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Title:
COMPUTER-AIDED METHOD FOR DIMENSIONING A FORMWORK ARRANGEMENT TO BE ADDITIVELY MANUFACTURED, AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/078739
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a computer-aided method and to a device for dimensioning a formwork arrangement to be additively manufactured, comprising a formwork skin (6), which is made of a soluble material and is provided with an outer reinforcing structure (7), for the at least partial production of concrete elements (1), comprising the following steps: provision (A) of a CAD wireframe model (1') of the concrete element (1) to be produced; calculation (B) of a formwork skin (6) which is of a uniform thickness and surrounds the concrete element (1); input (C) of geometrical parameters of an outer reinforcing structure (7) for the formwork skin (6) via a user interface (200); loading-appropriate adaptation (D) of the reinforcing structure (7') calculated from said parameters and following the outer contour of the formwork skin (6); combination (H) of the loading-appropriately adapted, contour-following reinforcing structure (7') with the formwork skin (6) to create a 3D printing model that can be printed in one piece.

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Inventors:
LESCHOK, Matthias (Institut für Technologie in der Architektur ETH Zürich, HIB E 2, Stefano-Franscini Platz 1 8093 Zürich, CH)
DILLENBURGER, Benjamin (ETH ZürichHIB E 2, Stefano-Franscini Platz 1 8093 Zürich, CH)
ISMAILA, Isaac (Rudolf-Diesel-Straße 19, Weißenhorn, DE)
Application Number:
EP2020/079499
Publication Date:
April 29, 2021
Filing Date:
October 20, 2020
Export Citation:
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Assignee:
PERI GMBH (Weißenhorn, DE)
International Classes:
E04G21/04; G06F30/00
Attorney, Agent or Firm:
KIETZMANN, Lutz (Elisenhof / Elisenstrasse 3, München, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Computergestütztes Verfahren zur Dimensionierung einer additiv zu fertigenden Schalungsanordnung, umfassend eine mit einer äußeren Verstärkungsstruktur (7) versehenen Schalhaut (6) aus einem löslichen Werkstoff für die zumindest teilweise Herstellung von Betonelementen (1), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Bereitstellung (A) eines CAD-Drahtgittermodells (G) des herzustellenden Betonelements (1),

Berechnen (B) einer das Betonelement (1) umgebenen Schalhaut (6) einheitlicher Dicke,

Eingabe (C) von geometrischen Parametern einer äußeren Verstärkungsstruktur (7) für die Schalhaut (6) über eine Benutzerschnittstelle (200),

Belastungsgerechte Anpassung (D) der hieraus berechneten, der Außenkontur der Schalhaut (6) folgenden Verstärkungsstruktur (7‘),

Vereinigen (H) der belastungsgerecht angepassten konturfolgenden Verstärkungsstruktur (7‘) mit der Schalhaut (6) zur Erstellung eines einstückig druckbaren 3D-Druckmodells.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur belastungsgerechten Anpassung die Tiefe der Verstärkungsstruktur (7‘) in einem Bereich zwischen 5 bis 100 mm modifiziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren geometrischen Parameter ausgesucht sind aus einer Parametergruppe, umfassend: Anzahl von Waben, Rippen oder Bändern als Verstärkungsstruktur auf der Oberfläche der Schalhaut (6), Anzahl von solchen Verstärkungsstrukturen in Tiefenrichtung, Materialdicke der Verstärkungsstrukturen, Tiefenmaß der Verstärkungsstrukturen. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am bereitgestellten CAD-Drahtgittermodell (G) des herzustellenden Betonelements (1) durch einen Neigungsanalysealgorithmus (E) Oberflächen bereiche (11) ermittelt werden, die einen vorgegebenen maximalen Neigungswinkel (a) von der Vertikalen überschreiten, um die Schalhaut (6) in den identifizierten druckkritischen Oberflächenbereichen (11) von unkritischen Oberflächenbereichen (10) her mit Schalhautmaterial nach außen hin aufzudicken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Neigungsanalysealgorithmus (E) über die Benutzerschnittstelle (200) der maximale Neigungswinkel (a), eine Winkeltoleranz des maximalen Neigungswinkels (a) und/oder eine neigungswinkelabhängige Materialdicke der aufzudickenden Bereiche der Schalhaut (6) vorgegeben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Neigungsanalysealgorithmus (E) untersuchte Oberfläche des Betonelements (1) in geometrische Bereichsabschnitte aufgeteilt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen unkritischen Oberflächenbereichen (10) der Schalhaut (6) und den druckkritischen, aufgedickenden Oberflächenbereichen (11) der Schalhaut (6‘) ein allmählicher Dickenübergang vorgesehen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturverstärkte Schalhaut (6, 6‘) in einzelne zusammenmontierbare Schalungssegmente (12a - 12c) aufgeteilt wird (F). 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Benutzerschnittstelle (200) die Anzahl der einzelnen Schalungssegmente (12a - 12c) und/oder die maximalen Abmessungen von Schalungssegmenten (12a - 12c) vorgegeben werden.

