Beton-3D-Druck - TU Dresden, Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik

Wissenschaftler der TU Dresden entwickeln 3D-Druckverfahren mit Beton

TUDresden Beton3DDruck

Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe unserer Zeit. So vielgestaltig die Betonbauwerke oder bauteile sind, so verschieden sind deren Formen, stoffliche Zusammensetzungen und Herstellungsprozesse. Weltweit wird mehr als die Hälfte des Betonvolumens als Ortbeton direkt auf der Baustelle verarbeitet. Doch die übliche Ortbetonbauweise ist gekennzeichnet durch hohen Personaleinsatz und erfordert einen sehr großen Aufwand für Gerüst- und Schalungsarbeiten. Häufig müssen Schalungssysteme an die Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. In Folge davon ergeben sich ein immenser Verbrauch von wertvollen Rohstoffen und hohe Lohnkosten. Diese Nachteile regen zur Entwicklung eines generell neuen Bauverfahrens auf Grundlage einer kontinuierlichen, schalungsfreien Betontechnologie an. Eine Möglichkeit, in Zukunft die genannten Defizite zu vermeiden, ist die Errichtung von Bauwerken mittels additiver Fertigungsverfahren.

Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck haben in den letzten Jahren in nahezu allen Bereichen der Industrie Einzug gehalten und begeistern mit beinahe unbegrenzten Anwendungsmöglichkeiten und einer beeindruckenden Materialvielfalt. Aktuell sind weltweit, hauptsächlich im Bereich des Beton-Fertigteilbaus, diverse Bestrebungen zu beobachten dieses moderne Produktionsverfahren in die Baubranche zu übertragen.

Ein Team von Wissenschaftlern der TU Dresden entwickelt derzeit eine Technologie, die den 3D Druck in Zukunft direkt auf die Baustelle bringen soll. Kern des Verfahrens ist der schichtenweise Austrag eines schnell erhärtenden Spezialbetons aus einem Druckkopf. Der Druckkopf wird geometrisch präzise mit Hilfe eines Großraumroboters geführt. Die Steuerung des gesamten Prozesses erfolgt über Datentypen, die vor allem Geometrie- und Stoffdaten enthalten und aus speziell aufbereiteten Bauwerksmodellen generiert werden. Die Umsetzung dieses Vorhabens ist durch folgende Aspekte gekennzeichnet:

  • Das Beton-3D-Druckverfahren kommt direkt auf der Baustelle zum Einsatz.
  • Als Baustoff wird ein schnell erhärtender Beton genutzt, der die anspruchsvollen Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitung erfüllt und bezüglich seiner betontechno¬logischen Eigenschaften den konventionellen Baustoffen mindestens gleichwertig ist.
  • Die Basis für die Großraumrobotik zur automatisierten Bewegung des Druckkopfes bilden etablierte Baumaschinen, wie zum Beispiel Autobetonpumpen. Diese lassen sich nach geringen Modifikationen für die neue Technologie nutzen, behalten aber parallel ihre ursprüngliche Funktionsweise bei. Die einfache Integration in herkömmliche Bauabläufe ist somit gewährleistet.
  • Die neuartige Betoneinbautechnologie wird in den gesamten Bauprozess integriert, von der Planung bis hin zum fertigen Rohbau. Die für den Beton-3D-Druck notwendigen Datenstrukturen werden in der Planungsphase generiert und dienen in der Ausführungsphase zur Steuerung und Überwachung der Großraumrobotik. Unter Berücksichtigung baubetrieblicher Ansatzpunkte können so die Bauabläufe optimiert werden.

Im Rahmen eines von der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ des BBSR geförderten Forschungsprojektes arbeiten aktuell Wissenschaftler aus drei Instituten der TU Dresden an einer Machbarkeits¬untersuchung zum 3D Druck mit Beton. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen sind weitere Folgeprojekte geplant, die durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Betonwerkstoffen und Maschinentechnik auf den praktischen Einsatz eines Demonstrators abzielen.

Werden in Zukunft ganze Bauwerke durch Beton-3D-Druck errichtet, können mit dieser Technologie durch Materialeinsparungen und Produktivitätssteigerungen die Baukosten signifikant gesenkt werden. Außerdem eröffnen sich den Architekten durch das additive Fertigungsverfahren völlig neue Möglichkeiten der Gebäudegestaltung, sodass mit Hilfe dieser Technologie nicht nur die Bauprozesse, sondern auch die Bauformen revolutioniert werden könnten.

