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Innovative Technologie für die Zukunft der Bauwirtschaft

Beim 3D-Druck, auch bekannt unter den Bezeichnungen additive Fertigung, werden dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert. Gerade in der Bauindustrie kann der 3D-Druck viele Vorteile bringen. Auch beim G. Büter Bauunternehmen (Büter Bau) ist man von der Zukunft des 3D-Drucks überzeugt. Die Experten beobachten die Entwicklungen sehr genau und planen den Einsatz eines 3D-Druckers vor allem unter ökologischen Gesichtspunkten.

Die Digitalisierung schreitet mit großen Schritten voran. Das gilt natürlich auch für die Bauwirtschaft. Moderne 5G-Netze werden für das Building Information Modeling, also die Arbeitsmethode der vernetzten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Gebäuden und anderen Bauwerken mithilfe von Software, und den schnellen Datenaustausch zwischen Baustelle und Zentrale genutzt, moderne Business Intelligence-Lösungen liefern aktuelle und valide Informationen, indem sie alle relevanten Projekt- und Unternehmensdaten aus den verschiedensten Datenquellen verknüpfen und zu aussagekräftigen Entscheidungsgrundlagen verdichten sowie bedarfsgerecht, interaktiv und auch mobil bereitstellen, und immer mehr Unternehmen nutzen virtuelle Projekträume, die alle Beteiligten eines Bauprojekts über Unternehmensgrenzen hinweg via Internet verbinden.

Ebenso gewinnt das sogenannte Construction Intelligence an Fahrt. „Construction Intelligence betitelt die Idee, Entscheidungen auf der Basis von Daten statt von Bauchgefühl zu treffen. Mit den faktenbasierten Prozessen sollen zukünftige Entwicklungen und Abläufe besser geplant werden können. Damit sind in der Regel Software-Programme verbunden, die Bauprojekte aktiv von A bis Z begleiten. Von der Personal- und Baustoffplanung, bis hin zur tatsächlichen Durchführung und Bauabnahme – eine Construction Intelligence Software hilft bei der gesamten Bauabwicklung“, heißt es in dem Artikel „Trends in der Baubranche: Diese Innovationen erwarten uns 2021“.

3D-Fertigungsverfahren mit vielen Vorteilen
Besonders im Fokus steht der 3D-Druck. Der 3D-Druck, auch bekannt unter den Bezeichnungen additive Fertigung (englisch Additive Manufacturing, AM), ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Gerade in der Bauindustrie kann der 3D-Druck viele Vorteile bringen.

Schon 2018 haben sich Wissenschaftler der TU Darmstadt (Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik (IfSW)) mit dem 3D-Druck aus so unterschiedlichen Materialien wie Stahl, Keramik, Kunststoff und Glas befasst. In einem Forschungsbericht von 2018 heißt es, dass mögliche Einsatzgebiete gedruckter Bauteile beispielsweise bei Fassadenbauteilen und Verbindungselementen zu finden seien. Während im konventionellen Stahlbau beispielsweise für die Verbindung zweier Träger zunächst Laschen aus Stahl ausgeschnitten werden müssten, die dann auf die zu verbindenden Teile geschweißt und mit Schrauben verbunden würden, könnte mit der neuen Technik ein optimiertes Verbindungselement direkt auf den Träger aufgedruckt werden. Die technische Ausführung wurde mit institutseigenen Schweißrobotern erprobt, die die Verbindungselemente Schicht für Schicht auftragen, wobei das Schweißgut als Druckmaterial dient. „Der Vorteil der neuen Methode besteht in einer Zeit- und Materialersparnis“, erklärte Professor Jörg Lange, der Leiter des IfSW.

3D-Druck auch auf der Baustelle für ganze Gebäude
Weiterhin heißt es: Eine weitere Chance des 3D-Druckens liegt in der immensen Freiheit bei der Formgebung. ‚So konventionelle Baustoffe wie Ziegel können nun auch gewölbt, filigran geformt oder mit besonderen Eigenschaften hergestellt werden‘, sagt Professor Ulrich Knaack vom Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D), der für sein Forschungsprojekt ‚3D-Druck mit Keramik‘ mit einem Verband der Ziegelhersteller zusammenarbeitet. Ziel ist es, technische Lösungen für die individuelle Herstellung gedruckter Ziegel zu erhalten. Der Prototyp, den Knaack präsentiert, hat nur noch wenig mit dem klassischen Baustoff gemein. Aus zarten, spaghetti-ähnlichen Wülsten ist ein luftiges Gebilde entstanden. Wie auch beim 3D-Drucken mit Stahl wird das Material Schicht für Schicht nach am Computer berechneten Modellen aufgetragen und anschließend gebrannt.“

Mittlerweile wird der 3D-Druck auch auf der Baustelle für ganze Gebäude eingesetzt. Ein Beispiel dafür liefert das bayerische Familienunternehmen Peri. Peri baut derzeit das erste Mehrfamilienhaus aus dem 3D-Drucker. Das Mauerwerk der ersten Etage entstand in nur 25 Stunden, die Arbeitszeit betrug damit nur ein gutes Fünftel im Vergleich mit der klassischen Ziegelbauweise, heißt es in einem Artikel der Wirtschaftszeitung Handelsblatt. Und weiter: Eine Weltpremiere ist der Bau in Wallenhausen auch, weil das Gebäude mit insgesamt 380 Quadratmetern Wohnfläche über drei Stockwerke nicht nur als Demonstrationsobjekt dient. Vier der fünf Wohnungen werden vermietet; nur eine Einheit soll als Musterwohnung genutzt werden, um Interessenten das Ergebnis in der Praxis zu präsentieren. „Damit eröffnen wir dem 3D-Betondruck weitere Anwendungsbereiche in neuen Größenordnungen“, wird der Peri-Manager Thomas Imbacher zitiert.

