3D-gedruckter Beton: noch in den Kinderschuhen

Um den 3D-Druck im Bauwesen gibt es einen großen Hype. Im großen Maßstab befindet sich der 3D-Druck im Bauwesen noch in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung. Beton ist ein sehr anspruchsvolles Material für den 3D-Druck. Ein 3D-Drucker für das Baugewerbe arbeitet mit Materialien wie Beton, die Schicht für Schicht durch eine Düse aufgebracht werden. Während des Drucks muss der Beton daher flüssig sein, damit er aus der Düse fließen kann. Nach dem Druck muss der Beton schnell einen Großteil seiner Fließfähigkeit verlieren, um die gedruckte Form zu behalten. Der Beton darf jedoch nicht zu schnell versteifen, damit die Schichten Zeit haben, aneinander zu haften. Wenn die Schichten einfach übereinander liegen, ohne dass eine feste Verbindung zwischen ihnen besteht, führt dies zu einer schwachen Struktur ohne jegliche Zugfestigkeit. Das alles bedeutet, dass wir beim 3D-Druck keinen normalen Beton verwenden können, sondern immer eine spezielle Art von Beton - immer mit verschiedenen Zusatzstoffen - benötigen werden.

Wir müssen auch die Komplexität der Strukturen berücksichtigen, die wir bauen. Der 3D-Druck eignet sich am besten für einfache Strukturen. Die Wandstrukturen in Nordeuropa zum Beispiel sind ziemlich komplex, und der Einsatz des 3D-Drucks bei diesen Strukturen ist ziemlich schwierig. Die Sandwich-Wandstruktur ist bereits eine Herausforderung für den 3D-Druck: Die Struktur besteht aus drei Schichten - der Innenwand, einer Isolierschicht und einer Außenwand. Außerdem sind in der Regel verschiedene elektrische Komponenten in der Wandstruktur verbaut. Das Drucken einer dreischichtigen Struktur und die Montage der elektrischen Komponenten während des Druckvorgangs ist keine leichte Aufgabe. Die gesamte Wandstruktur muss für den 3D-Druck neu entworfen werden.

Die derzeitige Geschwindigkeit von 3D-Druckern ist nicht mit der moderner Fertigteilwerke vergleichbar. Auch die Qualität der Fertigteile ist viel besser als beim 3D-Druck. Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Formen, aber bei typischen Betonstrukturen wie Mauern ist die Effizienz des 3D-Drucks weit von der Effizienz entfernt, die mit der derzeitigen Fertigteiltechnologie erreicht wird.

Trotz der derzeitigen Einschränkungen müssen wir offen für die Möglichkeiten sein, die der 3D-Druck bietet. Der 3D-Druck kann als ein Ansatz für die zunehmende Automatisierung des Bauwesens betrachtet werden. Wenn wir es objektiv betrachten, ist der 3D-Druck im Bauwesen keine Selbstverständlichkeit. Das Bauwesen wird immer mehr automatisiert werden müssen. Der 3D-Druck kann ein Mittel sein, um die Automatisierung im Baugewerbe voranzutreiben, aber sicherlich nicht das einzige Mittel.

Wir müssen bedenken, dass ein großer Vorteil von Beton darin besteht, dass es sich um ein Material handelt, das man in verschiedene Formen, Gestalten und Komplexität gießen kann. Es gibt inzwischen auch verschiedene Behandlungen für die Betonoberfläche. Der Betonbau basiert im Wesentlichen auf dieser Flexibilität von Gussbeton. Mit dem 3D-Druck werden wir dies völlig ändern. Der 3D-Druck bietet uns sicherlich neue Möglichkeiten, aber wir verlieren auch einige Vorteile der Verwendung von Beton.

Jouni Punkki
Professor für Praxis (Betontechnologie)
Aalto-Universität

Wir sollten den 3D-Druck im Bauwesen als eine sehr interessante Technologie betrachten, die ein gewisses Potenzial für die Zukunft hat. Aus der Sicherheitsperspektive gibt es Vorschriften, die jede Art von Konstruktion regeln, und es gibt natürlich Anforderungen, um verstärkte Stäbe zur Unterstützung in 3D-Strukturen hinzuzufügen. Da die Technologie so neu ist und sich die Vorschriften ständig ändern, könnte die Einhaltung dieser Vorschriften für eine aufstrebende Technologie wie den 3D-Druck eine Herausforderung darstellen. Aber ich glaube nicht, dass sich die Bedenken über 3D-gedruckte Strukturen auf die Sicherheit konzentrieren.

Der 3D-Druck von Beton steht vor den gleichen Problemen wie andere Branchen, die diese Technologie nutzen. Die Verwendung von Gussformen zur Herstellung von Teilen durch Gießen wird viel schneller sein. Beim 3D-Druck muss man immer erst sicherstellen, dass die vorherige Schicht die Struktur tragen kann, bevor man die nächste Schicht aufträgt.

Ein Vorteil, den 3D-gedruckte Strukturen gegenüber konventionellen Konstruktionen bieten können, ist die einfachere Einbindung intelligenter Technologien wie z. B. Sensoren, wodurch sie sich leichter in das Konzept der intelligenten Stadt integrieren lassen. Aus dieser Perspektive ist es viel schwieriger, bestehende Häuser, die mit traditionellen Bautechniken hergestellt wurden, nachzurüsten.

Die Entwicklung neuer Technologien braucht Zeit. Es ist eine Frage des Ausprobierens und des Herausfindens von Details und des Versuchs, all die verschiedenen Variablen zum Funktionieren zu bringen. Der 3D-Druck von Betonstrukturen ist etwas, das sich wahrscheinlich weiter verbreiten wird. Welche Form er in der Bauindustrie annehmen wird, können wir im Moment noch nicht vorhersagen.

Die große Frage ist natürlich, ob sich das Ganze auch finanziell rechnet. Ist die Technologie etwas, für das die Kunden einen Aufpreis zahlen würden, z. B. für 3D-gedruckte Häuser anstelle von Häusern, die mit anderen Methoden gebaut wurden? Werden die Anschaffungskosten wettbewerbsfähig oder sogar vergleichbar sein mit dem, was auf dem Markt angeboten wird? Es gibt andere Möglichkeiten, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen, und diese Optionen sind weniger teuer und für die Bauindustrie leichter verfügbar.

Jouni Partanen
Abteilungsleiter (Fortgeschrittene Produktionsmethoden)
Fakultät für Maschinenbau
Aalto-Universität

Es gibt einige Unternehmen in den USA und in Europa, die sich als 3D-Drucker für Beton bezeichnen, aber in den letzten zwei oder drei Jahren haben sie nur recht kleine Strukturen wie etwa ein Einfamilienhaus hergestellt. Ein russisches Unternehmen hat ein dreistöckiges Gebäude in Dubai gebaut. Es gibt auch ein Unternehmen in Estland, das im Begriff ist, ein 3D-gedrucktes Haus zu bauen. Wir haben ihnen dabei geholfen, es zu verwirklichen, aber das fertige Produkt ist noch nicht zu sehen.

Das Baugewerbe ist eine stark regulierte Branche, und ein Grund dafür, dass 3D-gedruckter Beton noch nicht auf dem Markt erhältlich ist, sind die vielen Vorschriften und die Zeit, die es braucht, um Genehmigungen zu erhalten. Der für den 3D-Druck verwendete Beton ist auch teurer als herkömmlicher Beton, da Zusatzstoffe erforderlich sind, um die richtige Konsistenz zu gewährleisten.

