Die Arbeitsgemeinschaft Additive Fertigung innerhalb der Arbeitsgruppe Beton am F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde entwickelt material- und prozessgerechte Lösungen für den extrusionsbasierten 3D-Druck mineralischer Baustoffe. Im Mittelpunkt steht das Zusammenwirken von Baustoffzusammensetzung, rheologischem Verhalten, Förder- und Extrusionstechnik, robotischer Bahnführung sowie der zeit- und richtungsabhängigen Bauteilentwicklung. Ziel ist es, digitale Fertigungsstrategien in reproduzierbare, ressourceneffiziente und bautechnisch belastbare Anwendungen zu überführen.
Forschungsprofil
Additive Fertigung mit zementgebundenen und weiteren mineralischen Werkstoffen ist kein ausschließlich geometrischer Formgebungsprozess. Die Qualität des Bauteils entsteht aus einer eng gekoppelten Wechselwirkung zwischen Materialzustand, Zeit, Förderhistorie, Ablagebewegung, Schichtaufbau und Erhärtung. Die Arbeitsgruppe untersucht diese Zusammenhänge über mehrere Maßstabsebenen hinweg, vom materialwissenschaftlichen Screening im Labor bis zur robotischen Fertigung großformatiger Demonstratoren.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung belastbarer Bewertungsmethoden. Dazu werden Prozessdaten mit geometrischen, thermischen und mechanischen Messgrößen verknüpft. So lassen sich Prozessfenster beschreiben, Streuungen quantifizieren und die für Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit maßgebenden Strukturmerkmale gezielt bewerten.
Ansatz: Materialentwicklung, Fertigungsprozess und Bauteilprüfung werden nicht getrennt optimiert, sondern als zusammenhängendes System untersucht.
Forschungsschwerpunkte
- Material- und Rezepturentwicklung: Entwicklung und Charakterisierung druckbarer mineralischer Systeme unter besonderer Berücksichtigung von Pumpbarkeit, Extrudierbarkeit, Formstabilität, offener Zeit und Erhärtungsdynamik.
- Prozess- und Robotertechnologie: Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Materialförderung, Düsengeometrie, Austragsrate, Ablagegeschwindigkeit, Schichthöhe, Bahnplanung und Bauteilgeometrie.
- Schichtverbund und Anisotropie: Analyse der richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften, der Grenzflächenbildung zwischen Drucklagen sowie der Einflüsse von Zeitintervallen und Oberflächenzuständen.
- Zeitabhängige Verformungen: Erfassung von Frühverformung, Trocknungsschwinden, Verzug und Rissbildung in Abhängigkeit von Geometrie, Material, Prozessführung und Umgebungsbedingungen.
- Hybrid- und Verbundbauteile: Bewertung des Verbunds zwischen additiv gefertigten Elementen und nachträglich eingebrachten Betonen sowie Entwicklung integrierter Schalungs-, Bewehrungs- und Fügestrategien.
- Digitale Qualitätssicherung: Berührungslose Erfassung von Geometrie und Temperaturfeldern, Soll-Ist-Vergleich, zeitaufgelöste Prozessbeobachtung und Ableitung messbarer Qualitätskriterien.
Additive Fertigung Am Fib-Finalfassung
von Florian Kleiner
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Geräteinfrastruktur
Siebenachsiges Robotersystem für die Extrusionsfertigung
Das Fertigungssystem kombiniert einen sechsachsigen Industrieroboter mit einer zusätzlichen Linearachse. Die erweiterte Kinematik schafft die Grundlage für flexible, räumlich aufgelöste Ablagestrategien und Versuche im vergrößerten Arbeitsbereich.
- Robotische Fertigung mineralischer Strukturen und großformatiger Probekörper
- Untersuchung von Bahnplanung, Werkzeugorientierung und richtungsabhängiger Ablage
- Variation von Ablagegeschwindigkeit, Schichthöhe und Bewegungsstrategie
- Integration materialspezifischer Extrusionswerkzeuge und Sensorik
- Herstellung bauteilnaher Demonstratoren und komplexer Geometrien
Misch- und Fördertechnik
MAI®MULTIMIX-3D Mörtelmischpumpe
Die für additive Fertigungsprozesse ausgelegte Misch- und Pumptechnik verbindet Materialaufbereitung und kontinuierliche Förderung. Sie bildet die Schnittstelle zwischen Rezeptur, Förderstrecke und Extrusionswerkzeug und ist damit ein zentrales Element prozessnaher Druckversuche.
- Kontinuierliche Aufbereitung und Förderung druckbarer Mörtel
- Untersuchung von Förderstabilität und Materialkonditionierung
- Analyse des Einflusses der Förderhistorie auf Extrusion und Ablage
- Versuche zur Prozessskalierung und reproduzierbaren Materialbereitstellung
digitale Geometrieerfassung
ZEISS T-SCAN hawk 2
Das mobile 3D-Digitalisierungssystem wird für die berührungslose Erfassung von Druckkörpern, Oberflächen und Bauteilgeometrien eingesetzt. Es unterstützt die räumlich aufgelöste Bewertung von Fertigungsqualität und zeitabhängigen Formänderungen.
- Digitalisierung von Probekörpern und Bauteilausschnitten
- Soll-Ist-Vergleich zwischen digitalem Modell und gefertigter Geometrie
- Erfassung von Schichttopografie, Konturtreue und lokalen Abweichungen
- Zeitreihen zur Untersuchung von Schwinden, Verzug und Rissentwicklung
- Dokumentation komplexer oder nur eingeschränkt zugänglicher Geometrien
ZEISS T-SCAN
Das optische Digitalisierungsgerät ergänzt die geometrische Messtechnik um eine stationär geführte, systematische Bauteilerfassung. Es ermöglicht die reproduzierbare Digitalisierung von Oberflächen und die Auswertung dreidimensionaler Abweichungsfelder.
- Flächenhafte Erfassung von Geometrie und Oberflächenstruktur
- Vergleich von Prozessvarianten anhand gemeinsamer digitaler Referenzen
- Vermessung additiv gefertigter und hybrider Probekörper
- Datenbasis für Qualitätsbewertung, Dokumentation und Modellvalidierung
Prozessmonitoring und Screening
Thermografiesystem von InfraTec
Das Thermografiesystem ermöglicht die berührungslose, orts- und zeitaufgelöste Beobachtung thermischer Vorgänge. Im additiven Fertigungsprozess können damit Temperaturunterschiede zwischen Drucklagen, lokale Prozessauffälligkeiten und die thermische Entwicklung während der frühen Erhärtung untersucht werden.
- Erfassung von Temperaturfeldern während und nach der Ablage
- Beobachtung der thermischen Entwicklung in frühen Hydratationsphasen
- Identifikation lokaler Inhomogenitäten und veränderter Prozesszustände
- Korrelation thermischer Messgrößen mit Zeitintervallen, Geometrie und Materialverhalten
Laborextruder
Der Laborextruder dient der schnellen, materialeffizienten Untersuchung neuer Rezepturen und Extrusionskonzepte. Er schließt die Lücke zwischen rheologischer Charakterisierung und großmaßstäblichem Roboterdruck und ermöglicht kurze Iterationszyklen in der Materialentwicklung.
- Screening von Bindemittel-, Zusatzstoff- und Zusatzmittelvariationen
- Bewertung von Materialaustrag, Strangkontinuität und Formstabilität
- Untersuchung von Düsenkonzepten und materialspezifischen Prozessfenstern
- Herstellung standardisierter Stränge und kleinformatiger Probekörper