3D-Druck kann CO2-Emissionen reduzieren
Die Bauwirtschaft kann aus vielerlei Gründen vom 3D-Druck profitieren. Einer der wesentlichen Mehrwerte ist, neben der gestiegenen Geschwindigkeit von Bauvorhaben, der deutlichen Zuwachs bei der Energie- und Ressourceneffizienz. Ein Beispiel: In den Niederlanden hat Vertico in Zusammenarbeit mit der Universität Gent eine Brücke 3D-gedruckt: Das Start-Up erforscht das Potenzial der Additiven Fertigung mit Beton und ist überzeugt, dass es CO2-Emissionen reduzieren kann, indem es Material einspart und die Produktivität durch Topologieoptimierung erhöht. Konkret: Verticos Gründer, Volker Ruitinga, erklärt: „Diese Brücke zeigt die Bandbreite der Möglichkeiten, die der 3D-Betondruck bietet. Wir bei Vertico glauben, dass diese Technologie sowohl der Schlüssel zur Erschließung von Materialoptimierungen in Strukturen, aber auch zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei gleichzeitiger Steigerung der Produktivität in der Bauindustrie ist“. Heute wird angenommen, dass der Bausektor 23% der weltweiten CO2-Emissionen verursacht, während Vertico mit seiner konkreten 3D-Drucklösung 60% Beton einsparen kann. Es ist also leicht vorstellbar, wie sie zu einer saubereren Umwelt beitragen können.“

Ebenso ist die Flexibilität im Umgang mit den verschiedensten Materialien, die am Bau eingesetzt werden, relevant für die Bauindustrie. Gemeinsam mit der Bauwirtschaft erforscht beispielsweise die Technische Universität Eindhoven Möglichkeiten, wiederverwendbare Betonprodukte zu drucken. Ein wichtiges Projekt ist der 3D-Druck von Stahlbeton. Auf diese Weise soll auch Beton gedruckt werden können, der für den Bau von großen oder hohen Gebäuden geeignet ist. Faserverstärkter Beton erfordert laut des Artikels eine neue Art von Betondrucker. Dafür suchten die Forscher nach einer Möglichkeit, den Beton zu dosieren, einer der wichtigsten Voraussetzungen für einen 3D-Drucker. Das gelte besonders im Fall von Stahlbeton, wobei eine optimale Dosierung des Zements die Festigkeit von Stahlbeton gewährleistet werde.

Erstes Wohngebäude aus dem Drucker
Im Zuge der weiteren Entwicklung des 3D-Drucks am Bau legen die Baustoffhersteller auch immer mehr Augenmerk auf innovative Materialien, die diesen Fortschritt unterstützen. In Beckum entsteht derzeit Deutschlands erstes Gebäude aus dem 3D-Betondrucker, ein zweigeschossiges Einfamilienhaus mit etwa 160 Quadratmetern Wohnfläche. Den Drucker vom Typ BOD2 stellt Peri, die Drucktechnologie stammt von Cobod aus Dänemark. In dem entsprechenden Artikel im Deutschen Architektenblatt heißt es: Ein wesentlicher Bestandteil dieser Bauweise ist vor allem auch das zum Druck eingesetzte Material „i.tech 3D“. Der mineralische und damit voll recyclebare Hightech-Baustoff wurde von der HeidelbergCement-Tochter Italcementi speziell für den 3D-Druck mittels Extrusionsverfahren entwickelt. Bei i.tech 3D handelt es sich um eine Art Trockenmörtel. Aufgrund der anspruchsvollen betontechnologischen Herausforderungen vergingen bis zur jetzt vorliegenden Marktreife mehrere Jahre. Dazu sagt Dr. Jennifer Scheydt, Leiterin der Abteilung Engineering & Innovation bei HeidelbergCement Deutschland, laut Bericht: „Der Baustoff sollte gut pump- und extrudierbar sein, er muss schnell eine ausreichende Tragfähigkeit ausbilden, aber gleichzeitig muss auch der Verbund zwischen den Schichten sichergestellt sein.“ Die Schwierigkeit in der Entwicklung habe daher darin bestanden, die verschiedenen Komponenten des Betons so aufeinander abzustimmen, dass diese für den Druckprozess erforderlichen Eigenschaften erzielt würden. Da beim 3D-Druck die herkömmliche Schalung entfalle, sei eine ausreichende Formstabilität essenziell.

Auch beim G. Büter Bauunternehmen (Büter Bau) ist man von der Zukunft des 3D-Drucks überzeugt. „Wir beobachten die Entwicklungen sehr genau und planen den Einsatz eines 3D-Druckers vor allem unter ökologischen Gesichtspunkten. Viele Bauprojekte können durch den 3D-Druck wesentlich effizienter durchgeführt werden. Gerade durch die Möglichkeit, auch alternative Baustoffe einzusetzen, werden sich viele zukunftsorientierte Chancen ergeben. Der 3D-Druck in der Bauwirtschaft steht noch am Anfang – die Entwicklungsmöglichkeiten sind gigantisch!“

 

Bildmotiv: iStock, belekin

 

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