Die Technologie entwickelt sich jedoch weiter. Wenn sie eine Wand in 3D drucken, wird sie wie ein Sandwich mit zwei Unterschichten hergestellt, so dass unter anderem Platz für Rohre und Belüftung vorhanden ist. In Zürich konnten sie mit verschiedenen Technologien ein dreistöckiges Haus bauen. Sie erfanden etwas, das sie "Smart slab" nannten und bei dem sich alle Heizelemente im Inneren der Platte befanden, aber sie verwendeten dafür sehr teure 3D-gedruckte Formen. Es handelte sich um ein Versuchsprojekt, das beweisen sollte, dass das Konzept funktionieren könnte.

Die meisten Unternehmen, die sich mit dem 3D-Druck im Bauwesen befassen, behaupten natürlich, dass es sich um eine bessere Technologie als Fertigteile handelt, aber bisher haben sie das noch nicht wirklich unter Beweis gestellt.

Ashish Mohite
Promotionskandidat
Fakultät für Maschinenbau
Aalto-Universität

Die derzeitige Technologie im Bauwesen ist das Gießen von Beton. Um dies finanziell tragfähig zu machen, muss man die Strukturen einfach und standardisiert gestalten. Andernfalls steigen die Kosten, da man verschiedene Formen anfertigen und anpassen muss. Das Problem ist, dass dadurch nicht nur Elemente entstehen, die optisch nicht ansprechend sind, sondern dass bei einfachen Strukturen auch viel Beton verbraucht wird. Mit dem 3D-Druck können wir etwa 50 Prozent des verbrauchten Betons einsparen, indem wir uns darauf konzentrieren, wo zum Beispiel die Wand die Last trägt. Ich kann Reihen ausdrucken, um eine Platte herzustellen, und das Material nur an den Stellen verwenden, an denen ich es tatsächlich brauche. Das bedeutet jedoch, dass wir auch neue Entwurfsmethoden entwickeln müssen, um von der neuen Technologie zu profitieren. Das braucht leider Zeit.

Die Branche konzentriert sich darauf, welches Material aktuell verfügbar ist. Ich denke, wenn man etwas ändern will, ist es eine gute Idee, es aus gesellschaftlicher und nachhaltiger Perspektive zu betrachten. Ich sah eine Chance, als ich mit digitalem Beton arbeitete: Jeder unterstützt die Veränderung der Zusammensetzung von Beton, weil der 3D-Druck von der traditionellen Bauindustrie nicht als Bedrohung wahrgenommen wird.

Ich denke, dass der 3D-Druck auch viele Möglichkeiten bietet, um mehr intelligente Materialien herzustellen. Warum nicht elektrisch leitende Materialien in den Beton einbinden, damit wir keine Drähte mehr in unsere Betonstrukturen einbauen müssen? Mit dem 3D-Druck kann man Zentimeter für Zentimeter hinzufügen, Änderungen am Material vornehmen, Strom genau an der gewünschten Stelle binden und den Beton an den gewünschten Stellen durchsichtig machen. Es geht darum, 3D-gedruckten Beton mit intelligenter Technologie zu kombinieren, damit wir als Gesellschaft davon profitieren.

Ein Stolperstein ist die wirtschaftliche Tragfähigkeit. Eine Technologie wie der 3D-Druck wird sich nicht auf breiter Front durchsetzen, wenn es nicht irgendwann einen sichtbaren wirtschaftlichen Nutzen gibt. Die Hersteller könnten sich also überlegen, ihr Geschäftsmodell zu erweitern, damit der Bau nicht nur nach dem Preis des Hauses oder der Konstruktion beurteilt wird, sondern auch nach den Auswirkungen auf unser Ökosystem und seine Nachhaltigkeit.

Abgesehen davon ist es ein großer Unterschied, ob man eine Brücke oder ein Haus in 3D druckt. Wir haben vor zweieinhalb Jahren ein Projekt zum Bau von 3D-gedruckten Häusern in Eindhoven angekündigt, und das erste Haus ist immer noch nicht gebaut. Die Komplexität wird deutlich, wenn man sie mit der ersten gedruckten Brücke vergleicht. Die erste Brücke wurde bereits ein halbes Jahr nach Beginn des Projekts eröffnet.

