3D-Druck Roboter ermöglicht Baugewerbe nachhaltigere Strukturen

Der Bovay Civil Infrastructure Laboratory Complex, der sich im Untergeschoss der Thurston Hall befindet, hat einen neuen Mieter: einen rund 6.000 Pfund schweren Industrieroboter, der in der Lage ist, die Art von Großstrukturen im 3D-Druckverfahren herzustellen, die das Baugewerbe potenziell verändern und effizienter und nachhaltiger machen könnten.

Das Verfahren des 3D-Drucks – auch bekannt als additive Fertigung – hat bereits zu Durchbrüchen bei der Herstellung von Produktprototypen und in der Biomedizin geführt. Bei großen Bauprojekten stellt sich jedoch die Frage, wie sich 3D-gedruckte Strukturen in der Praxis bewähren werden.

Das Bovay-Labor ist in der Lage, die hergestellten Materialien und Strukturen aller Arten und Größen zu testen und zu validieren und eignet sich daher besonders gut, um den 3D-Druck in großem Maßstab zu erproben – und zu testen, welchen Belastungen er ausgesetzt ist.

Cornell ist jetzt eine der wenigen Universitäten in den USA, die über ein solches System verfügen. Laut Derek Warner, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, ermöglicht es nicht nur den Dozenten des College of Engineering, Forschungsarbeiten im Bereich des Roboterbaus durchzuführen, sondern auch den Studenten praktische Erfahrungen in diesem schnell wachsenden Technologiebereich der zivilen Infrastruktur zu vermitteln.

“Robotermauerwerk (Verlegung von Ziegeln), Druck mit recycelten Kunststoffen und Druck mit Metall in großem Maßstab sind alles spannende Bereiche mit viel Raum für Wachstum, sowohl in Bezug auf Wissenschaft und Verständnis als auch auf Technologie und Ingenieurwesen”, sagte Warner. “Die Skalierung vieler Phänomene, die die Bauprozesse steuern, ist so, dass sie in einem Maßstab untersucht werden müssen, der demjenigen nahe kommt, in dem sie verwendet werden. Das Gleiche gilt für einige der Phänomene, die die Leistung steuern. Außerdem gibt es immer wieder unbekannte Überraschungen, die bei der frühen Skalierung einer neuen Technologie auftreten.”

Das IRB 6650S Industrierobotersystem wurde im Februar geliefert, und in den letzten Monaten hat das Labor den Umgang mit dem Robotersystem – das im Wesentlichen ein langer, schwenkbarer Arm ist – geübt und eine Reihe mittelgroßer Testdrucke durchgeführt, darunter Bänke und Pflanzgefäße und sogar ein großer Buchstabe C in der Cornell-Schriftart.

“Das Robotersystem ist vielseitig und flexibel”, sagt Sriramya Nair, Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik. “Wir verwenden es unter anderem für den 3D-Druck von Beton, aber es kann auch auf andere Weise eingesetzt werden. Man kann ein Schweißgerät oder ein Lasersystem anbringen. Man kann Ziegel stapeln oder Bewehrungseisen anbringen. Viele mühsame Prozesse können automatisiert werden.”

Der Roboter befindet sich auf einer 12 Fuß langen Schiene mit einer kreisförmigen Reichweite von etwa 12 Fuß, so dass er einen Bereich von bis zu 8 Fuß mal 30 Fuß abdecken kann, obwohl das Labor laut James Strait, dem Leiter der technischen Dienste des Bovay-Labors, nicht damit rechnet, etwas ganz so Großes zu drucken.

Der Betrieb des Systems ist eine Teamleistung. Eine Gruppe von Mitarbeitern mischt einen vorgemischten Mörtel und rührt Zusatzstoffe ein, z. B. ein Fließmittel, das den Wassergehalt der Mischung reduziert und den Durchfluss durch den Schlauch verbessert. Eine andere Gruppe bedient die Steuerung des Roboters, um zu regeln, wie viel Zusatzmittel durch das System fließt. Wenn das Mischgut den Extruderkopf und die Düse des Roboters erreicht, wird ein härtendes Additiv hinzugefügt, damit das Material beim Gießen eindickt.

Die richtige Konsistenz zu finden, kann eine Herausforderung sein. Man nennt es das Goldlöckchen-Dilemma.

“Die unteren Schichten müssen steif genug sein, um die nächste Schicht, die gedruckt wird, zu halten. Sie dürfen aber auch nicht so steif sein, dass die nächste Schicht, die darauf gedruckt wird, nicht mehr daran haftet”, so Strait. “Man muss für die Haftung sorgen, aber sie darf nicht so weich sein, dass sie sich verformt.”

Der Prozess ist arbeitsintensiv, aber wenn er erfolgreich durchgeführt wird, macht der 3D-Druck Gussformen überflüssig und ermöglicht auch die Herstellung unkonventioneller Formen – Optimierungen, die weniger Material verschwenden.

“Jedes Mal, wenn man Beton gießt, z. B. für einen Gehweg, muss man alle Formen herstellen. Das kostet Arbeit, Material und man muss alles abstecken. All das kostet eine Menge Zeit”, so Strait. “Bei jeder Änderung an einer Betonstruktur muss man die Form modifizieren oder eine neue Form besorgen und dafür Arbeit aufwenden. Das ist viel schwieriger, als ein Computerprogramm anzusprechen und zu sagen: ‘Sie wollen das abgerundet haben? Klick. Ein paar Stunden, und man ist fertig.”

Nair plant, das System in einen neuen Kurs einzubauen, den sie im Herbst unterrichten wird: Nachhaltigkeit und Automatisierung: Die Zukunft des Bauwesens” einbeziehen, der die Studenten auf die kommenden Veränderungen in ihrem Bereich vorbereiten soll.

“Wir geben ihnen die Möglichkeit, etwas zu lernen, das gerade jetzt aktuell ist”, so Nair. “Je mehr sie wissen, desto mehr können sie sich für den Wandel einsetzen, aber auch wissen, wo die Grenzen liegen könnten.”

Im Moment druckt das System mit Mörtel, der technisch gesehen eine Paste mit bis zu 4 Millimetern großen Körnern ist. Alles, was größer ist, könnte das Pumpensystem blockieren und beschädigen. Nairs Team beabsichtigt jedoch, einen eigenen Extruderkopf zu bauen, um stahlfaserverstärkten Beton zu drucken, für den größere Zuschlagstoffe verwendet werden, die schwereren Belastungen standhalten können. Dies wird dem Labor den Weg ebnen, um komplette Brückenkomponenten in 3D zu drucken und zu testen.

Nair hofft auch, dass ihre Gruppe eine eigene Mischung für den Druck herstellen kann, anstatt sich auf das vorgemischte Material des Herstellers zu verlassen.

“Der Kohlenstoff-Fußabdruck dieser Materialien ist im Moment sehr hoch”, sagte sie. “Das ist also ein weiteres Ziel: den Kohlenstoff-Fußabdruck von 3D-gedruckten Materialien zu reduzieren.

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