Die Produktivität im Bau stagniert seit Jahrzehnten und wird durch den zunehmenden Fachkräftemangel weiter gefährdet. Wenn der Sektor dem kritischen Bedarf an Wohnraum gerecht werden möchte, müssen neue Lösungen her. Einer der vielversprechendsten Anwärter: der 3D-Betondruck. Die neue Bauart birgt große Potentiale, das Bauen grundlegend zu verändern und damit schneller, kostengünstiger und effizienter zu machen – bei geringerem Personaleinsatz. Wände werden hier nicht gemauert oder geschalt, sondern vom 3D-Drucker automatisiert Schicht für Schicht aufgetragen. Die Technik hat sich bereits in zahlreichen Bauprojekten bewährt und entwickelt sich rasant weiter.
Das technologische Herzstück einer jeden 3D-Druckbaustelle ist natürlich der Drucker. Allerdings lässt sich nicht mit jedem handelsüblichen 3D-Drucker ein bewohnbares Gebäude realisieren. Folgende Anforderungen werden an die Maschine gestellt:
Drucksystem und Skalierbarkeit
Zu Beginn steht die Wahl des passenden Drucksystems. Im Bauwesen haben sich vor allem zwei Systeme durchgesetzt: Roboterarm-Drucker und Portalsysteme. Roboterarme sind meist kleiner und schneller einsatzbereit, allerdings ist der Druckbereich durch die Reichweite des Arms begrenzt. Für größere Gebäude muss der Drucker entsprechend häufig umgesetzt und neu kalibriert werden. Bei Portalsystemen wie dem COBOD BOD2 dagegen wird der 3D-Drucker um den Druckbereich herum aufgebaut. Ein Druckkopf bewegt sich hier innerhalb des Gerüsts an drei Achsen, um den Baustoff zu extrudieren. Das BOD2 System ist zudem modular konfigurierbar und kann entsprechend je nach Gebäudegröße flexibel erweitert werden. So sind Gebäudemaße bis 13,5 Metern Länge, 9 Metern Höhe und einer praktisch unbegrenzten Länge möglich, ohne den Drucker zu versetzen.
Materialkompatibilität
Im 3D-Baudruck kommen bisher in erster Linie 3D-druckfähige Betone und Mörtel zum Einsatz. Hier gibt es bereits einige Produkte verschiedener Materialhersteller, die sich in ihrer Zusammensetzung und in ihren Eigenschaften unterscheiden. Für die größtmögliche Flexibilität sollte der 3D-Drucker materialoffen sein, also nicht auf bestimmte Baustoffe limitiert sein. Diese Entscheidungsfreiheit wird auch durch die verdruckbare Körnung des Druckers festgesetzt, also die maximale Größe der im Druckmaterial enthaltenen Steine. 3D-druckfähige Baustoffe haben die Besonderheit, dass sie über eine hohe Grünstandfestigkeit verfügen müssen, um die einzelnen Schichten noch im feuchten Zustand aufeinander stapeln zu können. Gleichzeitig darf das Material nicht zu schnell abbinden, da sich die Schichten noch chemisch zu einer monolithischen Struktur verbinden können müssen. Ein verlässlicher Prozess vom Anmischen bis zur Extrusion ist also maßgeblich für den reibungslosen Bauablauf.
Druckgeschwindigkeit
Eine hohe Druckgeschwindigkeit bedeutet eine schnelle Fertigstellung der Wände und ist deshalb ein wichtiges Kriterium bei der Wahl des richtigen 3D-Druckers. Der COBOD BOD2 ist mit einer Druckgeschwindigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde der schnellste 3D-Baudrucker auf dem Markt. Wenn während der Druckzeit noch manuelle Arbeit im Druckbereich verrichtet werden soll, wie das Einsetzen von Stabilitätsankern und Leerrohren, muss die Druckgeschwindigkeit auf 25 Zentimeter pro Sekunde gedrosselt werden. Auch die Layerzeiten der verschiedenen Druckmaterialien sind zu beachten, damit die einzelnen Schichten die optimalen Eigenschaften erzielen. Anhand dieser Faktoren realisiert der COBOD BOD2 beispielsweise einen Quadratmeter Hohlwand in nur fünf Minuten.
