Zukunft des Bauens: Deutsche Forscher nutzen mit „Selektives Binden“ neuartiges 3D-Druckverfahren, um filigrane, bionische und enorm belastbare Betonteile herzustellen

Ein Forscherteam der Technischen Universität München (TUM) experimentiert mit verschiedenen Verfahren, darunter das selektive Binden. Dank dieser Technik konnten sie erstmals filigrane bionische Betonstrukturen aus echten Beton mit einem 3D-Drucker herstellen. Derweil arbeiten die Forscher an einem völlig neuartigen 3D-Drucker, mit einem Druckkopf mit mehreren tausend Düsen.

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Logo TU MünchenWie Dr. Klaudius Henke vom TUM-Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion in einer Pressemitteilung erklärt, wäre die additive Fertigung für das Bauwesen extrem attraktiv. Sie erlaube eine große Formenvielfalt und auch bei kleinen Stückzahlen eine hohe Wirtschaftlichkeit. Der Prototyp eines Bauteils aus dem 3D-Drucker ist eine 20 Zentimeter hohe, dünnwandige Betonröhre, die im Innenbereich filigrane Verstrebungen aufweist, die für eine Stabilisierung des Objekts sorgen. Das Vorbild für den Entwurf seien Vogelknochen gewesen, die sehr dünn und leicht, doch zugleich stabil seien. Forscher der Nanyang Technological University Singapur verwenden Flugasche, um damit einen 3D-druckbaren Geopolymer-Mörtel herzustellen.

Das bionische Bauteil der Münchner Forscher zeigt eine enorme Belastbarkeit. Nach Materialanalysen kann die Betonröhre Kräfte von 50 Newton pro Quadratmillimeter standhalten. Das gedruckte Material ist ebenso stabil wie klassisch gegossener Beton. Zur Fertigung der Röhre wurde mit dem selektiven Binden ein neues Verfahren verwendet.

Hierbei werden dünne Sandschichten Lage für Lage genau an den Punkten, wo eine massive Struktur entstehen soll, mit einem Zement-Wasser-Gemisch getränkt. Wenn alle Schichten abgebunden und der überschüssige Sand entfernt wurde, bleibt einzig die gewünschte Betonstruktur übrig. Die Anlage für das selektive Binden ist ein überdimensionaler 3D-Drucker, der über eine automatisch Streuvorrichtung und einem 3D-Schienensystem verfügt. Das Schienensystem bringt den Druckkopf an jeden gewünschten Punkt im Raum, damit eine Düse die entsprechende Stelle befeuchten kann. Drei Jahre Forschungsarbeit kostete die Entwicklung des Verfahrens.

Neuartiger 3D-Drucker mit Druckkopf mit mehreren tausend Düsen geplant

Zur Zeit entwickeln die Forscher zusammen mit Industriepartnern einen völlig neuartigen 3D-Drucker, der mit einem Druckkopf mit mehreren tausend Düsen arbeiten soll. Der Drucker soll dazu in der Lage sein erstmals Bauteile von zehn Kubikmeter Größe herzustellen. Laut Henke reiche dies, um freigeformte, geschosshohe Bauteile zu fertigen. Im Jahr 2018 sollen aller Voraussicht nach die ersten Probeläufe durchgeführt werden. Der BauMinator der österreichischen Firma Baumit hat das Potenzial den 3D-Druck im Hausbau ein gutes Stück nach vorne zu bringen.

Das Extrusions-Verfahren wurde von den TUM-Forschern ebenfalls untersucht und optimiert. Der Vorteil bei diesem Verfahren liege besonders in der hohen Baugeschwindigkeit. Die Wahl der Materialkomponenten und mittels der Ausbildung innerer Hohlraumstrukturen können multifunktionale Bauteile gefertigt werden. Die Zugabe von Holzspänen, die einen hohen Luftanteil haben, sorgt für eine integrierte Wärmedämmung, um ein Gebäude im Winter vor dem Auskühlen zu schützen und im Sommer ein Aufheizen verhindert.

Details zum Verfahren

Betondrucker der TU München
Mauern und verschiedene andere Objekte aus Beton lassen sich mittels dem Extrusionsverfahren beliebig herstellen (Bild © 3D-grenzenlos Magazin; Videoquelle: TUMuenchen1/Youtube).

Zur Verarbeitung des neuen Holz-Leichtbetons wurde von den Wissenschaftlern eine neue Extrusions-Anlage gebaut. Die Mischung aus Zement, Holz und Wasser wird durch eine Düse gepumpt. Der Beton wird hierbei zu Strängen von rund zwei Zentimetern Dicke geformt. Die Düse befindet sich an einem Roboterarm, der von einem Computer gesteuert wird und die gewünschte Betonstruktur entstehen lässt. Mit dem Extrusions-Verfahren konnte das Forscherteam schon einen 1,5 Meter breiten und 1 Meter hohen Prototypen aus dem Holz-Leichtbeton herstellen. Er weist die gleiche Belastbarkeit und Wärmedämmung auf wie traditioneller Gas-Beton. Der Holz-Leichtbeon kann leicht bearbeitet werden, er lässt sich sägen, bohren und fräsen.

Die Architektur werde durch den 3D-Druck verändert, ist sich Dr. Henke sicher. Die Technik erlaube nicht nur eine freiere Formgebung, sondern auch mehr Vielfalt, weil jedes Bauteil individuell gestaltet sein kann, ohne dass dadurch zusätzliche Kosten entstehen würden. Mehr zum Thema auch in Zukunft im 3D-grenzenlos Magazin und unserem kostenlosen 3D-Drucker-Newsletter (hier abonnieren).

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