Jenseits des 3D-Drucks
Filigrane, ressourceneffiziente Betonstrukturen dank neuartigem Druckverfahren
Die Technologie des 3D-Betondrucks hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erfahren und wurde bereits in unterschiedlichen Maßstäben umgesetzt. Diese Entwicklung lässt sich nicht zuletzt auf den erheblichen CO2-Ausstoß zurückführen, den die herkömmliche Betonbauweise mit sich bringt. Bei der additiven Fertigung hingegen wird das Material nur dort aufgebracht, wo es im Bauteil konstruktiv auch tatsächlich benötigt wird. Damit können – gegenüber der klassischen Betonbauweise – zwischen fünfzig und siebzig Prozent des Baustoffs eingespart werden.
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Neuartiges 3D-Injektionsdruckverfahren
Üblicherweise wird beim 3D-Druck der Beton Schicht für Schicht durch einen sogenannten Extruder aufgetragen, um etwa eine Hauswand zu errichten. Forschende des Instituts für Tragwerksentwurf (ITE) und des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der Technischen Universität Braunschweig entwickelten im Rahmen des Forschungsprojekts Beyond 3D Printing – A novel spatial printing technology for lightweight spaceframe concrete structures ein neues 3D-Injektionsdruckverfahren, mit dem filigrane Leichtbaustrukturen aus Beton hergestellt werden können. Beteiligt am Forschungsvorhaben sind die Professoren Dirk Lowke, Harald Kloft und Norman Hack. Ziel sei eine leichte, aufgelöste Bauweise mit Beton, die man eher von Holz oder Stahl kennt und die der massiven Bauweise im klassischen Betonbau gegenübersteht, erklären die Beteiligten.
Bei dem Verfahren werden Betonstränge robotergesteuert in ein Trägermedium – im Versuchsaufbau ein durchsichtiges Gel – injiziert. Für die großtechnische Anwendung soll das Gel jedoch durch eine mineralische Suspension ersetzt werden, die günstiger, ökologisch unschädlich und recycelbar sein soll. Die Trägerflüssigkeit sorgt dafür, dass der injizierte Beton an der gewünschten Position bleibt und dort erhärtet, daher ist die Konsistenz und Zusammensetzung dieses Materials essenziell für den Erfolg des Drucks. Innerhalb des Trägermediums können somit verschiedenste Strukturen hergestellt werden – auch sehr komplexe Geometrien ohne die üblichen räumlichen Einschränkungen. Nach der Injektion wird das Trägermedium abgelassen – übrig bleibt die gedruckte, gitterähnliche Struktur aus Beton.
Filigrane, ressourceneffiziente Brücken- und Dachtragwerke
Als Einsatzgebiet sehen die Forschenden vor allem Brücken oder Dachtragwerke und verweisen auf alte Konstruktionsmethoden wie die Brückentragwerke des Schweizer Bauingenieurs Robert Maillart oder die filigranen „Ferro-Cemento“-Elemente des italienischen Bauingenieurs Pier Luigi Nervi. Aufgrund ihres hohen Aufwands werden diese Art von Strukturen heutzutage nicht mehr hergestellt. Das neue 3D-Injektionsdruck-Verfahren könnte, so die Wissenschaftler, diesen ressourceneffizienten Strukturen zu einer Renaissance verhelfen.
An der Integration einer Bewehrung forscht das Projektteam ebenfalls. Die Idee ist es, Stahlstrukturen einzudrucken oder im injizierten Betonstrang gleich einen endlosen Metall- oder Faserstrang mitzuführen. Erst dann ist die Praxisfähigkeit nachgewiesen; mit mindestens zehn Jahren rechnet Professor Lowke, bis die patentierte Drucktechnik großtechnisch zum Einsatz kommen kann.
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