Forschungsvorhaben: Additive Fertigung frei geformter Bauelemente durch numerisch gesteuerte Extrusion von Holzleichtbeton

In dem Forschungsvorhaben ‚Additive Fertigung frei geformter Bauelemente durch numerisch gesteuerte Extrusion von Holzleichtbeton‘ des Lehrstuhls für Holzbau und Baukonstruktion an der Technischen Universität München wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem großformatige Bauteile durch Extrusion von Holzleichtbeton additiv hergestellt werden können.

Als Extruder dient ein von einem Schrittmotor angetriebener Schneckenförderer, der den Frischbeton durch eine Düse mit einer kreisförmigen Öffnung (typisches Maß: 20 mm Durchmesser) drückt. Der Extruder wird von einem Industrieroboter entsprechend der angestrebten Bauteilgeometrie geführt. Durch Ablegen von Betonraupen (typisches Maß: 25 mm Breite und 10 mm Höhe) wird das Bauteil Schicht für Schicht und schalungsfrei aufgebaut.

Der Ersatz der üblichen Gesteinskörnung im Beton durch den nachwachsenden Rohstoff Holz führt zu einem Leichtbaustoff, mit dem es unter anderem auch möglich ist, in wesentlich größerem Maße Überhänge zu bauen, als dies mit schweren Betonen der Fall ist. Ein weitere Vorteil leichter Betone ist ihre gute subtraktive Bearbeitbarkeit. Additiv auf Grobform gedruckte Bauteile können so, dort wo es erforderlich ist, subtraktiv präzise auf Sollgeometrie gebracht werden. Versuche mit verschiedenen Bearbeitungsverfahren zeigten, dass sich Holzleichtbeton gut mit handelsüblichen Werkzeugen für die Metallbearbeitung sägen, fräsen, bohren und schleifen lässt. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Holzleichtbetons und der geometrischen Freiheiten des Verfahrens ist ein besonders vielversprechendes Anwendungsgebiet dieser Material-Verfahrens-Kombination in der Herstellung von strukturell und bauphysikalisch optimierten, monolithischen Hüllelementen zu sehen.

Die Forschungsarbeiten umfassten die Zusammenstellung einer Rezeptur für einen extrusionsfähigen und schnell härtenden Holzleichtbeton, den Entwurf, Bau und Test eines auf das Material abgestimmten und für das Verfahren optimierten Versuchsextruders und die Auswahl und Anpassung von digitalen Werkzeugen für die Modellierung und Maschinensteuerung. Abschließend wurden mit dem Verfahren, aufbauend auf einer Vielzahl von kleinformatigen Versuchen zu unterschiedlichen material- und verfahrenstechnischen Fragestellungen, verschiedene großformatige Testobjekte gefertigt.

Projektlaufzeit: 15.10.2014 – 30.4.2016

Forschungsstelle: Technische Universität München 
Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter

Projektteam: Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Klaudius Henke, henke@tum.de 
Daniel Talke M.Sc., daniel.talke@tum.de

gefördert durch: Forschungsinitiative Zukunft Bau 
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit