Ist der 3D-Druck die Zukunft des Bauwesens?

Das letzte Jahrzehnt war geprägt von einer rasanten Entwicklung im Bauwesen. Innovationen wie Building Information Modelling (BIM), cloudbasierte Bausoftware und Offsite-Bau haben die Bühne für eine neue Ära in der Branche bereitet. Diese Innovationen machen den Bauprozess nicht nur effizienter und kooperativer, sondern ermöglichen auch die Einführung neuer Werkzeuge und Technologien.

Ein Beispiel dafür ist der 3D-Druck. 

Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung (AM), hat eine Vielzahl von Anwendungen, vor allem in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik, wo er eingesetzt wird: 

  • Herstellung komplexer geometrischer Teile
  • Prototypen erstellen
  • Herstellung von maßgefertigten Implantaten und Geräten


Der 3D-Druck steckt zwar noch in den Kinderschuhen, hat sich aber in der Baubranche bereits als vielversprechend erwiesen: Ganze Bauwerke werden bereits nachhaltiger, mit weniger Arbeitsaufwand und in einem Bruchteil der Zeit errichtet. Laut einer Studie von SmarTech wird erwartet, dass die Branche bis zum Jahr 2027 satte 40 Mrd. USD Umsatz generieren wird.

Werfen wir einen genaueren Blick auf diese Technologie, ihre Funktionsweise, ihre Geschichte und ihr Potenzial, die Architektur-, Ingenieur- und Baubranche (AEC) zu verändern.

Wie wird der 3D-Druck im Bauwesen eingesetzt?

3D-Drucker für die Bauindustrie funktionieren ganz ähnlich wie Ihr Bürodrucker. Sie werden von einem Softwareprogramm gesteuert, das dem Drucker "sagt", wie die Spezifikationen des Endprodukts aussehen sollen. Im Falle des 3D-Baudrucks können Sie in dieser Funktion computergestütztes Design (CAD) oder BIM-Programme verwenden - die Maschinen bauen die Struktur dann Schicht für Schicht auf.  

Der eigentliche Bauprozess kann auf zwei Arten ablaufen:

Vor Ort

Mit einem 3D-Drucker, der an einem Roboterarm befestigt ist, können Sie ganze Bauwerke vor Ort erstellen. In vielen Fällen wird eine Kombination aus manuellen und automatisierten Verfahren eingesetzt, wobei der 3D-Druck von Beton den größten Teil der Struktur abdeckt.

Offsite

Bei dieser Methode werden verschiedene Bauelemente außerhalb des Standorts (z. B. in einer Fabrik) gedruckt und zur späteren Montage vor Ort transportiert. 

Innerhalb des 3D-Konstruktionsdrucks gibt es bestimmte Segmente, die schneller wachsen als andere. Hier sind nur ein paar Beispiele:

Schnell wachsende 3D-Konstruktionsdruckverfahren

3D-Druck durch Extrusion

Beim 3D-Extrusionsdruck, auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM), wird Material durch eine Düse "extrudiert" und in Schichten aufgetragen, um eine 3D-Struktur zu erzeugen. Diese Methode wird häufig im Bauwesen vor Ort eingesetzt und funktioniert mit Materialien wie Geopolymer, Beton, Zement, Ton und Gips.

Pulvergebundener 3D-Druck

Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Schichten einer Struktur aus Pulver hergestellt, wobei Flüssigkeit als Bindemittel dient. Es ist besonders nützlich für den Bau von dauerhaften, leichten und hitzebeständigen Strukturen, was zweifellos zu seiner hohen Nachfrage beiträgt. 

Schnell wachsende Materialien für den 3D-Druck

3D-Druck von Beton

Mit Vorteilen wie geringeren Kosten, weniger Arbeitsaufwand, höherer Geschwindigkeit und gesteigerter Produktivität ist es leicht zu erkennen, warum der 3D-Druck von Beton eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Verfahren darstellt. Darüber hinaus ist es weniger kostspielig, doppelt gekrümmte Oberflächen und organische Geometrien zu erstellen. Es wird erwartet, dass allein dieses Segment bis 2027 einen Wert von über 40 Mio. $ erreichen wird.

3D-Druck von Metall

Die Verwendung von Metall für den 3D-Konstruktionsdruck ermöglicht komplexere Formen und funktional abgestufte Elemente durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen. In den meisten Fällen wird es für die Gestaltung von Fassadenknoten und anderen Verbindungen verwendet.

3D-Konstruktionsdruck: Eine kurze Geschichtei

Beginnen wir ganz am Anfang, bevor wir überhaupt davon träumten, dass der 3D-Druck im Bauwesen eingesetzt werden könnte.

