TRR 277 - Transregio AMC: Additive Fertigung im Bauwesen

Die Herausforderung des großen Maßstabs

Der SFB/Transregio TRR 277 erforscht die Additive Fertigung (3D-Drucken) als neuartige digitale Fertigungstechnologie für das Bauwesen. Dabei entsteht ein Bauteil allein durch digital gesteuerten schichtenweisen Werkstoffauftrag – ohne Formenbau oder nachlaufende Umformprozesse. Dies ist ein Paradigmenwechsel gegenüber den traditionellen, überwiegend manuellen Bautechniken mit Systemschalungen im Betonbau und standardisierten Halbzeugen im Stahl-, Holz- und Mauerwerkbau. In deren Folge stagniert die Produktivität der Bauwirtschaft seit Jahrzehnten, und die standardisierten Schalungen und Halbzeuge begünstigen eine ineffiziente Materialausnutzung, die – angesichts des enormen Ressourcenbedarfs im Bauwesen – erheblich zu den globalen CO2-Emissionen beiträgt.

Im interdisziplinären, standortübergreifenden Forschungsvorhaben verfolgen die TU Braunschweig und die TU München den Ansatz, Material nur dort einzusetzen, wo es eine Funktion erfüllt. Das eröffnet eine neue Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig ressourceneffizientem Einsatz von Baustoffen – angesichts der Bauwirtschaft als einem der weltweit größten CO2-Emittenten von wachsender gesellschaftlicher Bedeutung.

Darüber hinaus kann die Additive Fertigung zur Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung der Bauwirtschaft werden. Dafür müssen Strukturdesign, Materialverhalten und Fertigungsprozesse grundlegend neu und vor allem zusammenwirkend gedacht werden. Bei der Überführung in die Bauwirtschaft sind noch drei grundsätzliche Herausforderungen zu lösen: der Transfer der AM-Technologien in den großen Maßstab des Bauwesens, die notwendige Material- und Prozessvielfalt aufgrund komplexer funktionaler Gebäudeanforderungen sowie der erforderliche hohe Grad an Individualisierung und Flexibilität. Daraus resultieren komplexe Forschungsfragen zu Werkstoff, Verfahrenstechnik, Steuerung, Modellierung, Design und Konstruktion, die interdisziplinäre Teams aus Bauwesen und Maschinenbau bearbeiten.

Zwei grundlegend neue Forschungsansätze leiten das Arbeitsprogramm:

1. Material- und Prozesskombinationen. Material- und Prozessabstimmung werden als untrennbare Einheiten betrachtet. Alle A-Projekte erforschen Strukturdesign, Materialverhalten und Fertigungsprozesse integrativ. Im zentralen Projektbereich A „Materials and Processes" sind die Material- und Verfahrenskombinationen von Beginn an offen angelegt und nicht auf einzelne Materialien oder Verfahren beschränkt. Projektbereich B „Modelling and Control" sichert durch konsequente Rückkopplung der A-Projekte mit numerischen Simulationen und Prozesssteuerungsstrategien Robustheit und Automatisierung.

2. Die durchgängige Digitalisierung im Bauwesen. Sie ist entscheidend für die erfolgreiche Einführung der Additiven Fertigung. Projektbereich C „Design and Construction" erforscht daher von Anfang an die digitalen Schnittstellen zu vorlaufenden Planungs- und nachlaufenden Bauausführungsprozessen. Die Interaktion zwischen digitalen Modellen und physischen Objekten bildet die methodische Verbindung des TRR 277 und die Grundlage für die Vernetzung der Projektbereiche A, B und C – realisiert durch die kontinuierliche Herstellung großformatiger Demonstratoren und ihrer digitalen Zwillinge.

Die TU Braunschweig und die TU München verfügen über langjährige Erfahrung in der interdisziplinären, standortübergreifenden Forschung zur Additiven Fertigung im Bauwesen. Ihre exzellente Forschungsinfrastruktur und die sich ergänzenden Expertisen bilden die Grundlage des Forschungsverbunds und fördern die strategische Entwicklung beider Universitäten. Der TRR 277 verspricht hohe nationale und internationale Sichtbarkeit und will gemeinsam mit anderen nationalen Forschungsinitiativen einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung der Bauindustrie leisten.

C04 – Integration von digitaler Konstruktion und additiver Fertigung durch BIM-basierte Entscheidungsunterstützung und Digital-Twin-Methoden

Das Projekt wird dazu beitragen, die Lücke zwischen digitaler Konstruktion und additiver Fertigung zu schließen. Das konzipierte Design Decision Support System (DDSS) wird auf der Grundlage einer formalen Wissensdatenbank zur additiven Fertigung die Identifizierung von Bauteilen ermöglichen, die für die AM-Technologie geeignet sind. Es werden Methoden zur Generierung von Fabrication Information Models (FIM) aus Building Information Models (BIM) entwickelt. Diese Methoden basieren auf Graphentheorie und algorithmischer Geometrie. Durch die Einbeziehung von Fertigungsinformationen aus Robotern und Sensoren werden Methoden zur Erstellung von Digital-Twin-Darstellungen entwickelt, die die tatsächliche Geometrie und die Eigenschaften widerspiegeln. Die Ansätze basieren auf dem Konzept des Multi-LOD-BIM, das die Konsistenz zwischen mehreren Detailebenen gewährleistet.

Das vorgeschlagene Design-Entscheidungsunterstützungssystem (DDSS) basiert auf einer Wissensbasis, die die Fähigkeiten und Randbedingungen einzelner AM-Prozesse formalisiert.

Methoden

• Entwicklung eines multiskaligen geometrischen Modells für die additive Fertigung im Bauwesen
• Kombination von B-Rep und V-Rep sowie semantischer Modellierung für Multi-LOD-BIM.
• Kombination von Graphentransformation mit algorithmischer Geometrie zur automatisierten Ableitung von FIM.
• DDSS: Wissensrepräsentation auf Basis der Graphentheorie und ontologischer Beschreibungen.
• Usability-Experimente mit potenziellen Anwendern zur Validierung der DDSS-Methodik.
• Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)