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Beton aus dem 3D-Drucker

Erste Betonteile oder ganze Gebäude aus dem 3D-Drucker gibt es bereits. Massentauglich ist die Technologie allerdings noch nicht. Das könnte sich bald ändern, wie Forschungen an der TU Dresden und der TU München zeigen.

Zellulares Bauelement aus Leichtbeton, hergestellt durch selektives Binden (Foto: K. Henke/TUM)
Zellulares Bauelement aus Leichtbeton, hergestellt durch selektives Binden (Foto: K. Henke/TUM)

Der 3D-Druck ist für die Bau- und Immobilienindustrie eine der spannendsten Technologien. Längst gibt es erste Beispiele von komplett gedruckten Gebäuden oder Brücken – vorrangig in China. Allerdings: Vom Massenprodukt ist das Betonhaus aus dem Drucker noch ein gutes Stück entfernt. „Der erste Versuch des Beton-3D Drucks stellte das Projekt Contour Crafting aus den USA dar", erläutert Professor Viktor Mechtcherine, Wissenschaftler der TU Dresden. Damals ging es um mögliche Bautechniken für Bauverfahren auf dem Mond. Heute geht es längst um handfeste Anwendungen auf der Erde.

Aktuell ist das größte Problem dabei noch die Größe der Drucker. Doch die Technik entwickelt sich schnell weiter. An der TU Dresden hält man vor allem die Massivbetonbauweise für ein interessantes Feld, um sowohl Ressourcen als auch Kosten einzusparen. In einem Beitrag für das Architekturmagazin Detail rechnet Viktor Mechtcherine vor: „Als Beispiel haben wir ein Einfamilienhaus genommen. Nach unserer Berechnungen könnten wir dieses in zehn Stunden drucken. Konventionell in Mauerwerk ausgeführt würden drei Arbeitskräfte sechs Tage dafür benötigen. Es ergäbe sich ein Kosteneinsparungspotenzial von rund 30 Prozent."

Hohe Wirtschaftlichkeit möglich
An der TU München hat man vor allen Dingen die Formgebung des Betons im Blick. Die Forscherinnen und Forscher experimentieren mit verschiedenen Verfahren, unter anderem dem sogenannten selektiven Binden. Mit dieser Technik ist es erstmals gelungen, filigrane, bionische Strukturen aus echtem Beton zu drucken. Klaudius Henke vom  Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion  an der TUM: „Die additive Fertigung wäre für das Bauwesen extrem attraktiv: Sie erlaubt eine große Formenvielfalt – und auch bei kleinen Stückzahlen – hohe Wirtschaftlichkeit.“

Ein Prototypen aus dem 3D-Drucker hat bereits gezeigt, dass er genauso belastbar ist wie herkömmlicher gegossener Beton. Es handelt sich dabei um eine 20 Zentimeter hohe, dünnwandige Betonröhre, in deren Innerem sich Verstrebungen befinden, die das Gebilde stabilisieren. Materialuntersuchungen am Bauteil haben gezeigt, dass die Röhre Kräften von 50 Newton pro Quadratmillimeter standhält.

Mit klassischem Betonguss, bei dem die Mischung aus Sand, Zement und Wasser in einer Schalung aushärten muss, wäre die Röhre mit ihren dünnen Verstrebungen kaum herstellbar. Das Team der TUM hat für die Fertigung ein noch neues additives Verfahren eingesetzt: das „selektive Binden“. Dünne Sandschichten werden Lage für Lage genau an den Punkten, an denen die massive Struktur entstehen soll, mit einem Gemisch aus Zement und Wasser getränkt. Nach dem Abbinden aller Schichten lässt sich der überschüssige Sand entfernen, übrig bleibt die gewünschte Betonstruktur.

So funktioniert die additive Fertigung

Drei Jahre lang haben die Forscherinnen und Forscher der TU München an dem Verfahren getüftelt: Der Erfolg hängt unter anderem ab von der Dicke der Schichten, der Korngröße des Sandes, der Geschwindigkeit, mit der sich der Druckkopf bewegt und der Auswahl der Düsen. Beim „selektiven Binden“ werden dünne Sandschichten Lage für Lage genau an den Punkten, an denen die massive Struktur entstehen soll, mit einem Gemisch aus Zement und Wasser getränkt. Nach dem Abbinden aller Schichten lässt sich der überschüssige Sand entfernen, übrig bleibt die gewünschte Betonstruktur.

Doch auch in München ist der dafür benötigte Drucker riesig und füllt einen ganzen Laborraum. Derzeit entwickelt das Team mit Partnern aus der Industrie einen 3D-Drucker, dessen Druckkopf mit mehreren tausend Düsen ausgestattet sein soll. Mit dem Gerät können dann erstmals Bauteile von etwa zehn Kubikmetern gefertigt werden. „Das reicht, um freigeformte, geschosshohe Bauteile zu fertigen“, kündigt Henke an. Die ersten Probeläufe starten voraussichtlich 2018.

Weltweiter Wettlauf
Dutzende von Teams wetteifern weltweit um die besten und effektivsten Verfahren zur additiven Fertigung von Betonteilen. Das selektive Binden ist nur eines davon. Eine Alternative ist das Extrusions-Verfahren, mit dem sich schon fertig gemischter Beton verarbeiten lässt. Der Vorteil liegt hier vor allem in der hohen Baugeschwindigkeit. Die Zugabe von Holzspänen, die viel Luft enthalten, kann außerdem für integrierte Wärmedämmung sorgen.

„Der 3D-Druck wird die Architektur verändern“, davon ist Henke überzeugt: „Die Technik erlaubt nicht nur eine freiere Formgebung, sondern auch mehr Vielfalt, weil jedes Bauteil individuell gestaltet sein kann, ohne dass dies zusätzliche Kosten erzeugt.“ 

3D-Druck und BIM
Auch Henkes Kollege Mechtcherine aus Dresden hat die Vision vom schalungsfreien Bauen, das effizienter, schneller, günstiger und ressourcenfreundlicher sein soll. Er sieht noch mehr Potential in der Technologie: „Wir werden in der Zukunft nicht mehr mit 2D-Plänen auf der Baustelle stehen. Wir wollen, dass die Vielzahl an vorhandenen BIM- und CAD-Daten tatsächlich auch in der Produktion angewandt wird", erklärt er. „Wir wollen von der Digitalplanung den nächsten Schritt zur Digitalfertigung gehen."

Dafür erfolgte bereits der nächste Schritt, heraus aus dem Labor und hinein in echte Bedingungen auf der Baustelle.   CONPrint3D  heißt das Forschungsprojekt, bei dem die TU Dresden 2016 die neuen Verfahren mit verfügbaren Baumaschinen umgesetzt hat – mit an Bord waren auch Industrieunternehmen aus den Bereichen Bauchemie, Baumaschinen, Zementhersteller und Baufirmen.

Im Video: ConPrint3D: 3D-Druckverfahren der TU Dresen

05.12.2017