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Additive Fertigung im BauwesenEin Beitrag zum ressourceneffizienten Bauen der Zukunft
Prof. Dr.-Ing. Dirk LowkeProf. Dr.-Ing. Harald KloftProf. Dr.sc. Norman Hack
AKG Fachtagung - Möglichkeiten zum klimaneutralen BauenHamburg, 29. März 2019
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Additive Fertigung Bauwesen
Prof. Dr.sc. Norman Hack
Prof. Dr.-Ing. Dirk LowkeProf. Dr.-Ing. Harald Kloft Prof. Dr.sc. Norman Hack
Digital Building Fabricationtechnology transfer
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Additive Fertigung Bauwesen
Möglichkeiten und Vorteile der Additiven Fertigung
Koste
n
Komplexität Anzahl Bauteile
3D-Druck
Konventionell
Nahezu keine Begrenzung hinsichtlich Bauteilform und -komplexität
Keine Notwendigkeit spezieller Werkzeuge für die Herstellung verschiedener
Formen
Entkopplung von Kosten und Anzahl hergestellter Bauteile und Komplexität
Bionisch optimierte Stütze (TU München 2017)
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Additive Fertigung Bauwesen
Molding process (Householder)
SLS (Deckard et al.)
Binder jetting (Sachs)
Selective cement deposition (Pegna)
D-Shape Large-scale printer SPI (Dini)
SCA meterials research (Gibbons et al.)
Continous binder jet printer (Voxeljet)
Digital Grotesque (Hansemeyer, Dillenburger)3D printed house 1.0 (Rael, San Fratello)
Robotic binder jetting (Viridis3D)
Inorganic binder jetting (Fromm)
Bloom (Rael, San Fratello)
Selective cement activation (Lowke et al.)
Selective paste intrusion (Weger et al.)
Geopolymer-based selective binding (Xia, Sanjayan)
Commercial Selective Binding (Concr3de)
SCA meterials research (Shakor et al.)
SPI Modelling (Pierre et al.)
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
F&E 3D-Druck im Bauwesen
Buswell et al. Cem Con Res (2018)
Lowke Digital Concrete Conference (2018)
Extrusion-Deposition 3D Printing
Particle-bed 3D Printing
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Additive Fertigung Bauwesen
3D-Drucken mit Beton
PROZESS-
TECHNIK
ENTWURF MATERIAL
3D-BETONDRUCK
ANWENDUNG
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Additive Fertigung Bauwesen
Prozesstechnik
Gra
fik: D
. L
ow
ke
Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck
SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden
G G+Z
Z W W
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Additive Fertigung Bauwesen
Prozesstechnik
Gra
fik: D
. L
ow
ke
Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck
SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden
G G+Z
Z W W
Selektive
Leim-Intrusion
Selektive
Zement-Aktivierung
► Fließfähige Zementsuspension
► Wasser und Zusatzmittel
LOKALES AUFTRAGEN
► Schichten aus Gesteinskörnung
► Schichten aus Zementund Gesteinskörnung
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Additive Fertigung Bauwesen
Partikellbett-3D-Druck durch
Selektive Leim-Intrusion (Selective paste intrusion SPI)
Forschung TU München cbm (D. Weger, D. Lowke, C. Gehlen, 2017)
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Additive Fertigung Bauwesen
Partikellbett-3D-Druck durch
Selektive Zement-Aktivierung (Selective cement activation SCA)
Forschung TU München cbm (D. Weger, D. Lowke, C. Gehlen, 2017)
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Additive Fertigung Bauwesen
Prozesstechnik
Z WG
Gra
fik: D
. L
ow
ke
Partikelbett-3D-Druck Freiraum-3D-Druck
SpritzenExtrusion-AblegenSelektives Binden
G G+Z
Z W W
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Additive Fertigung Bauwesen
Extrusions-3D-Druck
Sika
Danish Technological Institute
© Sika.com
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Technische Universität Braunschweig
TU Braunschweig (© ITE, H. Kloft, 2018)Digital Building Fabrication Lab
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Horizontales Schicht-Drucken - Wandelement
Speed 4X
Forschung TU Braunschweig H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al. 2018 (© ITE)
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Horizontales Schicht-Drucken - Säulen
Forschung TU Braunschweig (H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al., 2018 (© ITE)
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Horizontales Schicht-Drucken und Oberflächen-Nachbearbeitung
