Self-forming curved moulds: A case study of extruded polystyrene

Abstract

This thesis introduces a novel low-tech adaptable casting technique for production of double-curved non-uniform concrete panels. Presently, there are numerous studies into creating formwork for casting concrete in complex shapes and the techniques are ever evolving. However, flexible formwork has yet to find widespread industrial application. This thesis gives an overview of the current state of the art, looking briefly at traditional formwork, such as wooden and steel formworks, but focuses mainly on novel concrete casting techniques, such as Fabric formwork, 3D-printing, adaptable moulds, as well as subtractive formwork such as, CNC-milling and hotwire cutting.Similar to the above-mentioned techniques, this thesis presents a concrete casting method using foam formwork, namely extruded polystyrene (XPS). The research explores how XPS becomes malleable when submerged in a solution of acetone and water. The XPS maintains deformation upon drying. This simple, low-tech approach makes it more accessible and, compared to CNC-Milling, it requires less material.The research includes qualitative experimentation of 3 parameters. Firstly, the effects of different concentrations of acetone solutions on XPS. Secondly, variable thicknesses of XPS samples, and lastly, duration of the submersion of XPS samples into acetone-water solutions.The research continues with the development of a fabrication process, which introduces a gravity-informed self-forming XPS mould. The method incorporates a geometric pattern within the extruded polystyrene, which controls the shape of the mould surface and subsequently the shape of the concrete results. This technique is tested and adjusted through a series of experiments, which conclude with a case study, presenting a possible application of the method. In the case study, 9 concrete façade tiles are fabricated.From the research it is concluded that this technique is viable for the production of double-curved, non-uniform concrete elements.

In dieser Arbeit wird ein neuartiges, anpassungsfähiges Low-Tech-Gießverfahren für die Herstellung von doppelt gekrümmten, ungleichmäßigen Betonelementen vorgestellt. Heute gibt es zahlreiche Studien zur Herstellung von Schalungen für das Gießen von Beton in komplexen Formen, und die Techniken werden ständig weiterentwickelt. Allerdings hat die flexible Schalung noch keine breite industrielle Anwendung gefunden. Diese Arbeit gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik und geht kurz auf traditionelle Schalungen wie Holz- und Stahlschalungen ein, konzentriert sich aber hauptsächlich auf neuartige Betongießtechniken wie Gewebeschalungen, 3D-Druck, anpassungsfähige Formen sowie subtraktive Schalungen wie CNC-Fräsen und Heißdrahtschneiden.Ähnlich wie bei den oben genannten Techniken wird in dieser Arbeit eine Betongussmethode vorgestellt, bei der Schaumstoffschalungen verwendet werden, nämlich extrudiertes Polystyrol (XPS). Es wird untersucht, wie XPS verformbar wird, wenn es in eine Lösung aus Aceton und Wasser getaucht wird. Beim Trocknen bleibt die Verformung des XPS erhalten. Dieser einfache, technologiearme Ansatz macht es leichter zugänglich als Betonschalungsmethode und erfordert im Vergleich zum CNC-Fräsen weniger Material.Die Forschung umfasst qualitative Experimente zu 3 Parametern. Erstens, die Auswirkungen verschiedener Konzentrationen von Acetonlösungen auf XPS. Zweitens die Auswirkung unterschiedlichen Dicken der XPS-Proben auf der Verformbarkeit und drittens die Dauer des Eintauchens der XPS-Proben in Aceton-Wasser-Lösungen.Die Forschungsarbeiten werden mit der Entwicklung eines Herstellungsverfahrens fortgesetzt, bei dem eine durch die Schwerkraft bedingte, selbstformende XPS-Gußform eingeführt wird. Bei dieser Methode wird ein geometrisches Muster in das extrudierte Polystyrol eingearbeitet, das die Form der Oberfläche und damit die Form der konkreten gegossenen Objekte steuert. Diese Technik wird in einer Reihe von Experimenten getestet und angepasst, die mit einer Fallstudie abgeschlossen werden, in der eine mögliche Anwendung der Methode vorgestellt wird. In der Fallstudie werden 9 Beton-Fassadenfliesen hergestellt.Aus den Untersuchungen wird geschlossen, dass diese Technik für die Herstellung von doppelt gekrümmten, ungleichmäßigen Betonelementen geeignet ist.