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Zwei Köpfe drucken schneller als einer

26.11.19 - Die Digitalisierung bietet für die Architektur und Bauindustrie enormes Potenzial. Deshalb werden derzeit unter anderem im Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) «Digitale Fabrikation» Methoden und Technologien für die digitale, teilautomatisierte Bauwirtschaft erforscht. Für ein Projekt an der ETH Zürich hat die HSR einen 3D-Drucker mit mehreren Druckköpfen konstruiert. In den ETH-Labors wird damit getestet, welche Vorteile 3D-gedruckte Bauteile bringen können.

Als würden sie sich absprechen, arbeiten zwei 3D-Druckköpfe am gleichen Kunststoffteil. Schicht für Schicht wächst auf der Druckplatte ein orange-weisses Bauteil in die Höhe. Projektleiter Marco Rossi vom ILT Institut für Laborautomation und Mechatronik der HSR zeigt sich zufrieden. Die kollaborativ arbeitenden 3D-Druckköpfe arbeiten wie geplant.

Damit ist der rund zwei Meter hohe 3D-Drucker bereit für die Auslieferung an die ETH Zürich. Dort wird das Institut für Technologie in der Architektur Versuche durchführen und unter anderem Schalungen für frische Betonbauteile drucken. Diese werden zum Beispiel für komplexe Betonkonstruktionen vor Ort direkt auf der Baustelle als «Gussform» für Frischbeton benötigt. Heute werden die meisten Verschalungen in aufwendiger Handarbeit aus Holz gebaut.

Rund 3,5 Mal schneller
3D-Drucker eignen sich vor allem, weil sie auch aufwendige Formen ohne menschliches Zutun beispielsweise über Nacht drucken können und allenfalls nötige Stützkonstruktionen gleich mitdrucken. Das spart, kumuliert auf die Bauzeit für ein ganzes Gebäude, schnell mehrere Wochen. Die an der HSR konstruierte Maschine geht mit den beiden Druckköpfen noch einen Schritt weiter. «Aktuelle Geräte waren zu klein und zu langsam», erklärt Rossi, der sich auch privat häufig mit 3D-Druck beschäftigt. Mit dem 3D-Drucker von der HSR sei man rund 3,5 Mal schneller als mit aktuell verfügbaren Lösungen. Zudem sei das Konzept sowohl in der Grösse als auch in der Anzahl der kollaborativ arbeitenden Druckköpfe skalierbar. Das heisst: Statt mit zwei Metern Höhe und mit zwei Druckköpfen könnte das Konzept auch in Form eines mehrere Meter langen 3D- Druckers mit mehreren Druckköpfen umgesetzt werden. So werden auch Betonbauteile umsetzbar, die für grössere Gebäude nötig sind. In einer studentischen Arbeit im Studiengang Maschinentechnik | Innovation der HSR wurde die vertikale Achse entworfen. Anschliessend folgte eine Weiterentwicklung der Kinematik und des Druckkopfs durch das ILT.

Kollaboration als Schlüsselelement
Der Clou des 3D-Druckers liegt in der Steuerung der Druckköpfe. Rossi hat sie so konzipiert, dass sie sich auch bei komplexen Formen nie in die Quere kommen. Dies ermöglicht eine hohe Auftragsrate, wodurch Teile in kurzer Zeit gedruckt werden können. Bisher waren dafür mehrere Stunden oder Tage nötig. Hohe Produktivität bei hoher Druckqualität – das ist die Grundvoraussetzung für den Einsatz der neuen Technologien auf dem Bau und in der Architektur. «Unsere Gruppe forscht daran, wie sich 3D-Druck-Verfahren auf den architektonischen Massstab skalieren lassen. Der Drucker hilft beim Untersuchen von distributiven CNC-Technologien, bei denen mehrere Werkzeuge parallel an einem Werkstück arbeiten», sagt der ETH-Projektverantwortliche Prof. Dr. Benjamin Dillenburger. Auch Rossi ist nach der Auslieferung der Maschine zufrieden: «Die Zusammenarbeit mit der ETH war sehr gut. Wir konnten ihre Erfahrung im Drucken grosser Teile und unsere Konstruktionskompetenzen bei der Entwicklung des neuen 3D-Druckers ideal kombinieren.»

Kontakt zur Projektverantwortlichen:
Prof. Dr. Agathe Koller-Hodac, agathe.koller(at)hsr.ch

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