GENERATIVES VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUTEILES MIT MINDESTENS EINEM KANAL, DURCH SD- DRUCKTECHNIK MIT EINEM SAND UND EINEM BINDEMITTEL

Die Erfindung betrifft ein generatives Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit mindestens einem Kanal durch 3D-Drucktechnik mit einem Sand und einem Bindemittel, wobei der mindestens eine Kanal an mindestens einem Ende bis an den Rand des Bauteils ragt.

Zu dem generativen Verfahren zur Herstellung von Bauteilen zählt nicht nur die 3D-Drucktechnik, sondern auch das sogenannte„Selektive

Lasersintern" und das„Fused disposed modeling". Alle drei Verfahren ermöglichen die Herstellung von strukturierten Bauteilen mit Kavitäten, insbesondere auch in Form von Kanälen und Hinterschnitten, die

ansonsten gar nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand herstellbar sind.

Die DE 199 00 597 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung eines Blechumformwerkzeuges für die Kleinserienfertigung. Zur Herstellung des Blechumformwerkzeuges kommen als Verfahren Lasersintern oder auch Laminieren zum Einsatz, wobei die solchermaßen hergestellten Formkörper als Teil eines Blechumformwerkzeuges später mit einem Harz infiltriert werden, um die Kompressibilität zu vermindern. Aus der DE 10 2004 019 080 B3 wiederum ist ein Verfahren bekannt, bei der in einer Form einzelne Formkörper durch Walz- oder Stampfwerkzeuge in ihrer Oberfläche konturiert werden. Mit derart vorgeformten Körpern wird dann eine Gussform hergestellt, die ausgefüllt wird, wobei die die

Außenkontur der Form bildenden Körper somit quasi die Schalung für das Füllmaterial bilden, wobei das Füllmaterial ebenfalls durch Stampf- oder Walzwerkzeuge auf der Oberfläche konturiert wird.

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Unter Kavitäten werden, wie dies bereits zuvor erwähnt worden ist, nicht nur Hohlräume innerhalb des Bauteiles verstanden, sondern auch beispielsweise Kanäle, die sich von einem Ende des Bauteiles bis zum nächsten erstrecken, wobei solche Kanäle in beliebiger Form in dem

o Bauteil angeordnet sein können. Zu solchen Kavitäten zählen auch

Hinterschnitte.

Unter Sand wird ein Stoff verstanden, der mit dem Bindemittel eine

Verbindung eingehen kann; bei Verwendung von Zement beispielsweise5 eine hydraulische Bindung.

Betonbauteile sind in den unterschiedlichsten Formen und Größen bekannt. In früherer Zeit wurde Beton im Wesentlichen nur bei der Herstellung von Bauwerken, insbesondere Gebäuden oder Brücken verbaut. Im Laufe dero Zeit hat sich der Anwendungsbereich vom Beton allerdings durchaus

erweitert. So ist bereits bekannt, aus Beton Maschinenbetten herzustellen. Solche Maschinenbetten beispielsweise werden nicht mehr aus einem herkömmlichen Beton, wie er in der Bauwirtschaft insbesondere in der Vergangenheit Verwendung fand, hergestellt, sondern aus Spezialbeton,5 und hier insbesondere UHPC-Betonmischungen. Solche ultrahochfesten Betone zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die hiermit hergestellten Bauteile bei Erzielung gleicher Festigkeitswerte wie übliche Betone wesentlich geringere Abmessungen aufweisen. Dies eröffnet die Möglichkeit derartige Betone, wie bereits ausgeführt nicht nur für die

o Herstellung von Bauwerken zu verwenden, sondern für Bauteile, die in ihrer Struktur hochkomplex sind, und zwar nicht nur in Bezug auf ihre äußere Kontur, sondern auch in Bezug auf die Anordnung von Kavitäten innerhalb des Bauteiles.

Nun ist bekannt, dass Beton zur Formgebung in Formen gegossen wird. 5 Derartige Formen haben aber den Nachteil, dass in Abhängigkeit von der

Komplexität des zu gießenden Bauteiles die Formen enorm teuer werden.

Dies deshalb, weil es ganz ähnlich wie in der Kunststoffspritzgusstechnik dann erforderlich ist, Formen mit Schiebern bereitzustellen. Die Herstellung spezieller Formen für entsprechende Bauteile bedingt allerdings, dass i o aufgrund der erheblichen Formkosten mit einer vorhandenen Form eine erhebliche Anzahl von Teilen gefertigt wird, da sich ansonsten eine solche

Form nicht amortisiert.

Insofern sind bereits sogenannte generative Verfahren zur Herstellung von 15 Bauteilen bekannt. Hierzu zählt, wie dies bereits an anderer Stelle erwähnt worden ist, insbesondere auch die 3D-Drucktechnik.

