Das Ziel der Arbeit ist es, die unterschiedlichen Funktionsweise von additiven Fertigungsverfahren in der Bauindustrie vorzustellen und ihre möglichen Potenziale zu analysieren. Dazu wird zunächst der aktuelle Forschungsstand von additiven Fertigungsverfahren beschrieben. Hierfür wird auf die geschichtliche Entwicklung des 3D-Druckens im Allgemeinen eingegangen und welche Stellung diese gegenwärtig in der Industrie einnimmt. Es folgt eine anschließende Übersicht der etabliertesten Fertigungsverfahren mit einer kurzen Erläuterung der Funktionsweise.
Der nächste Teil behandelt die im Bauwesen eingesetzten additiven Fertigungsverfahren und klassifiziert diese nach ihrer Verfahrensweise und ihrem Aufbau. Zusätzlich werden in diesem Kapitel namhafte Hersteller von 3D-Druckern, samt ihrer bisherigen Pilotprojekte vorgestellt. Im nächsten Kapitel wird näher auf die Materialien eingegangen, die beim Druckprozess zum Einsatz kommen und welche Anforderungen sie erfüllen müssen. Auch wird in diesem Kapitel das Schwinden und mögliche Rissbildung von 3D-gedruckten Bauteilen behandelt. Abschließend werden noch Themen wie die Integrierung einer Bewehrung und Forschungsergebnisse zu alternativen Baustoffen aufgeführt.
Zudem wird auf das Thema Software eingegangen. Hier werden die technischen Schritte analysiert, welche notwendig sind, um ein Gebäude drucken zu können. Auch wird auf neue Möglichkeiten eingegangen, welche Bauteile in Hinblick ihrer Eigenschaften optimieren könnten. Im Anschluss wird die Nachhaltigkeit von additiven Fertigungsverfahren analysiert. Dafür wird zunächst der Begriff der Nachhaltigkeit definiert, bevor auf mögliche Auswirkungen dieser Technologie eingegangen wird. Das nächste Kapitel betrachtet die Wirtschaftlichkeit von 3D-gedruckten Gebäuden. Mit Hilfe eines Rechenbeispiels werden Baukosten und Ausführungszeiten der unterschiedlichen 3D-Drucker berechnet und diese im Anschluss dem klassischen Mauerwerksbau gegenübergestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Relevanz
1.2 Zielsetzung
1.3 Methodik
1.4 Aufbau der Bachelorarbeit
2 Stand der Forschung
2.1 Die geschichtliche Entwicklung des 3D-Druckens
2.2 Anwendung und Potenziale
2.3 Architektur und Bauindustrie
2.4 Klassifizierung additiver Fertigungsverfahren
2.5 Verfahrensübersicht (in Anlehnung an VDI 3405)
2.5.1 3-D-Drucken (3DP)
2.5.2 Digital Light Processing (DLP)
2.5.3 Elektronen-Strahlschmelzen, Electron Beam Melting (EBM)
2.5.4 Film Transfer Imaging (FTI)
2.5.5 Fused Layer Modeling/Fused Deposition Modeling (FDM)
2.5.6 Laminated Object Modeling/Layer Laminated Manufacturing (LLM)
2.5.7 Poly-Jet Modelling (PJM)
2.5.8 Scan-LED-Technologie (SLT)
2.5.9 Selektives Laser Sintern/Selective Laser Sintering (SLS)
2.5.10 Selektives Laserstrahlenschmelzen/Selective Laser Melting (SLM)
2.5.11 Stereolithografie/Stereolithography (SL)
3 Additive Fertigungsverfahren im Bauwesen
3.1 Klassifizierung additiver Fertigungsverfahren im Betonbau nach Verfahren
3.1.1 Selektives Binden
3.1.2 Extrusionsverfahren
3.1.3 Spritzbetonverfahren
3.1.4 Gleitschalungsverfahren
3.2 Aufteilung der 3D-Drucker nach Typen
3.2.1 Portalsystem
3.2.2 Gelenkarmroboter
3.2.3 Delta System
3.2.4 Autobetonpumpen mit Verteilermast
3.3 Klassifizierung additiver Fertigungsverfahren im Bauwesen nach Typen
3.4 Hersteller von 3D Betondruckern + Pilotprojekte
3.4.1 Apis Cor
3.4.2 ICON Vulcan II
3.4.3 BOD 2
3.4.4 Big Delta WASP
3.4.5 CONPrint 3D
3.5 Etablierung von additiven Fertigungsverfahren seit Entdeckung
3.5.1 Projekte die mit 3D-Betondruck umgesetzt wurden
4 Materialauswahl für additive Fertigung in der Bauindustrie
4.1 Zementbasierte Materialien
4.2 Anforderungen an Frischbeton
4.3 Anforderungen an Festbeton
4.4 Machbarkeitsuntersuchung der TU Dresden
4.4.1 Bewertungsparameter
4.4.2 Zement
4.4.3 Zusatzstoffe
