3D-Betondruck

Die additive Fertigung, sprich: das Drucken von Bauteilen oder ganzen Gebäuden, ist keine Vision mehr. Nach und nach kommen die von Hochschulen und Unternehmen entwickelten Verfahren und Roboter bei realen Bauvorhaben zum Einsatz. Dabei müssen sich die beteiligten Gewerke an neue Arbeitsabläufe anpassen.

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Verfahren

Der 3D-Betondruck funktioniert im Extrusionsverfahren: Das Material wird durch eine Düse (Extruder) gepumpt, zu einem Strang geformt und dieser dann abgelegt – wie bei einer Zahnpastatube. Lage für Lage legt die Roboterdüse den Grundrissdaten gemäß aufeinander, bis ein dreidimensionales Bauteil entsteht, etwa eine Wand. Das Material muss dabei kontinuierlich austreten und anschließend schnell aushärten, damit die Struktur beim Auftragen der nachfolgenden Schichten nicht verformt oder einknickt. 

Die Druckroboter müssen von Baustelle zu Baustelle reisen können und zugleich vor Ort sehr beweglich sein. Zwei Varianten sind besonders üblich:

• Mehrachsige Roboterarme können sich relativ frei und präzise bewegen – ideal für kleinere Bauteile.
• Portaldrucker eignen sich zum Drucken großer Strukturen oder ganzer Gebäude. Der Druckkopf bewegt sich entlang definierter Achsen (x, y, z). Die Konstruktion erinnert an einen Verladekran: Der Druckkopf hängt an einem Querbalken, der sich an zwei Schienen bewegt, welche an Stützen geführt nach oben und unten beweglich sind.  

Auf der Baustelle muss zunächst die Bodenplatte hergestellt und eingemessen werden. So kann der Roboter fehlerfrei den Grundriss drucken. Damit der Druckkopf nicht behindert wird, muss das Baugerüst schrittweise aufgebaut werden. In Baustellenberichten schwankt der Personalbedarf. Neben den zwei Bediener*innen des Roboters können Bauleiter und Nachbearbeiter vor Ort sein sowie ein sogenannter Springer, der die Druckqualität und Konsistenzhaltung des Betons prüft. Aus dem erdfeuchten Beton lassen sich Schlitze und Durchbrüche herstellen, beispielsweise für Lüftungs- und Elektrotechnik.

Insgesamt ist die Baustellenarbeit weniger körperlich anspruchsvoll als beim konventionellen Betonbau. Zudem entfallen aufwändige Schalungsarbeiten. Durch eine Aufteilung in Sektoren kann parallel gearbeitet und der Bauprozess weiter beschleunigt werden. Die Maschinen und Abläufe sind immer noch prototypisch und werden fortlaufend weiterentwickelt.

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Vorkehrungen und Nachbearbeitung

Bereits während der Planung lässt sich die Druckzeit beeinflussen. Sie ist nämlich insbesondere vom Gebäudegrundriss und vom verwendeten Druckkopf abhängig. Idealerweise sind alle Stellen von einem einzigen Maschinenstandort aus erreichbar. Nachteilig ist ein verschachtelter Grundriss mit zahlreichen Ecken, Türöffnungen und kurzen Wandvorlagen: Dann muss der Druckkopf oft bremsen und wieder beschleunigen oder Leerwege (im Fachjargon Travel) ausführen. Mit großen Druckköpfen lassen sich höhere Lagen drucken. Allerdings gilt: Je höher die Lage ist, desto länger muss sie unbelastet bleiben, bevor die nächste Lage darauf gedruckt werden kann (im Fachjargon Lagezeit). 

Neben der Druckkopfgeometrie beeinflusst insbesondere das Wetter die Lagezeit. Da der Beton offen aushärtet, besteht bei starker Sonneneinstrahlung die Gefahr, dass sich Schwindrisse bilden. Dem lässt sich vorbeugen, indem die Oberflächen abgedeckt oder regelmäßig befeuchtet werden. Obwohl die Lagequalität sich bereits deutlich verbessert hat, ist die Nachbearbeitung immer noch ein wichtiger Schritt, um ebene Oberflächen zu schaffen.

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Tragfähigkeit und Bewehrung

Stand 2026 werden per 3D-Betondruck meist vertikal druckbeanspruchte Wände hergestellt, sodass keine Bewehrung nötig ist. Sie können also unbewehrte Ortbeton- und Mauerwerkswände ersetzen, aber keine zugbeanspruchten Bauteile. Das ist etwa im mehrgeschossigen Hochbau ein Problem. Der 3D-Betondruck wird daher mit Ringbalken, Stützen, Deckenplatten und aussteifenden Wänden aus Stahlbeton kombiniert. Weit verbreitet ist das Drucken einer zweischaligen Wand, deren Zwischenraum mit Ortbeton oder einem Dämmstoff gefüllt wird. 

Gewöhnliche Bewehrungsstäbe, die die Zugfestigkeit des Betons erhöhen würden, lassen sich nur schwer in den additiven Fertigungsprozess integrieren. Es wird jedoch an Alternativen geforscht, zum Beispiel mittels Shotcrete 3D Printing (SC3DP) oder Kunstharzinjektionen (siehe Tipps zum Thema). Nicht immer ist die Bewehrung statisch notwendig. Sie kann auch eine Stützfunktion im Fertigungsprozess übernehmen, etwa um Überhänge herzustellen.

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