Insofern ist aus der EP 2 269 808 A1 die Herstellung von Kunststoffkörpern im Wege der 3D-Drucktechnik bekannt. Hierzu ist eine Form mit einem in 0 vertikaler Richtung verstellbaren Boden bekannt, wobei der Boden zum schichtweisen Aufbau des Körpers in der Form nach unten verschoben wird. Der Körper kann hierbei nach Fertigstellung Hinterschnitte,

Überhänge und Kavitäten aufweisen. 5 Aus der EP 2 063 039 A1 ist bekannt einen Betonkörper in einer Form zu gießen, wobei vor dem Gießvorgang in die Form ein Hohlkörper, z. B. ein Rohr, eingesetzt wird, der eine Ausnehmung in dem Betonkörper zum Einfüllen eines pastösen, aushärtbaren Materials bildet. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass zwischen dem Rohr einerseits und dem umgebenden0 Beton andererseits sowie dem aushärtbaren Material eine stoffliche

Verbindung im Sinne einer Infiltration nicht stattfinden kann, so dass diese in dem Rohr eingesetzte Masse nicht optimal als Armierung fungieren kann, da sie, wie bereits ausgeführt eine unmittelbare, stoffliche

Verbindung zu dem umgebenden Beton nicht bereitstellt.

5 Die im Wege der 3D-Drucktechnik als generativem Verfahren hergestellten Bauteile, die im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Sand und einem Bindemittel hergestellt sind, beispielsweise einem Zement oder einem Polymerwerkstoff oder einem Gemisch aus Zement und einem

Polymerwerkstoff, zeichnen sich zunächst dadurch aus, dass diese stark i o porös sind. Diese Porosität des Werkstückes bedingt eine geringe

Festigkeit. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass das Werkstück während der Herstellung nicht beispielsweise durch Rütteln oder Stampfen verfestigt wird.

15 Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demzufolge darin, ein solches beispielsweise im Wege der 3D-Drucktechnik hergestelltes Bauteil zu verfestigen.

Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1 , dass das 0 im Wege der 3D-Drucktechnik hergestellte poröse Bauteil zur Erhöhung der Festigkeit und Dichte in einer flüssigen, aushärtbaren Masse getränkt wird. Unter„Tränken" wird auch verstanden, wenn die flüssige, aushärtbare Masse in das Bauteil z. B. in die mindestens eine Kavität injiziert, infiltriert oder eingefüllt wird. Dadurch, dass das Bauteil vor dem Schritt der

5 Tränkung porös ist, nimmt das Bauteil während des Tränkvorganges eine große Menge der flüssigen, aushärtbaren Masse auf, so dass nach

Abschluss des Tränkvorganges sämtliche Hohlräume oder Poren im Körper mit dieser flüssigen, aushärtbaren Masse gefüllt sind. Das heißt, die Dichte des Körpers wird hierdurch signifikant erhöht, was unmittelbar zu einer0 Erhöhung der Festigkeit führt. Vorgesehen ist hierbei weiterhin, dass der mindestens eine Kanal an mindestens einem Ende an den Rand des Bauteiles anschließt, d. h. das Bauteil weist in Bezug auf den Kanal eine Öffnung auf. Das bedeutet aber auch, dass die flüssige, aushärtbare Masse durch diese Öffnung in das Innere des Bauteiles gelangt. In diesem

Zusammenhang hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, dass die als Kanal ausgebildete mindestens eine Kavität in dem Bauteil derart angeordnet ist, dass das zu tränkende Bauteilvolumen zwischen der äußeren Oberfläche des Bauteiles und dem mindestens einen Kanal zu allen Seiten hin im Wesentlichen gleich ist, so dass in einer vorbestimmten Zeit sichergestellt ist, dass das komplette Bauteil bei gegebener Porosität vollständig getränkt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass von jedem Punkt des Bauteiles, der unmittelbar der flüssigen, aushärtbaren Masse zugänglich ist, in jede Richtung das zu tränkende Volumen im

Wesentlichen gleich ist. Hierdurch wird sichergestellt, wie dies ebenfalls bereits dargelegt worden ist, dass das Bauteil in einer vorgegebenen Zeitspanne vollständig durchtränkt ist.

Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, dass das Tränken des Bauteiles unter Vakuum erfolgt. Das heißt, dass die flüssige, aushärtbare Masse quasi in das poröse Bauteil eingesaugt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die flüssige, aushärtbare Masse in dem mindestens einen Kanal nach ihrer Verfestigung eine höhere Festigkeit aufweist, als das umgebende Bauteil. Insofern besteht die Möglichkeit, insbesondere dann, wenn diese Masse nach ihrer Verfestigung aus dem Bauteil herausragt, also über das Bauteil übersteht, diese verfestigte Masse als Armierung fungieren kann. Gegenstand des Anspruches ist, dass das Bauteil aus einem Sand und einem Bindemittel hergestellt wird. Hierbei kann nach einer

Ausführungsform das Bindemittel ein hydraulisches Bindemittel z. B. ein Zement sein, wobei hierbei zur Herstellung des Bauteiles der Sand und der Zement als trockenes Gemisch schichtweise, mit einer Schichtdichte von 0.05 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,01 mm, auf einer Unterlage abgesetzt werden, wobei nach jeder Schicht die jeweilige letzte Schicht mit Wasser benetzt wird, um die Abbindung des Zementes zu ermöglichen. Hierbei werden die einzelnen Schichten in bestimmten zeitlichen Abständen aufeinander aufgebracht, wobei die zeitlichen Abstände abhängig sind von dem Fortschritt des Abbindeprozesses der jeweils unteren Schicht. Bereits hieraus wird deutlich, dass ein in solcher Weise hergestellter Körper porös ist, da eine Verfestigung der einzelnen Schichten im Wesentlichen nicht stattfinden kann. Insofern führt die abschließende Tränkung des Bauteiles in der aushärtbaren und zunächst flüssigen Masse zu einer signifikanten Erhöhung der Festigkeit des Bauteiles insgesamt.

Alternativ kann das Bindemittel auch ein flüssiger Polymerwerkstoff sein. Der Einsatz von Polymerwerkstoffen bei der Betonbauteilherstellung ist bekannt, und zwar insofern als beispielsweise sogenannte Polymerbetone bekannt sind, die sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnen. Allerdings ist auch ein aus einem Gemisch aus einem Sand und einem

Polymerwerkstoff hergestellter Körper ebenso porös, wie ein solcher Körper, der aus Sand und einem hydraulischen Bindemittel, beispielsweise einem Zement, hergestellt ist. Der Grund hierfür ist in gleicher Weise darin zu finden, dass auch hier keine mechanische Verfestigung bei dem schichtweisen Aufbau des Bauteiles stattfinden kann.

Als flüssige, aushärtbare Masse kommt insbesondere die Verwendung einer Zementschlämme oder einem flüssigen Polymerwerkstoff insbesondere auch eine mit Fasern, z. B. Kunststoff und/oder Metallfasern versetzte Zementschlämme oder Polymerwerkstoff in Frage.

Ggf. kommt auch eine Kombination aus Polymerwerkstoff und

Zementschlämme in Betracht. Dies ist abhängig von dem Einsatzzweck des entsprechenden Bauteiles, und schlussendlich von der gewünschten Festigkeit. Wesentlich hierbei ist, dass die flüssige, aushärtbare Masse nach der Aushärtung vorzugsweise eine höhere Festigkeit aufweist, als das umgebende Material, so dass die in den Kanälen einliegende ausgehärtete Masse als Armierung zum Lastabtrag bei äußeren auf den Körper einwirkenden Kräften fungieren kann. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Polymerwerkstoff ein Harz ist, da sich solche Harze insbesondere zur Tränkung von derart porösen Werkstoffen eignen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend anhand der Herstellung eines Betonbauteils beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Betonbauteil der erfindungsgemäßen

Art;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht von oben auf das Betonteil gemäß Fig. 1 ; zeigt eine Ausbildung des Hohlraums in einer Ansicht auf das

Betonteil gemäß der Linie IIa/IIa aus Fig. 1 ;

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Betonbauteiles in schematischer Darstellung;

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht aus Fig. 3; Gemäß der Darstellung aus Fig. 1 ist ein Betonbauteil mit 1 bezeichnet. Das Betonbauteil 1 zeigt drei übereinander liegende Ausnehmungen 2, die der Aufnahme einer Armierung dienen. Die eine Ausnehmung soll hierbei in drei Raumrichtungen verlaufen, um deutlich werden zu lassen, welche Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet.

Aus Fig. 2 und Fig. 2a ergibt sich nun der Aufbau im Bereich der oberen und mittleren Ausnehmung 2, die schräg in dem Betonbauteil verläuft. Erkennbar sind die einzelnen Schichten 5 des Betonbauteiles im Bereich der Ausnehmung 2 stufenförmig nach außen auslaufend ausgebildet, um dann nach Erreichen des seitlichen Scheitels der in etwa kreisrunden, elyptischen oder quadratischen Ausnehmung wieder nach oben

zusammenzulaufen. Die Herstellung der Ausnehmung 2 erfolgt im

Einzelnen dadurch, dass wie bereits ausgeführt, die einzelnen Schichten aus dem trockenen Gemisch aufeinander abgesetzt werden. Mit Wasser benetzt werden die Schichten nur dort, wo zur Bildung des Betonbauteils die Schicht abbinden soll. Insofern befinden sich auch in dem

auszubildenden Hohlraum Schichten aus trockenem Gemisch, wobei sich die Schichten oberhalb des horizontalen Scheitels einer im Wesentlichen kreisrunden Ausnehmung auf den darunter befindlichen Schichten abstützen, die nicht mit Wasser besprüht worden sind. Das in der