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Dipl.-Ing. Mathias Näther – Professur für Baumaschinen
Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine, M. Sc Venkatesh Naidu Nerella – Institut für Baustoffe
Prof. Dr.-Ing. Rainer Schach, Dipl.-Ing. Martin Krause – Institut für Baubetriebswesen

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STEAM-Hybridbagger - RWTH Aachen

STEAM – Hydraulischer Hybrid Bagger

rwth aachen hybridbagger

Schwankende Kraftstoffpreise, die verschärften Emissionsrichtlinien und das zunehmende Umweltbewusstsein führen zu einem gesteigerten Interesse an hocheffizienten mobilen Arbeitsmaschinen besonders im Premium-Segment. Abhängig vom Arbeitszyklus weisen heutige Maschinen Gesamtwirkungsgrade unter 10 % auf, d.h. nur ein Bruchteil der im Kraftstoff vorhandenen Energie wird tatsächlich in mechanische Arbeit umgewandelt. Der schlechte Wirkungsgrad ist auf den ineffizienten Betrieb des Verbrennungsmotors und des daran angeschlossenen Hydrauliksystems zurückzuführen. Um dieses Problem zu lösen, haben sich in den letzten Jahren weltweit mehrere Forschungsstellen und Unternehmen mit der Optimierung der Energieeffizienz von mobilen Maschinen beschäftigt. Der meistverbreitete Ansatz beinhaltet eine reine Optimierung des hydraulischen Systems. Dabei werden die Beanspruchung des Verbrennungsmotors und infolgedessen auch der Wirkungsgrad des gesamten Systems vernachlässigt. Um einen wirklich effizienten Antriebsstrang zu entwickeln, muss ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt werden, d.h. die einzelnen Teilsysteme, und ihre Interaktion sowohl miteinander als auch mit der Umgebung sind detailliert zu betrachten.

Seit Anfang 2013 wird am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen das neue STEAM Hydrauliksystem für Bagger entwickelt. STEAM ist der erste ganzheitliche Ansatz zur Optimierung der Energieeffizienz und Performance mobiler Arbeitsmaschinen. Anders als in den heutigen Load Sensing oder Flow Control Systemen werden die Verbrennungskraftmaschine (VKM) und die Hydraulikpumpe nicht zur direkten Versorgung der hydraulischen Verbraucher, sondern zur Aufrechterhaltung des Drucks in jeweils einem von zwei Speichern (Hochdruck und Mitteldruck) verwendet. Durch diese sogenannte Speicherladeschaltung sind die hydraulischen Verbraucher vollkommen von der Versorgung (VKM und Pumpe) entkoppelt. Diese Unabhängigkeit ermöglicht es die einzelnen Teilsysteme zur selben Zeit in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich zu betreiben. Dadurch kann nicht nur der Verbrennungsmotor bei einer deutlich niedrigeren und leiseren Drehzahl von 1200 U/min betrieben werden, sondern auch Drosselverluste reduziert und die Rückgewinnung der potentiellen und kinetischen Energie aller Verbraucher ermöglicht werden. Die Maschine kann als ein hydraulischer Hybrid bezeichnet werden. Diese innovative Versorgung zusammen mit der neuen Steuerung und der STEAM-Ventiltechnik bilden ein modulares Baukastensystem und ermöglichen eine flexible Systemanpassung für verschiedene Maschinengrößen und Einsatzgebiete.

Eins der Hauptziele des STEAM-Projekts war die Lücke zwischen Grundlagenforschung und industrielle Anwendung zu schließen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten VIP-Programms und in Zusammenarbeit mit Volvo Construction Equipment konnte das Konzept anhand eines 18 t Mobilbaggers nachgewiesen werden. Der Prototyp ist einmalig, da wie in Bild 1 dargestellt sowohl das neue STEAM-System als auch ein Load-Sensing Hydrauliksystem, das dem Stand der Technik entspricht, verbaut sind. Nur dies ermöglicht einen objektiven Vergleich, da der Fahrer jetzt die Möglichkeit hat zwischen den zwei Systemen umzuschalten. Hiermit können Störeinflüsse, die die Verbrauchsmessungen deutlich verfälschen würden ausgeschlossenen werden. Der reale Aufbau der Maschine mit beiden Systemen ist in Bild 2 gezeigt. Zurzeit befindet sich die Maschine im Versuch und erste Messungen zeigen eine Verbrauchsverbesserung von knapp 40% ohne Einbußen in der Produktivität und Agilität (Bild 3).

STEAM verwendet keine elektrischen Speicher oder Antriebe. Die in der Maschine bereits vorhandene Hydraulik wird erweitert um so unnötige Energiewandlungen und Kosten zu vermeiden. Die robuste und wartungsfreundliche hydraulische Hybridtechnik erhöht die Wirtschaftlichkeit für Betreiber, die sich über eine deutlich agilere Maschine mit einer erheblichen Reduzierung im Kraftstoffverbrauch freuen können. Unter Berücksichtigung der sinkenden Energieressourcen und verschärfte Abgasrichtlinien ist das System eine für die Praxis relevante und zukunftsweisende Innovation. Weitere Informationen finden Sie unter www.ifas.rwth-aachen.de/?steam

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MIDOS für Offshore Foundations - Bauer Maschinen GmbH in Kooperation mit University College Dublin

