Grenzenlose Formenvielfalt: Spritzbeton aus dem 3D-Drucker

AUGSBURG, 06.10.2020 – Ein Hamburger Start-up hat ein Verfahren für den 3D-Druck von Betonbauteilen mit Spritzbeton entwickelt. Der „Concrete Aeditor fertigt Betonbauteile mithilfe von zwei KUKA-Robotern im Sprühverfahren Schicht für Schicht. Er soll zunächst in Fertigteilwerken zum Einsatz kommen, später auch direkt auf Baustellen.

Concrete-Aeditor
In einer Fabrikhalle in Norderstedt hat ein Start-up den „Concrete Aeditor“ gebaut, der die Herstellung von Betonbauteilen revolutionieren soll.

„Der Roboter mit der Spritzbetondüse ist der Star unserer Anlage, das Team nennt ihn aufgrund seiner Ausmaße voller Respekt auch T-Rex“, sagt Architekt Hendrik Lindemann. Brückenkappen, Wände oder andere Elemente – das Repertoire des Roboters ist vielfältig. Im 3D-Druckverfahren müsse kein Teil aus der Produktion wie das andere sein, das mache die besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aus, sagt Lindemann. Gemeinsam mit Roman Gerbers, Niklas Nolte und Alexander Türk ist er Gründer des Start-ups Aeditive, das an der digitalen Zukunft des Betonbaus arbeitet.
„3D-Druck mit Spritzbeton gab es vorher in größerem Maßstab noch nicht“, erklärt Aeditive-CEO Alexander Türk. „Die sonst gängigen Verfahren beruhen überwiegend auf Extrusion – also dem Ablegen von schmalen Frischbetonsträngen, aus denen Bauteile aufgebaut werden. Aus lokalen Rohstoffen gemischter und aus jedem beliebigen Winkel aufzutragender Spritzbeton eröffnet uns demgegenüber viele Vorteile. Zum Beispiel die Integration der Stahlbewehrung im laufenden Prozess.“
Das Ziel des robotischen Verfahrens, das das junge Team entwickelt hat, ist ambitioniert: die Digitalisierung der Bauindustrie weiter voranzutreiben, dem wachsenden Fachkräftemangel der Branche entgegenzuwirken, eine höhere Produktivität und dank optimiertem Energie- und Rohstoffeinsatz mehr Nachhaltigkeit beim Bauen zu erreichen.

die vier Gründer des Startups Aeditive
Das Gründer-Team hat verschiedene Disziplinen zusammengeführt (v.l.): Maschinenbauer Roman Gerbers, Bauingenieur Niklas Nolte, Architekt Hendrik Lindemann und Mathematiker Alexander Türk.

Ziel: das perfekte Beton-Fertigteil

In einer alten Fabrikhalle in Norderstedt bei Hamburg steht die Demonstrationsanlage des „Concrete Aeditor“ genannten 3D-Druckers. Zwei Roboter agieren hier miteinander. Der erste führt die eigenentwickelte Spritzbetondüse, der zweite übernimmt parallel das Rüsten des Baukörpers, zum Beispiel das Einsetzen von Bewehrungselementen oder Leerrohren. Auch Aussparungen für Fenster oder Luken kann der Roboter einrichten. Sein integriertes Werkzeugwechselsystem übernimmt auch das Glätten und Polieren des noch frischen und formbaren Betons. „Wir sind mit unserem neuen automatisierten Verfahren in der Lage, sogar tragende Betonteile im 3D-Druck zu produzieren“, so Lindemann.
Der „Concrete Aeditor“ umfasst Produktions- und Material-Container, eine Betonmischeinheit mitsamt der Wasser- und Energieversorgung und eine eigene software-gestützte Steuerung. „So kann unsere Anlage immer nah bei ihren Bauaufträgen in Fertigteilwerken oder auf Baustellen sein“, sagt der Marktstratege Türk.