Ausnehmung befindliche trockene, nicht abgebundene Gemisch rieselt bei Aufnahme des Betonteils von der Unterlage aus der Ausnehmung heraus oder es wird ausgeblasen oder ausgesaugt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 zeichnet sich durch einen in drei

Raumrichtungen verfahrbaren Austragkopf 10 aus, der als Austragrinne ausgebildet und der an einer Traverse 21 angeordnet ist. Die Traverse 21 wird durch zwei Stützen 22 gehalten, die auf Schienen 23 in Richtung des Pfeils 25 verschieblich sind. Die Traverse 21 ist durch die Stützen 22 vertikal beweglich gehalten (Pfeil 35). Die Traverse 21 bildet mit den Schienen 23 und den Stützen 22 das Gestell 20. An dem Austragkopf 10 befindet sich ein als Sprühkopf ausgebildeter weiterer Austragkopf 27, der dem Austrag von Wasser dient.

5 Die von der Traverse in Richtung des Pfeils 30 beweglich angeordnete Austragrinne sowie der an der Austragrinne angebrachte, als Sprühkopf ausgebildete Austragkopf 27 sind somit in drei Raumrichtungen beweglich.

Der als Austragrinne ausgebildete Austragkopf 10 weist auf der Unterseite i o eine schlitzartige Austragöffnung 1 1 für das Gemisch aus hydraulischem Bindemittel und Sand auf. Der Sprühkopf dient dem konturscharfen

Sprühen von Wasser.

Die Verfahrensweise zur Herstellung eines strukturierten Betonteils stellt 15 sich wie folgt dar: Zunächst wird eine Schicht aus dem Gemisch aus

hydraulischem Bindemittel und Sand auf die Unterlage 7 durch den als Austragrinne ausgebildeten Austragkopf 10 aufgebracht. Die Schicht ist in der Draufsicht z. B. rechteckförmig. Alsdann wird die Schicht entsprechend der gewünschten Kontur mit Wasser besprüht. Nachdem die Schicht

0 abgebunden oder zumindest teilweise soweit abgebunden hat, dass sie steif ist, wird wiederum eine Schicht aus dem trockenen Gemisch in Rechteckform auf diese erste Schicht angebracht. Alsdann wird auch diese Schicht entsprechend der gewünschten Kontur dieser Schicht mit Wasser besprüht. Das ganze Verfahren wird schichtweise solange fortgesetzt, bis5 der Körper als Betonteil fertiggestellt ist. Dann wird das Betonteil von der Unterlage abgehoben. Das nicht abgebundene Gemisch löst sich von dem Betonteil oder Betonkörper; Hohlräume im Betonteil können mit Druckluft ausgeblasen werden. In die Hohlräume 2 wird eine aushärtbare Masse eingebracht, die nach der Aushärtung in der Lage ist, Zugkräfte aufzunehmen. Als Aushärten von Masse kommt hierbei z. B. ein Kunststoff z. B. ein Kunstharz in Frage.

Die Herstellung eines Bauteiles mithilfe eines Bindemittels in Form eines Polymerwerkstoffes gestaltet sich ähnlich wie die Herstellung eines solchen Bauteiles mit einem Gemisch aus Sand und einem Zement. Dies insofern, als auch bei der Herstellung eines Bauteiles mit Sand und einem

Bindemittel aus einem Polymerwerkstoff immer wieder einzelnen Schichten aus Sand auf eine Unterlage aufgebracht werden, und diese dann mit dem flüssigen Polymerwerkstoff, beispielsweise einem Harz, besprüht werden, entsprechend der gewünschten Kontur. Nach Verfestigung der jeweils unteren Schicht wird eine weitere Schicht aus Sand aufgebracht. Auch der hierbei entstehende Körper bzw. das Bauteil zeichnet sich durch eine hohe Porosität aus, die zur Steigerung der Festigkeit durch Tränken einer aushärtbaren flüssigen Masse, z. B. einem Polymerwerkstoff, und hier insbesondere auch einem Harz und insbesondere auch unter Vakuum erhöht werden kann.

Bezugszeichenliste:

1 Betonteil

2 Ausnehmung

5 einzelne Schichten

7 Unterlage

10 Austragkopf

1 1 Austragöffnung

20 Gestell

21 Traverse

22 Stütze

23 Schiene

25 Richtungsangabe (Pfeil)

Austragkopf

Richtungsangabe (Pfeil) Richtungsangabe (Pfeil)

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