Die Bauer MIDOS-Technologie – eine wirtschaftliche Offshore-Gründungsmethode

Bauer MIDOS

Schrobenhausen – Der Bereich der Offshore-Energiegewinnung erlebt einen weltweiten Boom. Offshore-Plattformen sowie Windkraftparks werden üblicherweise auf Stahlrohrpfählen gegründet, die mit hydraulischen Schlaghämmern in den Meeresboden getrieben werden. Doch vor allem in ölreichen, tropischen Küstenregionen besteht der Meeresboden häufig aus brüchigem, kalkhaltigem Muschelsand. In diesen Böden erreichen gerammte Pfähle nicht die erforderliche Festigkeit für dauerhafte Gründungen, da der Sand durch die dynamische Belastung beim Rammen zerstört wird. Darüber hinaus kann diese Technologie nicht in geräuschsensiblen Küstenregionen eingesetzt werden, da empfindliche Meeressäuger durch den beim Rammen erzeugten Lärm gestört würden. Für dieses Problem bietet die BAUER Maschinen GmbH nun eine wirtschaftliche Lösung: die MIDOS-Technologie.

Ausgangssituation: Beim Einbringen der Stahlrohrpfähle für Offshore-Plattformen mit Schlaghämmern brechen die Körner von kalkhaltigen Sanden durch die Aufprallenergie des Hammers. Da der Muschelkalk hierbei zerstört wird und der Sand ein geringeres Schüttvolumen benötigt, kann der eingerammte Pfahl nicht mehr ausreichend gestützt werden. Deshalb müssen in brüchigen Böden die Pfähle in vorgebohrte Löcher eingesetzt und verpresst werden. Diese sogenannten Verpresspfähle werden als Alternative in kalkhaltigen Sandböden verwendet, da der Boden bei diesem Gründungsverfahren einer niedrigeren mechanischen Belastung ausgesetzt wird und somit die Festigkeit und Reibung an der Pfahlwand nicht herabgesetzt wird. Herkömmliche Verpresspfähle können so viele der technischen Probleme von gerammten Pfählen in kalkhaltigen Sanden umgehen, sind jedoch kostspielig und zeitaufwendig in der Herstellung. Deshalb arbeitete BAUER an einer nachhaltigen, ökologischen Lösung dieser Probleme und untersuchte diese zusammen mit dem University College Dublin.

Mit der neuen, von Bauer entwickelten Technologie MIDOS (Mixed Drilled Offshore Steel) (Abb. 1) kann nun der erforderliche Zeitaufwand erheblich minimiert werden. Im Offshore-Bereich können MIDOS-Pfähle deutlich schneller und kostengünstiger hergestellt werden als Verpresspfähle. Die MIDOS-Technologie basiert dabei auf dem Mixed-in-Place-Verfahren, das herkömmlich im Spezialtiefbau eingesetzt wird und bisher nie für Offshore-Gründungen verwendet wurde. Hierbei wird ein Stahlrohr in den Boden eingeführt, in dessen Innerem zeitgleich ein Mischwerkzeug den anstehenden Boden mit Zement vermischt. Der Boden-Zement-Mischkörper füllt das Rohrinnere aus und wird durch Öffnungen im Rohr nach außen in einen um das Rohr verlaufenden Ringspalt gedrückt. So wird der Pfahl in einen stabilen Mischkörper aus Sand und Zement eingebettet.

Die mechanische Belastbarkeit solcher Pfähle wurde in einer ersten Studie nachgewiesen. Der getestete Pfahl erreichte dabei eine Tragfähigkeit von 9.000 Kilonewton (Abb. 2). Da MIDOS besonders attraktiv für den Einsatz in kalkhaltigen Sanden ist, wurden verschiedene Zementmischungen mit Kalksanden untersucht. Zusammen mit dem University College Dublin wurde eine umfangreiche Testreihe mit Kalksanden und mit Quarzsand als Referenz durchgeführt. Verschiedene Tests zeigten, dass die MIDOS-Technologie ein ähnliches geotechnisches und strukturelles Verhalten in beiden Bodenarten erreicht. So kann die Eignung des neuartigen Offshore-Gründungsverfahrens für eine Reihe von Sandböden beurteilt werden (Abb. 3). Aufgrund seiner hohen Tragfähigkeit und seiner schnellen Herstellung bietet sich das Verfahren als eine wirtschaftliche Gründungsmethode für Offshore-Plattformen auch bei schwierigen geologischen Voraussetzungen in kalkhaltigen Sanden an. Da MIDOS ein bohrendes Verfahren ist, ist dessen Lärmentwicklung deutlich geringer als beim Rammen und es kann auf aufwendige technische Maßnahmen zur Lärmreduzierung verzichtet werden. Es bietet sich somit vor allem für den Einsatz in lärmsensiblen Küstenregionen an. Mit MIDOS bietet Bauer somit die Zukunftslösung für Offshore-Gründungen aller Art.

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