Zwei Roboter als Herzstück

Kern der sowohl stationär als auch mobil einsetzbaren 3D-Betondruck-Fertigung sind zwei sechsachsige Roboter der Firma KUKA mit Sitz in Augsburg.. Mit einer maximalen Traglast von 300 Kilogramm und einer Reichweite bis zu 3.900 Millimetern gehören sie laut Hersteller zu den stärksten und zugleich kompaktesten Industrierobotern. Sie sind besonders geeignet für Bereiche mit hohem Verschmutzungsgrad, hoher Feuchtigkeit und hohen Temperaturen. „Genau das, was wir hier im ‚Concrete Aeditor‘ im Umgang mit Spritzbeton brauchen“, sagt Maschinenbauer Roman Gerbers. Die Maschinen sind komplett eingehaust, arbeiten autonom und lassen damit, so Gerbers, einen „maximal sicheren“ Produktionsraum für die überwiegend sehr schweren Bauteile entstehen.
Roboter trägt Spritzbeton auf den Gitterstahlkorb auf.
Der Roboter im Innersten der Anlage trägt mit gleichmäßigen Bewegungen aus einer großen Düse Spritzbeton auf den Gitterstahlkorb auf. | Fotos: Kuka

Elf Meter lange Teile möglich

Die Anlage ist ausgerichtet auf verbaufertige Betonteile in Größen von bis zu 11 x 4 x 4 Metern, inklusive Bewehrung und Einbauteilen. „Mit unserem komplett schalungsfreien, automatisierten Prozess heben wir die Effizienz, den Ressourcen- und Materialeinsatz auf ein neues Level“, so Türk. Wie die ersten Ergebnisse in der Zusammenarbeit mit Pilotkunden zeigten, ergäbe sich für potenzielle Nutzer eine ganze Reihe von Vorteilen: „Der hohe Automatisierungsgrad steigert die Produktivität der heutigen Teams. Das Arbeiten ohne Verschalungen erlaubt flexible Anpassungen der Produktionsplanung. Hinzu kommt, dass der Wegfall von Schalungsmüll und ein geringerer Betonverbrauch helfen, das Klima zu schonen“, zählt Türk auf. Auch bringe der digitale Fertigungsprozess eine höhere Qualität und eine bessere Planbarkeit wegen der präzisen Simulationsfähigkeit mit sich. Betriebswirtschaftlich interessant für künftige Kunden könne auch das Pay-per-Use-Geschäftsmodell sein. Dies würde den Investitionsbedarf nutzerseitig spürbar senken.

Maximale Transparenz bei Ablauf und Kosten

„Voraussetzung für die Automatisierung und den Roboter-Einsatz im Betonbau sind eine digitale Bauteilplanung und die laufende Auswertung von Sensordaten zur Materialqualität“, sagt 3D-Software-Experte Lindemann. Über eigene Software ermögliche Aeditive seinen Nutzern, die zu druckenden Bauteile ohne besondere Vorkenntnisse digital zu erzeugen. „Die während des Produktionsprozesses erzeugten Daten helfen uns, die Anwender bei der Qualitätssicherung zu unterstützen und Verschleißprozesse vorauszuberechnen“, so Lindemann.
Als zukunftsweisend sehen die Aeditive-Experten das Building Information Modeling, BIM: Bauteilpläne werden als Datensätze automatisiert auf den „Concrete Aeditor“ übertragen und Qualitätsdaten am Ende der Produktion zurückgespielt. Der „Concrete Aeditor“, so Türk, passe als integriertes Lösungskonzept perfekt in digitale BIM-Ökosysteme der Zukunft. Wie die Technik müsse sich allerdings auch der Markt entwickeln. Viele Akteure am Bau stünden noch am Anfang der Digitalisierung.
Der zweite Roboter glättet die Oberfläche des Betonbauteils.
Der zweite Roboter glättet die Oberfläche des Betonbauteils.

Engagiert im Forschungsprojekt der RWTH

Beim Roboter-Hersteller KUKA hat die Erschließung der Baubranche einen hohen Stellenwert. „Roboter könnten künftig bei der Produktion von Gebäudekomponenten zur Anwendung kommen. Auch der Einsatz auf der Baustelle ist denkbar“, sagt Alois Buchstab, Vice President Advanced Robotic Applications. Dadurch könnten sich Produktivitätssteigerungen ergeben, die wiederum dem ständig wachsenden Bedarf an Wohnraum zugutekämen.
Schon seit einiger Zeit engagiert sich das Unternehmen beim Projekt „Internet of Construction“ der RWTH Aachen. Das Projekt befasst sich mit der Digitalisierung, digitalen Gebäudemodellen sowie der Vernetzung aller Bau-Beteiligten und hat unter anderem das Ziel, die Termintreue im Bauwesen und die Bauqualität mithilfe eines durchgängigen Informationsflusses zu steigern.


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