4.4.4 Gesteinskörnung
4.4.5 Zusatzmittel
4.4.6 Bewehrung
4.4.7 Ergebnisse der Druck- und Biegezugfestigkeitsversuche
4.4.8 Pumptechnik für 3D druckbaren Beton
4.4.9 Doppelkolbenpumpe
4.4.10 Rotorpumpe
4.5 Schwinden und Rissbildung
4.6 Bewehrung der gedruckten Bauteile
4.7 Alternative Baustoffe
4.7.1 Geopolymere
4.7.2 Holzleichtbeton
5 Software von 3D Betondruckern
5.1 Datenstrukturen und Datenmanagement
5.2 Erzeugung des digitalen 3-D-Modells
5.3 Überführung der CAD-Datei in neutrales Format
5.4 Slicen
5.5 Exportieren in G-Code
5.6 Eine Datei auf Druckbarkeit prüfen
5.7 Topologieoptimierung
6 Nachhaltiges Bauen mit additiver Fertigung
6.1 Begriffsdefinition
6.2 Drei-Säulen-Modell
6.3 Ökologische, ökonomische und soziale Nachhaltigkeit
6.4 Einfluss von additiven Fertigungsverfahren in der Bauindustrie
6.4.1 Ökologische und ökonomische Auswirkungen
6.4.2 Soziale Auswirkungen
6.5 Zwischen Fazit
7 Kostenvergleich 3D Betondruck
7.1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
7.2 Vorgehensweise
7.3 Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizient beider Bauweisen
7.4 Berechnung Gerätekosten nach BGL für 3D-Drucker
7.5 Berechnung Baukosten und Zeitaufwand additive Fertigung
7.6 Vergleich zwischen den Drucktypen
7.7 Berechnung Baukosten und Zeitaufwand konventionelle Bauweise
7.8 Bewertung traditioneller Massivbau
7.9 Vergleich zwischen 3D-Druckverfahren und traditionellen Massivbau
7.10 Kritische Betrachtung
8 Fazit und Ausblick
9 Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Forschungsschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Funktionsweise unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren in der Bauindustrie zu erläutern und deren Potenzial in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit im direkten Vergleich zur konventionellen Bauweise zu analysieren.
- Klassifizierung additiver Fertigungsverfahren im Betonbau
- Marktanalyse und technischer Vergleich führender 3D-Betondrucker
- Analyse der materialtechnischen Anforderungen an 3D-druckbare Betone
- Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen 3D-Betondruck und traditionellem Mauerwerksbau
- Untersuchung der Nachhaltigkeitsaspekte im Bauwesen durch additive Fertigung
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Extrusionsverfahren
Über die Hälfte aller 3D-Betondruckverfahren basieren auf dem Prinzip der Extrusion, Stand 2018 (Buswell et al., 2018, S. 2). Bei diesem Verfahren wird ein vorgemischtes Material durch eine steuerbare Düse extrudiert (siehe Abbildung 17). Unter Extrusion wird das Herauspressen von plastischen Materialien aus einer formgebenden Öffnung verstanden. Das herausgedrückte Material, welches auch als Filament bezeichnet wird, behält nach der Ablage seine Form, welche maßgebend von der Düsenöffnung geprägt ist.
Bei der Verwendung von Frischbeton werden Filamente von überliegenden Schichten zum Teil in ihrer Form verändert. Je nach Konsistenz zerfließen diese bereits unter der Last des Eigengewichts. Der Begriff Extrusion ist bei dem Einsatz von Frischbeton daher nur bedingt zutreffend.
Die realisierbaren Schichtstärken variieren stark je nach Hersteller. Im Schnitt lassen sich Schichtdicke zwischen 1 bis 3 cm und Schichtbreiten zwischen 3-10 cm erreichen. Auch die Druckgeschwindigkeit, in der das Material aufgetragen wird, kann variieren. So ist eine breite Spanne zwischen 2 bis 100 cm pro Sekunde möglich. Es ist anzumerken, dass es sich hierbei um die theoretische Maximalgeschwindigkeiten der 3D-Drucker handelt. Aus Sicherheitsgründen wird im Schnitt mit Geschwindigkeiten zwischen 15 bis 25 cm/s gedruckt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet die aktuelle Wohnungsknappheit in Deutschland und stellt 3D-Drucktechnologien als mögliche Lösung zur Effizienzsteigerung im Bauwesen vor.
