Betonbau: 3D-Druck-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten

Die 3D-Betondruck-Technologie erlebt in Europa und Österreich einen verstärkten Aufschwung. Potenzial bietet das neuartige Verfahren insbesondere in Bezug auf Schnelligkeit, Effizienz, Umweltverträglichkeit und Kosteneinsparung.

04.04.2019
Beton
Theresa Kopper
08.12.2020
© Sika
Der 3D-Betondruck eröffnet neue Möglichkeiten.

Eine ganze Siedlung aus Beton gedruckt - damit sorgte ein kleines Dorf in den Niederlanden im letzten Jahr für Aufsehen. Auch in anderen Ländern gibt es immer wieder Pilotprojekte, bei denen ganze Häuser mittels 3D-Druck realisiert werden. In Österreich ist das derzeit zwar noch Zukunftsmusik, die heimischen Experten sehen in der Technologie dennoch großes Potenzial und sind auch hierzulande auf der Suche nach neuen Konzepten, mit denen man schnell, umweltverträglich und soweit wie möglich kostengünstig bauen kann.

Beton 3D-Druck: Worauf ist zu achten?

Rein technisch ist der 3D-Druck mit Beton schon heute möglich. Das zeigen diverse Bauprojekte, über die die Medien weltweit berichten. "Eine breite Einführung ist, wenn überhaupt, aber erst mittel- bis langfristig realistisch", bremst Gernot Tritthart, Direktor für Marketing, Innovation und Vertrieb bei Lafarge, die Euphorie. "Denn solange man sich nicht zumindest in der Nähe einer Serienreife befindet, die nicht nur wettbewerbsfähig, sondern auch den klimatischen Herausforderungen unserer Breitengrade entspricht, wird eine Kosten-Nutzung-Rechnung sehr wahrscheinlich negativ ausfallen." Bereits seit mehreren Jahren forscht der Schweizer Baustoffhersteller in diesem Bereich, um statische, thermische, normative und rechtliche Fragestellungen, die zurzeit noch offen sind, zu lösen. "Sollten wir diese in naher Zukunft beantworten können, benötigen wir anschließend mutige und aufgeschlossene Bauherren und diverse Zulassungen, um überhaupt an eine Serienproduktion denken zu können. Das kann mitunter ein recht langer und mühsamer Weg werden", so Gernot Tritthart.

Um diesen weiß man auch beim Bauchemie- und Klebstoffhersteller Sika Bescheid. Seit einiger Zeit arbeitet man dort an 3D-Druck mit zementösen Materialien. "Mit unserem selbstgebauten Prototyp können wir fünf mal vier mal 2,5 Meter große Fertigteile mit einer Druckkopfgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde und einer Steiggeschwindigkeit von 20 Zentimeter pro Minute in einer Genauigkeit von unter einem Millimeter drucken", zeigt sich Michael Jernei, Leiter R&D und QA bei Sika Österreich, stolz. Vor allem im Bereich von Kleinstserien, Fertigteilen, Kunstobjekten und verlorenen Schalungen könne er sich eine flächendeckende Einführung von stationären Anlagen in den nächsten zehn Jahren vorstellen. Der Druck ganzer Häuser wird sich seiner Meinung nach dagegen auf Einfamilien- und Singlehäuser beschränken. "Diese werden aber vermutlich wegen ihrer Einzigartigkeit und nicht wegen ihres Preises und ihrer Qualität zumindest in geringen Stückzahlen gefertigt und gekauft werden."

Bis es allerdings so weit ist, dessen ist sich auch Jernei sicher, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden. "Einerseits betreffen diese die Bauweise und die geforderte Bauqualität selbst, andererseits aber auch technische Voraussetzungen auf der Anlagenseite." So ist beispielsweise die Mobilität von Sika Systems derzeit noch nicht gegeben, "da mobile Systeme ein Problem mit der Genauigkeit und Geschwindigkeit haben".

Mobile 3D-Drucksysteme: Pilotprojekt BauMinator

Mit der Präsentation des BauMinators 2017 war Baumit einer der Vorreiter, was mobile 3D-Drucksysteme betrifft. "Mit unserem Verfahren können im Vergleich zu den anderen Betondruckverfahren Winkel bis 60 Grad gedruckt und die Druckbahn beliebig oft unterbrochen werden. Damit ist es erstmalig möglich, Geometrie- und Designwünsche zu erfüllen, die bis dato unmöglich waren", erklärt Eduard Artner, Leiter der Abteilung 3D-Druck bei Baumit. Die möglichen mit der Anlage zu druckenden Objekte dürfen dabei allerdings nicht kleiner als 50 Zentimeter und nicht größer als fünf Meter sein. Das größte Potenzial des neuartigen Verfahrens sieht Artner deshalb im Druck von Outdoormöbeln, Dekorelementen oder Kunstwerken, aber auch die Herstellung von Fertigteilen, Rohren und Schächten könne erleichtert werden - das alles aber erst künftig, denn aktuell sind die gedruckten Elemente weder bewehrt noch normentechnisch erfasst. "Die Bedingungen für einen flächenmäßigen Einsatz dieser Technologie benötigt somit die Lösung der Bewehrung, einer Normierung und einer konkurrenzfähigen Kostenposition gegenüber optimierten Standardverfahren wie etwa der Fertigteilherstellung."

