Betonteile aus dem 3D-Drucker

Tradi­tionell werden Bauteile aus Beton gegossen. Die dafür notwenige Verschalung begrenzt jedoch die Gestaltungs­möglichkeiten. Neue Freiheiten in der Formgebung ermöglicht der 3D-Druck. Forscher an der Tech­nischen Univer­sität München TUM experi­mentieren mit verschiedenen Verfahren, unter anderem dem selek­tiven Binden. Mit dieser Technik ist es jetzt erstmals gelungen, filigrane, bionische Strukturen aus echtem Beton zu drucken.

Passgenaue Implan­tate, gewichts­optimierte Flugzeug- und Autobau­teile – in vielen Industrie­zweigen wird der 3D-Druck heute bereits routine­mäßig eingesetzt. Höchste Zeit, dass auch die Archi­tektur davon profitiert, meint Klaudius Henke vom Lehrstuhl für Holzbau und Baukon­struktion: „Die additive Fertigung wäre für das Bauwesen extrem attraktiv: Sie erlaubt eine große Formen­vielfalt – und auch bei kleinen Stückzahlen – hohe Wirtschaft­lichkeit.“ Auf dem Schreibtisch des Forschers steht der Prototyp eines mit 3D-Druck gefer­tigten Bauteiles: eine 20 Zentimeter hohe, dünnwandige Beton­röhre, in deren Innerem sich fili­grane Verstre­bungen befinden, die das Gebilde stabi­lisieren. „Vorbild für den Entwurf waren Vogel­knochen, die sehr dünn und leicht, aber trotzdem stabil sind“, berichtet Henke.

Das bionische Bauteil ist tatsäch­lich äußerst belastbar. Material­untersuchungen haben gezeigt, dass die Röhre Kräften von 50 Newton pro Quadrat­millimeter standhält. Damit ist das gedruckte Material genauso stabil wie herkömm­licher, gegossener Beton. 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 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.

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 im Raum ansteuern und eine Düse die gewünschten Stellen befeuchten kann. 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. Zusammen mit dem TUM Centrum Baustoffe und Material­prüfung haben die Ingenieure die ver­schiedenen Parameter optimiert.

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 schon 2018.

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. 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, die viel Luft enthalten, beispiels­weise sorgt für integrierte Wärme­dämmung, die ein Gebäude im Winter vor dem Auskühlen schützt und im Sommer ein Aufheizen verhindert.

Für die Verar­beitung des neuen Holz-Leicht­betons haben die Forscher 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 zwei Zenti­meter 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 einen Meter hohen Prototypen aus Holz-Leichtbeton fertig­stellen. Dieser ist genauso belastbar und wärme­dämmend wie handels­üblicher Gas-Beton. Einziger Nachteil: eine raue Oberfläche – man erkennt deutlich die Stränge, aus denen die Wände aufgebaut sind. „Diese Struktur lässt sich als Gestaltungs­element einsetzen oder nachträglich bearbeiten“, sagt Henke. Der Holz-Leicht­beton lässt sich leicht 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.“

TUM / JOL