Wie funktioniert ein 3D-Drucker für Beton?

In den letzten Jahren hat die Rolle der additiven Fertigung in der Baubranche zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere 3D-Drucker für Beton haben bei Architekten und Baufirmen kontinuierlich an Popularität gewonnen. Beton ist nach Wasser der am häufigsten verwendete Stoff der Welt. Beton ist ein Verbundwerkstoff, der aus Wasser, einer zementartigen Verbindung und Zuschlagstoffen (feine und grobe Partikel aus Sand, Kies, Schotter und ähnlichen Substanzen) besteht, die alle im Überfluss vorhanden sind. Als solches ist Beton ein kostengünstiges und daher sehr beliebtes Material. Allerdings sind die 3D-Drucker für Beton selbst teuer. Maschinen, die für den Bau entwickelt wurden, liegen preislich irgendwo zwischen 180.000 $ und über 1 Million $. Nichtsdestotrotz bietet die Verwendung eines Beton 3D-Druckers mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden. Er ist schneller, billiger, sicherer und effizienter. Ein Beton 3D-Drucker produziert nicht nur minimalen Abfall, sondern reduziert auch die Anzahl der vor Ort benötigten aktiven Teilnehmer sowie die Länge der Lieferketten erheblich. Darüber hinaus können mit einem Beton 3D-Drucker Konstruktionen mit einem deutlich höheren Grad an Belastbarkeit und geometrischer Komplexität realisiert werden.

Ein Standard Beton 3D-Drucker funktioniert sehr ähnlich wie ein Standard FDM-Drucker. Das liegt vor allem daran, dass beide Technologien auf der Materialextrusion basieren. Daher ähneln sich ihre Prozesse stark: Zunächst wird ein digitales 3D-Modell mit einer 3D-Modellierungssoftware erstellt; das Modell wird dann mit Hilfe eines Slicer in Scheiben geschnitten und in G-Code übersetzt; der G-Code steuert dann den Druckkopf, der das aus einem Zementmischer gepumpte Material schichtweise aufträgt, bis das endgültige Stück hergestellt ist. Ein typischer Beton 3D-Drucker ist für die additive Fertigung von Teilen durch Materialextrusion ausgelegt und besteht aus einem Roboterarm, der mit einem Ende am Druckkopf und mit dem anderen Ende entweder an einem Portal oder einem kranähnlichen Roboterarmsystem befestigt ist. Je nach Typ des 3D-Druckers variieren dessen Design, Fähigkeiten und Verfahren. Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile, abhängig von der gewünschten Anwendung. Das Bauvolumen, die Druckauflösung, die Praxistauglichkeit und die Effizienz eines Beton 3D-Druckers variieren je nach System, Technologie, Hersteller und Verwendungszweck.

3D-Druck von Beton spart Kosten und Zeit (Bildnachweis: Mike Jazdyk)

Gantry Beton 3D-Drucker

Der Begriff Gantry kommt von der portalartigen Überkopfkonstruktion, die den Drucker trägt. Während diese Art von Beton 3D-Drucker eine beliebte Wahl für kommerzielle Bauprojekte ist, werden sie für kleinere Projekte nur selten eingesetzt, vor allem aufgrund der Größe und der damit verbundenen eingeschränkten Portabilität sowie des technischen Aufwands für den Auf- und Abbau. Diese Art von Beton 3D-Druckern arbeitet typischerweise mit einem kartesischen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Achsen besteht. Diese Achsen werden durch die Schienen und Balken der Tragstruktur definiert. Die x-Achse entspricht der Länge der Schienen, die den Drucker vorwärts und rückwärts bewegen, während die y-Achse der Länge der Schiene entspricht, die den Druckkopf trägt und die Säulen verbindet, die wiederum durch die z-Achse definiert sind und sich auf und ab bewegen.

