About AMC TRR 277 – Additive Manufacturing in Construction
The Challenge of Large Scale
The SFB/Transregio TRR 277 aims to examine Additive Manufacturing (AM) as a novel digital manufacturing technology for the construction industry in an interdisciplinary, cross-location research project. In Additive Manufacturing, the production of building components is achieved solely by a digitally controlled layer-by-layer material application, without mould making or forming processes. This approach represents a paradigm shift to the manual construction processes, which are characterised by traditional, predominantly craft-based techniques. As a result, productivity in the construction industry has stagnated for decades. In addition, these manual techniques foster a rather simple component design and thus inefficient use of materials. Against the background of the enormous demand for resources in the construction industry, this methods of constructing contributes significantly to global CO2 emissions.
The objective of the proposed TRR 277 is to explore the fundamentals for implementing Additive Manufacturing in Construction (AMC). Automated additive material application enables the construction of buildings with a high degree of design freedom and a resource-efficient use of materials. In order to fully exploit this potential, structural design, material behaviour and manufacturing processes must be fundamentally rethought and, above all, must interact. While additive manufacturing technology is already being used for serial production in other industries, there are still fundamental challenges to be solved when transferring it to the construction industry: First, the transfer of AM technologies to the large scale of construction; second, the necessary material and process diversity, which is determined by the complex functional requirements of a building; and third, the required high degree of individualization and flexibility in construction. These challenges give rise to complex research questions on materials, process engineering, control, modelling, design and construction, which are investigated by interdisciplinary teams of scientists from the fields of civil and mechanical engineering.
The work programme of TRR 277 is guided by two fundamentally new research approaches:
1. Combinations of materials and processes.
As a central topic of the research program, material and process coordination are considered as inseparable units in additive manufacturing. In project area A, innovative material and process combinations for Additive Manufacturing will be researched and brought to a new logic of form. All A-projects follow a novel integrative approach, investigating structural design, material behaviour and manufacturing processes as inseparable components within an interdisciplinary framework. For this it is essential to open up the material- and process combinations from the outset and not to restrict them to individual materials and/or processes. The project area B aims to ensure robustness and full automation of additive manufacturing processes by providing feedback and numerical simulation capabilities to the A projects.
2. The seamless digitalisation in the building industry.
End-to-end digitization is of crucial importance for the successful introduction of additive manufacturing in the construction industry. Focus Area C “Design and Construction” is therefore researching the digital interfaces to the upstream planning processes as well as the downstream processes of construction from the very beginning. The interaction between digital models and physical objects forms the methodological link of TRR 277 and is the basis for the networking between project areas A, B and C. The networking across the project areas is realized by the continuous production of large scale demonstrators and their digital twins.
The TU Braunschweig and the TU Munich share many years of experience in interdisciplinary and cross-location research on additive manufacturing in the construction industry. The excellent research infrastructure available at both universities and the complementary expertise form the basis for the research program and promote the strategic development of both universities. TRR 277 promises a high degree of national and international visibility and, together with other national research initiatives, aims to make an important contribution to the digitalization of the construction industry.
Die Herausforderung des großen Maßstabs
Der SFB/Transregio TRR 277 hat zum Ziel, die Additive Fertigung (3D-Drucken) als neuartige digitale Fertigungstechnologie für das Bauwesen grundlegend zu erforschen. Bei der Additiven Fertigung erfolgt der Aufbau eines Bauteils allein durch den digital gesteuerten schichtenweisen Werkstoffauftrag, ohne vorangehenden Formenbau oder nachlaufende Umformprozesse. Dies stellt einen Paradigmenwechsel zu den vielfach handwerklichen Bauprozessen dar, die geprägt sind von traditionellen, überwiegend manuellen Bautechniken mit Systemschalungen beim Betonbau und standardisierten industriell gefertigten Halbzeugen beim Stahl-, Holz- und Mauerwerkbau. In Folge der tradierten Bautechniken stagniert die Produktivität in der Bauwirtschaft seit Jahrzehnten. Darüber hinaus begünstigen die standardisierten Schalungen und Halbzeuge eine ineffiziente Materialausnutzung, was – vor dem Hintergrund des enormen Ressourcenbedarfs im Bauwesen – erheblich zu den globalen CO2-Emissionen beiträgt. In dem interdisziplinären, standortübergreifenden Forschungsvorhaben verfolgen die beiden Universitäten TU Braunschweig und TU München den für das Bauwesen neuartigen Fertigungsansatz, mit Hilfe der Additiven Fertigung Material nur dort einzusetzen, wo es eine Funktion erfüllt. Damit wird der Weg bereitet für eine neue Gestaltungsfreiheit im Bauwesen bei gleichzeitigem ressourceneffizientem Einsatz von Baustoffen. Da die Bauwirtschaft weltweit einer der größten CO2-Emittenten ist, wird die hocheffiziente Nutzung von Ressourcen im Bauwesen zukünftig von globaler gesellschaftlicher Bedeutung sein.