Der 3D-Druck begann in den 1980er Jahren mit der Erfindung der ersten additiven Technologie: der Stereolithografie, kurz SLA. Beim SLA-Verfahren werden Gegenstände Schicht für Schicht hergestellt, wobei ein leistungsstarker Laser flüssiges Harz in ein festes Material verwandelt. Die erste praktische Anwendung war die Herstellung schneller und präziser Teile für den Prototypenbau. In den folgenden Jahren kamen einige neuere Verfahren hinzu, darunter:

Selektives Laser-Sintern (SLS) 

Ein industrielles 3D-Druckverfahren, bei dem Strukturen mithilfe eines Hochleistungslasers erzeugt werden, der kleine Polymerpulverpartikel zu einer festen Struktur verschmilzt. Dabei werden digital geschnittene CAD-Modelle Schicht für Schicht nachgezeichnet und von Grund auf neu aufgebaut. 

Fused Deposition Modeling (FDM) 

Dies ist die bereits erwähnte Extrusionsmethode. Diese Drucker erzeugen in der Regel 3D-Objekte, indem sie ein Material (z. B. thermoplastisches Filament) erhitzen, es schmelzen und dann Schicht für Schicht extrudieren, um die gewünschte Form zu erhalten. 

Direkte Metallabscheidung (DMD) 

Bei diesem Verfahren wird pulverförmiges Metall mit Hilfe eines Lasers Schicht für Schicht in ein festes Metallobjekt umgewandelt. 

Mit der Entwicklung der 3D-Drucktechnologie haben sich auch ihre Anwendungsmöglichkeiten weiterentwickelt. Eine der ersten Anwendungen in der Architektur-, Ingenieur- und Baubranche (AEC) war die Erstellung maßstabsgetreuer Modelle von Gebäuden und anderen Strukturen. Später, als BIM in der Branche immer mehr an Bedeutung gewann, wurde auch der 3D-Druck im Bauwesen eingesetzt. 

In den 90er Jahren experimentierten bereits mehrere Organisationen mit dem 3D-Druck, um modulare Komponenten und sogar komplette Projekte zu erstellen. Doch erst in den 2000er Jahren ging es mit dem 3D-Druck im Bauwesen richtig los. Hier eine kurze Zeitleiste mit einigen der wichtigsten Meilensteine:

2004 - Die erste 3D-gedruckte Wand

Professor Behrokh Khoshnevis von der University of South Carolina hat eine ganze Wand bedruckt. Sein großes Ziel? Ein ganzes Haus zu bedrucken! Für seine Bemühungen erhielt er den Hauptpreis von 20.000 $ aus dem "Create the Future"-Wettbewerb der Zeitschrift NASA Tech Briefs. Sein Beitrag trug den treffenden Namen "Robotic Building Construction by Contour Crafting".

2014 - Ein 3D-gedrucktes Grachtenhaus

Dies war der Beginn eines "Research & Design by Doing" -Projekts, bei dem ein internationales Team von Partnern zusammenkam, um an dem ehrgeizigen Projekt zu arbeiten, ein Grachtenhaus in Originalgröße in Amsterdam zu drucken. Das Ziel? Das Potenzial der 3D-gedruckten Architektur zu demonstrieren.

2016 - Ein 3D-gedrucktes Herrenhaus

Das chinesische Unternehmen HuaShang Tenda baute dieses zweistöckige, 4.305 Quadratmeter große Haus in nur 45 Tagen. Nachdem der Dachstuhl, die Rohrleitungen und die Verkabelung verlegt waren, wurde der Rest mit Beton und einem computergesteuerten Drucker gedruckt. Das Haus ist Berichten zufolge erdbebensicher und umweltfreundlich und zeigt einmal mehr das Potenzial des 3D-Drucks.

2016 - Ein 3D-gedrucktes "Büro der Zukunft"

Das Gebäude, das die Dubai Future Foundation beherbergt, wurde in 17 Tagen mit einem 3D-Großdrucker mit den Maßen 120 x 40 x 20 Fuß gebaut. Ein echter Meilenstein in der Geschichte des 3D-Baudrucks.

In den darauffolgenden Jahren gab es keine Anzeichen für eine Verlangsamung des 3D-Baudrucks, denn die Strukturen wurden immer größer, zahlreicher und komplizierter. Anfang dieses Jahres enthüllte die Stadt Nimwegen die nach eigenen Angaben längste 3D-gedruckte Brücke der Welt - eine Betonkonstruktion mit einer beeindruckenden Spannweite von 29 Metern.

Im Jahr 2021 wurden außerdem spannende Projekte abgeschlossen:

Die Nachfrage in der Industrie nach 3D-Konstruktionsdruck wird weiter steigen, angetrieben durch die zunehmende Nachfrage nach Kosteneffizienz, Präzision, Reproduzierbarkeit, weniger Abfall und Nachhaltigkeit. 