10. V erfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel (13) zur Montage der Schalungssegmente (12a - 12c) im Bereich benachbarter Schalungssegmente (12a, 12b; 12b, 12; 12c, 12a) vorgesehen werden (G).

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalungsanordnung mit mindestens einem, diese umgebenden Spanngurt (9), ringfömiges Band und/oder Spannschelle zum zusätzlichen Abfangen des von eingefülltem Frischbeton auf die Schalhaut (6, 6‘) ausgeübten hydrostatischen Drucks versehen wird.

12. Schalungsanordnung, umfassend eine mit einer äußeren Verstärkungsstruktur (7) versehenen Schalhaut (6, 6‘) aus einem löslichen Werkstoff für die Herstellung von Betonelementen (1), hergestellt unter Verwendung eines computergestützten Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.

13. Schalungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass hieran Verbindungsmittel (8) zur Kombination mit einem Standardschalungsrahmensystem (4) vorgesehen sind.

14. 3D-Druckmodell zur Herstellung einer additiv zu fertigenden Schalungsanordnung nach Anspruch 12. 15. Dimensionierungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, umfassend eine Rechnereinheit (100) zur Berechnung der Verstärkungsstruktur (7), der aufgedickten Oberflächenbereiche (11) und/oder der Verbindungsmittel (8; 13), welche mit einer Benutzerschnittstelle (200) zur Parametereingabe sowie einem Monitor (300) zur grafischen dreidimensionalen Darstellung des 3D- Druckmodells der dimensionierten Schalungsanordnung verbunden ist.

16. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Rechnereinheit (100) gemäß Anspruch 15, diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

17. Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 16 gespeichert ist.

Description:
Computergestütztes Verfahren zur Dimensionierung einer additiv zu fertigenden Schalungsanordnung sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2019216341.6, eingereicht am 23. Oktober 2019, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Dimensionierung einer additiv zu fertigenden Schalungsanordnung, umfassend eine mit einer äußeren Verstärkungsstruktur versehenen Schalhaut aus einem löslichen Werkstoff für die Herstellung von Betonelementen. Die Erfindung betrifft daneben auch eine Schalungsanordnung selbst, die unter Verwendung eines solchen computergestützten Verfahrens hergestellt worden ist, sowie ein die additiv zu fertigende Schalungsanordnung beinhaltendes 3D-Druckmodell. Außerdem ist die Erfindung auch auf eine Dimensionierungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Rechnereinheit, gerichtet sowie ein Computerprogramm, welches die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Rechnereinheit der Dimensionierungseinrichtung ausführt, nebst einem computerlesbaren Datenträger, auf dem das besagte Computerprogramm abgespeichert ist.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Herstellung von Betonelementen oder dergleichen unter Verwendung einer Schalungsanordnung, welche gewöhnlich eine Gussform für Frischbeton oder einen ähnlichen gießbaren Baustoff bildet,

LK: welcher nach dem Aushärten als Bauteil eines Gebäudes einsetzbar ist, nachdem die Schalungsanordnung entfernt worden ist.

Im Schalungsbau kommen meist modulare Schalungselemente zur Anwendung, welche flexibel zur Herstellung von Betonelementen oder Betonabschnitten an einem Gebäude nach einem Baukastenprinzip zusammengesetzt werden können. Auf diese Weise sind jedoch lediglich Standardgeometrien realisierbar.

Insbesondere für die Herstellung von Betonelementen mit komplizierter Außenkontur kommen jedoch in der Regel nicht- wiederverwendbare Schalungsanordnungen der hier interessierenden Art zum Einsatz. Innenliegende Strukturen können jedoch mit der herkömmlichen Bauweise nicht genau definiert werden. Hierfür werden bislang beispielsweise Leerrohre verwendet, womit jedoch das Innere eines Bauteils nicht präzise gestaltet werden kann.

