SLE-Mehrachsenportal

Für den Beton der Zukunft

Mehrachsenportal für Forschungsprojekt. An der Universität Stuttgart entwickelt ein Team eine Methode zur Fertigung gradierter Betonbauteile. Um die verschiedenen Betonmischungen zuverlässig und exakt in die richtige Form zu bringen, nutzen die Forscher ein SLE-Mehrachsenportal des Lineartechnik-Spezialisten Winkel.

Das SLE-Mehrachsenportal von Winkel unterstützt ein neues Verfahren zur Fertigung gradierter Betonbauteile birgt viel Potenzial: Hersteller könnten damit enorme Mengen an Zement einsparen und so zum Beispiel Fertigbauelemente deutlich günstiger und umweltschonender produzieren.

Ob Wohnhaus, Wolkenkratzer, Autobahnbrücke oder Eisenbahntunnel: Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe, ohne den die meisten modernen Bauwerke undenkbar wären. Seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, seine Stabilität, Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit sowie die hohe Verfügbarkeit machen Beton unverzichtbar. Gleichzeitig ist Beton auch Ursache für erhebliche Emissionen: Die Herstellung von Zement, dem Grundstoff für Beton, verursacht jährlich einen CO2-Ausstoß, der drei- bis viermal höher ist als der des gesamten weltweiten Luftverkehrs. Der Grund: Das Rohmaterial, das zu einem großen Teil aus Kalkstein besteht, wird in Hochöfen bei Temperaturen von 1.400 bis 1.450 Grad Celsius gebrannt – oft mit fossilen Brennstoffen. Beim anschließenden Herunterkühlen wird das im Kalk gebundene Kohlendioxid freigesetzt – die nach der Verbrennung zweitgrößte CO2-Quelle. Zwar werden die Verfahren zunehmend umweltfreundlicher, doch immer noch entfallen rund sechs Prozent der weltweiten CO2-Emissionen auf die Zementindustrie. Hersteller von Betonbauteilen sind daher an Lösungen interessiert, mit denen sich Material einsparen und damit kostengünstiger und umweltschonender produzieren lässt.

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Gradierung für variables Belastungsprofil
Ein vielversprechendes Verfahren ist die sogenannte Gradierung des Betons. Dabei werden die Bauteile entsprechend ihres statischen und bauphysikalischen Belastungsprofils mit variablen Materialeigenschaften gefertigt: Dort, wo das Bauteil beispielsweise hohen Belastungen ausgesetzt ist – etwa an den Außenflächen – kommt eine dichte Betonmischung mit hoher Festigkeit zum Einsatz. An Stellen mit niedriger Beanspruchung, zum Beispiel im Bauteilinneren, sorgt eine poröse Mischung für eine erhebliche Materialersparnis und ein geringeres Gewicht. „Wir kennen dieses Prinzip von zahlreichen Beispielen aus der Natur, zum Beispiel vom Aufbau unserer Knochen“, erläutert Mark Wörner vom Institut für Systemdynamik (ISYS) der Universität Stuttgart. „Außen, wo große Kräfte auf den Knochen wirken, ist er hart und fest – im Inneren dagegen elastisch und porös. Das macht ihn leicht und gleichzeitig hochbelastbar.“

Zwei Mischungen werden in Form gespritzt
Wörner und seine Kollegen vom ISYS sind Teil eines interdisziplinären Forschungsprojekts der Universität Stuttgart: Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Instituts für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) sowie des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) arbeiten sie an einer Methode, gradierte Betonteile für den Einsatz in der Bauindustrie herzustellen. Dabei hat sich das Trockenspritzen als geeignetes Verfahren herausgestellt: Zwei unterschiedliche Betonmischungen – die eine fest, die andere porös – werden in einer Mischdüse nach Bedarf vermengt und anschließend in die gewünschte Form gespritzt. Mit dem Mischungsverhältnis ändern sich die Eigenschaften des Materials – je nachdem, ob gerade ein fester, belastbarer oder ein leichter, poröser Beton benötigt wird. „Für den industriellen Einsatz ist es besonders wichtig, dass wir reproduzierbar genaue Ergebnisse erzielen“, erklärt Wörner. Dies ist bei einem groben Vorgang wie dem Betonspritzen eine große Herausforderung: Jede unkontrollierte Bewegung der Spritzdüse, jede Schwankung im Abstand zwischen Düse und Auftragsfläche kann die Materialeigenschaften des Bauteils verändern – von Ungenauigkeiten im Mischungsverhältnis ganz zu schweigen. „Auf manuellem Weg lässt sich das nicht effizient bewerkstelligen“, meint Wörner. „Deshalb versuchen wir, den gesamten Fertigungsprozess soweit wie möglich zu automatisieren.“

