DATIpilot Modul 1 Innovationssprints: Lehm 3D-Druck für mechanisch optimierte, recyclebare Bauteile in Holzständerbauweise - Le3D; Teilprojekt A (Koordination); Teilprojekt B (Praxispartner)

Abstract

Nachhaltiges Bauen stützt sich zunehmend auf lokal verfügbare Materialien, doch die natürliche Variabilität der Lehmzusammensetzung stellt eine große Herausforderung für die Standardisierung der additiven Fertigung auf Lehmbasis dar. Hier wird gezeigt, wie die mineralogische Zusammensetzung und Partikeleigenschaften das rheologische Verhalten und die mechanische Leistungsfähigkeit von 3D-gedrucktem Lehm direkt beeinflussen. Durch die systematische Charakterisierung und Untersuchung von drei natürlichen Lehmen (L1, L2, L3) mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Mineralogie wird gezeigt, dass die minera-lische Zusammensetzung - insbesondere der Calcitgehalt - und die Ionenaktivität die Fließgrenze und das Schwindverhalten stärker beeinflussen als die Partikelgrößenverteilung. Die Optimierung der Mischung über die Variation des Wassergehalts und des Sandgehalts zeigte, dass der Wassergehalt die Fließgrenze, Schwinden und Festigkeit bestimmt, während die Zugabe von Sand insbesondere das Schwinden reduziert. Chemische Dispergiermittel (Natriumhexametaphosphat) reduzierten die Fließgrenze und ermöglichen somit eine Reduktion des Wassergehalts während 0,5 M.-% Naturfasern aufgrund ihrer Wasseraufnahme die Fließgrenze um den 58 % verbesserten. Die Lagerung unter erhöhter Luftfeuchtigkeit reduzierte die Druckfestigkeit um bis 15 % bei L3 von 30 zu 70 % r. F., was die Bedeutung kontrollierter Bedingungen bei der Nutzung zeigt. Ergänzend wurden die thermischen Eigenschaften der Lehmmischungen experimentell bestimmt und mittels Wärmeleitfähigkeitssimulation bewertet: Das WasserLehm-Verhältnis und der Sandgehalt beeinflussten die Wärmeleitfähigkeit stärker als die Lehmquelle, wobei ein höherer Sandgehalt die Wärmeleitfähigkeit erhöhte (bis 1,12 W/mK) und ein höherer Wassergehalt sie senkte. Für den Demonstrator wurde L3 als Grundlehm gewählt, da er im Druckprozess die stabile rheologischen Eigenschaften aufwies und die geringe Streuung der Fließgrenze zeigte. In Kombination mit W/L = 1,25 und S/L = 5 erwies sich diese Mischung sowohl prozess- als auch thermisch als am geeignetsten und wurde daher als Grundlage für den Demonstrator verwendet. Durch die Zusammenführung der gewonnenen Erkenntnisse, wurde ein geometrisches Design für einen Wandprototyp in Originalgröße aus einer als optimal bewerteten Lehmmischung hergestellt. Hierfür wurden verschiedene Segmente verbunden. Eine Untersuchung zu trocken gestoßenen Verbindungen zeigte, dass sich Dreiecksverbindungen besser zur Kompensation von Fertigungstoleranzen eigneten, während Zapfenverbindungen eine höhere Tragfähigkeit aufwiesen. Daher wurden beide Verbindungstypen gewählt, da sie gemeinsam ein werkzeugfreies Fügesystem in horizontaler und vertikaler Richtung ermöglichen und zugleich der umgebenden Holzkonstruktion mehr Flexibilität verleihen, da die Holzelemente nicht auf jede Breite und Höhe der Wandbausteine ausgerichtet werden müssen. Als Infillstrategie hat sich Hexagonal gegenüber Zickzack- und Vertikal-Diagonal-Muster aus mechanischen und bauphysikalischen Gründen als vorteilhaft erwiesen und wurde daher im Demonstrator implementiert. Dieser integrierte Ansatz verbindet Materialwissenschaft mit architektonischer Fertigung und bietet einen Arbeitsablauf für die Skalierung der additiven Fertigung mit Lehm für Bauanwendungen.