Der neu entwickelte vibrationsmodulierte 3D-Betondruckkopf nutzt gezielte Vibrationen und die Schwerkraft, um den 3D-Druck von thixotropen Beton zu revolutionieren. So wird der Druckprozess kostengünstiger, wartungsärmer und reinigungsfreundlicher gegenüber extruderbasierten Ansätzen.

Vibrationsmodulierter 3D-Betondruckkopf

3D-Betondruck und seine rheologischen Herausforderungen

Problemstellung

Die Bauindustrie befindet sich im Wandel, angetrieben von neuen Technologien und Materialien. Besonders der 3D-Druck von Beton wird die Branche revolutionieren, da er die Möglichkeit bietet, komplexe Bauwerke direkt aus druckbarem Beton zu erstellen. Dabei bestehen jedoch hohe Anforderungen an die rheologischen Eigenschaften des Betons. Dieser muss beim Fördern und Drucken fließfähig bleiben und nach dem Austrag schnell formstabil (grünstandfest) werden, ohne die bereits gedruckten Schichten zu beschädigen. Einige marktgängige Materiallösungen setzen dafür auf die Zugabe von Erstarrungsbeschleunigern, die allerdings schwierig zu dosieren sind und bei ungewollten zeitlichen Unterbrechungen des Druckprozesses zu Verstopfungen führen können. Auch 3D-Druckmörtel mit sehr feiner Körnung stellen hier im Rahmen der geforderten Nachhaltigkeit und Reduktion des ökologischen Fußabdruckes verwendeter Gemenge keine gute Zukunftsoption dar.

Optimierung des 3D-Drucks durch Vibrationen und Schwerkraft

Lösungsansatz

Unser Ansatz zielt darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem wir einen innovativen Beton-Vibrationsdruckkopf entwickeln, der Betonrezepturen mit einem Größtkorn von 8 mm und nachhaltigen Bindemitteln nutzt. Durch den gezielten Einsatz mechanischer Vibrationen direkt am Druckkopf wird der Beton während des Druckprozesses verflüssigt und unter Nutzung der Schwerkraft ausgetragen. Wir nutzen dabei die thixotropen Eigenschaften des Frischbetons, um dessen rheologische Eigenschaften während des Druckvorgangs gezielt zu beeinflussen. Unmittelbar nach dem Vibrationsende bleibt er grünstandfest stehen. Dies sorgt für eine gleichmäßige, vollflächige 3D-Druckqualität, ohne dass chemische Zusätze notwendig sind. Mit dem neuartigen Betondruckverfahren können die Schichten besser miteinander verbunden werden, was zu einer höheren Stabilität und Qualität des Endprodukts führt.

Erfolgreiche Tests und erste Ergebnisse

Aktueller Stand

Mit einem Laborversuchstand wurde der Beton-Vibrationsdruckkopf erfolgreich im Technikum des IAB getestet und das Verfahren zum Europa-Patent angemeldet. Bei allen Tests kamen nicht nur die selbst entwickelten Betonrezepturen, sondern auch marktverfügbare und zugelassene Produkte zum Einsatz. Ein großer Dank geht dabei an die Firmen SIKA und SIEVERT, die uns entsprechende Gemenge bereitstellten. Erste Projektergebnisse wurden auf dem Innovationstag Mittelstand des BMWK 2024 in Berlin sowie der bauma 2025 in München vorgestellt und stießen auf großes Interesse. Mit den Erfahrungen der Austragsversuche am Laborversuchsstand wurde ein größer skalierter Demonstrator entwickelt, welcher mit einem Industrieroboter bewegt wird. Damit können nun Betonquerschnitte bis zu B:100 x H:60 mm und einer Austragsgeschwindigkeit bis 50 mm/s gedruckt werden. Die Grünstandfestigkeit der getesteten 3D-Druckbetone ermöglicht eine zügige Wiederbedruckbarkeit. Innerhalb von 5 Minuten wurden inzwischen sechs Lagen formstabil übereinander gedruckt. Das entwickelte 3D-Druckverfahren führt zu einer guten Lagenverbindung der einzeln aufgetragenen Schichten was an monolithisch gegossene Betonbauteile heranreicht.

Vibrationsmodulierter 3D-Betondruckkopf
Detaillierter Projektbericht
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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Thomas Roske
+49 3643 8684-144
+49 3643 8684-113
t.roske∂iab-weimar.de

Projektpartner

Fördermittelgeber