Synchronisierter 3D-Druck von Beton

Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben ein Verfahren entwickelt, das zwei Roboter gleichzeitig und aufeinander abgestimmt eine Betonstruktur im 3D-Druck aufbauen lässt.

Das Drucken mit mehreren Maschinen an einem Objekt, auch als Schwarm-Druck bezeichnet, soll den Weg für mobile Roboter ebnen, die damit künftig noch größere Strukturen drucken sollen. Die neuartige Technologie auf der Basis mehrerer Roboter, entwickelt von Assistant Professor Pham Quang Cuong und seinem Team am Zentrum für 3D-Druck an der NTU, wurde im Journal Automation in Construction vorgestellt. Die NTU-Wissenschaftler dürften einigen schon durch den von zwei Robotern kollaborativ in weniger als neun Minuten zusammengebauten Ikea-Stuhl bekannt sein.

Mit einer besonderen, für den 3D-Druck tauglichen Zementformel, soll die Arbeit einzigartige Betonkonstruktionen erlauben, die mit konventionellen Gussverfahren so nicht zu erreichen sind. Die Baustrukturen lassen sich zudem kurzfristig auf Anfrage und in deutlich kürzerer Zeit erstellen.

Derzeit braucht des für den 3D-Druck umfangreicher Betonstrukturen riesige Drucker, die größer sind als das zu druckende Objekt selbst. Das erweist sich oft als nicht praktikabel, steht doch auf den Baustellen meist nur begrenzt Platz zur Verfügung. Hat man dagegen mehrere Roboter, die synchronisiert in 3D-drucken können, so kann man beispielsweise speziell konstruierte Fassaden überall drucken, solange sich die Roboter frei in ihrem Arbeitsradius bewegen können. Die Roboter der NTU haben eine Betonstruktur mit 1,86m x 0,46m x 0,13m in acht Minuten aufgebaut. Zwei Tage dauerte es bis zum Aushärten und eine Woche für das Erreichen der finalen Festigkeit.

Die Forscher stellten sich eine Gruppe von Robotern vor, die man zur Baustelle bringen kann, wo sie die Betonstrukturen drucken, und die man nach dem Druck weiter zum nächsten Projekt transportiert. Die Arbeit baut auf dem Wissen auf, das die Wissenschaftler beim autonomen Zusammenbau des Ikea-Stuhls durch Roboter gewinnen konnten. Doch das neue Projekt sei deutlich komplexer in Sachen Planung, Ausführung und Größenordnung, so Prof. Pham.

Wie es funktioniert

Mit zwei mobilen Robotern gleichzeitig zu drucken ist eine enorme Leistung, da sich beide Roboter an ihren Platz bewegen und drucken müssen, ohne sich dabei in die Quere zu kommen.  Das gesamte Bauteil in zwei Segmenten zu errichten, erwies sich zudem als nicht gangbar, da die Verbindungen zwischen den beiden Teilen nicht sauber zusammenwachsen, wenn sich der Beton an diesen Stellen nicht überlappt.

Der Prozess in mehreren Schritten beginnt mit dem Design am Rechner und der Zuweisung eines bestimmten Teil an einem der Roboter. Ein speziell entwickelter Rechenweg sorgt dafür, dass die Roboterarme während des Drucks nicht miteinander kollidieren. Mit genauen Positionsangaben bewegen sich die Roboter in den Arbeitsraum und drucken auf einander abgestimmt die Teile, so dass die Verbindungen zwischen diesen sich überlappen.  Schließlich muss der besondere flüssige Betons gleichmäßig gemischt und synchronisiert zugeführt werden, um ein konsistentes Ergebnis zu erhalten.

Im nächsten Schritt wollen die Entwickler weitere Roboter einbinden, um noch größere Bauelemente zu in 3D zu drucken. Verbesserte Algorithmen sollen für konstantere Leistung sorgen und der Beton soll besser aushärten.

Video: https://www.youtube.com/watch?v=2LKU0udeaeM&feature=youtu.be

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