Einblick in den Entwicklungsprozess: Die robotische Herstellung von Beton-Fassadenpfosten mittels Smart Dynamic Casting

Die neuartige Smart Dynamic Casting Technologie wurde eigens für die Fabrikation der Fassadenpfosten des DFAB HOUSE adaptiert und weiterentwickelt. Nach erfolgreichem Abschluss der Produktion der materialoptimierten Betonfassadenpfosten werfen Fabio Scotto und Ena Lloret-Fritschi der Gramazio Kohler Research Group an der ETH Zürich und dem Institut für Baustoffe der ETH Zürich nun einen Blick zurück auf die Experimente und Prototypen, die auf dem Weg zur Entwicklung eines finalen robotischen Herstellungsverfahren notwendig waren.

Die Einbindung des Forschungsprojektes Smart Dynamic Casting (SDC) in das Projekt DFAB HOUSE zur Produktion der Fassadenpfosten des ersten Stockes hat zur Entwicklung einer adaptiven robotischen Installation geführt. Diese erlaubt uns, massgeschneiderte, tragende Betonstrukturen zu fabrizieren. Bis zur finalen Entwicklung dieses robusten robotischen Prozesses galt es jedoch, während einer experimentellen und prototypischen Phase, einige Herausforderungen zu überwinden.

Verkleinerung des Produktionssystems und Minimierung der Reibungskräfte
Unsere erste Aufgabe bestand darin, das Produktionssystem so weit zu verkleinern, dass wir Fassadenelemente mit einem minimalen Querschnitt von 70 x 100 mm fabrizieren konnten. Dies hatte einen direkten Einfluss auf das Schalungssystem, mit welchem wir bis anhin gearbeitet hatten. Denn durch die vorgenommene Verkleinerung beobachteten wir eine Zunahme von Reibungskräften. Durch diese Zunahme häufte sich während des Fabrikationsprozesses mehr Beton entlang der Innenseite des Schalungssystemes an. Daraus resultierten Probleme während dem Gussvorgang, wie Oberflächenabbruch und in manchen Fällen gar ein kompletter Ausfluss des frischen Betons.

Um die negativen Auswirkungen der erhöhten Reibungskräfte zu minimieren, definierten wir Strategien zur Optimierung des Gesamtprozeses. Als erstes entwickelten wir eine sich in weit höherem Masse selbstverdichtende Betonmischung mit besserer Fliessfähigkeit und optimierter Aushärtungszeit. Als zweites entschieden wir uns, das Material der Schalung zu verändern und neu auf Edelstahl zu setzten. Zusammen mit unserem kapillaren Ölkonzept führte dies zu einem signifikant reibungsloseren Gussvorgang.

Integration der Bewehrung
Eine weitere Herausforderung, die es während des Forschungsprozess zu überwinden galt, war die Integration des Bewehrungssystemes. Denn obschon die Fassadenpfosten im Rahmen von DFAB HOUSE nicht tragend sind, ist ihre strukturelle Leistung für Wind und die eigene Gewichtsbelastung optimiert.

Daher entwickelten wir ein nicht-standardisiertes System, welches es uns ermöglicht, die Bewehrung während des Gussvorgangs innerhalb des begrenzten Querschnittes des Fassadenpfostens zu fixieren. Spezifisch werden für die Bewehrung zwei Stangen aus Edelstahl mit einem Radius von 12mm, die zuvor in einem CNC Prozess in die richtige Form gebogen wurden, mittels horizontaler Verbindungsstücken zusammengeschweisst. Die so fabrizierte Bewehrung wird sodann vor dem Gussvorgang innerhalb der Schalung platziert, sowie am oberen und unteren Ende befestigt. Aufgrund der schmalen Geometrie der Fassadenpfosten, hatte die Bewehrung die Tendenz sich während des Vorgangs aufgrund ihres eigenen Gewichtes zu verbiegen. Um dies zu verhindern, mussten wir die Art und Weise wie die Bewehrung befestigt wird verändern und entwickelten schliesslich ein Seilzugsystem. Mittels der damit ausgeübten Spannkraft konnten wir die Bewehrung nun während des gesamten Gussvorgangs gerade halten und Verbiegungen auf der gesamten Höhe der Pfosten minimieren.

Erfolgreicher Entwicklungsprozess
Nach zahlreichen Versuchen und Prototypen, haben wir erfolgreich alle Herausforderungen überwunden und einen optimierten Fabrikationsprozess ausgearbeitet. Die SDC Fassadenpfosten, die wir für DFAB HOUSE produziert haben, zeichnen sich durch eine grossartige Oberflächenqualität aus und erfüllen gleichzeitig die erforderten strukturellen Kriterien.