.
Die Herausforderung der Implementierung des WAAM-Verfahrens in den SPI-Prozess ist die beim WAAM-Verfahren entstehende Temperaturlast von etwa 1500 °C am Schweißpunkt. Diese Temperaturlast wirkt auch auf den frischen Zementleim bzw. Beton im Partikelbett. Die Forschungsarbeit beschäftigt sich deshalb zunächst mit der Fragestellung, wie derartige Temperaturlasten gesenkt werden können, beispielsweise durch größere Abstände des Partikelbetts zum Schweißpunkt oder durch externe Kühlstrategien, aber auch deren Machbarkeit und Grenzen. Ebenfalls sollen die Grenzen des Zementleims hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit tiefer erforscht und Zementleim-Rezepturen hin zu einer höheren Temperaturbeständigkeit optimiert werden. Neben den Kühlstrategien des WAAM-Prozesses und der Optimierung von Zementleim-Rezepturen soll auch die Gesteinskörnung funktionalisiert werden, sodass diese den Zementleim bei seinen notwendigen Eigenschaften, wie einer niedrigen Fließgrenze, trotz erhöhter Temperatur noch weiter unterstützt.