Groß angelegter 3D-Druck im Bauwesen: Technologien und Trends

Erforschen Sie die transformative Wirkung des 3D-Drucks in großem Maßstab in der Bauindustrie. Dieser umfassende Artikel befasst sich mit Roboterarm- und Gantry-Druckern, den wichtigsten Materialien und den Phasen des Druckprozesses und beleuchtet Innovationen und zukünftige Herausforderungen in der Bautechnologie.

Groß angelegter 3D-Druck: Innovationen in Bau und Infrastruktur

Der Artikel behandelt mehrere wichtige Abschnitte im Zusammenhang mit dem groß angelegten 3D-Druck im Bauwesen. Er beginnt mit einer Einführung, in der die Bedeutung und die aktuellen Trends in der Branche beschrieben werden. Anschließend werden die verschiedenen Arten von 3D-Großdruckern, insbesondere Roboterarm- und Gantry-Drucker, sowie deren Vorteile und Grenzen erläutert. Die Diskussion verlagert sich dann auf die verwendeten Materialien 3D-Druck im Bauwesen, einschließlich verschiedener zementhaltiger Materialien, metallischer Legierungen für WAAM und neuer Verbundwerkstoffe für den Druck.

Der 3D-Druck entwickelt sich zu einer fortschrittlichen Innovation in der üblicherweise trägen Bauindustrie. Durch die Automatisierung von Prozessen und die Ermöglichung neuer Planungsperspektiven verspricht der 3D-Druck, die Fristen zu verkürzen, die Verschwendung zu verringern und das Bauen insgesamt produktiver und nachhaltiger zu machen. Dieser Artikel soll einen Überblick über die transformativen Auswirkungen groß angelegter 3D-Druckverfahren für Bauanwendungen geben. Er untersucht den aktuellen Stand des Fortschritts, Richtungen für die Zukunft und inhärente Schwierigkeiten.

Arten von 3D-Großdruckern im Bauwesen

Großflächig 3D-Drucker die in der Bauindustrie eingesetzt werden, können hauptsächlich in zwei Klassen eingeteilt werden: Roboterarmdrucker und Portaldrucker. Diese beiden Typen verwenden eine additive Fertigung, um Bauelemente Schicht für Schicht aus zementhaltigen Materialien zusammenzusetzen.

3D-Drucker mit Roboterarm

Der Roboterarm für den 3D-Druck in großem Maßstab besteht aus einem mehrfach schwenkbaren Roboter-Controller, der mit einem Druckkopf ausgestattet ist. Der Roboterarm bietet durch seine 6 Ebenen eine hohe Eignung und Flexibilität. Dies ermöglicht die Herstellung komplizierterer mathematischer Formen im Gegensatz zu herkömmlichen 3-Hub-Gantry-Gerüsten. Ein gängiger Typ ist eine Baumaschine, die mit einer mobilen Betonpumpe nachgerüstet wurde, die als Druckkopf dient. Das Betonförderungssystem und der Druckkopf sind auf der Maschine montiert, wobei der Ausleger als Roboterarm fungiert, der über 3D-Druck im Prototyping Algorithmen. Einige Unternehmen wie Apis Cor setzen auch Roboterarme ein, die auf einer beweglichen Plattform installiert sind.

Dies bietet Mobilität beim Drucken von mehrteiligen Strukturen. Da sich der Roboter während des Druckvorgangs zusätzlich bewegt, kann es jedoch zu Problemen bei der Kontrolle und Qualität kommen. Um die Skalierbarkeit zu erhöhen, können mehrere Roboter zusammenarbeiten, wie von Zhang et al. demonstriert. Jede robotergestützte Plattform führt einzelne Druckaufgaben synchron aus. Die kollisionsfreie Bewegung wird durch eine koordinierte Bahnplanungssoftware sichergestellt. Eine Herausforderung ist der kleinere bedruckbare Bereich, der durch die Reichweite des Roboters begrenzt ist. Um dies zu überwinden, haben Keating et al. einen Arm auf einer mobilen Basis mit Raupenfahrwerk montiert, die eine autonome Herstellung vor Ort ermöglicht.

