Kontinuierliche Fertigung von dünnwandigen faserverstärkten Präzisions-Betonelementen für freige-formte Modulbauweisen (KoBeMo)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sandra Gelbrich; Professor Dr.-Ing. Lothar Kroll
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423134941

Ziel dieses Projektes ist die grundlegende Untersuchung der Interaktionen von Prozess- und Materialparametern einer neuen Fließstrecke zur kontinuierlichen Präzisionsfertigung von modularen Elementen mit integrierter berührungsloser Messtechnik zur Qualitätssicherung und Prozessteuerung. Die einfach und doppelt gekrümmten Grundmodule bestehen aus dünnwandigem faserverstärkten Beton mit Stützstruktur und darin integrierten kraftflussgerechten Verankerungselementen (Inserts), die für die spätere Befestigung am Bauwerk notwendig sind. Konstruktionsmethode und Leichtbauweise dieser hochbelastbaren freigeformten Strukturbauteile sind neuartig und basieren auf den erzielten Forschungsergebnissen der letzten Jahre. Die Fertigung erfolgt in einem robotergestützten Fließfertigungsprozess mit Hilfe von Betonspritz- und Extrusionstechnologien in Kombination mit einer integrierten optischen Präzisionsmesstechnik. Dazu sind insbesondere die roboterdedizierten Einzelbaustufen zu konzipieren und zu erweitern. Der neu installierte Fertigungskomplex zur präzisen Herstellung der Grundmodule mit integrierter Qualitätssicherung soll um Schnittstellen für das Datenmanagement sowie die später geplanten cyber-physischen Systeme erweitert werden. Die parameterabhängige Vereinbarkeit der einzelnen Teilprozesse wird durch Ermittlung prozess- und materialspezifischer Kennwerte, ihrer Wechselwirkungen und Kennwert-Effekt-Korrelationen durch-leuchtet, um eine digitale Gesamtrepräsentation zu erzeugen. Mittels Künstlicher Intelligenz (KI) und „Gene Expression Programming with Free Coefficients“ (GEP-FC) werden diese komplexen Wechselwirkungen untersucht und modelliert. Auf dieser Grundlage werden die vielschichtigen Rückkopplungen zwischen Strukturmerkmalen und Verarbeitungskenngrößen besser verstanden. So können für den zukünftigen Präzisionsschnellbau die Grundlagen zur intelligenten Verknüpfung von CAD, Roboter-, Fertigungs-, Mess- und Regelungstechnik geschaffen werden, um die komplette Prozess-kette vom Entwurf bis hin zum fertigen Produkt digital abzubilden und praktisch umzusetzen. Zudem werden grundsätzliche Untersuchungen der emissions- und kostenbestimmenden Prozessbedingungen, wie etwa Schalungs-, Maschinen-, Material- und Energiebedarf, durchgeführt, um die Nachhaltigkeit der modularen Strukturbauteile einschätzen zu können. Durch die Nutzung prozessaffiner, skalierbarer Grundmodule als Basis für individuelle Großstrukturen folgt das angestrebte Modulsystem dem definierten Prinzip „Individualität im Großen – Ähnlichkeit im Kleinen“. Innerhalb der Forschungsfließstrecke werden skalierbare Elemente in Sichtbetonqualität gefertigt. Zielkriterien sind Fertigungszeiten bis maximal 15 min, Elementflächen von 2,5 m x 1,0 m, Einzelgewichte bis etwa 200 kg und Toleranzen im mm-Bereich.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2187: Adaptive Modulbauweisen mit Fließfertigungsmethoden - Präzisionsschnellbau der Zukunft