2 Stand der Forschung: Dieses Kapitel behandelt die geschichtliche Entwicklung des 3D-Drucks und klassifiziert verschiedene additive Verfahren auf Basis ihrer Funktionsprinzipien.
3 Additive Fertigungsverfahren im Bauwesen: Hier werden spezifische Fertigungsverfahren im Betonbau sowie verschiedene 3D-Druckertypen und namhafte Hersteller mit ihren Pilotprojekten detailliert vorgestellt.
4 Materialauswahl für additive Fertigung in der Bauindustrie: Dieses Kapitel analysiert die Anforderungen an Frisch- und Festbeton sowie die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie der TU Dresden hinsichtlich der Materialzusammensetzung.
5 Software von 3D Betondruckern: Hier werden die digitalen Prozessschritte von der 3D-Modellerstellung über das Slicing bis hin zur G-Code-Erzeugung und Topologieoptimierung beschrieben.
6 Nachhaltiges Bauen mit additiver Fertigung: Dieses Kapitel definiert Nachhaltigkeit nach dem Drei-Säulen-Modell und untersucht die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen additiver Fertigung.
7 Kostenvergleich 3D Betondruck: Hier erfolgt eine detaillierte wirtschaftliche Gegenüberstellung eines 3D-gedruckten Gebäudes im Vergleich zum klassischen Mauerwerksbau basierend auf einem Referenzgebäude.
8 Fazit und Ausblick: Das Fazit fasst zusammen, dass 3D-Druck das Potenzial zur Etablierung in der Bauindustrie hat, aber aufgrund hoher Anschaffungskosten und regulatorischer Hürden konventionelle Bauweisen noch nicht kurzfristig ablösen wird.
Schlüsselwörter
3D-Betondruck, additive Fertigung, Betonbau, Extrusionsverfahren, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit, Schalungsfreies Bauen, Bautechnologie, G-Code, Bauhauptgewerbe, Materialwissenschaft, Prozessoptimierung, Zement, Fertigungstechnik, Bauwirtschaft
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Bachelorarbeit untersucht die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von additiven Fertigungsverfahren, insbesondere dem 3D-Betondruck, im Vergleich zum traditionellen Mauerwerksbau.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Klassifizierung von Druckverfahren, die Anforderungen an Baumaterialien, die notwendige Software-Infrastruktur sowie eine detaillierte Kostenanalyse.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Vorstellung der Funktionsweise additiver Fertigungsverfahren in der Bauindustrie und die Analyse ihres Potenzials hinsichtlich Kosten- und Zeitersparnis.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wurde eine umfassende Marktanalyse von 3D-Druckern durchgeführt, ergänzt durch eine Literaturrecherche und ein Experteninterview zur Hypothesenüberprüfung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt den Stand der Forschung, die verschiedenen 3D-Drucktechnologien im Betonbau, Materialeigenschaften, Software-Prozesse und einen ausführlichen Wirtschaftlichkeitsvergleich.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie 3D-Betondruck, additive Fertigung, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit, Extrusionsverfahren und Bauwirtschaft charakterisieren.
Wie unterscheidet sich der 3D-Druck in der Kostenstruktur vom konventionellen Bau?
Während beim 3D-Druck höhere Gerätekosten anfallen, reduzieren sich im Vergleich zum Mauerwerksbau vor allem die Lohnkosten signifikant, was zu einer Gesamtersparnis führen kann.
Warum ist das "Slicen" für den 3D-Druck so entscheidend?
Das Slicing übersetzt das 3D-Modell in die für den Drucker verständlichen 2D-Schichten und generiert den Druckpfad, was essenziell für die effiziente Fertigung ist.
Welche Herausforderungen bestehen bei der Bewehrung von 3D-gedruckten Bauteilen?
Die Integration von Bewehrung ist komplex, da sie die Bewegungsfreiheit des Druckkopfes einschränkt und die bisherigen Extrusionsprozesse oft nur schwer kombiniert werden können.
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- Daniel Romero Leitao (Author), 2021, Nachhaltigkeit von Wohnhäusern aus 3D-Druckern. Tauglichkeitsuntersuchung additiver Fertigungsverfahren in der Bauindustrie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1163496
