Steinbeis-Experten entwickeln additive Fertigungstechnologie für komplexe Betonfertigteile mit
Zur Herstellung von Betonfertigelementen werden geometriebedingt häufig mehrteilige Schalungen benötigt, was nicht selten zu Problemen beim Entformen und somit zu Schäden an den Bauteilen führen kann. Auch ökologische und ökonomische Aspekte sollen dabei berücksichtigt werden. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Steinbeis-Innovationszentrum FiberCrete gemeinsam mit der WASA Compound GmbH & Co. KG. im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz innerhalb des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) geförderten Forschungsprojektes eine Fertigungstechnologie zur nachhaltigen Herstellung von flexiblen und recycelbaren Schalungselementen.
Die Erzeugung hohler Strukturen bedingt einen Schalungskern, der die Innenform des Betonfertigelements erzeugt und möglichst einfach zu entformen ist. Aufgrund von Schrumpfverhalten des Betons beim Abbinden zieht sich der Beton auf den Schalungskern zusammen, was zu Problemen beim Entformen und damit zu Beschädigungen des Bauteils und der Form führen kann. Ein weiterer Nachteil der geometriebedingten mehrteiligen Bauform der Schalung besteht in der not-wendigen Integration von Entformungsschrägen. Darüber hinaus gibt es in der konventionellen Bauweise mit Formmaterialien wie Holz, glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder andere steifen Materialien keine Möglichkeit, Hinterschnitte im Betonfertigelement zu realisieren. Daher ist es notwendig, die konventionellen Bauweisen, wie zum Beispiel das Fräsen von ökologisch bedenkenswertem Polystyrol, zu überdenken sowie neuartige teure adaptive Schalungskonzepte zu ersetzen.
Mit Hilfe des vom Steinbeis-Team und seinen Projektpartner entwickelten Formgebungssystems auf der Basis eines recycelbaren Materials sollen komplex geformte Betonfertigteile ressourcenschonend und kostengünstig gefertigt werden können. Innerhalb der Projektlaufzeit vom Oktober 2023 bis zum April 2025 entwickelt das Expertenteam eine Fertigungstechnologie zur nachhaltigen Herstellung von flexiblen und recycelbaren Schalungselementen. Dabei sollen die formgebenden Modelle mittels Extrusion und spanender Bearbeitung von klinkerreduziertem Beton im frischen und anschließend erhärteten Zustand hergestellt werden. Das auf Endkontur gefräste Modell ermöglicht daraufhin eine ressourceneffiziente Abformung mit verschiedenen Gießharzen. „Das Modell kann anschließend recycelt und dem Stoffkreislauf wieder zugefügt werden, ohne die rheologischen und mechanischen Parameter des Betons negativ zu beeinflussen. Der entstehende Materialkreislauf ist der Schlüssel zum Erfolg für eine effiziente und nachhaltige Produktion von Betonfertigteilen“, erklärt Steinbeis-Unternehmerin Sandra Gelbrich. Die Kombination mit konventionellen Schalungselementen ermöglicht die Herstellung und einfache Entschalung komplexer Betonelemente ohne Entformungsschräge oder mit lokalen Hinterschnitten.
Materialentwicklung
Innerhalb des Forschungsprojektes wurde ein klinkerarmer Feinbeton aus CEM III/A-Zement, einem Gesteinsmehl mit einem Korngrößenbereich von 0 bis 200 µm, Zusatzmitteln und Wasser mit dem Ziel entwickelt, ein möglichst kostengünstiges Material zu erhalten, das additiv gefertigt und spanend bearbeitet werden kann. Der entwickelte Beton wurde durch kontinuierliche Tests unter Berücksichtigung der Parameter der Extrudierbarkeit, die zur Extrusion erforderliche Kraft, die optischen Eigenschaften nach Extrusion vor und nach dem Aushärten, die Haftung der einzelnen Druckschichten, der Stabilität beim Druckprozess sowie der Schrumpfung und Rissbildung zu ei-nem Fünf-Stoff-System entwickelt. Anschließend wurde der Beton unter anderem mittels der Prüfung der Vier-Punkt-Biegezugfestigkeit, der Druckfestigkeit oder des Schwindmaßes mechanisch sowie rheologisch charakterisiert.
Technologische Entwicklung
Die additive Fertigung des endkonturnahen Modells erfolgt durch Extrusion des Betons mittels eines KUKA-Roboters. Ein weiterer KUKA-Roboter ermöglicht die anschließende Bearbeitung mittels Fräs- oder Bürstwerkzeugs im frischen Zustand. Durch eine Team-Anwendung der beiden Roboter kann das Fräsprogramm direkt am extrudierten Körper ausgerichtet werden. Die Fräs- und Bürstbearbeitung wurden umfassend charakterisiert und mögliche Zeitfenster zur Bearbeitung festgelegt: Die Fräsbearbeitung wird idealerweise in einem Zeitraum von zweieinhalb bis sechs Stunden und die Bürstbearbeitung von einer bis zwei Stunden nach Extrusion des Betons durchgeführt. Das Finish der Oberflächen wird anschließend im erhärteten Zustand, frühestens 24 Stunden nach Extrusion des Betons mit einer Fünf-Achs-CNC-Fräse durchgeführt. „Die entstehenden schalungsglatten Oberflächen sind hervorragend für die Abformung mit einem Gießharz geeignet. Das Modell kann anschließend mit Hilfe eines Turborotors recycelt und erneut im Extrusionsmaterial zur Substitution des Gesteinsmehls eingesetzt werden“, fasst der Steinbeis-Experte Marvin Abstoß zusammen.
Technologie im Praxistest
Für die Anwendung der Technologie wurde ein Pflanzgefäß aus Beton entworfen, das im Inneren keine Entformungsschrägen aufweist. Ein Hinterschnitt ermöglicht die Integration einer LED-Leiste zur indirekten Beleuchtung. Das Bauteil soll durch die Kombination der neuen Technologie mit konventionellen Schalungselementen umgesetzt werden: Während die Außenschalungselemente konventionell aus GFK hergestellt werden, wird der Kern hingegen mit der im Forschungsprojekt entwickelten endkonturnahen Extrusionstechnologie mit anschließender Fräsbearbeitung im frischen und erhärteten Zustand hergestellt. Das Modell zur Abformung des Kerns mit einem Gieß-harz wurde aus fertigungstechnischen Gründen geviertelt.
Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeit soll das Modell extrudiert, im frischen Zustand gefräst und anschließend im gehärteten Zustand auf die endgültige Kontur gefräst werden. Anschließend wird das Modell mit einem Gießharz ausgeformt. Im Inneren des Formelements wird ein Holzkern fixiert, der in einem ersten Schritt beim Entformen aus dem Gießharz entfernt werden kann.
Das dünnwandige, flexible Schalungselement kann einfach entformt werden, so dass keine Entformungsschrägen erforderlich sind und der Hinterschnitt hergestellt werden kann. Einfache Vorversuche wurden bereits durchgeführt und die Herstellung eines vereinfachten Betonpflanzgefäßes ohne Entformungsschrägen erfolgreich realisiert.