Stand der Technik

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind beispielsweise sogenannte Strukturschalungen bekannt, welche der Außenoberfläche einer Betonwand oder dergleichen eine gewisse Textur aufprägen. Sind diese Strukturschalungen aus einem elastischen Kunststoff gefertigt, so ist es damit sogar möglich, der Betonwand leichte Hinter schnei düngen aufzuprägen.

Aus der WO 2014/127426 Al geht eine technische Lösung hervor, womit eine Kunststoffschalung für stärker oberflächenstrukturierte Betonelemente durch das additive Fertigungsverfahren des 3D-Drucks bauteilindividuell herstellbar ist. Hierfür wird eine Robotervorrichtung verwendet, deren Druckkopf zur Herstellung der Schalungsanordnung Kunststoffmaterial nach Maßgabe eines 3D-Modells selektiv zur Erstellung der Schalungsanordnung aufbaut. Die auf diese Weise hergestellte Schalungsanordnung umfasst neben einer die Kontaktfläche zum Betonelement bildenden Schalhaut auch eine diese umgebende äußere Verstärkungsstruktur zum Abstützen der Schalhaut.

Nachdem das Baumaterial, vorzugsweise Frischbeton, in die Schalungsanordnung eingegossen worden ist und dort ausgehärtet ist, um das Betonelement zu bilden, wird die Schalungsanordnung vom Bauteil entfernt. Dies kann gemäß einem der Ausführungsbeispiele durch Besprühen der Schalungsanordnung mit einer Flüssigkeit erfolgen, welche das Material der Schalungsanordnung auflöst. Durch die additive Fertigung der Schalungsanordnung lassen sich recht komplexe Bauteil Strukturen realisieren.

Die DE 102016 119365 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Schalungssystems, insbesondere für die Fertigung von oberflächenkonturierten Betonelementen, bestehend aus einer Mehrzahl von Einzelformen, welche zumindest auf der dem Beton zugewandten Oberfläche aus einem schichtweise ausgehärteten Kunststoff hergestellt sind. Dies entspricht ebenfalls einer additiv gefertigten Schalungsanordnung. Der hierfür verwendete Kunststoff ist vorzugsweise wasserlöslich im sogenannten Fused Deposition Modelling (FDM) aufgetragen.

Zur Herstellung dieser löslichen Schalungsanordnung für die Fertigung oberflächenkonturierter Betonelemente wird zunächst die Größe und Geometrie mehrerer Einzelformen, aus welchen die Schalungsanordnung zusammengesetzt ist, bestimmt. Anschließend wird die dem Beton zugewandte Oberfläche wenigstens einer Einzelform mithilfe der additiven Fertigungstechnologie gedruckt. Die Einzelformen werden aus einem wiederverwertbaren Grundträger gebildet, auf dem mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologie die dem Beton zugewandte Oberfläche aufgedruckt wird, welche zur Wiederverwendung des Grundträgers ablösbar ist. Somit beinhaltet die hier vorgeschlagene technische Lösung sowohl ein Ablösen einer Schalhaut vom Betonelement, nachdem dieses ausgehärtet ist, als auch vom wiederverwertbaren Grundträger. Die wiederverwertbaren Grundträger können zur Stabilisierung der wasserlöslichen Schalhaut bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung mit einer wabenförmigen Verstärkungsstruktur versehen werden. Gemäß einem der Ausfiihrungsbeispiele weist diese Verstärkungsstruktur in Bereichen einer höheren Schalungsbelastung eine dichtere Anordnung auf als in übrigen Bereichen der S chalungsanordnung .

Der Vorteil wiederverwertbarer, einheitlicher Grundträger ist bei dieser technischen Lösung mit dem Nachteil eines geometrischen Ausgleichs zur Oberflächenstrukturierung des herzustellenden Bauelements verbunden. Denn die einheitlichen Grundträger weisen eine ebene Einheitsgeometrie auf und die Schalhaut ist hierauf je nach gewünschter Außenkontur des Betonelements mehr oder weniger stark aufgetragen. Dies führt insbesondere bei stark konturierten Betonelementen zu einem hohen Materialverbrauch für das aufzutragende wasserlösliche Kunststoffmaterial und damit zu einer recht langen Herstellungszeit für die S chalungsanordnung .

