3D-Betondruck: Schnell, unkompliziert und nachhaltig
Die Baubranche steht derzeit unter großem Druck, da steigende Materialpreise und Lieferengpässe die Industrie belasten. Um diesen Herausforderungen entgegenzuwirken, werden häufig Sparmaßnahmen und Effizienzsteigerungen angewendet. Eine vielversprechende Lösung ist der 3D-Betondruck.
Diese innovative Technologie ermöglicht das automatisierte, schichtweise Auftragen von Mörteln, um individuelle Bauelemente oder sogar ganze Gebäude herzustellen. Häufig stellen sich Kunden Fragen zu den Möglichkeiten und Grenzen des 3D-Betondrucks, insbesondere in Bezug auf die Größe der Strukturen und die Notwendigkeit von Schalungen. In unserem Fachartikel beantworten wir diese und weitere Fragen.
Modulaufbau, Baukastenprinzip und 3D-Druck
Unabhängig von der gewählten Drucklösung bleiben die Kernkomponenten und die Funktionalität aufgrund der modularen Bauweise erhalten. Die grundlegenden Bestandteile eines 3D-Betondruckers umfassen:
- X-Y-Z-Achsen (in Form eines Gerüsts)
- Aggregat und/oder Generator
- Pumpensystem
- Betonmischer
- Sprüh-/Druckkopf mit integrierter Kameratechnik
- Bedienterminal
- Betreibersoftware
- Abdeckplane
Je nach Anwendungsbereich und Druckmaterial können verschiedene Pumpsysteme und/oder Druckköpfe eingesetzt werden.
Ablauf eines 3D-Betondrucks: Zeit, Kosten, Arbeitsaufwand
Es ist wichtig zu beachten, dass 3D-Druck bisher hauptsächlich im Wohnungsbau und weniger in der Industrie zum Einsatz kommt. Die Größe des Bauprojekts stellt oft den begrenzenden Faktor für die Anwendung einer 3D-Betondrucklösung dar.
Der Ablauf eines 3D-Betondrucks sieht wie folgt aus: Kleinere Betonbauteile werden in Fertigungshallen gedruckt. Bei Wohnhäusern besteht außerdem die Möglichkeit, den Druck vor Ort, abhängig von den Wetterbedingungen, durchzuführen. Dabei wird der Druckkopf mithilfe einer höhen- und seitenverstellbaren Schienenkonstruktion innerhalb eines Gerüsts gesteuert und der Zementmörtel schichtweise durch ein additives Extrusionsverfahren aufgetragen."
Beispiel: Der 'Bod2' von Peri und Cobod
Der modulare Bod2-Drucker von Peri und Cobod kann von zwei Personen einfach montiert und bedient werden. Für den Druck wird spezieller Mörtel oder Beton mit einer Körnung von bis zu 8 mm verwendet, der mit einer Geschwindigkeit von 20-25 cm/s aufgetragen wird. Dadurch ergibt sich eine Produktionszeit von etwa 5 Minuten pro Quadratmeter für eine Hohlwand, wobei die Schichtdicke und -breite je nach Einstellung zwischen 1 und 3 cm bzw. 3 und 10 cm variieren können.
Die gedruckten Wände sind mehrschichtig und verfüllt, erfordern jedoch keine Schalung während des Herstellungsprozesses. Daher müssen während des Drucks Hohlräume und Aussparungen für Kabel und Leitungen berücksichtigt werden. Der Verputz ist anschließend einfacher: Wenn die nächste Druckschicht aufgetragen wird, werden solche Bauelemente automatisch fixiert und verputzt.
Die Größe eines 3D-gedruckten Bauwerks hängt von den Abmessungen des 3D-Betondruckers ab (beim Bod2 beträgt die maximale Breite 15 m und die maximale Höhe 10 m). Die Länge kann jedoch beliebig sein, da das Drucksystem einfach einige Meter verschoben werden kann.
Der Auf- und Abbau des Bod2-Druckers dauert bei einer Musterkonfiguration von 12 m Breite, 17 m Länge und 8 m Höhe jeweils 8 Stunden."
