3D-Druck mit Beton macht Fortschritte

MÜNCHEN, 05.01.2018 – Der 3D-Druck ermöglicht neue Freiheiten in der Formgebung mit Beton. An der Technischen Universität München werden zurzeit verschiedene Verfahren getestet. Erstmals ist es jetzt gelungen, filigrane, bionische Strukturen aus Beton zu drucken.

Betondrucker fertigt Wandelemente
Eines der größten Testobjekte, die im Rahmen des Forschungsprojekts im Extrusionsverfahren entstanden sind, ist ein Wandelement mit Abmessungen von 150 cm x 50 cm x 93 cm.

Auf dem Schreibtisch von Dr. Klaudius Henke steht ein Prototyp eines mit 3D-Druck gefertigten Bauteiles: eine 20 Zentimeter hohe, dünnwandige Betonröhre, in deren Innerem sich filigrane Verstrebungen befinden, die das Gebilde stabilisieren. „Vorbild für den Entwurf waren Vogelknochen, die sehr dünn und leicht, aber trotzdem stabil sind“, sagt der Forscher vom Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion der TUM. Materialuntersuchungen haben gezeigt, dass das bionische Bauteil Kräften von 50 Newton pro Quadratmillimeter standhält. Damit ist das gedruckte Material genauso stabil wie normal gegossener Beton.
Auf herkömmliche Weise wäre die Röhre mit ihren dünnen Verstrebungen kaum herstellbar. Für die Fertigung wurde ein neues Verfahren eingesetzt, das „selektive Binden“. Dünne Sandschichten werden Lage für Lage genau an den Punkten, an denen die massive Struktur entstehen soll, mit einem Gemisch aus Zement und Wasser getränkt. Nach dem Abbinden aller Schichten lässt sich der überschüssige Sand entfernen, übrig bleibt die gewünschte Betonstruktur.

Drucker braucht viel Platz

Die TUM-Forscher mussten allerdings zunächst eine Anlage für das selektive Binden bauen. Der überdimensionale Drucker füllt einen ganzen Laborraum: Über eine automatische Streuvorrichtung wird Sand aufgebracht. Ein dreidimensionales Schienensystem sorgt dafür, dass der Druckkopf jeden beliebigen Punkt im Raum ansteuern und eine Düse die gewünschten Stellen befeuchten kann. Drei Jahre lang haben die Forscher an dem Verfahren getüftelt: Der Erfolg hängt u.a. ab von der Dicke der Schichten, der Korngröße des Sandes, der Geschwindigkeit, mit der sich der Druckkopf bewegt und der Auswahl der Düsen.
Derzeit entwickelt das Team mit Partnern aus der Industrie einen 3D-Drucker, dessen Druckkopf mit mehreren tausend Düsen ausgestattet sein soll. Mit dem Gerät können dann erstmals Bauteile von etwa zehn Kubikmetern gefertigt werden. „Das reicht, um freigeformte, geschosshohe Bauteile zu fertigen“, so Henke. Die ersten Probeläufe starten voraussichtlich schon 2018.

Rohr mit Doppelverstrebung
Rohr mit Doppelverstrebung, hergestellt durch selektives Binden. | Fotos: K. Henke/TUM, Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion

Aus Strängen werden Wände

Dutzende von Teams wetteifern weltweit um die besten Verfahren zur additiven Fertigung von Betonteilen. Das selektive Binden ist nur eines davon. Eine Alternative ist das Extrusions-Verfahren, mit dem sich schon fertig gemischter Beton verarbeiten lässt. Auch diese Methode des 3D-Drucks haben die Forscher untersucht und optimiert: „Der Vorteil liegt hier vor allem in der hohen Baugeschwindigkeit. Durch die Wahl der Materialkomponenten und durch die Ausbildung von inneren Hohlraumstrukturen lassen sich multifunktionale Bauteile herstellen“, erklärt Henke. Die Zugabe von Holzspänen beispielsweise sorgt für integrierte Wärmedämmung.
Für die Verarbeitung des neuen Holz-Leichtbetons haben die Forscher an der TUM eine Extrusions-Anlage entwickelt: Die Mischung aus Zement, Holz und Wasser wird über eine Düse an einem Roboterarm zu etwa 2 Zentimeter dicken Strängen geformt. Der Roboter legt die Stränge so aufeinander, dass sich die gewünschte Struktur bildet.

Mit Hilfe dieses Verfahrens konnte das Team bereits einen 1,5 Meter breiten und 1 Meter hohen Prototypen aus Holz-Leichtbeton fertigstellen, der so belastbar und wärmedämmend ist wie handelsüblicher Porenbeton. Einziger Nachteil: eine raue Oberfläche – man erkennt deutlich die Stränge, aus denen die Wände aufgebaut sind.