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Dimensionierungseinrichtung für eine additiv zu fertigende Schalungsanordnung der hier interessierenden Art zu schaffen, das/die ein die Erstellung eines einstückig druckbaren 3D- Druckmodells ermöglicht, welches die Herstellung der additiv zu fertigenden Schalungsanordnung mit einem minimalen Materialeinsatz und damit einhergehender geringer Herstellungszeit gestattet. Offenbamng der Erfindung

Hinsichtlich eines computergestützten Verfahrens wird die Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst. Bezüglich einer unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellten Schalungsanordnung wird auf Anspruch 12 verwiesen. Der Anspruch 14 gibt ein 3D-Druckmodell für eine solche Schalungsanordnung an. Anspruch 15 ist auf eine Dimensionierungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gerichtet, umfassend eine Rechnereinheit. Der Anspruch 16 verkörpert ein auf der Rechnereinheit auszuführendes Computerprogramm, welches das Dimensionierungsverfahren beinhaltet.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur computergestützten Dimensionierung einer additiv zu fertigenden Schalungsanordnung, umfassend eine mit einer äußeren Verstärkungsstruktur versehenen Schalhaut aus einem löslichen Werkstoff für die Herstellung von Betonelementen, folgende Schritte auf einer Rechnereinheit durchgeführt werden:

Bereitstellung eines CAD-Drahtgittermodells des herzustellenden Betonbauteils,

Berechnen einer das Betonbauteil umgebenden Schalhaut von im wesentlichen einheitlicher Dicke,

Eingabe von geometrischen Parametern einer äußeren Verstärkungsstruktur für die Schalhaut über eine Benutzerschnittstelle,

Belastungsgerechte Anpassung der hieraus berechneten, die Außenkontur der Schalhaut folgenden Verstärkungsstruktur, Vereinigen der belastungsgerecht angepassten konturfolgenden Verstärkungsstruktur mit der relativ dünnen Schalhaut zur Erstellung eines einstückig druckbaren 3D- Druckmodells.

Der Vorteil des erfmdungsgemäßen Verfahrens liegt gegenüber dem Stand der Technik insbesondere darin, dass die Dimensionierung unmittelbar an einem standardisierten CAD- Drahtgittermodell des geplant herzustellenden Bauteils erfolgen kann. Hieran wird eine Schalhaut aufmodelliert, welche gegenüber dem Stand der Technik nicht unterschiedliche konturfolgende Dickenbereiche aufweist, welche einen Abstandsausgleich zu einer Verstärkungsstruktur gewährleisten. Hierdurch kann so viel Kunststoffmaterial zur Erstellung der beispielsweise nur ca. 5 Millimeter dünnen Schalhaut konzipiert werden, wie dies unbedingt erforderlich ist. Die hinreichende Formstabilität erhält die Schalhaut durch die hieran außenliegend angebrachte Verstärkungsstruktur, die beispielsweise eine Wabenstruktur, Rippenstruktur oder Bänderstruktur sein kann. Elm diese Verstärkungsstruktur an die Eigenlast der Schalungsanordnung sowie an den vom hieran einzufüllenden Frischbeton ausgeübten Schalungsdruck belastungsgerecht anzupassen, können zuvor über eine Benutzerschnittstelle geometrische Parameter der Verstärkungsstruktur, wie beispielsweise Anzahl der Strukturwaben auf der Oberfläche der Schalhaut, Anzahl von Strukturwaben in Tiefenrichtung, Materialdicke von Wabenrippen, Tiefenmaß von Wabenrippen und dergleichen, vorgegeben werden.

Zur belastungsgerechten Anpassung der Tiefe der Verstärkungsstruktur kann hierbei beispielsweise eine Auswahl in einem Bereich zwischen vorzugsweise 5 bis 100 mm getroffen werden. Die so erstellte Verstärkungsstruktur trägt effektiv zur Tragfähigkeit der Schalungsanordnung bei, da die lösliche Schalhaut im Kontakt mit der Feuchtigkeit des Frischbetons erweichen kann und hierdurch an Tragfähigkeit verliert. Im Rahmen der belastungsgerechten Anpassung, welche auch durch einen vollautomatischen Anpassungsalgorithmus erfolgen kann, lässt sich so die Tiefe der Rippen der Verstärkungsstruktur graduell an den Kräfteverlauf der Belastungssituation anpassen. Bei hochbauenden Betonelementen kann somit die Verstärkungsstruktur im unteren Bereich der Schalungsanordnung tiefer ausgebildet werden als im oberen Bereich, welcher einer demgegenüber nur geringen hydrostatischen Belastung ausgesetzt ist.

