Additive Baufertigung durch Extrusion von Holzleichtbeton

Abstract

In additiven Fertigungsverfahren („3D-Drucken“) werden Werkstücke durch das sukzessive Aneinanderfügen kleiner Volumina von Material auf der Basis eines digitalen Modells automatisch und ohne werkstückspezifische Werkzeuge aufgebaut. Charakteristisch für diese Verfahren ist eine weitgehende Unabhängigkeit der Herstellungskosten von der Stückzahl und von der geometrischen Komplexität des Werkstücks. Je nach Verfahrensvariante können die verschiedensten Materialien verarbeitet werden, von Kunststoffen über Metalle bis hin zu mineralischen Stoffen wie Gips und Keramik. Die additiven Verfahren haben sich über ihren ursprünglichen Anwendungsbereich des Modell- und Prototypenbaus hinaus in vielen Bereichen der Produktion neben konventionellen Herstellungsverfahren durchsetzen können. Beispiele hierfür sind die Medizin- und Dentaltechnik, die Luft- und Raumfahrt oder der Gussformenbau. Auch für Anwendungen im Bauwesen versprechen die additiven Fertigungsverfahren ein großes Potenzial. In der hier vorliegenden Dissertationsschrift werden Forschungsarbeiten vorgestellt, die die Entwicklung eines Verfahrens zum Gegenstand hatten, mit dem großformatige Bauteile durch die Extrusion von Holzleichtbeton additiv hergestellt werden können. Ein Extruder wird hierbei von einem Industrieroboter derart geführt, dass durch das Ablegen von Frischbetonraupen das Bauteil entsprechend der angestrebten Bauteilgeometrie schalungsfrei aufgebaut wird. Der Ersatz der üblichen mineralischen Gesteinskörnung im Beton durch den nachwachsenden Rohstoff Holz führt zu einem vergleichsweise leichten und gut zu bearbeitenden Werkstoff. Dies bringt Vorteile für den Prozess wie auch für das fertige Produkt. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Holzleichtbetons und der geometrischen Freiheiten des Verfahrens sind mit dieser Material-Verfahrens-Kombination vor allem auch strukturell und bauphysikalisch optimierte, selbsttragende Hüllelemente für ein einfaches, monolithisches Bauen herstellbar. Die Forschungsarbeiten umfassten die Entwicklung einer Rezeptur für einen extrusionsfähigen und dennoch schnell härtenden Holzleichtbeton, den Entwurf, Bau und Test eines auf das Material abgestimmten und für das Verfahren optimierten Extruders und die Zusammenstellung und Anpassung von digitalen Werkzeugen für die Modellierung und die Steuerung des Manipulators. Zu ausgewählten material- und verfahrenstechnischen Fragestellungen wurden Versuche durchgeführt und großformatige Testobjekte gebaut. Zum Abschluss der Ausführungen werden eine Materialvariante und eine Verfahrensvariante der Extrusion von Holzleichtbeton vergleichend gegenübergestellt.