An der Z-Achse ist ein Hexapod montiert, mit dem sich die Spritzdüse zusätzlich unabhängig vom Portal bewegen lässt. Die Spritzdüse trägt die Betonmischung Schicht für Schicht auf eine Form auf. (Foto: Winkel)

Automatisierung für Reproduzierbarkeit
Die Wissenschaftler entwickelten dafür ein automatisiertes Applikationssystem, mit dem sich die verschiedenen Variablen des Spritzprozesses präzise und nachvollziehbar steuern und verändern lassen. Die Führung der Spritzdüse übernimmt dabei ein Schwerlast-Mehrachsenportal vom Typ SLE (Stahl-Linear-Einheit) des Lineartechnik-Spezialisten Winkel. Mit diesem lässt sich die Düse dreidimensional bewegen: Die Verfahrwege betragen 3.000 Millimeter auf der X-Achse, 2.200 Millimeter auf der Y-Achse und 800 Millimeter auf der Z-Achse. An letzterer haben Wörner und sein Team einen Hexapod montiert, mit dem sich die Spritzdüse zusätzlich unabhängig von dem Portal bewegen lässt. Damit können die Forscher den Betonspritzprozess bis ins Detail steuern und variieren, um zu einem optimalen Ergebnis zu gelangen.

Linearachsen halten staubige Umgebung aus
Die Linearachsen des Portals werden mit gehärteten Zahnstangen und Ritzeln angetrieben. Die Führungen basieren auf den bewährten Winkel-Rollen mit den dazugehörigen Profilschienen. Auch größere Wege und Hübe kann Winkel mit diesem System problemlos realisieren. Es ist unempfindlich gegenüber Schmutz und Verschleiß, belastbar und langlebig. Die Tragkraft an der Z-Achse kann zwischen 50 und 5.000 Kilogramm betragen. Mit Wiederholgenauigkeiten von plus/minus 0,5 Millimeter und einer Geschwindigkeit bis zwei Meter pro Sekunde sind die Linearachsen gleichermaßen präzise und dynamisch. Beim Trockenspritzen von Beton bilden sich große Mengen von Zementstaub. Außerdem prallt ein Teil des Spritzguts – der sogenannte Rückprall – von der Auftragsfläche ab und landet auf der Anlage, was insbesondere bei den Linearführungen für Störungen sorgen kann. Mit diesen widrigen Bedingungen kommt das Portal klar. Und die Wissenschaftler freuen sich außerdem: Winkel gab die Zusage, die Universität Stuttgart mit dem Portal und entsprechendem Know-how bei der Forschung an diesem innovativen Herstellungsprozess zu unterstützen.

Neues Verfahren birgt enormes Einsparpotenzial
Winkel entwickelte die Portallösung exakt gemäß der Anforderungen des Forschungsprojekts. Aufbau und Inbetriebnahme der Anlage erfolgten in Zusammenarbeit. Neben den rauen Einsatzbedingungen war auch die Dynamik ein wichtiges Kriterium, denn die Düsenführung muss während des Spritzprozesses schnelle Bewegungen und Richtungsänderungen durchführen können. Mit einer Verfahrgeschwindigkeit von ein Meter pro Sekunde und einer Beschleunigung bis zwei Meter pro Quadratsekunde erfüllt das Portal diese Voraussetzung. Mithilfe des Mehrachsenportals setze das Forscherteam den vollautomatischen Fertigungsprozess um: Die zwei Betonmischungen stehen in jeweils einem Silo bereit. Die Prozesssteuerung ermittelt auf Basis der statischen Kennzahlen ein Gradientenlayout, also mit welcher Dichte das Bauteil an welcher Stelle gefertigt werden muss, und veranlasst das entsprechende Mischungsverhältnis. Die Spritzdüse trägt die Betonmischung Schicht für Schicht auf eine Form auf. Auch die Bewegungen des Portals und der Spritzdüse werden automatisch gesteuert. Somit entsteht ein reproduzierbarer Vorgang, bei dem sämtliche Parameter erfasst und dokumentiert werden. Es ist feststellbar, welche Auswirkungen eine Veränderung im Fertigungsprozess auf das Endergebnis hat – somit ist das Verfahren optimierbar. Die Technologie könnte in den nächsten Jahren bis zur Serienreife entwickelt werden. Sollte das Gradierungsverfahren eines Tages industriell genutzt werden können, hätte es das Potenzial, die Herstellung von Betonbauteilen zu revolutionieren, denn es ließen sich damit bis zu 60 Prozent der bisherigen Masse einsparen – und damit auch 35 Prozent des CO2-Ausstoßes.   pb

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