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Analyse von Einflussfaktoren zur Entwicklung eines angepassten zementgebundenen Werkstoffes zum 3D-Drucken von Beton im 3D-Pulverdruckverfahren

  • In der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Einflussfaktoren zur Entwicklung eines angepassten zementgebundenen Werkstoffes zum 3D-Drucken von Beton im 3D-Pulverdruckverfahren analysiert. Für die Entwicklung eines druckfähigen Compounds, der in seiner ausgehärteten Form eine hohe mechanische Festigkeit bei gleichbleibend hoher Qualität bietet, wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, wie die einzelnen Ausgangsstoffe den Herstellungsprozess sowie die Qualität des gedruckten Betons beeinflussen und welche Faktoren dafür in welchem Maß relevant sind. Zur Vergleichbarkeit unterschiedlicher Versuchsreihen wurden zunächst Analysemethoden definiert. Diese gliederten sich in vorbereitende Analysen zum 3D-Druckprozess und in Analysen, die speziell für das 3D-Pulverdruckverfahren definiert wurden sowie in die gängigen Festbetonuntersuchungen. Zu den vorbereitenden Analysen zählten neben der Untersuchung der Bindemittelflüssigkeit die Pulveranalysen. Bei der Auswertung der speziell für das 3D-Pulverdruckverfahren definierten Additiven Fertigungsparameter zeigte sich, dass die Korngrößenverteilung sowie die Partikelform einen essentiellen Einfluss auf die Fließfähigkeit des Compounds nehmen und daher die Grundlage für die Qualität des Druckergebnisses bieten. Weitere Untersuchungen zur Auswirkung der Zusammensetzung auf die s. g. 3DP-Standfestigkeit wiesen darauf hin, dass gedruckte Betonstrukturen, in denen ausschließlich ein CEM I 52,5 R als Bindemittel enthalten ist, keine ausreichende Stabilität für eine optimale Nachbearbeitung kurz nach Druckvorgangsende bieten. Trotz des schnell erhärtenden Zements bedarf es für das vorgestellte Herstellungsverfahren ein noch reaktiveres Bindemittel in Form von Klinkerfeinmehl, um die notwendige 3DP-Standfestigkeit zu einem sehr frühen Zeitpunkt gewährleisten zu können. In weiteren Versuchsserien wurde ergänzend der Einfluss des Zusatzstoffes Silicastaub analysiert. Die Untersuchungsergebnisse zu diesem Einflussfaktor dokumentierten, dass mit einem geringen Massenanteil die Eigenschaften des gedruckten Betons optimiert werden konnten. Teilweise konträr zu bekannten betontechnologischen Zusammenhängen verliefen die Festbetonuntersuchungen zum Einfluss des Wasser-Zement-Wertes. Zwar nimmt dieser Parameter wie in der konventionellen Betonproduktion einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Druckfestigkeit, jedoch sind bekannte Wechselbeziehungen (wie bspw. eine Verringerung der Druckfestigkeit bei erhöhtem Wasser-Zement-Wert) oder bestimmte Kenngrößen (wie eine vollständige Hydratation des Zements bei einem Wasser-Zement-Wert von ca. 0,4) aufgrund der unterschiedlichen Produktionsweisen zwischen konventioneller Fertigung und dem 3D-Pulverdruckverfahren nicht kongruent. Dass die Feuchtigkeitsmenge gleichwohl im verwendeten Druckverfahren einen maßgebenden Einfluss auf die Festbetoneigenschaften hat, verdeutlichten die Untersuchungsergebnisse dieser Arbeit. Unter anderem deuteten verschiedene Versuchsreihen darauf hin, dass mit einem geringeren Verhältnis zwischen Bindemittelflüssigkeitsmenge bei theoretischer Sättigung des Compounds und tatsächlich eingebrachter Bindemittelflüssigkeits-menge das Potenzial einer vollständigen Hydratation und letztendlich einer höheren Druckfestigkeit der additiv gefertigten Betonelemente steigt. Für die abschließende Nachbehandlung der gedruckten Betonkörper wurde neben der Normlagerung in Wasser eine weitere Lagerungsvariante in Wasserglas untersucht. Hierbei stellte sich bei der Wasserglasnachbehandlung heraus, dass sich infolge chemischer sowie physikalischer Erhärtungsprozesse eine dichtere Betonmatrix einstellt, die neben einer konstant höheren Druckfestigkeit sowie einer geringeren Porosität eine höhere Abriebfestigkeit der Betonoberfläche erzeugt. Letztlich konnte aufgrund der Analyse vielzähliger Einflussfaktoren ein Compound entwickelt werden, der infolge des vorgestellten Herstellungsprozesses vergleichbare Betoneigenschaften zum Leichtbeton erzielt. Des Weiteren verdeutlichten die Erkenntnisse dieser Arbeit die Grenzen sowie das Potenzial der additiven Fertigung im 3D-Pulverdruckverfahren.
