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Title:
REINFORCEMENT OF 3D-PRINTED CONCRETE BODIES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/092169
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for producing a component (1) from hardenable material, wherein, in a first method step, at least one layer (2, 3) of the material is printed in a 3D printing process in one direction, in a second method step at least one reinforcing element is introduced into the layer(s) (2, 3) and the two method steps are cyclically repeated until the component (1) is completed, characterized in that each reinforcing element is in the form of a strand (4) extending in the direction of the layers (2, 3) and having an oscillating, periodic pattern perpendicular to the layers (2, 3), and each reinforcing element extends over at least two layers (2, 3).

Inventors:
MAYER, Jürgen (Vöhlinstraße 10, Deisenhausen, 86489, DE)
Application Number:
EP2018/080728
Publication Date:
May 16, 2019
Filing Date:
November 09, 2018
Export Citation:
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Assignee:
PERI GMBH (Rudolf-Diesel-Straße 19, Weissenhorn, 89264, DE)
International Classes:
B28B1/00; B28B23/00; B28B23/02; B29C64/106; B33Y70/00; E04B1/35; E04C5/00; E04G21/04
Foreign References:
US20170129153A12017-05-11
US20170182712A12017-06-29
US20170203468A12017-07-20
CN106313272A2017-01-11
US20170129153A12017-05-11
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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 in einer Richtung gedruckt, in einem zweiten Verfahrensschritt mindestens ein Bewehrungselement in die Lage(n) (2, 3) eingebracht, und die beiden Verfahrensschritte bis zur Fertigstellung des Bauteils (1) zyklisch wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bewehrungselement als sich in Richtung der Lagen (2, 3) erstreckender Strang (4) mit einem senkrecht zu den Lagen (2, 3) oszillierenden, periodischen Muster ausgebildet ist und sich über mindestens zwei Lagen (2, 3) erstreckt und zwei übereinander liegende Stränge (4) die gleiche Periodizität mit umgekehrter Phase aufweisen und sich auf diese Weise innerhalb einer Lage (2, 3) überlappen und wobei der seitliche Abstand überlappender Stränge (4) maximal das Fünffache des Durchmessers eines Bewehrungselements (4) beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Material Beton ist.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (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

Stränge (4) aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, z.B. aus Kevlar, bestehen und mit Hilfe eines Führungsstifts (5) in die noch nicht ausgehärteten Lagen (2, 3) des aushärtbaren Materials eingeschoben werden.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster rechteckig oder dreieckig oder sinusförmig ist.

6. Bauteil (1) aus einem bewehrten Material, welches eine Vielzahl von in einem 3D- Druckverfahren hergestellten Lagen (2, 3) sowie diese Lagen (2, 3) verbindende, zueinander gleichartige Bewehrungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bewehrungselement als sich in Richtung der Lagen (2, 3) erstreckender Strang (4) mit einem senkrecht zu den Lagen (2, 3) oszillierenden, periodischen Muster ausgebildet ist und sich über mindestens zwei Lagen (2, 3) erstreckt und zwei übereinander liegende Stränge (5) die gleiche Periodizität mit umgekehrter

Phase aufweisen und sich auf diese Weise innerhalb einer Lage (2, 3) überlappen und wobei der seitliche Abstand überlappender Stränge (4) maximal das Fünffache des Durchmessers eines Bewehrungselements (4) beträgt. 7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Beton ist.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die

Stränge (4) aus einem starren Material, insbesondere Metall, insbesondere Stahl bestehen.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die

Stränge (4) aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, z.B. aus Kevlar, bestehen. 10. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster rechteckig oder dreieckig oder sinusförmig ist.

11. Bauteil hergestellt in einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5.

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 6. 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.

Die US 2017/0129153A1 beschreibt ein Bewehrungsverfahren für 3D-gedruckte Wände, wobei sinusförmige Bewehrungselemente in die gedruckten Lagen eingelegt werden. Die Bewehrungselemente von übereinanderliegenden Lagen werden an Berührungspunkten dieser Bewehrungselemente dauerhaft miteinander verbunden, bevor die jeweils nächste Lage gedruckt wird. Nachteilig hierbei ist die Komplexität des Verfahrens, das zudem eine besondere Ausgestaltung des Druckkopfs bedarf.

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 6 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: einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform des Verfahrens;

Figur 3: einen Querschnitt durch eine weitere alternative Ausführungsform des Verfahrens.

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.

Bei der Durchführung des Verfahrens wiederholen sich die folgenden Verfahrensschritte zyklisch bis zur Fertigstellung des Bauwerks. 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 wird ein als Bewehrungselemente fungierender Strang 4 in die Lagen 2 bzw. 3 eingebracht. Beide Verfahrensschritte werden bis zur Fertigstellung des Bauteils 1 zyklisch wiederholt. Jeder Strang 4 besteht bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel 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.