Neben der Tiefe der Verstärkungsstruktur könnten sich auch andere geometrische Parameter der vorstehenden nicht abschließenden Aufzählung entsprechend anpassen lassen. Ist die insoweit belastungsgerecht angepasste konturfolgende Verstärkungsstruktur dimensioniert, so erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine modellmäßige Vereinigung der Verstärkungsstruktur mit der Schalhaut, so dass ein einstückig druckbares 3D-Druckmodell entsteht. Dieses Vereinigen erfolgt nach Maßgabe einer zur Erstellung des 3D-Druckcodes verwendeten sogenannten Slicing-Software.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere darin, dass hiermit ein 3D- Druckmodell entsteht, welches einstückig, also in der Gesamtheit von Schalhaut mit Verstärkungsstruktur, druckbar ist. Da die Dicke der Schalhaut funktionsgerecht minimiert ist und die diese stützende Verstärkungsstruktur belastungsgerecht angepasst ist, entsteht insgesamt eine Schalungsanordnung, die mit einer minimalen Menge des zu druckenden löslichen Werkstoffs auskommt. Dabei ist es hinreichend, wenn nur die Schalhaut selbst aus dem löslichen Werkstoff erstellt wird, wohingegen die Verstärkungsstruktur auch aus einem nicht-löslichen Werkstoff unter Verwendung eines Mehrkomponenten-Druckkopfs additiv gefertigt werden kann. Dieser materialsparende Dimensionierungsansatz äußert sich auch in einer entsprechenden kurzen Herstellungszeit für die bauteilindividuelle Schalungsanordnung.

Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass am bereitgestellten CAD-Drahtgittermodell des herzustellenden Betonbauteils durch einen Neigungsanalysealgorithmus solche Oberflächenbereiche ermittelt werden, die einen vorgegebenen maximalen Neigungswinkel a von der Vertikalen überschreiten. Hierdurch lassen sich druckkritische Oberflächenbereiche identifizieren. Denn vertikale Geometrien der Schalungsanordnung können zwar mit dem additiven Fertigungsverfahren Schicht für Schicht aufgebaut werden. Sobald jedoch die Geometrien komplexer werden und insbesondere Oberflächenbereiche mit einem Neigungswinkel von größer als ca. 45° von der Vertikalen hergestellt werden sollen, kann es zu Fehlstellen in der späteren Schalhaut kommen. Eine naheliegende Gegenmaßnahme wäre normalerweise, zusätzliche Stützstrukturen im Bereich der Verstärkungsstruktur vorzusehen. Diese könnten diese kritischen Geometrien abfangen, damit diese druckbar sind. Jedoch erweist sich bei großen Bauteilen die Erstellung derartiger zusätzlicher Stützstrukturen als recht zeit- und materialintensiv. Je nach Komplexität des Bauteils kann es dazu kommen, dass mehr Stützstrukturmaterial gedruckt werden muss als eigentliches Formmaterial. Daher bildet die Identifizierung solcher druckkritischen Oberflächenbereiche die Voraussetzung dafür, diese mit Schalhautmaterial nach außen hin aufzudicken, so dass auch eine Druckbarkeit von derart geneigten Oberflächenbereichen möglich wird.

Um dem Neigungsanalysealgorithmus eine korrekte Identifizierung von druckkritischen Oberflächenbereichen zu ermöglichen, wird diesem vorzugsweise über eine Benutzerschnittstelle der maximale Neigungswinkel a, eine Winkeltoleranz des maximalen Neigungswinkels a und/oder eine neigungswinkelabhängige Materialdicke der aufzudickenden Bereiche der Schalhaut vorgegeben. Der Neigungswinkel a wird hier exemplarisch von der Vertikalen bemessen. Es ist natürlich auch möglich, den Neigungswinkel a von der Horizontalen aus festzulegen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die durch den Neigungsanalysealgorithmus untersuchte Oberfläche des Betonbauteils hierfür in geometrische Bereichsabschnitte aufgeteilt wird, um insbesondere große Oberflächen abschnittsweise in möglichst kurzer Zeit analysieren zu können. Dies erübrigt sich in der Regel bei relativ klein bauenden Betonbauteilen mit wenig komplexer Oberflächenstruktur. Ferner wird vorgeschlagen, zwischen unkritischen Oberflächenbereichen der Schalhaut, also von der dünnen Einheitsdicke der Schalhaut her in Richtung der aufgedickten Oberflächenbereiche der Schalhaut, einen allmählichen Dickenübergang zu realisieren, um hierdurch eine weitere belastungsgerechte Optimierung vorzunehmen.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die strukturverstärkte Schalhaut in einzelne zusammenmontierbare Schalungssegmente aufgeteilt wird. Dies macht insbesondere bei besonders groß- und/oder hochbauenden Schalungsanordnungen für entsprechende Betonelemente Sinn, um diese besser handhaben zu können.

