With the technology of additive manufacturing, complex geometries can be produced without additional effort in comparison to the production of simple geometries. This geometrical freedom can be used to integrate additional functions in the printing process. For the application in building construction, processes already exist for additive manufacturing with concrete. Additively manufactured lightweight concrete building elements could be equipped with additional functionality by printing them with internal cellular structures and with a high degree of geometrical freedom. The material input could thus be reduced in comparison to conventional constructions. Even so, process constraints have necessarily to be considered in the design of the geometries. For that purpose, this thesis aims at developing a simple tool for designing wall elements with internal cellular structures with the ability to evaluate the performance and printability of cellular structures under consideration of the lightweight concrete printing related process constraints. Based on an analysis of space filling volumes, the shape of a truncated octahedron was used to geometrically remodel closed cell structures. A fully parametric approach based on a sequence of vectors was applied to model print paths with continuity implemented inherent in the design system. Calculations of overhangs and layer cycle times have been implemented to predict the printability of the geometries during the design process. Calculations of heat transfer coefficients were applied to estimate the thermal performance also during the design process. The feasibility of the development was then evaluated by experimentally manufacturing two demonstrator objects with lightweight concrete. The physical printing experiment succeeded in demonstrating the feasibility of manufacturing freeform wall elements with internal cellular structures based on a continuous print path. While overhangs proved to be fundamentally stable, cells with extremely large overhangs collapsed during the printing when they were not supported by neighboring cells. Based on the performance estimation, the additively manufactured element is expected to achieve the same performance as a massive element but with less material. Limitations could be identified regarding the effect of low print resolution on the ideal cell volume to concrete ratio.     «

With the technology of additive manufacturing, complex geometries can be produced without additional effort in comparison to the production of simple geometries. This geometrical freedom can be used to integrate additional functions in the printing process. For the application in building construction, processes already exist for additive manufacturing with concrete. Additively manufactured lightweight concrete building elements could be equipped with additional functionality by printing them wi...     »

Im Vergleich zur Herstellung einfacher Geometrien, können mit der Technologie der additiven Fertigung auch komplexere Geometrien ohne großen Produktionsmehraufwand hergestellt werden. Diese geometrische Freiheit kann dazu verwendet werden, zusätzliche Funktionen im Druckprozess zu integrieren. Für die Anwendung im Bauwesen existieren bereits Verfahren für das dreidimensionale Drucken mit Beton. Additiv gefertigte Leichtbetonelemente könnten dabei durch interne Zellstrukturen und gleichzeitige geometrische Freiheit so funktionalisiert werden, dass der Materialeinsatz gegenüber konventionellen Konstruktionen reduziert werden könnte. Bei der Planung der Geometrien müssen allerdings materialtechnische Eigenschaften des Betons berücksichtigt werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Designwerkzeug zu entwickeln, welches die Gestaltung von Wandelementen mit internen Zellstrukturen ermöglicht. Deren Druckbarkeit sowie thermische Isolationsleistung soll dabei unter Berücksichtigung der Prozessparameter während dem Designprozess abgeschätzt werden können. Ausgehend von einer Analyse raumfülender Körper wurde die Form eines Oktaeder- stumpfes gewählt, um geschlossene Zellstrukturen geometrisch abzubilden. Die Druckpfade wurden durch eine Sequenz von Vektoren parametrisch so modelliert, dass der Druck kontinuierlich, also ohne Unterbrechungen erfolgen kann. Berechnungen von Überhängen und Schichtumlaufzeiten wurden zur Abschätzung der Druckbarkeit herangezogen. Die Wärmedämmeigenschaften der Strukturen wurden über die Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten abgeschätzt. Die Machbarkeit der Entwicklung wurde abschließend durch die experimentelle Fertigung zweier Demonstratoren evaluiert. Das physische Druckexperiment konnte die prinzipielle Machbarkeit von 3D-gedruckten Zellstrukturen innerhalb von frei geformten Wandelementen aus Leichtbeton bestätigen. Obwohl sich die Überhänge während dem Druckprozess als grundsätzlich stabil erwiesen, kollabierten einige Zellen mit sehr großen Überhängen, wenn sie nicht von benachbarten Zellen unterstützt waren. Im Vergleich zu einem massiven Wandelement konnte gezeigt werden, dass ein Wandelement mit inneren Zellstrukturen die gleiche wärmedämmende Funktion mit weniger Materialeinsatz erreichen kann. Das ideale Verhältnis von Zellvolumen zu Beton ist dabei allerdings abhängig von der verwendeten Druckauflösung.     «

Im Vergleich zur Herstellung einfacher Geometrien, können mit der Technologie der additiven Fertigung auch komplexere Geometrien ohne großen Produktionsmehraufwand hergestellt werden. Diese geometrische Freiheit kann dazu verwendet werden, zusätzliche Funktionen im Druckprozess zu integrieren. Für die Anwendung im Bauwesen existieren bereits Verfahren für das dreidimensionale Drucken mit Beton. Additiv gefertigte Leichtbetonelemente könnten dabei durch interne Zellstrukturen und gleichzeiti...     »