Jeder Strang 4 erstreckt sich hierbei über mindestens zwei Lagen 2 bzw. 3 und die Stränge 4 erstrecken sich in Richtung der Lagen 2 bzw. 3 mit einem senkrecht zu den Lagen 2 bzw. 3 oszillierenden periodischen Muster. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich jeder Strang 4 über zwei Lagen 2 bzw. 3 und die periodische Ausbildung entspricht einem Rechteckverlauf. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, sind die nach Art eines Rechteckverlaufs oszillierenden Stränge 4 innerhalb der Lagen 2 bzw. 3 des Bauteils 1 so angeordnet, dass sich die Phasen zweier übereinanderliegender Stränge 4 abwechseln. Auf diese Weise gibt es einen Überlappungsbereich, in welchem sich der von einer unteren in die obere Lage erstreckende rechteckige Bereich eines Strangs 4 mit dem unteren rechteckigen Bereich des darüberliegenden Strangs 4 überdeckt bzw. diesen sogar übersteigt, so dass der dazwischenliegende Beton einen Kraftfluss zwischen benachbarten Strängen 4 ermöglichst, wodurch eine stabile Bewehrung und eine hohe Stabilität des Bauteils 1 erzeugt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird jeder Strang 4 gegenphasig zu dem darunterliegenden Strang 4 in die Lagen 2 bzw. 3 eingedrückt.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, bestehen die Stränge 4 nicht aus einem starren Material, sondern aus einem flexiblen Material, z.B. einem zugfesten Faden, der aus einem Kunststoff, z.B. Kevlar, bestehen kann. Aufgrund der Flexibilität des Materials ist hier ein Eindrücken in die Lagen 3 bzw. 3 des bereits relativ harten, jedoch noch plastischen Betonmörtels der Lagen 2 bzw. 3 nicht möglich. Vielmehr bedient man sich hier, wie es in Figur 2 dargestellt ist, zum Eindrücken jeweils einer rechteckigen Schlaufe des Strangs 4 eines Führungsstifts 5, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei nebeneinanderliegenden Stiften besteht, deren Abstand der Breite des Rechtecks des periodischen Verlaufs des Strangs 4 entspricht. Mithilfe dieses Führungsstifts 5 können aufeinanderfolgende Bestandteile des rechteckigen Verlaufs des Fadens 4 in den noch weichen Betonmörtel der Lagen 2 bzw. 3 eingedrückt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden übereinanderliegende Stränge 4 des Bewehrungsmaterials vorzugsweise gegenphasig eingeschoben, so dass sich eine teilweise Überlappung bzw. Übergreifung übereinanderliegender Stränge 4 ergibt, wodurch nach Aushärten des Betons eine erhöhte Stabilität in dem Bereich benachbarter Teile der Stränge erzeugt wird.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, wird anstelle eines rechteckigen Verlaufs der Periodizität der Stränge ein sinusförmiger Verlauf gewählt. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform bestehen die Stränge 4 ebenfalls aus flexiblen Fäden, so dass auch hier ein Führungsstift 5 zum Eindrücken der Stränge 4 in die Lagen 2 bzw. 3 des Bauteils 1 notwendig ist. Auch bei dieser Ausführungsform überlappen bzw. überschneiden sich die übereinander gegenphasig verlegten Stränge 4, so dass durch deren Nähe im Überlappungsbereich eine besonders hohe Kraftübertragung benachbarter Stränge und damit benachbarter Lagen stattfindet.

Weitere alternative Ausführungsformen sind denkbar. So kann das periodische Muster, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, rechteckförmig sein, oder wie in Figur 3 dargestellt, sinusförmig sein. Es kann auch dreieckig sein oder eine andere Periodizität aufweisen. In allen Ausführungsbeispielen kann anstelle eines starren Materials auch, wie es in Figur 1 dargestellt ist, auch ein flexibles Material, also z.B. ein Faden, verwendet werden, wie es in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Anstelle von Beton kann die Erfindung auch mit thixotropen Geopolymer verwirklichet werden. Vorzugsweise ist der seitliche Abstand einander überlappender Stränge maximal das fünffache des Durchmessers jedes Bewehrungselements. Auf diese Weise entsteht eine besonders innige Verbindung und ein besonders guter Kraftfluss zwischen benachbarten Bewehrungselementen durch den dazwischenliegenden Beton.

Wie den Figuren zu entnehmen ist, überlappen sich die übereinanderliegenden, periodischen Bewehrungselemente, wobei sie in dem Überlappungsbereich einen möglichst geringen seitlichen Abstand zueinander haben, vorzugsweise einen seitlichen Abstand, der geringer ist als die maximale seitliche Ausdehnung, also die halbe Periodizität, jedes Bewehrungselements 4, vorzugsweise jedoch noch deutliche geringer. Durch diesen geringen seitlichen Abstand übereinanderliegender Bewehrungselemente 4 wird in dem Überlappungsbereich ein optimaler Kraftfluss durch den dazwischenliegenden, vermittelnden Beton gewährleistet und damit eine möglichst hohe, an die Stabilität einer Baustahlmatte sich annähernde Stabilität der Bewehrung erzielt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das damit erstellte Bauteil haben den Vorteil einer wesentlich innigeren Verbindung der Bewehrungselemente bzw. Stränge 4 und einer wesentlich festeren Bewehrung, da durch die Stränge 4 die gleiche Wirkung erzielt werden kann, wie beim klassischen Betonguss durch Verwendung einer Stahlmatte. Durch die erfindungsgemäße Einbringung von Strängen 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.