3D-Druck von Bewehrungen aus Faserverbundwerkstoff
Beton weist eine hervorragende Druckfestigkeit auf, aber nur eine sehr beschränkte Zugfestigkeit. Bei Betonkonstruktionen wie Fundamenten, Unterzügen, Stützen und Decken werden daher meist stabförmige Bewehrungen aus Stahl eingebaut, um die auftretenden Zugkräfte aufzunehmen. Die Herstellung von solchen Stahlbetonbauteilen ist energieintensiv und klimaschädlich. Zudem ist die Lebensdauer von Stahlbetonkonstruktionen aufgrund ihrer Korrosionsanfälligkeit beschränkt.
Stand der Technik
Eine Ausweichmöglichkeit sind Stäbe und Mattenware aus Carbonfaser-Verbundwerkstoff. Solche Kompositbewehrungen korrodieren nicht und die spezifische Zugfestigkeit ist höher als die von Stahl. Dadurch kann leichter und mit weniger Material gebaut werden. In Folge reduziert sich der Bauteilquerschnitt und Beton wird eingespart. Die Bewehrungsteile können individueller nach den zu tragenden Lasten geformt werden als bisher. Jedoch sind die Fasern und ihre Verarbeitung aktuell kostenintensiv. Forschende tüfteln deshalb an wirtschaftlichen Verarbeitungsprozessen.
Technologie
Forschende am KIT haben ein alternatives 3D-Druckverfahren auf Basis elektromagnetischer Erwärmung entwickelt, das endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CFRTP) mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet. Damit das Kunststoffmaterial die Druckdüse passieren kann, muss es durch Wärme weich genug und formbar sein. Dies gelingt mit einem Mikrowellenapplikator als Druckkopf, der ein gleichmäßiges und schnelles Erhitzen selbst bei großen Filamentdurchmessern ermöglicht. Im Gegensatz zu konventioneller Erwärmung generieren Mikrowellen die Wärme direkt im Material. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff, welche die Druckgeschwindigkeit in konventionellen Filament-3D-Druckern begrenzt, spielt dann keine Rolle. Die Mikrowellendrucktechnik ermöglicht die flexible Herstellung von mechanisch belastbaren Carbonfaser-Verbundstrukturen als Bewehrung.
Vorteile
Mit einer bis zu zehnmal höheren Druckgeschwindigkeit als gängige Technologien bietet das additive Verfahren hohes Potenzial für viele Industrieanwendungen. Am KIT wurde im Rahmen des Helmholtz Validierungsprojektes MWPrint4ReCon ein roboterbasierter Prototyp des Mikrowellendruckers samt Pfadplanungs- und Steuerungssystem aufgebaut.
Optionen für Unternehmen
Zum Einsatz des Verfahrens für den Druck von dreidimensionalen Bewehrungsstrukturen aus Carbonfaser-Verbundwerkstoff sucht das KIT Entwicklungspartner aus der Software-, Druck- und Bauindustrie.
Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Innovationsmanager Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovations- und Relationsmanagement (IRM) Telefon: +49 721 608-25587
E-Mail: rainer.koerber@kit.edu