Forschung TU Braunschweig H. Kloft, N. Hack, K. Dröder, D. Lowke et al., 2018 (© ITE)
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Additive Fertigung Bauwesen
Vorteile / Nachteile
- Schnelle Herstellung
großformatiger, mono-
lithischer Strukturen
- Beschränkung in
Formfreiheit
- Geringe Auflösung
- Hohe Auflösung
- Nahezu keine
Einschränkungen der
Formfreiheit
- Beschränkung der
Größe durch Bauraum
- Recycling des unge-
bundenen Materials
Spritzbeton-3D-DruckExtrusions-3D-DruckPartikelbett-3D-Druck
- Schnelle Herstellung
großformatiger, mono-
lithischer Strukturen
- “Echter” 3D-Druck
- Hohe Verdichtung der
Zwischenschicht-
Verbundbereiche
- Geringe Auflösung
Gra
fik; D
.W
ege
r
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Gradual Transition Printing
Gra
fik; D
.We
ge
r
TU Braunschweig (© ITE, N. Hack, H. Kloft, 2018)
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Additive Fertigung Bauwesen
Shotcrete 3D printing (SC3DP)
Vertikales Schicht-Drucken
Speed 4X
TU Braunschweig 2018 (© ITE)
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Additive Fertigung Bauwesen
3D-Drucken mit Beton
PROZESS-
TECHNIK
ENTWURF MATERIAL
3D-BETONDRUCK
ANWENDUNG
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Additive Fertigung Bauwesen
3D-Druck „konventioneller“ Strukturen
ApisCorHuaShang Tengda
US Army Construction Engineering Research LaboratoryRudenko/Yakich
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Additive Fertigung Bauwesen
3D-Druck „konventioneller“ Strukturen
Erste Versuche bleiben dekorativ, während die echten strukturellen Potentiale
unangetastet bleiben
Antikes Natursteinmauerwerk
https://i.pinimg.com/originals/a1/a7/e7/a1a7e73f003a9a22a9696a894c1a578a.jpg
3D-gedrucktes Hotel von Andrey Rudenko (2016), Phillipinen
Quelle: Mauerwerksatlas
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Additive Fertigung Bauwesen
Freiform
Parametrisches Objekt (konventionell nicht herstellbar)
© UAS Wismar, A. Fromm
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Additive Fertigung Bauwesen
Neuartiges Design und Ästhetik
ww
w.r
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R. Rael: lichtdurchlässiges Wandelement mit organischen Formen
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Additive Fertigung Bauwesen
Neuartiges Design und Ästhetik
www.rael-sanfratello.com/www.rael-sanfratello.com/
http://www.architectmagazine.com/practice/material-focus_o
www.rael-sanfratello.com/
3D printed house
© R. Rael, UC Berkeley (USA)
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Additive Fertigung Bauwesen
Neuartiges Design und Ästhetik und Modularisierung
Bloom
© R. Rael, UC Berkeley (USA)
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Additive Fertigung Bauwesen
Computergestützte Architektur
mittels digitaler Entwurfsalgorithmen
Digital Grotesque II B. Dillenburger
ETH Zurich (Schweiz)
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung I
Gradierung
• Form follows force
• Gradierung
Bionisch optimierte Säule
TU München, 2017www.bartleby.com/107/illus247.html
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung II
Topologieoptimierung
• Form follows force
• Topologieoptimierung
Decken Prototyp
ETH Zürich
(© Benjamin Dillenburger)
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung III
Hybrid Printing Techniques
Hybrid gedruckte Rippendecke
TU Braunschweig 2018
(© ITE)
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Additive Fertigung Bauwesen
Hybrid 3D-Printing
© ITE
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung III
Hybrid Printing Techniques
Hybrid gedruckte Freiform-Rippendecke
TU Braunschweig 2018
(© ITE)
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Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke | 32
Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen
Exhibition hall for the Turin moto show
Pier Luigi Nervi, Turin 1948
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen
© ITE, N. Hack, H. Kloft
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen
© ITE, N. Hack, H. Kloft
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen
© ITE, N. Hack, H. Kloft
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Additive Fertigung Bauwesen
Strukturoptimierung IVRäumlich-komplexe Strukturen
© ITE, N. Hack, H. Kloft Exhibition hall for the Turin moto show
Pier Luigi Nervi, Turin 1948