Wir haben gelernt, dass es furchtbar schwierig ist, denn beim Bau eines Hauses gibt es komplizierte Systeme - HLK, Elektrizität, Internetanbindung -, die man berücksichtigen muss. Es hat lange gedauert, bis wir herausgefunden haben, wie das geht, und ich denke, es wird noch viele Jahre dauern, bis wir Häuser oder Gebäude in größerem Maßstab drucken können. Brücken sind einfacher in 3D zu drucken, da sie weniger Details aufweisen.

Theo Salet
Dekan der Fakultät für Gebaute Umwelt
Ordentlicher Professor für Tragwerksplanung/Betonkonstruktionen
Universität Eindhoven

Der 3D-Druck ist ein sehr interessantes Produktionssystem, das wir sehr genau verfolgen. Er wird bereits in vielen Sektoren eingesetzt, etwa in der Stahl- und Kunststoffproduktion und in der Luftfahrt, insbesondere bei der Herstellung von Flugzeugteilen. In der Bauindustrie ist er jedoch noch nicht so weit verbreitet.

Wie Experten festgestellt haben, gibt es noch viele Herausforderungen, die gelöst werden müssen, bevor sich der 3D-Druck im Bauwesen durchsetzt. Ich glaube, dass er die Zukunft unserer Branche ist - es ist nur eine Frage des Wie und Wann. Im Moment wird der 3D-Druck hauptsächlich zur Herstellung von dekorativen Elementen verwendet. In einigen Kreuzfahrtschiffen werden 3D-gedruckte Elemente aus Kunststoff und Zellulosefasern als Teil der Innenausstattung verwendet.

Obwohl Beton für den 3D-Druck noch nicht weit verbreitet ist, bietet er viele Vorteile: Er ist feuerfest, stabil und kann den Elementen trotzen. Das macht ihn zum perfekten Material für 3D-gedruckte Außenelemente wie Statuen oder Säulen, zumal die Menschen nach etwas suchen, das über die einfachen kastenartigen Fertigteilstrukturen hinausgeht.

Dekorative Elemente können natürlich auch in Beton gegossen werden, aber das erfordert Formenbauer, die Handwerker sind. Eine praktische Anwendung für den 3D-Druck im Bauwesen ist die Herstellung von Gussformen. Bei komplizierten Fertigteilprojekten ist die Herstellung der Form immer eine Herausforderung, da sie viel Arbeit und Präzision erfordert. Wenn die Formen in 3D gedruckt werden, wird der Prozess einfacher und erfordert weniger Arbeit.

Es wurden Tests zum 3D-Druck ganzer Strukturen aus Beton durchgeführt, z. B. von Einfamilienhäusern. Es ist gut, dass diese Tests durchgeführt werden, aber es ist auch klar, dass 3D-gedruckter Beton noch einen langen Weg vor sich hat. Es gibt qualitative und technische Herausforderungen, die überwunden werden müssen, vor allem wenn wir über den 3D-Druck großer Strukturen wie mehrstöckiger Gebäude nachdenken. Das Bauen mit 3D-gedrucktem Beton stellt auch eine wirtschaftliche Herausforderung dar. Die Zusatzstoffe, die benötigt werden, damit der Beton mit der 3D-Drucktechnologie funktioniert, sind sehr teuer.

Eine Konstruktion, die vollständig auf 3D-gedrucktem Beton beruht - bei der alle Bewehrungs-, HLK- und Abwassersysteme integriert sind und nicht wie heute separat eingebaut werden - ist derzeit einfach nicht möglich. Vielleicht wird in der Zukunft, wenn wir die Betontechnologie auf das richtige Niveau gebracht haben, der 3D-Druck von Strukturen eine praktikable Option sein.

Petteri Laitinen
Vizepräsident, Projekte und Dienstleistungen
Elematic