3D-Druck – bald auf jeder Baustelle?

Zu den technischen Treibern der Digitalisierung und der zunehmenden Industrialisierung von Planung, Bau und Dienstleistungen gehört der 3D-Druck. Mit ihm werden Modelle und Sonderteile angefertigt – inzwischen auch ganze Bauwerke. Er stellt grundsätzlich eine Möglichkeit dar, individuell gestaltete Elemente wirtschaftlich herzustellen. Dafür können entsprechende Daten direkt verwendet werden, zum Beispiel wenn sie aus dem zentralen Koordinationsmodell beim Building Information Modeling (BIM) stammen. Eine schichtweise Fertigung sorgt anschließend für eine Konstruktion mit minimiertem Materialeinsatz.

Foto: 3D-Druck am Bau in Wallenhausen: Für die Bedienung sind insgesamt zwei Personen notwendig. Das eingesetzte Material „i.tech 3D“ entwickelte HeidelbergCement speziell für den 3D-Druck.
Quelle: Peri GmbH
3D-Druck am Bau in Wallenhausen: Für die Bedienung sind insgesamt zwei Personen notwendig; der Druckkopf und die Druckergebnisse werden per Kamera überwacht. Das eingesetzte Material „i.tech 3D“ entwickelte HeidelbergCement speziell für den 3D-Druck.

Ein digitales Modell wird durch die additive Fertigung eines 3D-Druckers zu einem gegenständlichen Objekt. Das ist eine grundlegend andere Art der Produktion als die herkömmliche subtraktive Bearbeitung (CNC Fräsen und Drehen, Stanzen) oder der formgebende Spritzguss. Für den 3D-Druck sind keine speziellen Werkzeuge oder Formen nötig, sondern das zu druckende Teil wird direkt erzeugt: Die Druckersoftware unterteilt das digitale 3D-Modell zunächst in zweidimensionale Schichten. Diese werden dann in Steuerungsdaten übersetzt und an den Drucker weitergeleitet. Je nach Material variiert die Herstellung. Ein Laser kann dünne Schichten aus Metall- oder Kunststoffpulvern schmelzen oder sintern, eine Düse Beton auftragen. In der Regel erfordern 3D-gedruckte Teile eine Nachbearbeitung wie Entgraten, Schleifen oder Strahlen, um eine bestimmte Oberflächengüte zu erzielen.

Vorteile und Einschränkungen

Der 3D-Druck erlaubt eine einfache, zügige Herstellung komplexer Formen, die nicht ohne Weiteres mit anderen Herstellungsverfahren produziert werden können. Die additive Fertigung führt dazu, dass individuelle, ressourcenschonende Lösungen realisierbar sind, mit denen keine erhöhten Kosten einhergehen müssen. Diese hängen im Wesentlichen von der Menge des verwendeten Materials, der Druckzeit und dem gegebenenfalls gewünschten Nachbehandeln der Oberflächen ab.

Im 3D-Druck können vielfältige Materialien eingesetzt werden, die sich für jeweils spezifische Anwendungen eignen. Zudem testen Universitäten weltweit, wie Beton oder andere Mischmaterialien in der richtigen Zeit aushärten, um die nächsten Schichten des Drucks tragen zu können. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auch auf recycelten und recyclingfähigen Baustoffen.

Sobald Faktoren wie hohe Stückzahlen oder anspruchsvolle Materialeigenschaften gefragt sind, können herkömmliche Fertigungsmethoden dem 3D-Druck überlegen sein. Denn der schichtweise Aufbau der Teile kann dazu führen, dass ein Produkt in einer Richtung schwächer oder spröder ausfällt. Seine Genauigkeit hängt vom Prozess und der Kalibrierung der Druckmaschine ab.

Fokus Baubarkeit

CAD-Softwares zum Entwerfen von Elementen für den 3D-Druck sind unter anderem „SolidWorks“, „Rhinoceros“, „Autodesk Fusion 360“ und „Onshape“. Der Druck mit Beton (Contour crafting) kann dann Teile unmittelbar in transportablen Größen samt benötigten Anschlusslöchern erzeugen: Wände als Zweischeibenkonstruktion mit Versteifungen, später wird Dämmstoff eingefüllt und das Gebäude zusammengesetzt.

Dementsprechend wird Contour crafting im Fertigteilbau bereits mit Erfolg angewendet, zumal sich so die Zeit von der Projektierung bis zur Herstellung durchschnittlich um den Faktor zehn reduzieren lässt. Beim 3D-Druck ist die chinesische Baufirma Win Sun etabliert. Sie druckt seit Mitte der 2010er-Jahre einzelne Architekturteile und fügt sie zusammen. Nach diesem Prinzip sind bereits mehrstöckige Wohnhäuser und individuelle Luxusvillen entstanden, ebenso das weltweit erste voll funktionsfähige 3D-gedruckte Bürogebäude in Dubai.

Der 3D-Druck mit Beton kommt vor allem für Spezialanfertigungen zum Einsatz, bei denen eine Schalung zu teuer oder nicht machbar ist. Vorteile sind in der Regel gleiche Kosten bei der Hälfte der sonst üblichen Arbeit und Vorlaufzeit. Mobile 3D-Druckroboter können am jeweiligen Gebäudestandort drucken und von ein bis zwei Personen überwacht werden. Der 3D-Druck ermöglicht zudem individualisierte Fertigungen mit einem Höchstmaß an Gestaltungsfreiheit.

Ein parametrisches Design hilft, Modelle oder Konstruktionen automatisch basierend auf Größe, Materialstärke oder Geometrie zu generieren. Ideal ist, wenn der Drucker sie endlos variieren kann. Dann lassen sich zum Beispiel Elemente einer Brücke verschieden formen. Weitere Pluspunkte sind: Ressourcen schonen und Abfall vermeiden. Denn der Drucker trägt ohne Schalung nur dort Material auf, wo es die Tragfähigkeit erfordert.

Freitag, 20.08.2021

Von Bettina Gehbauer-Schumacher
Smart Skript – Fachkommunikation für Architektur und Energie
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