In concrete construction, the production of formwork accounts for the largest percentage of cost. To be more economical, the most of the commercially available formwork systems today are based on standardized flat panels. Clay is a component of earth, which is the most important natural material, and it is available in most regions. If not sintered, clay can be recycled and reused very easily. With the availability and recyclability of the clay material, 3D printed clay formwork allows the formwork for bespoke concrete structures to be produced at very low cost. Research have demonstrated the possibility of 3D printed clay formwork and explored its design potentials with prototypes successfully fabricated in architectural scale. However, it still needs to be explored how a clay formwork larger than the range of a static robot can be printed using multiple mobile robots in an in-situ fabrication scenario. For that purpose, this thesis aims at developing a parametric workflow for designing print path models of 3D printed clay formwork in such a scenario. Based on an analysis of challenges from robot, material and fabrication process in an in-situ clay formwork printing scenario, a parametric design workflow was developed to model the print paths of the clay formwork. A segmentation process has been implemented to tessellate the clay formwork into smaller tiles regarding the robot range, end-effector collision and the incremental printing and casting process. Stiffening features have been integrated into the print path model to support the clay formwork against its self-weight and the hydrostatic pressure from liquid concrete during printing and casting. Joints have been integrated to the print paths to ensure a stable interlocking between clay formwork tiles. The parametric workflow was then tested on two demonstrator geometries: column and wall. The feasibility of the development was evaluated by experimentally manufacturing the column in 1:1 scale. The physical printing experiment succeeded in demonstrating the feasibility of manufacturing clay formworks with mobile robots. The parametrical workflow with segmentation, stiffening and jointing methods developed for the print path modelling have been proved to be valid. As an outlook, functionalities like prefabricated opening components can be integrated into the formwork tessellation as stay-in-place formworks and this technology can find architectural application. Furthermore, an initial experiment has been conducted to explore the possibility combination of clay formwork and earth casting, which could be a future research topic.     «

In concrete construction, the production of formwork accounts for the largest percentage of cost. To be more economical, the most of the commercially available formwork systems today are based on standardized flat panels. Clay is a component of earth, which is the most important natural material, and it is available in most regions. If not sintered, clay can be recycled and reused very easily. With the availability and recyclability of the clay material, 3D printed clay formwork allows the formw...     »

Im Betonbau macht die Herstellung von Schalungen den größten Anteil der Kosten aus. Aus Gründen der Kostengünstigkeit basieren die meisten der heute handelsüblichen Schalungssysteme auf standardisierten Flachplatten. Lehm ist ein Bestandteil der Erde, dem wichtigsten natürlichen Material, das in den meisten Regionen verfügbar ist. Wenn er nicht gesintert wird, kann Lehm sehr leicht recycelt und wiederverwendet werden. Dank der Verfügbarkeit und der Wiederverwertbarkeit von Lehm können mit 3D-gedruckten Lehmschalungen Schalungen für maßgefertigte Betonstrukturen zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Die Forschungen haben die Möglichkeiten von 3D-gedruckten Lehmschalungen demonstriert und ihr Designpotenzial mit erfolgreich hergestellten Prototypen im architektonischen Maßstab untersucht. Es muss jedoch noch erforscht werden, wie eine Lehmschalung, die größer ist als die Reichweite eines feststehenden Roboters, mit mehreren mobilen Robotern in einem In-Situ-Fertigungsszenario gedruckt werden kann. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, einen parametrischen Prozess für den Entwurf von Druckpfadmodellen von 3D-gedruckten Lehmschalungen in einem solchen Szenario zu entwickeln. Basierend auf einer Analyse der Herausforderungen, die durch Roboter, Material und Herstellungsprozess in einem In-situ-Druckszenario für Lehmschalungen entstehen, wurde ein parametrischer Designprozess entwickelt, um die Druckpfade der Lehmschalung zu modellieren. Ein Segmentierungsprozess wurde implementiert, um die Lehmschalung im Hinblick auf die Reichweite des Roboters, die Kollision mit dem Endeffektor und den schrittweisen Druck- und Gießprozess in kleinere Kacheln aufzuteilen. Versteifungen wurden in das Druckpfad-Modell integriert, um die Lehmschalung gegen ihr Eigengewicht und den hydrostatischen Druck des flüssigen Betons während des Druckens und Gießens zu unterstützen. In die Druckpfade wurden Fugen integriert, um eine stabile Verzahnung zwischen den einzelnen Kacheln der Lehmschalung zu gewährleisten. Der parametrische Prozess wurde dann an zwei Demonstrationsgeometrien getestet: Säule und Wand. Die Umsetzbarkeit der Entwicklungsmethode wurde durch die experimentelle Herstellung der Säule im Maßstab 1:1 bewertet. Mit dem physischen Druckexperiment konnte die Möglichkeit der Herstellung von Lehmschalungen mit mobilen Robotern nachgewiesen werden. Der parametrische Prozess mit Segmentierungs-, Versteifungs- und Fügemethoden, der für die Modellierung des Druckpfades entwickelt wurde, hat sich als gültig erwiesen. Als Ausblick können Funktionalitäten wie z.B. vorgefertigte Öffnungselemente als Stay-in-Place-Schalungen in das Schalungs-Tessellation integriert werden und diese Technologie kann in der Architektur Anwendung finden. Darüber hinaus wurde ein erster Versuch durchgeführt, um die Möglichkeit der Kombination von Lehmschalung und Erdguss zu untersuchen, was ein zukünftiges Forschungsthema sein könnte.     «

Im Betonbau macht die Herstellung von Schalungen den größten Anteil der Kosten aus. Aus Gründen der Kostengünstigkeit basieren die meisten der heute handelsüblichen Schalungssysteme auf standardisierten Flachplatten. Lehm ist ein Bestandteil der Erde, dem wichtigsten natürlichen Material, das in den meisten Regionen verfügbar ist. Wenn er nicht gesintert wird, kann Lehm sehr leicht recycelt und wiederverwendet werden. Dank der Verfügbarkeit und der Wiederverwertbarkeit von Lehm können mit 3D-ged...     »