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Beton-3D-Druck auf der Baustelle

Beton ist nicht gleich Beton. Der Werkstoff kann in verschiedensten Materialzusammensetzungen und Verarbeitungstechniken hergestellt und verwendet werden. Wissenschaftler der TU Dresden um Prof. Viktor Mechtcherine arbeiten an einer neuen Eigenschaft von Beton – der Druckbarkeit. Ein Forschungsteam des Instituts für Baustoffe, der Professur für Baumaschinen und des Instituts für Baubetriebswesen sucht nach der perfekten Materialzusammensetzung, um Beton für den 3D-Druck einsetzbar zu machen, entwickelt weiterhin den passenden Druckkopf und versucht die Technologie aus dem Labor auf die Baustelle zu bringen.

Das Drucken von Beton ist aktuell weltweit Gegenstand einer Vielzahl von Forschungsprojekten. »Der erste Versuch des Beton-3D Drucks stellte das Projekt Contour Crafting aus den USA. Es wurde ursprünglich entwickelt, um mögliche Bautechniken für Bauverfahren auf dem Mond zu erforschen. Auf der Erde ist das Projekt tatsächlich einigermaßen angekommen. Es gibt es gute Demonstrationsprojekte, die beweisen, dass die Technik funktioniert. Das Problem stellt allerdings der Drucker dar, der größer als das Bauteil selbst sein soll«, erläutert Viktor Mechtcherine. Mittlerweise entwickelt sich die Technologie rasant weiter. Auch die Industrie sieht großes Potenzial – allen voran chinesische Unternehmen, die bereits sogar einige realisierte gedruckte Betongebäude vorweisen können. Auch wenn diese ersten Prototypen weltweit für großes Aufsehen gesorgt haben, so ist die Anwendung der Technologie noch alles andere als massentauglich. Das Team der TU Dresden sieht besonders in Bezug auf Massivbetonbauweise großes Potenzial, um sowohl Ressourcen als auch Kosten einzusparen. »Als Beispiel haben wir ein Einfamilienhaus genommen. Nach unserer Berechnungen könnten wir dieses in 10 Stunden drucken. Konventionell in Mauerwerk ausgeführt würden drei Arbeitskräfte sechs Tage dafür benötigen. Es ergäbe sich ein Kosteneinsparungspotenzial von ca. 30 %.«

Der bisher übliche Bauprozess für Transportbeton erfordert einen hohen Aufwand für die notwendigen Schalungsarbeiten – sowohl zeitlich, finanziell als auch was den Materialverbrauch der Rohstoffe Holz oder Kunststoff betrifft. Alle Aspekte könnten mittels 3D-Druck-Verfahren entfallen bzw. optimiert werden. »Wir wollen in Zukunft schalungsfrei Bauen, d. h. effizienter, schneller, günstiger und ressourcenfreundlicher. Aber in dem Projekt steckt noch mehr Potenzial: Wir schließen einen Kreis. Wir werden in der Zukunft nicht mehr mit 2D-Plänen auf der Baustelle stehen. Unsere Zukunft sieht anders aus. Wir wollen, dass die Vielzahl an vorhandenen BIM- und CAD-Daten tatsächlich auch in der Produktion angewandt wird, d.h. wir wollen von der Digitalplanung den nächsten Schritt zur Digitalfertigung gehen. Wir hätten damit die Möglichkeit, aus diesen Daten- und Materialinfos und der entsprechenden Maschinentechnik nun direkt ein Gebäude herzustellen«, erläutert Mechtcherine weiter.

Im Rahmen des Forschungsprojekts CONPrint3D sollen deshalb die Grundlagen zur Einführung eines neuen Bauverfahrens geschaffen werden. Beton-3D-Druck, nicht mehr unter Laborbedingungen, sondern den aktuellen Baunormen entsprechend und mit verfügbaren Baumaschinen arbeitend. Vor diesem Hintergrund haben sich die drei Institute mit Industrieunternehmen aus den Bereichen Bauchemie, Baumaschinen, Zementhersteller und Baufirmen zusammengeschlossen. »Das Projekt soll auf bestehenden Baumaschinen aufbauen. Mobile Betonpumpen, die jetzt schon eine präzise Führung erlauben, ließen sich noch in ihrer Performance steigern. Wir müssen weiterhin spezielle Werkstoffe entwickeln und die Verfahrenstechnik gestalten.«

Daraus ergaben sich die Fragestellungen, die im Rahmen der Machbarkeitsuntersuchung des Projekts behandelt wurden. Das Institut für Baustoffe befasst sich mit dem Materialdesign und entwickelt geeignete Betonzusammensetzungen eines schnellerstarrenden Frischbetons mit optimalen Eigenschaften für den 3D-Druck. Diese Gemische sind gekennzeichnet durch gute Pumpbarkeit, lange Konsistenzerhaltung, hohe Thixotropie und eine schnelle Erstarrung. Das neue Material muss mit all seinen Eigenschaften mit konventionellen Betonen vergleichbar sein und trotzdem auch alle Aspekte der Druckbarkeit – ein für den Betonbau neuer Begriff – aufweisen. Wissenschaftler aus dem Bereich Baumaschinen sind für die Entwicklung eines geeigneten Druckkopfes und dessen automatisierter Führung durch Großraumrobotik verantwortlich. Bisher gibt es keine Technik, die das Aufbringen des Betons im größeren Maßstab erlaubt. Die Laborversuche müssen nun auf den Massivbaumaßstab und in realer Wandstärke übertragen werden. Das Institut für Baubetriebswesen befasst sich mit den rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zum Einsatz dieser neuartigen Technologie sowie der Verarbeitung der bautechnologischen Daten.

Das aktuell gewählte Verfahren für den Versuchsaufbau wurde auf Basis der Extrusion entwickelt, das bedeutet, eine Schicht wird dabei auf die andere gelegt. Noch können so keine komplexen Geometrien gedruckt werden, den Wissenschaftlern war es aber zunächst wichtig, die Materialeigenschaften, wie den Verbund der einzelnen Schichten, die Stand-, Druck-, Zug- und Biegefestigkeit der so entstanden Bauelemente zu überprüfen. Das Fazit lautet: Das Material absolut vergleichbar mit einem in Schalung gegossenen Beton. In weiteren Forschungsprojekten sollen nun zusätzlich zu dem aktuell verwendeten feinkörnigen Material auch ein Beton mit grober Körnung druckfähig gemacht werden. Auch Gradientenbeton oder Schaumbeton wäre denkbar. Oder die Integration weiterer Funktionen wie Bewehrung oder Dämmung. »Wir sehen hier noch viel Potenzial«, freut sich Viktor Mechtcherine.

Das Forschungsprojekt wurde bereits mit dem bauma Innovationspreis 2016 ausgezeichnet. Ein Film vermittelt einen ersten Eindruck. 

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