3D-Druck-Roboter: Inwiefern sie nachhaltiges Bauen ermöglichen

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Ein fast 3 Tonnen schwerer 3D-Druck-Roboter könnte in Zukunft Großstrukturen in der Baubranche effizienter und nachhaltiger herstellen.

• Der Bovay Civil Infrastructure Laboratory Complex an der Cornell University hat einen neuen Mieter.

• Der fast 3 Tonnen schwere Industrieroboter dort kann die Art von Großstrukturen im 3D-Druckverfahren herstellen, die das Baugewerbe verändern und effizienter und nachhaltiger machen könnten.

• Denn mit dem 3D-Druck-Roboter lassen sich die bei der herkömmlichen Materialherstellung anfallenden Abfälle vermeiden.

3D-Druckverfahren haben 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. Das Bovay-Labor kann Materialien und Strukturen aller Arten und Größen testen und validieren. Der 3D-Druck-Roboter eignet sich besonders gut, um den 3D-Druck in großem Maßstab zu erproben.

Cornell ist nun 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 der Roboterkonstruktion durchzuführen, sondern auch den Studenten praktische Erfahrungen in diesem schnell wachsenden Technologiebereich der zivilen Infrastruktur zu vermitteln.

Testdrucke mit dem 3D-Druck-Roboter

Das IRB 6650S-Industrierobotersystem wurde im Februar geliefert. 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 langwierige Prozesse lassen sich automatisieren."

Der Roboter befindet sich auf einer 3,65 m langen Schiene mit einer kreisförmigen Reichweite von etwa 3,65 m. Somit kann er zwar einen Gesamtbereich von bis zu 2,44 m mal 9,14 m abdecken. Andererseits rechnet das Labor laut James Strait, Leiter der technischen Dienste im Bovay-Labor, nicht damit, 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, zum Beispiel 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, kommt ein härtendes Additiv hinzu, damit das Material beim Gießen eindickt.

Die richtige Konsistenz: ein Goldilocks-Dilemma

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

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

"Jedes Mal, wenn man Beton gießt, zum Beispiel für einen Gehweg, muss man alle Formen herstellen. Das kostet Arbeit, Material und man muss alles abstecken. All das nimmt viel Zeit in Anspruch", so Strait. "Bei jeder Änderung an einer Betonstruktur muss man die Form modifizieren oder eine neue Form besorgen und dafür Mühen aufwenden. Das ist viel schwieriger, als wenn man zu einem Computerprogramm sagt: '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 der Bauindustrie" einbeziehen, der die Studenten auf die kommenden Veränderungen in ihrem Fachgebiet 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."

3D-Druck-Roboter verarbeitet momentan noch Materialien mit großem CO2-Fußabdruck

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 will jedoch einen eigenen Extruderkopf bauen. Somit will es stahlfaserverstärkten Beton drucken, für den sich auch größer granulierte Zuschlagstoffe verwenden lassen, die schwereren Belastungen standhalten können. Dies soll dem Labor den Weg ebnen, komplette Brückenkomponenten in 3D zu drucken und zu testen.

Nair hofft auch, dass ihrer Gruppe eine eigene Mischung für den Druck gelingt, anstatt sich auf vorgemischtes Material 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."

Bild oben: James Strait, Leiter der technischen Dienste des Boyay-Labors, und Sriramya Nair, Assistenzprofessorin für Bau- und Umwelttechnik, beaufsichtigen den 3D-Druck-Roboter bei der Ausgabe eines großen Buchstabens C in der Cornell-Schriftart. Credit: Charissa King-O'Brien

Weitere Informationen: https://www.cornell.edu/video/3d-printing-robot-enables-sustainable-construction

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