Wie 3D-Betondruck den Bau revolutionieren wird

Im Süden Wiens, unweit des Wienerbergs, wird in einer ehemaligen Fabrikhalle an der Zukunft des Bauens geforscht. Hier, am Standort High Tech Campus der Hochschule Campus Wien (HCW) steht der 3D-Betondrucker, der von dem Fachbereich High Tech Manufacturing und dem Forschungszentrum Bauen und Gestalten entwickelt wurde. 

„Wir drucken gerade einen Fachwerk-Träger mit Stahlbewehrung, der im Vergleich zu einem Vollbetonträger nur etwa ein Fünftel des Materials braucht“, erklärt Sebastian Geyer, der den Standort führt. Vor ihm steht die Anlage, die er gemeinsam mit seinem Team gebaut hat: Ein etwa 2 Meter hoher Roboterarm fährt auf einem Schlitten hin und her. Er trägt dabei die dunkelgraue Betonmasse durch eine Düse exakt nach digitalem Plan auf den ebenen Schaltisch auf. 

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Bewehrung für mehr Tragkraft

Die beiden Bauingenieurinnen Elisabeth Radl und Nina Sam vom Forschungszentrum Bauen und Gestalten füllen den frisch angerührten Beton über eine Pumpe nach und steuern die Roboteranlage. Nach etwa einer Viertelstunde sind die ersten 3 Schichten des Deckenträgers gedruckt. Eine der beiden Forscherinnen legt daraufhin passende Bewehrungsstahlstäbe an die vorgesehenen Stellen in das gedruckte Betonbett ein.

Diese sogenannte Bewehrung sorgt dafür, dass das Bauteil grundsätzlich Zugkräften standhält. „Wir wollen keine Häuser drucken, sondern tragende Betonkonstruktionen, die man ab einem einzigen Stück fertigen kann“, erklärt Mechatroniker Geyer.

Betonbau digitaler und effizienter machen

Durch den 3D-Druck könne Betonbau nicht nur digitaler, sondern auch effizienter und ressourcenschonender werden, ergänzt sein Kollege Marc Pfleger, Senior Scientist am Forschungszentrum Bauen und Gestalten. „Im klassischen Hochbau wiegt die Betondecke selbst mehr, als sie an Nutzlast tragen kann“, sagt Pfleger.

Mit herkömmlichen Schalungen könnte man filigrane Bauteile mit schmalen Verstrebungen zur Ressourcenschonung kaum umsetzen, erklärt der Bauingenieur und zeigt auf das 3D-gedruckte Bauteil vor ihm. Es wird 2 Tage lang aushärten und kann dann von der Druckplatte weggehoben werden.

Computer-optimierte Bauteile

„Nach jetzigem Stand der Forschung können wir die Struktur und Topologie eines geplanten Bauteils schon am Computer optimieren und dann drucken“, sagt Standortmanager Geyer. Er beschäftigt sich seit 2012 mit additiver Fertigung und lehrt seit 2013 im HCW-Studiengang High Tech Manufacturing. 

Sein Wissen aus dem Kunststoff-3D-Druck habe bei der Entwicklung des 3D-Druckers für Beton viel geholfen. Dennoch habe es viel Tüftelei gebraucht: „Beton ist ein mineralisches Material, da ist die Extrusion anders als bei Kunststoff. Es war am Anfang eine Challenge, die Plastizität und das Fließverhalten so zu verändern, dass der Beton stabil aufgetragen werden kann“, berichtet Geyer.

2-Komponenten-Druckkopf

Der Weg zur passenden Rezeptur war lang – davon zeugen die ersten Beton-Strukturen, die im Versuchsstadium gemacht wurden und noch im HTC zu sehen sind. Das Team aus dem Fachbereich High Tech Manufacturing entwickelte schließlich in enger Abstimmung mit den Bauingenieurinnen und Bauingenieuren einen 2-Komponenten-Druckkopf, mit dem unterschiedliche Zusatzstoffe beigemischt werden können, um optimale Eigenschaften zu erzielen. So wird der Beton binnen Sekunden steif – mit einer Normalmischung würde das mindestens eine Stunde dauern.

Auch die Entwicklung des digitalen Prozesses war aufwendig, sagt Geyer. Derzeit kommen 3 verschiedene Software-Tools zum Einsatz, in denen die Bauteile geplant und in druckbare Schichten zerlegt sowie die Pfade des Druckkopfs generiert werden. Erst dann können sie an die Steuerung des 3D-Druckers geschickt werden. 

Eigene Software-Lösung

Der Mechatroniker will diese digitale Prozesskette im Team in den kommenden Monaten so weiterentwickeln, dass nur mehr eine Software nötig ist: „Auch Studierende, z. B. aus dem Studiengang Bauingenieurwesen sollen den Prozess beherrschen und eigene Bauteile in Kleinserien produzieren können.“

In einer künftig geplanten Zusammenarbeit mit Forschungspartnerinnen und Forschungspartnern in Wien soll außerdem ein Mobilroboter in das System integriert werden. Dieser soll die Stahlstäbe für die Bewehrung in den gedruckten Beton einbringen und so den gesamten Prozess noch weiter automatisieren.

Stabilität prüfen

Damit gedruckte Bauteile in Zukunft tatsächlich verbaut werden können, muss ihr strukturelles Verhalten genauestens untersucht werden. „Gedruckter Beton ist viel fester, weil der Sand feiner ist und mehr Bindemittel enthalten sind. Wir wollen wissen, was passiert, wenn ein Teil bricht“, erklärt Pfleger. „Außerdem müssen wir die Tragfähigkeit und Zuverlässigkeit berechnen, bestätigen und verantworten, bevor es zum Einsatz in Bauwerken kommt.“ Unweit des 3D-Betondruckers haben er und seine Kolleginnen und Kollegen daher einen Prüfstand errichtet.

Der gerade eingespannte Deckenträger unterscheidet sich äußerlich nicht von dem zuvor gedruckten, die Bewehrungen im Inneren sind allerdings bei jedem Versuch anders. „Dieses Teil wiegt 130 Kilogramm, hält aber 13 Tonnen. Für unsere Versuche belasten wir es bis zur äußersten Belastungsgrenze, also, bis es bricht“, erläutert der Bauingenieur. 

Diese Erkenntnisse sollen dann auch in Berechnungsnormen einfließen, die die Auslegung und Anwendung in der Branche ermöglichen werden. Daran wird an der HCW von Markus Vill, Professor für Stahlbetonbau und Vorsitzender des Fachkomitees Betonbau im Austrian Standards Institute und Leiter des Forschungszentrums Bauen und Gestalten gearbeitet.

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Mehr als nur Kunstobjekte

„Man sieht viele Kunstobjekte aus 3D-gedrucktem Beton. Aber wir wollen tragende Teile für den Bau ermöglichen“, sagt Standortmanager Geyer. Einige kleinere Versuchsobjekte hätten es bereits in die Anwendung geschafft. 

So finden sich auf einem Campingplatz am Neusiedlersee seit 3 Jahren 17 unterschiedliche 3D-gedruckte Stufen. „Diese Stufen kann man zu zweit tragen, während man für eine Vollbeton-Vorlegestufe einen Kran benötigt.“

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Er ist zuversichtlich, dass sich der 3D-Betondruck in den nächsten Jahren breiter etabliert: „Wir sehen das nicht als Ersatz für klassischen Betonbau. Aber es ist eine gute, effiziente Option für Fertigbauwerke – ich glaube, das wird relativ bald Realität.“

Dieser Artikel ist im Rahmen einer Kooperation zwischen der Hochschule Campus Wien und der futurezone entstanden.