Vorteile des 3D-Betondrucks
Der 3D-Betondruck bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die sich positiv auf Bauprojekte auswirken. Ein besonders herausstechender Faktor ist die Zeitersparnis, insbesondere bei Baustellenverzögerungen, die zu hohen Kosten führen können. Bei einem Pilotprojekt von Peri und Cobod in Beckum dauerte der Bau eines 160 Quadratmeter großen Einfamilienhauses insgesamt 100 Stunden, einschließlich Decken- und Dachelemente sowie Haustechnik. Laut Angaben des Herstellers ist es jedoch bereits im Jahr 2023 möglich, ein ein- oder zweistöckiges Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 100-120 Quadratmetern innerhalb von 30 Stunden zu errichten.
Weitere Vorteile des Betondrucks sind:
- Direkte Umsetzung von BIM-Modellen oder CAD-Zeichnungen durch die Slicer-Software des Roboters.
- Reduzierung der Anzahl beteiligter Gewerke (Stichwort: Lean Construction Management).
- Entfall von Schalungsarbeiten für die Bodenplatte.
- Reduzierung des Vermessungsaufwands auf der Baustelle.
- Möglichkeit zur Herstellung überhängender Bauteile.
- Reduzierter Betoneinsatz durch die Verwendung von Druckmörteltechnik (bis zu 50 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen).
- Integration serienmäßiger Sicherheitstechnik.
Der 3D-Betondruck kann somit einen signifikanten Beitrag zu einer positiven Klimabilanz bei energieeffizienten und ressourcenschonenden Neu- und Bestandsbauten leisten. Das Fachmagazin "GEG Baupraxis" behandelt ausführlich verschiedene Möglichkeiten zum energieeffizienten Bauen und zur energetischen Sanierung mit Fachwissen, Planungs- und Umsetzungsbeispielen, um sowohl Praxis als auch Theorie abzudecken.
Nachteile des 3D-Betondrucks
Obwohl der 3D-Betondruck viele Vorteile bietet, gibt es auch einige Herausforderungen und Nachteile, die beachtet werden müssen:
- Weniger beteiligte Gewerke bedeuten, dass bestimmte Fachkräfte, wie Elektriker, schnell und innerhalb eines engen Zeitrahmens arbeiten müssen, um mit dem Bauprojekt Schritt zu halten.
- Fehler im Bauplan werden vom 3D-Drucker nicht erkannt, sondern einfach umgesetzt, was zu fehlerhaften Strukturen führen kann.
- Derzeit ist der 3D-Betondruck im Durchschnitt etwas teurer als herkömmliche Bauweisen, da der flächendeckende Einsatz noch nicht erreicht ist und Primär- und Sekundärbaustoffe kostspielig sein können.
- Es wird bisher wenig oder gar nicht auf RC-Baustoffe (bewehrter Beton) zurückgegriffen, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränken kann.
3D-Drucker in der Baubranche: Ist klimagerechtes Bauen mit diesem Trend vereinbar?
Die Antwort auf diese Frage ist derzeit eher negativ, obwohl der 3D-Betondruck ressourcenschonender ist als herkömmliche Bauweisen. Die verwendeten Materialien haben jedoch noch überwiegend eine negative CO2-Bilanz. Eine mögliche Lösung und Förderung des klimagerechten Bauens könnte in der Kombination von 3D-Druck mit einem regenerativen, CO2-neutralen Baustoff wie Holz liegen.
Die Herausforderung bestand bisher darin, dass das verwendete Holz eine ausreichend feinfaserige Struktur haben musste, um die gewünschten Eigenschaften wie den U-Wert und die Stabilität zu gewährleisten.
Es wurden zwei Lösungsansätze entwickelt:
- Die Entwicklung eines Holzgels durch ein schwedisches Forscherteam, das mit einem 3D-Verfahren verwendet werden kann und gleichzeitig die thermischen und physikalischen Eigenschaften des Holzes beibehält.
- Die gezielte Verwendung von Holznebenprodukten und -abfällen in Form von Holz-Zellulosestaub und Lignin.
Durch diese Ansätze ist es möglich, Holz im 3D-Druck zu verwenden und bisher unmögliche architektonische Formen und Muster zu erschaffen.
Fazit: Ist der Betondruck ein Trend oder bereits Alltag?
Der 3D-Betondruck beschränkt sich derzeit noch auf einzelne Bauprojekte, bringt aber definitiv das Potenzial mit, "the next big thing" in der Baubranche zu sein. Der begrenzende Faktor liegt derzeit vor allem im Preis, sowohl für Endverbraucher als auch im Industriebau. Sobald die Kosten etwas gesenkt werden können, werden 3D-gedruckte Häuser mit ihren geschwungenen Linien beginnen, das Stadtbild zu prägen.