Die Anzahl einzelner Schalungssegmente und/oder deren maximale Abmessungen können vorzugsweise ebenfalls über die Benutzerschnittstelle vorgegeben werden. Es ist jedoch auch denkbar, diese Segmentierung vollautomatisch durch einen Segmentierungsalgorithmus durchführen zu lassen.

Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, Verbindungsmittel zur Montage einzelner Schalungssegmente im Bereich benachbarter Schalungssegmente planerisch vorzusehen. Beispielsweise können Clip- Verbindungs- Strukturen erstellt werden, welche eine einfache werkzeuglose Montage der Schalungssegmente zur Erstellung der gesamten Schalungsanordnung ermöglichen. Derartige 3D-gedruckte Verbindungsmittel können entweder aus löslichem oder auch aus herkömmlichem, nicht-löslichem Kunststoff erstellt werden. Die Verbindungsmittel sind so konzipiert, dass während des Gussvorgangs kein Frischbeton austreten kann. Zusätzlich können gegebenenfalls weitere Verbindungsmaßnahmen vorgesehen werden, beispielsweise indem die Schalungsanordnung von mindestens einem Spanngurt, ringfömiges Band und/oder Spannschelle zum zusätzlichen Abfangen des von eingefülltem Frischbeton auf die Schalhaut ausgeübten hydrostatischen Drucks umgeben wird. Ebenfalls ist es denkbar, zusätzliche Ringelemente, insbesondere im Fußbereich eines hochbauenden Betonelements, anzuordnen, welcher außen um den Fußbereich der Schalungsanordnung herum gelegt ist. Derartige Ringstrukturen können natürlich auch mehrteilig konzipiert werden, um eine einfache Montage und Demontage zu ermöglichen.

Das vorstehend allgemein beschriebene Dimensionierungsverfahren erzeugt ein 3D- Druckmodell zur Herstellung der anschließend additiv zu fertigenden Schalungsanordnung, welche vorzugsweise unter Verwendung von PVA-Material erfolgt, zumindest in Bezug auf die Schalhaut. Das allgemein bekannte PVA-Material (PVA = Polyvinylalkohol) ist wasserlöslich, recycelbar und biologisch abbaubar. Daneben ist es auch möglich, sogenanntes PLA-Material (PLA = Polylactide) für die Erstellung der Schalungsanordnung zu nutzen, welches allerdings nicht recycelbar ist. Ebenso ist die Verwendung von BVOH-Material (BVOH = Butenediol- Vinylalkohol-Copolymer) oder dergleichen denkbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise in einem Computerprogramm verkörpert, welches auf der Rechnereinheit einer Dimensionierungseinrichtung läuft und mit an sich bekannten Benutzerschnittstellen zur Parametereingabe, einem Monitor zur grafisch dreidimensionalen Darstellung des 3D-Druckmodells der dreidimensionalen Schalungsanordnung ausgestattet ist. Hierfür ist das Computerprogramm auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert.

Die Dimensionierungseinrichtung kann dabei sowohl als Einzelplatzrechner oder in Form einer Client-Server-Lösung mit Cloud-Speicher oder dergleichen verwirklicht sein. Die Konfiguration richtet sich dabei nach den Anwendungserfordemissen. Detailbeschreibung anhand der Zeichnung

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines herzustellenden Betonelements, bestehend aus einer Säule mit quadratischem Querschnitt und ebener Oberflächenkontur, welche mit einem Kapitell mit komplexer Oberflächenkontur versehen ist, einstückig hergestellt durch Betonguss,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer kombinierten Schalungsanordnung, bestehend aus Standard-Schalungsteilen mit einer erfindungsgegenständlichen additiv gefertigten Schalungsanordnung für den Bereich des Säulenkapitells,