Die Vorteile des 3D-Konstruktionsdrucks 

Hier sind nur einige der Vorteile des 3D-Konstruktionsdrucks:

Abfallreduzierung und Kosteneffizienz

Während bei konventionellen Bauverfahren in der Regel mehr Material bestellt wird, als benötigt wird, werden beim 3D-Druck genau die Materialien verwendet, die für die Fertigstellung des Bauwerks erforderlich sind. Das macht den Bauprozess besser planbar und viel weniger verschwenderisch. 

Durch die Automatisierung eines Teils des Prozesses kann auch ein Teil der Arbeitskosten eingespart werden. 

Zeitersparnis

3D-Konstruktionsdrucker können 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche arbeiten, so dass Bauwerke auf der ganzen Welt innerhalb weniger Tage errichtet werden können. Dies ist wesentlich schneller als herkömmliche Methoden, die je nach Größe des Gebäudes Monate oder sogar Jahre dauern können. 

Nachhaltigkeit

3D-gedruckte Strukturen können mit Materialien hergestellt werden, die vollständig organisch und umweltfreundlich sind. Dazu gehören Bambus, Ton und sogar recycelte Materialien, die normalerweise im Abfall landen würden. Viele 3D-Drucker arbeiten auch mit Solarenergie, was zu weniger Kohlenstoffemissionen führt. 

Flexibilität

Der 3D-Konstruktionsdruck gibt Architekten die Freiheit und Flexibilität, komplexe Entwürfe zu erstellen, die mit herkömmlichen Methoden zu schwierig, zu teuer oder zu arbeitsintensiv wären (z. B. gebogene Wände und einzigartige Fassaden).

Geringere menschliche Fehler 

Eine stärkere Automatisierung des Bauprozesses durch den 3D-Druck würde die Zahl der Unfälle und Todesfälle, die bei herkömmlichen Methoden auftreten, verringern. Auch einige der kostspieligen Fehler, die auf menschliches Versagen zurückzuführen sind, werden dadurch reduziert. 

Die Grenzen des 3D-Konstruktionsdrucks 

Wie die meisten Technologien, die sich noch im Anfangsstadium befinden, ist auch der 3D-Konstruktionsdruck noch verbesserungswürdig. Hier sind nur einige seiner Grenzen:

  • Es kann eine teure Erstinvestition sein.
  • Sie erfordert besondere Fähigkeiten, und Menschen mit dem richtigen Know-how sind sehr gefragt.
  • 3D-gedruckte Konstruktionen erfordern nach wie vor manuelle Arbeit für Klempnerarbeiten, Gerüstbau und Verkabelung.,

Darüber hinaus gibt es immer noch einen Mangel an Vorschriften für den 3D-Baudruck, so dass das Baugewerbe in einigen Bereichen immer noch in der alten Art und Weise feststeckt, Dinge zu tun. 

Die Zukunft des 3D-Baudrucks

Obwohl der 3D-Baudruck noch in den Kinderschuhen steckt, ist es nur eine Frage der Zeit, bis die richtigen Fortschritte und Vorschriften ins Spiel kommen und die Technologie wirklich durchstarten kann. In Kombination mit BIM sind die Möglichkeiten in der Bauindustrie schier endlos. 

Das Interesse, die Nachfrage und das Bewusstsein werden zweifellos weiterhin durch die Fähigkeit des 3D-Baudrucks, Projekte schneller, nachhaltiger und mit weniger Abfall zu realisieren, angeheizt werden. Unternehmen haben bereits damit begonnen, mit 3D-gedruckten Strukturen aus Materialien wie Lehm, recyceltem Kunststoff und Bambus zu experimentieren. 

Auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist von Interesse, denn viele hoffen, dass erschwingliche 3D-gedruckte Häuser zur Behebung des Wohnungsmangels beitragen können. Die Geschwindigkeit und Effizienz des 3D-Baudrucks macht ihn auch zu einer attraktiven Lösung für die Bereitstellung von Katastrophenhilfe, Flüchtlingsunterkünften und sozialer Infrastruktur (z. B. Schulen) für Menschen in Not.


Es wurde sogar schon über das Potenzial von 3D-gedruckten Strukturen im Weltraum gesprochen. Im Jahr 2019 vergab die NASA 2.061.023 $ an die Gewinner ihrer 3D-gedruckten Habitat Challenge. Dabei handelt es sich um einen mehrstufigen Wettbewerb, bei dem ein 3D-gedrucktes Habitat für die Erforschung des Weltraums entwickelt werden sollte.

Angesichts der vielen aufregenden Möglichkeiten, die sich am Horizont abzeichnen, kann man davon ausgehen, dass der 3D-Baudruck eine wichtige Rolle in der Zukunft der Bauindustrie spielen wird.   

Autor:
Renè Strack
Technischer Vertrieb