Gantry 3D-Drucker

Gantry-Drucker sind die am meisten erforschte Option für den 3D-Druck in großem Maßstab im Bauwesen. Contour Crafting war ein früher Pionier, der mehrere Überkopfportale verwendete. Ein typisches Design besteht aus einem horizontal beweglichen Balken, der den Druckkopf trägt und sich entlang fester Schienen oder Säulen in den Achsen X und Y bewegt. Beispiele sind die Drucker der Loughborough University und von Spetsavia, die ganze Gebäude drucken können. Modulare Konfigurationen wie der BOD2 von COBOD und der Crane WASP von WASP erhöhen den Maßstab weiter. Mehrere austauschbare Einheiten lassen sich je nach Bedarf zusammensetzen, wobei die Baugrößen theoretisch unbegrenzt sind. Gantry-Drucker bieten Vorteile wie eine einfachere Steuerung, höhere Präzision und die Möglichkeit, grobe Zuschlagstoffe in Betonmischungen zu verwenden. Die begrenzte Mobilität erfordert jedoch eine Montage/Demontage vor Ort an jedem neuen Bauplatz.

Materialien für den 3D-Druck im Bauwesen

Für den groß angelegten 3D-Druck sind die wichtigsten druckbaren Materialien zementhaltige Materialien und Metalllegierungen. Darüber hinaus gewinnt auch die Kombination dieser Drucktechniken an Aufmerksamkeit.

Zementhaltige Materialien

Zu den Materialien, die üblicherweise für den 3D-Druck mit Beton verwendet werden, gehören Zementbeton, Geopolymer, faserverstärkter Beton usw. Zementbeton ist das am meisten erforschte Material für den 3D-Druck in großem Maßstab. Um die für den Druck erforderlichen rheologischen Eigenschaften zu erreichen, werden die traditionellen Zuschlagstoffe jedoch häufig durch feinere Alternativen wie Sand ersetzt. Dies verringert die Anfälligkeit für Schwindungsrisse, führt aber zu schwächeren Verbundstoffen. Geopolymere sind Aluminium-Silikat-Bindemittel, die einen Teil des Zements ersetzen können.

Metallische Materialien für WAAM

Beim 3D-Druck in großem Maßstab wird das WAAM-Verfahren (Wire and Bend Added Substance Manufacturing) eingesetzt. Zu den üblicherweise bearbeiteten Metallen gehören rostfreie Werkstoffe, Titankombinationen und Aluminium. WAAM wurde bereits zur Herstellung von Primärkomponenten für die Bauindustrie eingesetzt.

Materialien für den 3D-Druck aus Verbundwerkstoffen

Die Forschung erforscht zementartige Materialien, die mit Fasern, Stahlseilen oder Mikrokabeln verstärkt sind. Ein vielversprechender Ansatz kombiniert Beton 3D-Druck Materialien um eine mit Roboterarmen gebaute Stahlstruktur. Allerdings gibt es Herausforderungen bei der Integration in Bezug auf das Wärmemanagement. In diesem Abschnitt finden Sie detaillierte Beschreibungen der wichtigsten Materialien, die für den 3D-Druck im Baugewerbe verwendet werden, aufgeschlüsselt nach den Grundzügen.

Der 3D-Druckprozess

Jeder groß angelegte 3D-Druckprozess für das Bauwesen besteht aus der Modellentwicklung, der Materialproduktion/dem Materialtransport, der Schichtabscheidung und der Qualitätskontrolle.

Modell-Erstellung

Das digitale Modell wird in nicht-planare Schichten unter Verwendung tangentialer Kontinuität zerlegt, um einen sanfteren Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Dicke zu erreichen. 3D-Druck Metall Technologien. Diese Strategie sorgt für konstante Kontaktflächen zwischen den Schichten.