  • This dissertation analysed various influencing factors for the development of an adapted cementitious material for 3D printing concrete using the 3D powder printing process. Furthermore, for the development of a printable compound that offers high mechanical strength with consistently high quality in its hardened form, it was investigated how the individual components influence the manufacturing process and the quality of the printed concrete. For the comparability of different test series, analysis methods were first defined. These were divided into preparatory analyses for the 3D printing process and analyses that were defined specifically for the 3D powder printing process as well as the common hardened concrete analyses. The preparatory analyses included powder analyses in addition to the examination of the binder fluid. The evaluation of the additive manufacturing parameters defined specifically for the 3D powder printing process showed that the particle size distribution and the particle shape have an essential influence on the flowability of the compound and therefore provide the basis for the quality of the printing result. Further analyses of the effect of the composition on the 3DP stability indicated that printed concrete structures only contain a CEM I 52.5 R as a binder do not achieve sufficient stability for an optimal post-processing shortly after the end of the printing process. Despite the rapid hardening cement, the production process requires an even more reactive binder such as very fine clinker powder in order to be able to guarantee the necessary 3DP stability at a very early stage. In further test series, the additive silica fume was also analysed. The test results for this influencing factor documented that the properties of the printed concrete could be optimised with a low mass proportion. The hardened concrete analyses on the influence of the water-cement ratio were partly contrary to known concrete technology correlations. Although this parameter has a significant influence on the resulting compressive strength, as in conventional concrete production, known correlations (such as a decrease in compressive strength with an increased water-cement ratio) or certain parameters (such as complete hydration of the cement at a water-cement ratio of approx. 0.4) are not congruent due to the different production methods between conventional production and the 3D powder printing process. The results of this study have shown that the amount of binder fluid has a decisive influence on the hardened concrete properties in the printing process. Various test series indicated that the potential for complete hydration and a higher compressive strength of the additively manufactured concrete elements increases with a lower ratio between the amount of binder liquid at the theoretical saturation of the compound and the actually added amount of binder liquid. For the final post-treatment of the printed concrete specimens, a further storage in sodium silicate was analysed in addition to the standard storage in water. The post-treatment in sodium silicate resulted in a denser concrete matrix due to chemical and physical hardening processes. Furthermore, in addition to constantly higher compressive strength and lower porosity, a higher abrasion resistance of the concrete surface could be produced. Finally, based on the analysis of numerous influencing factors, a compound was developed that achieves comparable concrete properties to lightweight concrete. Furthermore, the results of this dissertation clarified the limits and the potential of additive manufacturing in the 3D powder printing process.

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Metadaten
Author:Daniel Nyman
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-69897
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6989
Advisor:Wolfgang Breit
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2022/11/06
Year of Publication:2022
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/09/22
Date of the Publication (Server):2022/11/09
Number of page:XIV, 212
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)