© Baumit
Der BauMinator von Baumit.

Welche Probleme gibt es beim 3D-Betondruck?

Die fehlende Normierung sieht auch Matthias Pfützner, Pressesprecher und Leiter Konzernmarketing bei Kirchdorfer, als eines der Hauptprobleme, die der flächenmäßigen Einführung der Technologie noch im Wege stehen. "Der 3D-Betondruck ist noch nicht Stand der Technik, sondern Stand der Wissenschaft. Weder der Werkstoff noch das Produktionsverfahren sind standardisiert, es gibt keine Rechtsvorschriften oder Normen, in denen diese Fertigungsmethode berücksichtigt ist." Darüber hinaus gebe es auch die Frage des Verbunds von Bauteilen und Baustoffen oder die Aufnahme von Zug- und Scherspannungen. Normalerweise basieren diesbezügliche Regeln auf umfangreichen Erfahrungen. Diese gibt es in diesem Forschungsbereich allerdings noch nicht. "Das hat letztendlich auch Auswirkungen auf Haftungsfragen, die derzeit völlig offen sind. Beispielsweise können wir aktuell schon allein aus der Sicht der Produkthaftung 3D-Druck für konstruktive Fertigteile nur mit wissenschaftlicher Begleitung und im Rahmen von Forschungsprojekten durchführen."

Überhaupt sieht er Mitteleuropa und damit Österreich in der Anfangsphase weniger als Primärmarkt. "Der wird sich schlicht und einfach dort durchsetzen, wo er wirtschaftliche Vorteile bringt." Das sei in Mitteleuropa nur der Fall, wenn in Kenntnis des 3D-Drucks bereits eine fertigungsgerechte Planung von Bauteilen oder ganzen Bauaufgaben erfolgt, individuelle Sonderlösungen gefragt seien und der Personalaufwand unverhältnismäßig hoch sei bzw. der Personalbedarf langfristig nicht mehr gedeckt werden könne. "Der weltweite Fokus liegt aber in jenen Ländern, die ein rasantes Bevölkerungswachstum aufweisen und schnell an Wohnraum gewinnen müssen und wo zugleich eher geringe Qualifikationen der am Bau Beschäftigten vorherrschen, weshalb mit technischen Einsatzvorschriften aus diesen Gründen heute schon 'pragmatischer' umgegangen wird."

DRUCKTECHNIK: 3D-Betondruck in der Wissenschaft

Drei verschiedene Ansätze beherrschen derzeit die Diskussion um die Fertigung von Strukturen und Teilen im 3D-Betondruck: die Pulverbretttechnik, die Extrusionstechnik und das Nassspritzverfahren.

Die Pulverbretttechnik

Die Pulverbretttechnik lässt sich in zwei unterschiedlichen Ansätzen einsetzen. Entweder wird ein Gesteinskörnungsgemisch durch lokales Auftragen von Zementleim zu einem Komposit verbunden, oder es wird eine Verfestigung durch punktuelles Auftragen von Wasser auf ein Gemisch aus Gesteinskörnung und Zement erreicht. Bei beiden Techniken können selbst filigrane Strukturen problemlos erzeugt werden - doch gerade bei größeren Bauteilen sind zahlreiche Arbeitsdurchgänge notwendig, sodass die Prozessgeschwindigkeit relativ gering ausfällt.

Die Extrusionstechnik

Bei der in der Praxis am weitesten verbreiteten Extrusionstechnik legt ein Düsenkopf Materialstränge unterschiedlicher Form, Höhe und Breite schichtweise aufeinander ab. Man spricht daher von einem additiven Verfahren. Der Prozess ist am ehesten mit dem etablierten konventionellen 3D-Druck mit Kunststoffmaterialien zu vergleichen. Das Verfahren ist zwar schneller, hat aber ebenfalls eine Schwachstelle: Da die Materialstränge einzeln aufeinander "abgelegt" werden, ergibt sich der Haftungsverbund nur durch das Anpressen des jeweils neuen Stranges an den darunterliegenden. Hier kann es daher zu Problemen bei mechanischer Belastung hinsichtlich der Biegezug- bzw. Scherfestigkeit kommen.

