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Topologische Optimierung und 3D-Druck von Beton: Ein erfolgreiches Duo im Bauwesen?

Am 3. April 2023 von Leonie M. veröffentlicht
3d-druck beton

An der Universität von Michigan braut sich etwas Interessantes zusammen! Ein Team von Forschern und Architekten hat den 3D-Druck von Beton untersucht, um ein Bauverfahren zu entwickeln, das effizienter ist als herkömmliche Lösungen. Dazu konzipierten sie ultraleichten, abfallfreien Beton, der das Gewicht einer Konstruktion, im Vergleich zu klassischem Beton um 72% reduzieren würde. Durch die Kombination dieses Betons mit einer speziellen Software für topologische Optimierung, könnten sie somit Strukturen schaffen, die weniger Energie, Material, Zeit und Gewicht benötigen.

Immer häufiger, nutzt die Bauindustrie die Vorteile der additiven Fertigung. Es werden zunehmend mehr Bauprojekte mit 3D-Betondruckern ausgestattet, um Kosten, Arbeitsaufwand und Materialverbrauch zu senken. Auch wenn bereits einige 3D-gedruckte Häuser zu verzeichnen sind, sind wir noch weit davon entfernt, dass die Maschinen auf den Baustellen alltäglich werden. Dennoch scheint der 3D-Druck in der Branche auf dem Vormarsch zu sein, zumal das Team der University of Michigan feststellt, dass es noch viele Fortschritte zu machen gilt.

Bild: DART laboratory

Die Arbeit wird von Mania Aghaei Meibodi, einer Architektin und Assistenzprofessorin für Architektur am Taubman College of Architecture and Urban Planning – einer von 19 Schulen an der University of Michigan – und den Forschern Alireza Bayramvand und Yuxin Lin geleitet. „Bisherige Ansätze rund um den 3D-Betondruck zielen darauf ab, das Bauen zu digitalisieren und den Betonverbrauch zu reduzieren. Der am weitesten verbreitete Ansatz hat jedoch geometrische Einschränkungen, die dessen Anwendung auf einfache Strukturen, wie orthogonale Wände beschränken. Dies führt zu einem hohen Betonverbrauch und erschwert die Anwendung für kompliziertere Konstruktionen, wie z.B. verzweigte und verwinkelte Rohrformen, Überhänge, überstehende Schichten und unterschiedliche Filamentschnitte und -winkel“, erklären die Forscher.

Das Team hat daher ein System und eine Berechnungsmethode entwickelt, die es ermöglicht, je nach Form und geometrischen Merkmalen, unebene und unterschiedliche Betonschichten aufzubauen. Dabei beruht diese Methode auf der topologischen Optimierung, die die benötigte Materialmenge und dessen Platzierung bestimmt. Laut Mania Aghaei Meibodi bietet diese Vorgehensweise die Möglichkeit, „überflüssige Bauungen mit übermäßigen Materialmengen zu vermeiden. Angesichts all dieser Faktoren, können wir bessere und umweltfreundlichere Konstruktionen zu niedrigeren Kosten bauen“.

Um die Vorteile ihres Verfahrens zu veranschaulichen, entwarfen die Forscher die sogenannte Shell Wall – eine Betonstruktur, konstruiert mithilfe eines Roboterarms. Sie hat eine komplexe gebogene Form und verwendet nur das für die Herstellung erforderliche Material. Der nicht-planare 3D-Druck ist ein Konzept, das bereits auf dem Markt eingeführt wurde, auch wenn es bisher hauptsächlich für Thermoplaste und FDM/FFF-Verfahren verwendet wird. Es handelt sich daher um eine äußerst interessante Entwicklung für die Betonindustrie. Wir werden Sie bezüglich dieses Projekts auf dem Laufenden halten. In der Zwischenzeit können Sie HIER weitere Informationen finden.

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