Auf dieser Basis funktioniert zum Beispiel der 3D-Drucker von ICON, der Vulcan II. Mit einem Bauvolumen von 260 x 850 x 260 cm und einem Gewicht von rund 1,7 Tonnen ist der Drucker etwa 2,5 Meter hoch und 8,5 Meter breit. Die Maschine verwendet ausschließlich das von ICON entwickelte Betonmaterial Lavacrete. Wie die meisten großen Beton 3D-Drucker ist auch der Vulcan II mit einem Preis von knapp 250.000 Dollar teuer. Trotzdem senkt die additive Fertigung die Baukosten erheblich, so dass sich viele Bauunternehmen für die Miete der Maschine entscheiden. Im Jahr 2019 baute ICONs Drucker erfolgreich ein Haus für unter $4000, in nur 24 Stunden.

Der Vulcan II von ICON verfügt über ein Gantry-System mit X-, Y- und Z-Achse. (Credit: ICON)

Beton 3D-Drucker mit Roboterarm

Ein mechanisierter oder Roboterarm Beton 3D-Drucker wird von einer kranartigen Struktur getragen und arbeitet typischerweise auf 6 Achsen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, komplexere Geometrien und höher aufgelöste Teile zu erstellen, als dies mit einer Gantry-basierten Maschine möglich ist. Diese Art von 3D-Druckern hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie portabel und kompakt sind und sich daher leichter auf- und abbauen lassen. In der Vergangenheit hatten diese Drucker ein begrenztes Bauvolumen und waren daher auf die Herstellung kleinerer Teile beschränkt. Jüngste Fortschritte haben die Entwicklung von Maschinen mit größerem Bauvolumen ermöglicht, die mit Gantry-Druckern konkurrieren können. Roboterarm-Drucker sind tendenziell teurer als solche mit Gantry-Systemen.

Das russische Startup Apis Cor machte 2018 Schlagzeilen, nachdem es ein 400-Quadratmeter-Haus gebaut hatte, das von Grund auf mit seinem proprietären Roboterarm Beton 3D-Drucker gebaut wurde. Das Projekt wurde in nur 24 Stunden in Moskau fertiggestellt und kostete nur 10.000 $. Zwei Jahre später machte das Unternehmen erneut Schlagzeilen, nachdem es mit seiner proprietären additiven Fertigungstechnologie erfolgreich das größte 3D-gedruckte Gebäude der Welt in Dubai gebaut hatte.

Der Beton-3D-Drucker mit Roboterarm von Apis Cor hat 6 Achsen. (Bildnachweis: Apis Cor)

Ein letztes Wort

Trotz des weit verbreiteten Irrglaubens, dass ein Gebäude komplett mit einem Beton 3D-Drucker hergestellt werden kann, werden in der Regel nur die Wände und Fundamente additiv gefertigt. Nichtsdestotrotz hat der 3D-Betondruck einen enormen Einfluss auf die Bauindustrie. Vor allem in den letzten zehn Jahren sind mehrere Bauunternehmen entstanden, die sich auf die additive Fertigung von Beton spezialisiert haben. Das deutsche Unternehmen PERI hat das erste 3D-gedruckte Wohnhaus Deutschlands mit dem von COBOD entwickelten BOD2 gebaut und hat inzwischen ein dreistöckiges Wohnhausprojekt angekündigt, das bereits mit dem Bau begonnen hat und eine Fläche von 380 Quadratmetern haben wird. Beton 3D-Drucker wurden bereits in mehreren Ländern auf der ganzen Welt für den Bau von Wohnhäusern eingesetzt, darunter in Deutschland, Belgien, Dubai, Marokko und Frankreich sowie für ein Büro in Dänemark.

Die rasante Entwicklung der Beton 3D-Drucktechnologie hat zu einigen beeindruckenden Innovationen geführt. Zum Beispiel hat Twente Additive Manufacturing (TAM) Gantry- und Roboterarmsysteme kombiniert, um einen 9-Achsen-Drucker zu bauen, der die standardmäßigen 6 Achsen eines Beton 3D-Druckers mit Roboterarm sowie die zusätzlichen kartesischen Achsen für Elevation, Translation und Rotation des Gantry-Systems umfasst. Mehrere dieser Fortschritte haben weltweit bedeutsame Anwendungen für Themen wie Obdachlosigkeit und die Erhaltung natürlicher Ressourcen.

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