Materialproduktion und Transport

Bei großflächigen Drucken vor Ort wird der Beton in der Regel fertig gemischt aus Dosieranlagen geliefert, um Unterbrechungen zu vermeiden. Nach dem Transport und vorzugsweise nach dem Pumpen kann jedoch eine zusätzliche Mischung erforderlich sein, um eine optimale Rheologie zu erreichen. Beschleuniger können kurz vor der Extrusion zugegeben werden.

Schichtabscheidung

Bei Gantry-Druckern trägt der Druckkopf das Material entlang von Werkzeugbahnen entsprechend dem geschnittenen Modell auf und baut so aufeinanderfolgende Schichten auf. Roboterdrucker extrudieren das Material über einen Endeffektor entlang programmierter Bahnen. 3D-Drucken von Werkzeugen Geschwindigkeit, Schichtdicke und Materialfluss beeinflussen die geometrische Präzision und Festigkeitsentwicklung. Kontinuierliches Feedback ermöglicht die Kontrolle der Rheologie in Echtzeit.

Qualitätskontrolle

Dazu gehört die Überwachung der Eigenschaften im frischen und gehärteten Zustand. Die Rheologie ist von entscheidender Bedeutung und wird inline bewertet, z. B. durch Quantifizierung der Extrusionsenergie. Sensoren überwachen Abmessungen, Homogenität und Aushärtung. Zerstörungsfreie Tests bewerten die mechanische Leistung. Prozessdaten und Simulationen verfeinern Mischungsdesigns und Strategien. Die Qualitätskontrolle schließt die Rückkopplungsschleife zwischen Entwicklung und Herstellung.

Zusätzliche Überlegungen

Bei Großprojekten wird die Logistik für die Materiallieferung im Voraus geplant. Die Montage der Komponenten kann dem monolithischen Druck folgen. Hybride Ansätze integrieren den 3D-Druck in großem Maßstab in den Schalungsbau. Die Umgebungsbedingungen und die Dosierung von Beschleunigern müssen geprüft werden.

Mechanische Eigenschaften

Das mechanische Verhalten von Nachhaltiger 3D-Druck Konstruktionselemente weist aufgrund der schichtweisen Herstellung Anisotropie auf. Außerdem führen geometrische Ungenauigkeiten aus dem Druckprozess zusätzliche Variablen ein.

Stärke Eigenschaften

Die Druckfestigkeit ist in Längsrichtung der gedruckten Schichten aufgrund des Konsolidierungsdrucks am höchsten. Die Festigkeit nimmt seitlich ab und ist senkrecht zu den Schichten, die am wenigsten verfestigt werden, am geringsten. Ähnliche Trends betreffen das Biegeverhalten. Tests zeigen eine minimale Festigkeit senkrecht zu den aufgedruckten Schichten, wo sich der Frischbeton vor dem Erstarren am freiesten absetzt. Ohne seitlichen Zwang oder Bewehrung schwächt die Setzung die Kohärenz zwischen den Schichten. Die Anisotropie der Festigkeit übersteigt 10% über verschiedene Bauausrichtungen hinweg. Der Einbau von Fasern mildert dies ab und verteilt die Spannungen gleichmäßig. Bei der Konstruktion muss die Richtungsabhängigkeit der Festigkeit berücksichtigt werden, statt von Isotropie auszugehen.

Komposit-3D-Druck

Verstärkte 3D-Druck-Mischungen, wie z.B. mikroverkabelter Beton, sind besser als einfache Zementpasten. Mikrokabel verhindern Rissbildung und Abplatzungen bei Stößen. Verbundwerkstoffe nutzen die Synergie von Verstärkung und Matrix und optimieren die Eigenschaften für strukturelle Aufgaben. Faserhaltige Pasten widerstehen mehr Belastung als gegossene oder extrudierte Äquivalente, was eine bessere Grenzflächenhaftung beweist. Verbundwerkstoffe ermöglichen den 3D-Druck in großem Maßstab für anspruchsvolle strukturelle Anwendungen, die traditionell der konventionellen Bauweise vorbehalten waren.