Neben diesem neuen Fertigungsansatz hat die Additive Fertigung das Potenzial, sich zu einer Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung der Bauwirtschaft zu entwickeln. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, müssen Strukturdesign, Materialverhalten und Fertigungsprozesse grundlegend neu und vor allem zusammenwirkend gedacht werden. Während in anderen Industriezweigen die additive Fertigungstechnologie bereits zur seriellen Produktion eingesetzt wird, gibt es bei der Überführung in die Bauwirtschaft noch grundsätzliche Herausforderungen zu lösen: Erstens, der Transfer von AM-Technologien in den großen Maßstab des Bauwesens; zweitens, die notwendige Material-und Prozessvielfalt, die durch die komplexen funktionalen Anforderungen an ein Gebäude bestimmt wird; und drittens, der erforderliche hohe Grad an Individualisierung und Flexibilität beim Bauen. Aus diesen Herausforderungen resultieren komplexe Forschungsfragen zu Werkstoff, Verfahrenstechnik, Steuerung, Modellierung, Design und Konstruktion, welche in interdisziplinären Teams von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen des Bauwesens und des Maschinenbaus erforscht werden.
Das Arbeitsprogramm des TRR 277 wird von zwei grundlegend neuen Forschungsansätzen geleitet:
1. Material- und Prozesskombinationen.
Als zentrales Thema des Forschungsprogramms werden Material- und Prozessabstimmung als untrennbare Einheiten bei der Additiven Fertigung betrachtet. Alle A-Projekte verfolgen daher den Ansatz, Strukturdesign, Materialverhalten und Fertigungsprozesse integrativ zu erforschen. Im zentralen Projektbereich A „Materials and Processes“ sind die Material- und Verfahrenskombinationen von Beginn an offen angelegt und nicht auf einzelne Materialien und/oder Verfahren beschränkt. Der Projektbereich B “Modelling and Control” stellt durch die konsequente Rückkopplung der A-Projekte mit numerischen Simulationen und Prozesssteuerungsstrategien die Robustheit und Automatisierung der Additiven Fertigungsprozesse sicher.
2. Die durchgängige Digitalisierung im Bauwesen.
Die durchgängige Digitalisierung ist von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche Einführung der Additiven Fertigung im Bauwesen. Projektbereich C „Design and Construction“ erforscht daher von Anfang an die digitalen Schnittstellen zu den vorlaufenden Planungsprozessen sowie den nachlaufenden Prozessen der Bauausführung. Die Interaktion zwischen digitalen Modellen und physischen Objekten bildet die methodische Verbindung des TRR 277 und ist Grundlage für die Vernetzung zwischen den Projektbereichen A, B und C. Die Vernetzung über die Projektbereiche hinweg wird durch die kontinuierliche Herstellung großformatiger Demonstratoren und ihre digitalen Zwillinge realisiert.
Die TU Braunschweig und die TU München verfügen über langjährige Erfahrungen in der interdisziplinären und standortübergreifenden Forschung zur Additiven Fertigung im Bauwesen. Die an beiden Universitäten vorhandene exzellente Forschungsinfrastruktur und die sich ergänzenden Expertisen bilden die Grundlage für den Forschungsverbund und fördern die strategische Entwicklung beider Universitäten. Der TRR 277 verspricht ein hohes Maß an nationaler und internationaler Sichtbarkeit und will gemeinsam mit anderen nationalen Forschungsinitiativen einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung der Bauindustrie leisten.