Fig. 3 eine perspektivische Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der in der kombinierten Schalungsanordnung gemäß Fig. 2 enthaltenen Verbindungsmittel,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Detailbereich der additiv gefertigten Schalungsanordnung zur Verdeutlichung des Schichtaufbaus,

Fig. 5 einen Ablaufplan zur Illustration der Verfahrensschritte zur Dimensionierung der additiv zu fertigenden Schalungsanordnung, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Dimensionierungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 5. Gemäß Fig. 1 besteht ein als langgestreckte Säule ausgebildetes Betonelement 1 aus einem unteren Säulenschaft 2 mit quadratischem Querschnitt, dem sich ein Säulenkapitell 3 anschließt, welches eine vergleichsweise kompliziert geformte und mit Hinterschnitten versehene Oberflächenstruktur aufweist.

Gemäß Fig. 2 wird dieses Betonelement 1 einstückig mithilfe einer kombinierten Schalungsanordnung gefertigt, in welche Frischbeton zum Erhärten einfüllbar ist. Die kombinierte Schalungsanordnung besteht aus einem Standardschalungsrahmensystem 4, welches aus insgesamt vier Schalplatten 5a bis 5d zusammengesetzt ist, die derart zueinander angeordnet sind, dass sich hiermit der Säulenschaft 2 mit dem quadratischen Querschnitt einschalen lässt. Für den Bereich des Säulenkapitells 3 weist die Schalungsanordnung eine aus einem löslichen Werkstoff per additivem Fertigungsverfahren hergestellte Schalhaut 6 auf, welche von einer äußeren Verstärkungsstruktur 7 in Form einer Wabenstruktur umgeben ist. Dabei dient die äußere Verstärkungsstruktur 7 dazu, die recht dünne Schalhaut 6 insbesondere gegen den vom eingefüllten Frischbeton erzeugten Innendruck abzustützen. Die aus einem wasserlöslichen Kunststoffmaterial per 3D-Druck erstellte Schalhaut 6 mit der hieran stoffschlüssig angeformten äußeren Verstärkungsstruktur 7, welche bei diesem Ausführungsbeispiel aus demselben Material besteht, ist über Verbindungsmittel 8 mit dem Standardschalungsrahmensystem 4 verbunden. Die Verbindungsmittel 8 sind hier nach Art eines zerlegbaren Kastenrahmens ausgebildet, welcher seitens des Standardschalungsrahmensystems 4 sowie auch seitens der Verstärkungsstruktur 7 mit geeigneten formschlüssigen Clip-Verbindungselementen versehen ist, so dass eine lösbare Montage und Demontage durchgeführt werden kann.

Gemäß der schematischen Fig. 3 ist die strukturverstärkte Schalhaut 6 in einzelne zusammenmontierbare Schalungssegmente 12a bis 12c aufgeteilt, welche über - hier nur schematisch dargestellte - Verbindungsmittel 13 (exemplarisch) im Bereich benachbarter Schalungssegmente 12a und 12b (exemplarisch) montierbar sind, um insbesondere eine insgesamt großbauende Schalungsanordnung handhaben zu können.

Gemäß Fig. 4 weist die im Wesentlichen additiv hergestellte Schalungsanordnung um das Säulenkapitell 3 des Betonelements 1 den folgenden Schichtaufbau auf:

Das Betonelement 1 ist im Bereich des Säulenkapitells 3 von der Schalhaut 6 umgeben, welche im Vertikalbereich eine einheitliche Dicke aufweist. An der Schalhaut 6 ist die äußere Verstärkungsstruktur 7 angeformt, welche hier zur weiteren Entlastung mit einem zusätzlichen Spanngurt 9 umschlossen wird. Der Spanngurt 9 schließt über die Verstärkungsstruktur 7 einen vertikalen, drucktechnisch unkritischen Oberflächenbereich 10 der Schalhaut 6 ein. Dem schließt sich nach oben hin ein von der Vertikalen V geneigter druckkritischer Oberflächenbereich 11 an, welcher mit einer aufgedickten Schalhaut 6‘ versehen ist, so dass sich der insoweit geneigte Oberflächenbereich 11 ohne Anbringung zusätzlicher äußerer Stützstrukturen per 3D-Druck hersteilen lässt.

Zwischen dem unkritischen Oberflächenbereich 10 der Schalhaut 6 und dem druckkritischen, aufgedickten Oberflächenbereich 11 der Schalhaut 6‘ erfolgt ein allmählicher Dickenübergang.

Gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Ablaufplan umfasst ein Verfahren zur Dimensionierung der vorstehend beschriebenen Bereiche des Säulenkapitells 3 additiv zu fertigenden Schalungsanordnung für das Betonelement 1 die folgenden Schritte:

Ausgegangen wird im Schritt A von einem CAD-Drahtgittermodell 20 des herzustellenden Betonelements 1, welches als Ergebnis einer vorausgegangenen Bauelement-Konstruktion vorliegt. Zunächst wird im Schritt B die Schalhaut 6 berechnet, welche das Betonelement 1 mit einheitlicher Dicke umgeben soll. Im nachfolgenden Schritt C erfolgt eine Eingabe von geometrischen Parametern einer äußeren Verstärkungsstruktur 7 für die Schalhaut 6. Über die Benutzerschnittstelle wird beispielsweise eine Wabenstruktur sowie die Tiefe der Verstärkungsstruktur 7 parametriert, woraus im nachfolgenden Schritt D eine belastungsgerechte Anpassung der Verstärkungsstruktur 7‘ erfolgt, welche der Außenkontur der Schalhaut 6 und damit im Wesentlichen auch der Außenkontur des Betonelements 1 folgt. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass die Tiefe der Verstärkungsstruktur 7‘ im unteren Bereich größer ausgebildet ist als im äußeren Bereich, um die zu erwartende hydrostatische Belastung der Schalungsanordnung durch den von eingefülltem Frischbeton ausgeübten Innendruck standhalten zu können.

Ein optionaler Zwischenschritt E beinhaltet eine zusätzliche Analyse über einen Neigungsanalysealgorithmus 21 dahingehend, ob das CAD-Drahtgittermodell 20 oder die hiervon umgebende Schalhaut 6 druckkritische Oberflächenbereiche 11 aufweist, welche in vorstehend beschriebener Weise aufzudicken sind. Die Schalhaut 6 wird gegebenenfalls entsprechend modifiziert.

In einem weiteren optionalen Zwischenschritt F wird die strukturverstärkte Schalhaut 6, 6‘ in einzelne zusammenmontierbare Schalungssegmente 12a, 12b nach Maßgabe einer per Benutzerschnittstelle vorgegebenen Segmentierung aufgeteilt. In einem anschließenden Zwischenschritt G werden Verbindungsmittel 13 zur Montage der Schalungssegmente 12a, 12b in vorstehend beschriebener Weise vorgegeben.

Im Schritt H erfolgt die Erstellung eines einstückig druckbaren 3D-Druckmodells, in dem die belastungsgerecht angepasste, konturfolgende und mit Verbindungsmitteln versehene segmentierte Verstärkungsstruktur 7‘ mit der Schalhaut 6, 6‘ vereinigt wird. Es wird daraufhingewiesen, dass einige der vorstehend beschriebenen Zwischenschritte E bis G optional sind und je nach Gestalt der zu dimensionierenden Schalungsanordnung durchgeführt werden können.

Gemäß Fig. 6 lässt sich vorstehend beschriebenes Dimensionierungsverfahren auf einer Rechnereinheit 100 zur Berechnung der Verstärkungsstruktur 7, der optional aufgedickten Oberflächenbereiche 11 und der optional zur Segmentverbindung vorgesehenen Verbindungsmittel 8; 13, verkörpert als Computerprogramm durchführen. Die Rechnereinheit 100 steht mit einer Benutzerschnittstelle 200 zur Parametereingabe sowie mit einem Monitor 300 zur grafischen Visualisierung des zu erstellenden 3D-Druckmodells in Verbindung.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anders strukturierte Betonelemente mit dem erfindungsgemäß computergestützten Verfahren zu dimensionieren, welche beispielsweise auch in Form einer einstückigen Schalungsanordnung, also ohne angekoppelte Standardschalungsrahmenelemente, erstellt werden können.

Bezugszeichenliste

1 Betonteil

2 Säulenschaft

3 Säulenkapitell

4 Standardschalungsrahmensystem

5 Schalplatte

6 Schalhaut

7 Verstärkungsstruktur

8 Verbindungsmittel (Kastenrahmen)

9 Spanngurt

10 unkriti scher Ob erfl ächenb er ei ch

11 druckkriti scher Ob erfl ächenb er ei ch

12 Schalungssegment

13 Verbindungsmittel

100 Rechnereinheit

200 Benutzerschnittstelle

300 Monitor a maximaler Neigungswinkel