Fazit

Abschließend hat dieser Artikel einen ausführlichen Überblick über die Auswirkungen und den Fortschritt von 3D-Großdrucktechnologien in der Bauindustrie gegeben. Es wurde ein detaillierter Überblick über die wichtigsten Druckertypen - Roboterarm- und Portalsysteme - gegeben und ihre unterschiedlichen Funktionsprinzipien, Beispiele und Vorteile/Einschränkungen erläutert. Außerdem wurden die wichtigsten druckbaren Materialien analysiert, auf die sich die Forschung im Bereich des 3D-Drucks im Baugewerbe konzentriert - zementhaltige Zusammensetzungen für den Betondruck sowie Metalllegierungen, die für die additive Fertigung mit einem Drahtbogen verwendet werden. Auch Ansätze zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen wurden diskutiert.

Insgesamt unterstreicht der Bericht die einflussreiche Rolle des 3D-Drucks bei der Förderung von Innovationen im Bauwesen, da er mehr Effizienz, individuelle Anpassung und die Möglichkeit der Vorfertigung außerhalb der Baustelle bietet. Die Herausforderungen im Zusammenhang mit der geometrischen Unvorhersehbarkeit, der Ungleichmäßigkeit und der Charakterisierung des Langzeitverhaltens erfordern jedoch gezielte Anstrengungen, um die Machbarkeit und den Nutzen in vollem Umfang zu maximieren. Die Technologien reifen, Nutzung des 3D-Drucks als Katalysator für die künftige Entwicklung der bebauten Umwelt wird sich weiter verstärken.

FAQs

F: Welche Arten von 3D-Druckern werden hauptsächlich im Großbau eingesetzt?

A: In dem Artikel wird untersucht, dass der 3D-Druck in großem Maßstab hauptsächlich in Roboterarmdrucker und Gantry-Drucker unterteilt werden kann. Roboterarm-Drucker verwenden einen Multi-Hub-Roboter-Controller mit einem Druckkopf, während Gantry-Drucker einen Druckkopf verwenden, der auf einer flachen, beweglichen Stange installiert ist.

F: Welche Materialien können für Bauanwendungen in 3D gedruckt werden?

A: Die wichtigsten untersuchten druckbaren Materialien sind zementhaltige Materialien für den Massivdruck sowie metallische Verbundwerkstoffe, die mit Hilfe der Drahtbiegezusatzstoffherstellung (WAAM) verarbeitet werden. Darüber hinaus gibt es Ansätze zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen, die diese Materialien kombinieren.

F: Was sind die normalen Fortschritte bei einem groß angelegten 3D-Druckverfahren für den Bau?

A: Die wichtigsten Schritte sind die computergestützte Modellerstellung, die Materialerstellung/der Materialtransport, die Angabe der Schichten und die Qualitätskontrolle sowohl der neuen als auch der verfestigten Eigenschaften.

F: Welche Vorteile bietet der 3D-Druck für das Bauwesen?

A: Zu den Vorteilen gehören die Mechanisierung, die Planbarkeit, die verkürzten Zeiträume, die geringere Verschwendung, die weiterentwickelte Nachhaltigkeit und die potenzielle Kostenreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Techniken.

F: Welche Schwierigkeiten gibt es eigentlich beim 3D-Druck im großen Maßstab?

A: Die untersuchten Einschränkungen beziehen sich auf Skalenbeschränkungen, grobe Gesamtausnutzung, Normalisierungsanforderungen, anisotrope Eigenschaften und die Charakterisierung von Langstreckenverhalten.

F: Wie sieht die Zukunft für diese Innovation im Bauwesen aus?

A: Die Rolle des Unternehmens beim Vorantreiben von Innovationen durch erhöhte Effektivität, kundenspezifische Anpassung und externe Fertigung wird sich in dem Maße ausweiten, wie die Fortschritte reifen und die Herausforderungen bewältigt werden.