Weltweit wird daran gearbeitet, den 3D-Druck auf das Bauwesen zu übertragen, um den aktuellen Herausforderungen der Bauindustrie, wie steigender Fachkräftemangel, geringe Produktivität und mangelnde Ressourceneffizienz, zu begegnen. Im Bereich des Betonbaus wird dem Beton-3D-Druck bei der Überwindung dieser Hürden eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die TU Dresden ent-wickelt auf interdisziplinärer Ebene das automatisierte und schalungsfreie Ortbetonbauverfahren CONPrint3D (Concrete on-site 3D-Printing), bei dem ein schnell erstarrender Beton in einem mono-lithischen Querschnitt aus einem Druckkopf geometrisch präzise extrudiert wird. Die Gebäudeteile werden Schicht für Schicht erzeugt.
Als Großraummanipulator könnten neben den in der Branche typischen Portal- und Gelenkarmro-botern auch modifizierte Autobetonpumpen eingesetzt werden. Von Vorteil sind deren großer Arbeitsraum, die bereits integrierte Pump- und Fördertechnik sowie der geringe Einrichtungsauf-wand der Maschine auf der Baustelle. Die realisierbare Präzision bei Bewegungen ist für den Beton-3D-Druck derzeit jedoch unzureichend. Ausschlaggebend hierfür sind der schwingungsanfällige Systemaufbau, Latenzen durch lange hydraulische Übertragungswege, Spiel in Antrieben und Komponenten sowie statische und dynamische Verformungen. Des Weiteren wurde bisher keine Trajektoriensteuerung auf Grundlage der inversen Kinematik umgesetzt. Der Beton-3D-Druck mit einer automatisierten Autobetonpumpe ist erst realisierbar, wenn alle aufgeführten Herausforde-rungen angegangen werden.
Ein erster Schritt hin zu einer 3D-druckfähigen Autobetonpumpe ist die Anpassung der Mastkine-matik, d.h. die entstehenden Schwingungen müssen gedämpft und die Verformungen infolge der Elastizitäten kompensiert werden. Neben dem Entwurf kontinuierlicher Steueralgorithmen zur Minimierung der Schwingungsanregungen ist die Optimierung des Hydrauliksystems der Zylinder, bspw. durch die Minimierung der Totvolumina, ebenfalls unerlässlich. Auch das Abschwächen der Pumpstöße durch den Einsatz angepasster Pump- und Fördertechnik könnte Schwingungen im System stark reduzieren. Für den Ausgleich der verbleibenden Positionierungsabweichungen kann eine Kompensationseinheit an der Mastspitze eingesetzt werden. Eine schwere Mastspitze beein-flusst die Dynamik des Systems negativ, weshalb eine möglichst geringe Masse des Druckkopfes bei dennoch hoher Funktionalität ein wesentliches Entwicklungsziel sein muss.
Die Steigerung der Baustellentauglichkeit des Druckkopfes durch die Minimierung der Ausfallwahr-scheinlichkeit und Vereinfachung des Designs wird forciert. Bei der Weiterentwicklung des Druck-kopfes liegt der Fokus ebenfalls auf der Integration von Messtechnik, womit sich der Automatisie-rungsgrad deutlich verbessern lässt. Aufgezeichnete Daten können in entsprechenden BIM-Modellen den Bauprozess dokumentieren.
Im Vortrag werden die aufgeführten Optimierungspotenziale für die Autobetonpumpe und den Druckkopf exemplarisch aufgegriffen sowie konkrete Lösungsansätze für die vorherrschenden Herausforderungen aufgezeigt. Dadurch wird ein detaillierter Einblick in das Beton-3D-Druck Kon-zept der TU Dresden gegeben.