Präzision und Flexibilität
Die Beschaffenheit der einzelnen Schichten und damit auch der 3D-gedruckten Wände wird durch den 3D-Drucker maßgeblich beeinflusst. Verschiedene Düsen bieten die Möglichkeit, die Breite, Höhe, Form und Struktur der Schichten ganz nach Wunsch zu formen. Die größte Kontrolle über das Ergebnis erhält man durch Drucker, deren Extrusionsdüse drehbar ist und die sich bei Kurven automatisch entlang des Druckpfades ausrichtet. So sind auch Düsen mit sogenannten Flaps möglich, bei denen Gleitspachteln die gedruckten Schichten bereits während des Druckvorgangs glätten, um das spätere Verputzen zu erleichtern. Systeme mit dieser Art von Tangentialkontrolle bieten Architekten und Planern die volle gestalterische Kontrolle. Für ein regelmäßigeres Druckbild und eine bessere Bedienbarkeit liefert ein Druckkopf mit Hopper zudem einen Puffer bei der Materialzufuhr.
Sicherheit und Langlebigkeit auf der Baustelle
Der 3D-Baudruck kann als reine Precast-Lösung in Betonfertigteilwerken zum Einsatz kommen. Das volle Potential der Bauweise entfaltet sich in unserer Erfahrung allerdings erst beim Einsatz direkt auf der Baustelle. Hier gibt es gleichzeitig auch einiges zu beachten. Verschiedene Sicherheitsbestimmungen müssen eingehalten werden. Der COBOD BOD2 zum Beispiel ist unter anderem CE-zertifiziert, nutzt IP67-zertifizierte Verkabelung und verzinkte Stahltrassen. Zudem sind Notabschaltknöpfe entlang des gesamten Systems verteilt, um die Bedienung auf der Baustelle so sicher wie möglich zu gestalten. Wer sich eine kostspielige Einhausung sparen möchte, sollte zudem darauf achten, dass der 3D-Drucker wind- und wetterbeständig ist und schnell gereinigt werden kann.
Nutzerfreundlichkeit und Lernkurve
Das Ziel von PERI 3D Construction ist es, Bauunternehmen mit Technologie und Know-how zu befähigen, selbst Gebäude mittels 3D-Betondruck umsetzen zu können. Dafür sollten die interessierten Unternehmen aber nicht zwangsläufig Robotik-Ingenieure im Team haben müssen. Deswegen bietet das Unternehmen Schulungen an, in welchen die Bedienung des COBOD BOD2 3D-Druckers in nur sechs Wochen gelernt werden kann. Als Basis reicht eine Ausbildung zum Maurer oder Stahlbetonbauer bestens aus. Der Drucker lässt sich direkt über einen Browserclient am Laptop oder Smartphone bedienen. So können auch kurzfristige Änderungen schnell und einfach umgesetzt werden. Sensorgestützte Assistenzsysteme wie 3D MATCONTROL bieten hier zusätzliche Transparenz und erleichtern es, auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen konstante Ergebnisse zu erzielen. Die 3D-Modelle der zu druckenden Gebäude können zudem vom Slicer in jedem herkömmlichen CAD-Format gelesen werden. So bleibt die Nutzung von der Planung bis zur Umsetzung einsteigerfreundlich.
Es lässt sich zusammenfassen, dass zahlreiche Anforderungen an den 3D-Drucker gestellt werden, um erfolgreich Gebäude drucken zu können. Und derartige Anforderungen gibt es auch an die verwendete Silomischpumpe, an das Architekturmodell, an die verwendeten Materialien und an weitere Aspekte des Prozesses. Und doch wurden all diese Anforderungen schon viele Male zu 100 Prozent erfüllt, um Gebäude im 3D-Druckverfahren umzusetzen.
All diese Anforderungen schaffen die Grundlage für eine neue Art des Bauens, die der Branche deutlich mehr Geschwindigkeit und Effizienz bieten soll. Denn der große Sprung an Produktivität, den das Baugewerbe dringend benötigt, lässt sich kaum durch langsame, inkrementelle Optimierungen erreichen – sondern nur durch radikales Neudenken, Innovation und Automatisierung. Hier an vielen Fronten hohe und durchdachte Anforderungen zu setzen, bietet heute die Basis für ganzheitliche Lösungen, die das Potenzial haben, das Bauen grundlegend zu verändern.
