Betonbau per 3D-Drucker

Rohr mit Doppelverstrebung, hergestellt durch selektives Binden (Foto © K. Henke / TUM) Bild vergrößern
  

(13.4.2018) Üblicherweise werden Betonbauteile gegossen. Die dafür notwenige Schalung begrenzt jedoch die Gestaltungsmöglichkeiten. Neue Freiheiten verspricht dagegen der 3D-Druck. Forscher an der Technischen Universität München (TUM) experimentieren bereits seit geraumer Zeit mit verschiedenen Verfahren. Mit dem so genannten selektiven Binden (Paste Intrusion), ist es jetzt erstmals gelungen, filigrane bionische Strukturen aus echtem Beton zu drucken - wie beispielsweise eine 20 cm hohe, dünnwandige Betonröhre mit zierlichen Verstrebungen, die das Gebilde stabilisieren (Bild rechts). „Vorbild für den Entwurf waren Vogelknochen, die sehr dünn und leicht, aber trotzdem stabil sind“, erklärt Dr. Klaudius Henke vom TUM-Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion.

Das bionische Bauteil ist ausgesprochen belastbar. Materialuntersuchungen haben gezeigt, dass die Röhre Kräften von 50 Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²) standhält. Damit ist das gedruckte Material genauso stabil wie herkömmlicher, gegossener Beton.

Schicht für Schicht, Punkt für Punkt

Mit klassischem Betonguss, bei dem die Mixtur aus Zement, Sand und Wasser in einer Schalung aushärten muss, wäre die Röhre mit ihren dünnen Verstrebungen kaum herstellbar. Bei dem additiven Verfahren werden dagegen 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.

Die Tücke dabei liegt aber im Detail: Die Forscher mussten zunächst eine Anlage für das selektive Binden bauen. Der überdimensionale Drucker füllt einen ganzen Laborraum im Keller des Lehrstuhls: Über eine automatische Streuvorrichtung wird Sand aufgebracht. Ein dreidimensionales Schienensystem sorgt dafür, dass der Druckkopf jeden beliebigen Punkt ansteuern und eine Düse die gewünschten Stellen befeuchten kann. Drei Jahre lang wurde an dem Verfahren getüftelt: Der Erfolg hängt u.a. ab von ...

• der Dicke der Schichten,
• der Korngröße des Sandes,
• der Geschwindigkeit, mit der sich der Druckkopf bewegt, und
• der Auswahl der Düsen.

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“, erwartet Henke. Die ersten Probeläufe starten voraussichtlich schon 2018.

Alternative: Aus „Würsten“ werden Wände

Dutzende von Teams wetteifern derzeit 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:

Auch diese Methode des 3D-Drucks haben die Forscher untersucht und optimiert: „Der Vorteil liegt hier vor allem in der hohen Baugeschwindigkeit. Durch die Wahl der Materialkomponenten und durch die Ausbildung von inneren Hohlraumstrukturen lassen sich multifunktionale Bauteile herstellen“, erklärt Henke. Die Zugabe von Holzspänen trägt zur Wärmedämmung bei.

Für die Verarbeitung des Holz-Leichtbetons haben die Forscher an der TUM eine Ex­tru­sions-Anlage konzipiert und gebaut: Die Mischung aus Zement, Holz und Wasser wird durch eine Düse gepumpt - auf diese Weise wird der Beton zu etwa 2 cm dicken Strängen geformt. Die Düse ist an einem Roboterarm befestigt, der, gesteuert durch einen Computer, die Stränge genauso aufeinander legt, dass sich die gewünschte Struktur bildet:

Mit Hilfe des Extrusions-Verfahrens konnte das Team bereits einen 1,5 Meter breiten und 1 Meter hohen Prototypen aus Holz-Leichtbeton fertigen. Dieser ist dem Vernehmen nach genauso belastbar und wärmedämmend wie handelsüblicher Porenbeton. Einziger Nachteil: die raue Oberfläche - man erkennt deutlich die „Würste“, aus denen die Wände aufgebaut sind. „Diese Struktur lässt sich als Gestaltungselement einsetzen oder nachträglich bearbeiten“, sagt Henke: Der Holz-Leichtbeton lässt sich sägen, fräsen und bohren.

„Der 3D-Druck wird die Architektur verändern“, davon ist der Forscher 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.“

Eines der größten Testobjekte, die im Rahmen des Forschungsprojekts im Extrusionsverfahren entstanden sind, ist ein Wandelement mit Abmessungen von 150 x 50 x 93 cm (L x B x H). (Foto © K. Henke / TUM); 

Die Forschungsarbeiten werden in enger Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion und dem Centrum Baustoffe und Materialprüfung durchgeführt. Die Forschungsprojekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und von der Forschungsinitiative Zukunft Bau (BMUB) gefördert.