Das Nassspritzverfahren

Das Nassspritzverfahren ist ebenfalls ein additives Verfahren. Auch hier wird das vorgemischte Nassspritzgut zu einer Spritzdüse gepumpt, dort unter Druckluftzufuhr beschleunigt und Schicht für Schicht auf dem Untergrund appliziert. Aufgrund der hohen Auftragsrate und der hohen Prozessgeschwindigkeit eignet sich das Verfahren sehr gut zur Fertigung großformatiger, räumlicher Bauteile. Der Einsatz des Betonspritzverfahrens ermöglicht es, im Gegensatz zum Extrusionsverfahren, den Auftragswinkel der Spritzdüse vertikal und horizontal zu variieren. Dies führt zu neuen Möglichkeiten in Hinblick auf die erzeugbaren geometrischen Formen. Filigranere Strukturen sind dabei jedoch kaum zu erzielen. Der hohe Druck beim Auftrag sorgt zwar für eine außerordentlich hohe Verdichtung des Materials - doch werden dadurch auch vermehrt Rückstände freigesetzt, mit denen in Form von Staub- und Aerosolentwicklung umgegangen werden muss.

Was für Vorteile bietet der 3D-Betondruck?

Etwas anderer Meinung ist Tanja Friedrich, Projektmanagerin des neu gegründeten Unternehmens Uniqum, der ausgelagerten 3D-Betondrucksparte von STS Fertigteile. Sie könne sich in einigen Jahren sehr wohl vorstellen, dass es auch in Österreich 3D-gedruckte Siedlungen geben wird. "Die Vorteile, die ich für Österreich sehe, sind zum einen die Freiheit in der Formgebung." Durch den 3D-Betondruck könnten Häuser an unsere unterschiedlichsten Landschaftsregionen angepasst und optimal eingefügt werden. "Zum anderen ist es möglich, Funktionalitäten direkt beim Druck in das Haus einzufügen. Hohlräume für Stromleitungen und Lichtinstallationen könnten gleich im Planungsprozess berücksichtigt und beim Druck ausgespart werden." Sinnvoll sei das aber natürlich nur dann, wenn für das Bauprojekt schon digitale Pläne vorlägen, die Pläne also mit einem CAD-Programm erstellt und BIM genutzt worden sei. Sei das nicht der Fall, sei es sicherlich weniger aufwendig, ein Bauprojekt auf herkömmliche Weise zu realisieren.

Grundsätzlich sei der 3D-Betondruck nach Einschätzung von Tanja Friedrich nicht nur ein Thema für die Bauindustrie, sondern durchaus auch für kleinere Handwerksbetriebe. "Wir versorgen KMU aus Handwerk und Baunebengewerbe mit speziellen 3D-Betonobjekten." Dabei werde besonders Wert auf die Individualität der einzelnen Stücke gelegt. "Somit können in die Objekte eigene Brandings, Zeichen oder Strukturen eingearbeitet werden. Den Kunden öffnen sich dadurch neue Wege und Möglichkeiten der Markenpräsentation. Die Werke werden von den Handwerksbetrieben oder Einzelhändlern häufig mit anderen Materialien wie Holz, Metall etc. kombiniert und veredelt." KMUs, die Einzelanfertigungen anbieten oder ihr Portfolio erweitern möchten, würden daher schon jetzt von der neuen Technologie profitieren. Ähnlich sieht das auch Tritthart von Lafarge. "Ich denke, dass der 3D-Betondruck mittelfristig vor keiner baunahen Branche haltmachen wird. Ein hoher Vorfertigungsgrad von Betonbauteilen, gepaart mit intelligenten, vernetzten IT-Lösungen, verstehen wir unter Industrie 4.0."

Fachkräftemangel: Neue Chancen durch 3D-Betondruck

Dass damit Arbeitsplätze verschwinden werden, bestreitet Mapei-Produktmanager Gerhard Haiden nicht. "Es werden aber auch neue dazukommen. Was wir auf alle Fälle brauchen werden, ist höherqualifiziertes Personal zur Steuerung der Industrieroboter. Und vielleicht können wir damit auch das Problem mit dem Fachkräftemangel in den Griff bekommen." Das größte Potenzial sieht er aber in der Produktivitätssteigerung. "Im Bereich Hoch- und Tiefbau der Bauwirtschaft hat es im Vergleich zu anderen Industrien in den letzten Jahrzehnten keine so großen Produktivitätssteigerungen durch Automatisierung gegeben. Hier eröffnet der 3D-Betondruck definitiv neue Chancen und Möglichkeiten."

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