Leichtbau für den Klimaschutz

Spezial Lineartechnik

MehrachsPortal – Eine Verringerung des Zementverbrauchs birgt enormes Potenzial zur Reduktion der CO2-Emissionen. Ein Forschungsprojekt nutzt ein robustes und dynamisches Mehrachsenportal zur automatisierten Fertigung von Leichtbau-Betonteilen mit reproduzierbar genauen Ergebnissen.

20. Mai 2015

Eine der weltweit wichtigsten Ursachen für Kohlendioxid-Emissionen ist die Herstellung von Zement, dem Grundstoff für Beton. So verursacht die Zementindustrie rund sechs Prozent der weltweiten CO2-Emissionen und damit drei- bis viermal mehr als der weltweite Luftverkehr. Hersteller von Betonbauteilen sind daher an Lösungen interessiert, mit denen sich Material einsparen und umweltschonender und zugleich kostengünstiger produzieren lässt.

Ein vielversprechendes Verfahren dafür ist die sogenannte Gradierung des Betons. Dabei werden die Bauteile entsprechend ihrem statischen und bauphysikalischen Belastungsprofil mit variablen Materialeigenschaften gefertigt: Dort, wo das Bauteil hohen Belastungen ausgesetzt ist, kommt eine dichte Betonmischung mit hoher Festigkeit zum Einsatz, während an Stellen mit niedriger Beanspruchung, zum Beispiel im Bauteilinneren, eine poröse Mischung zum Einsatz kommt, die eine erhebliche Materialeinsparung und ein geringeres Gewicht gewährleistet. Vorbilder für diese Bauweise finden sich zum Beispiel in den Knochen der Wirbeltiere, 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.«

Wörner und seine Institutskollegen sind Teil eines interdisziplinären Forschungsteams der Universität Stuttgart mit Wissenschaftlern des Instituts für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) sowie des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen (IWB), das gemeinsam eine Methode entwickelt, mit der sich Fertigbauteile aus gradiertem Beton wirtschaftlich herstellen lassen. Als geeignetes Verfahren dafür hat sich das so genannte Trockenspritzen herausgestellt. Dabei werden in einer Mischdüse zwei unterschiedliche Betonmischungen – die eine fest, die andere porös – 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.

Wiederholbar genau

Entscheidend für einen industriellen Einsatz des Verfahrens ist jedoch, dass sich damit reproduzierbar genaue Ergebnisse erzielen lassen, schließlich kann jede Schwankung im Abstand zwischen Düse und Auftragsfläche die Materialeigenschaften des Bauteils verändern – ganz zu schweigen von Ungenauigkeiten im Mischungsverhältnis. »Auf manuellem Weg lässt sich das nicht effizient bewerkstelligen«, weiß Wörner und ergänzt: »Deshalb versuchen wir, den gesamten Fertigungsprozess soweit wie möglich zu automatisieren.«

Gesteuerter Prozess

Die Wissenschaftler entwickelten dafür ein automatisiertes Applikationssystem, mit dem sich die verschiedenen Variablen des Spritzprozesses präzise und steuern und verändern lassen. Die Führung der Spritzdüse übernimmt dabei ein dreiachsiges Schwerlastportal vom Typ SLE des Lineartechnik-Spezialisten Winkel aus Illingen bei Stuttgart, mit dem sich die Düse dreidimensional bewegen lässt. Ein Hexapod am Ende Z-Achse ermöglicht zudem, die Spritzdüse unabhängig vom Portal zu bewegen. Insgesamt können die Forscher den Betonspritzprozess so bis ins Detail steuern und variieren.

Der Antrieb der Linearachsen des Schwerlastportals erfolgt über gehärtete Zahnstangen und Ritzel. Die Führungen auf Basis der bewährten Winkel-Rollen mit den dazugehörigen Profilschienen ermöglichen es dabei, auch größere Wege und Hübe mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,5 Millimeter und Geschwindigkeiten bis zu zwei Metern pro Sekunde zu realisieren. Die Tragkraft an der ZAchse kann bis zu 5.000 Kilogramm betragen.

Besonders wichtig für den Einsatz des Systems bei der Fertigung von Betonbauteilen ist seine Unempfindlichkeit gegenüber Schmutz und Verschleiß. Entscheidend für die Zusammenarbeit mit Winkel war deshalb ein Besuch auf der Fachmesse Motek vor ein paar Jahren, erinnert sich Wörner: »Wir waren auf der Suche nach einer Lösung, die auch unter extrem rauen Einsatzbedingungen zuverlässig funktioniert, und das robuste Winkel-Schwerlastportal war für unsere Zwecke am besten geeignet, weil es mit diesen widrigen Bedingungen mühelos klarkommt.«

Für besondere Freude sorgte die Zusage der Lineartechnikspezialisten, die Wissenschaftler mit dem Portal und dem nötigen Know-how bei der Forschung an dem innovativen Herstellungsprozess zu unterstützen. Die Experten von Winkel entwickelten dazu eine Lösung genau nach den Vorgaben des ISYS, die perfekt auf die Anforderungen des Forschungsprojekts zugeschnitten war. Aufbau und Inbetriebnahme der Anlage erfolgten in Zusammenarbeit.

Am Ende ermöglichte das Mehrachsenportal die Realisierung eines vollautomatischen Fertigungsverfahrens: Am Anfang des Prozesses stehen zwei Betonmischungen in jeweils einem Silo bereit. Die Prozesssteuerung ermittelt auf Basis der statischen Kennzahlen, mit welcher Dichte das Bauteil an welcher Stelle gefertigt werden muss, und veranlasst die entsprechende Betonmischung, die die Spritzdüse danach automatisch gesteuert Schicht für Schicht in einer Form aufträgt. »Somit entsteht ein reproduzierbarer Vorgang, bei dem wir sämtliche Parameter erfassen und dokumentieren können«, freut sich Wörner und erläutert: »Wir können also feststellen, welche Auswirkungen eine Veränderung im Fertigungsprozess auf das Endergebnis hat und so das Verfahren optimieren.«

Inzwischen ist das Portal seit fünfzehn Monaten an der Universität Stuttgart im Einsatz. »Momentan sind wir zwar noch in der Forschungsphase, aber wir hoffen, die Technologie in den nächsten Jahren bis zur Serienreife zu entwickeln«, berichtet Wörner und fügt hinzu: »Ohne die Unterstützung von Winkel wäre dieses Projekt so nicht möglich.«

Erschienen in Ausgabe: 04/2015