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Beton aus dem 3D-Drucker

(in: BAUKULTUR 1_2018, S. 31)

Traditionell werden Bauteile aus Beton gegossen. Die dafür notwendige Verschalung begrenzt jedoch die Gestaltungsmöglichkeiten. Neue Freiheiten in der Formgebung ermöglicht der 3D-Druck. Forschern der TU München ist es jetzt erstmals gelungen, filigrane Strukturen aus Beton zu drucken.

3D Druck TUM 1 Foto Klaudius Henke
3D-gedrucktes Betonrohr mit Doppelverstrebung, hergestellt durch selektives Binden (Foto: Klaudius Henke)

3D-gedruckter Prototyp
Ein Prototyp ist bereits entstanden: eine 20 cm hohe, dünnwandige Betonröhre mit filigranen Verstrebungen, die das Gebilde stabilisieren. Vorbild für den Entwurf waren Vogelknochen, die sehr dünn und leicht, aber trotzdem stabil sind. Das bionische Bauteil ist tatsächlich äußerst belastbar. Materialuntersuchungen haben gezeigt, dass die Röhre Kräften von 50 N/mm² standhält. Damit ist das gedruckte Material genauso stabil wie herkömmlicher, gegossener Beton.

Schicht für Schicht, Punkt für Punkt
Das Forscherteam 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.
Drei Jahre lang haben die Forscher an dem Verfahren getüftelt. Der Erfolg hängt u.a. 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 wurden 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 10 m³ gefertigt werden. Das reicht, um freigeformte, geschosshohe Bauteile zu fertigen.

3D Druck TUM 4 Foto Klaudius Henke
Herstellung eines Wandelements mit dem Extrusionsverfahren (Foto: Klaudius Henke)

Aus Strängen werden Wände
Eine Alternative zum selektiven Binden ist das Extrusionsverfahren, mit dem sich schon fertig gemischter Beton verarbeiten lässt. 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. Die Zugabe von Holzspänen, die viel Luft enthalten, beispielsweise sorgt für integrierte Wärmedämmung. Beim Extrusionsverfahren wird die Mischung aus Zement, Holz und Wasser durch eine Düse gepumpt. Auf diese Weise wird der Beton zu etwa 2 cm dicken Strängen geformt. Die Düse ist an einem Roboterarm befestigt, der die Stränge genauso aufeinander legt, dass sich die gewünschte Struktur bildet.

Maßgeschneiderte Baustoffe
Mit Hilfe des Extrusionsverfahrens wurde bereits ein 1,5 m breiter und 1 m hoher Prototyp aus Holzleichtbeton fertiggestellt. Dieser ist genauso belastbar und wärmedämmend wie handelsüblicher Gasbeton. Einziger Nachteil ist die raue Oberfläche. Die Struktur lässt sich als Gestaltungselement einsetzen oder nachträglich bearbeiten. Holzleichtbeton lässt sich leicht sägen, fräsen und bohren.
Der 3D-Druck wird die Architektur verändern. 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.


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