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-arm y- 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)