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3D-Druck mit der Betonspritze
Robotertechnologie soll das Bauen beschleunigen und verbilligen
Der Wohnungsmangel in den großen Städten hat der Bauindustrie hierzulande mehr Aufträge verschafft, als sie bewältigen kann. Mancher redet schon von der Wiederkehr der Plattenbauweise. Doch längst wird nicht mehr nur mit Ziegelsteinen, Stahl oder Beton gebaut. Der alte Werkstoff Holz kommt mit neuen Bautechniken wieder stark ins Geschäft und beim Beton tut sich auch einiges. Längst schon wird eine Variante der Plattenbauweise genutzt – die Elementplatte, die vor Ort mit Beton fertig gegossen wird. Und seit einigen Jahren arbeiten Forschungseinrichtungen und Unternehmen an der Anwendung des 3D-Drucks im Bauwesen. Der kann statt mit Kunststoffen oder Metall auch mit Beton arbeiten.
Die Möglichkeiten …
Ähnlich wie beim 3D-Druck mit Kunststoffen kommt auch hier der Werkstoff aus einer computergesteuerten Düse. Auf der Baustelle allerdings kommt Beton aus der Düse, und der ganze »Drucker« ist ein paar Nummern größer. Die Druckerdüse bewegt sich auf einem Metallrahmen in drei Achsen, exakt entsprechend dem vorprogrammierten Ablauf. Damit können sie jeden beliebigen Punkt innerhalb ihres Systems erreichen. Gearbeitet wird dabei nach dem Prinzip Schicht-auf-Schicht, das heißt, dass eine Wand nicht in einem Stück gegossen wird, sondern in mehreren Lagen entsteht. Das Computerprogramm berechnet, wie lang und dick die Schichten sein sollen und in welcher Reihenfolge sie gelegt werden. Dabei muss auch berücksichtigt werden, wie schnell der Beton bindet. Das Problem dürfte Heimwerkern geläufig sein, die schon mal größere Löcher in einer Wand mit Mörtel verschließen mussten – sie müssen langsam gefüllt werden, damit das Material binden und sich stabilisieren kann.
Die dänische Baufirma 3DCP hat sich auf die neue Technologie spezialisiert und sie auf Grund gesammelter Erfahrungen so weit optimiert, dass sie statt der üblichen zwei Zentimeter dicken Schichten vier Zentimeter dicke auftragen kann. Die tragenden Wände werden entweder doppelt gegossen mit einem Zickzackmuster zwischen den beiden Wänden zur Verstärkung oder traditionelle Säulen mit üblicher Armierung eingesetzt. Auf diese Weise lassen sich nahezu beliebig geformte Mauern gestalten. Vorausgesetzt natürlich, dass der Bauherr willens ist, für die Fantasie des Architekten zu bezahlen. Der Drucker muss nur zu Beginn und nach einem Probelauf kalibriert, das heißt eingestellt werden, und schafft bis zu 100 Zentimeter per Sekunde. Während des Auftragens der Schichten kann das Material geändert werden, wenn Stabilitäts- oder Isolationsforderungen sich ändern. Auch können Farbzusätze eingegeben werden, um die Ästhetik zu verbessern. Kurz gesagt müssen Betonbauten nicht langweilig-rechtwinklig aussehen.
… die Grenzen …
3DCP hat auch eine Lösung gefunden für die Decken. Die werden ja nicht nur durch Druck belastet wie die Wände. Deshalb stecken in Betondecken in der Regel Stahlstäbe, die die Zugbelastungen aufnehmen. Bisher mussten daher entweder Schalungen für den Guss der Deckenplatten aufgebaut werden oder passende Elementplatten, die bereits mit Stahlbewehrung vorproduziert wurden, auf die Wände aufgelegt und mit Beton ausgegossen werden. Bei 3DCP werden mit speziellem Beton die Umrisse der Stützen gedruckt und anschließend mit Beton gefüllt. Auf diese wird mit dem Autokran eine netzförmige Stahlbewehrung aufgelegt und nachfolgend mit Beton bedeckt. Wie genau das Ganze funktioniert, wollte 3DCP-Mitgründer Mikkel Brich nicht näher erläutern. Die Spannweite ist bei dem Verfahren auf drei Meter beschränkt.
Der Druck- beziehungsweise Bauprozess stellt hohe Anforderungen an die Logistik, denn der Beton muss kontinuierlich frisch abgeliefert werden. Einmal begonnen, sollte der Prozess nicht unterbrochen werden, bis das gesteckte (Tages-)Ziel erreicht ist. Unter diesen Bedingungen kann ein kleineres Gebäude von etwa 40 m2 Wohnfläche – in der Branche »Tiny House« genannt – an einem Arbeitstag innerhalb von acht bis zehn Stunden rohbaufertig sein. Obwohl es einzelne höhere Testbauten gibt, ist die gegenwärtige maximale Gerüsthöhe auf drei Bauwerke beschränkt. Die Pumpen, die den Beton durch Schläuche zum Druckkopf schicken, können den für größere Höhen nötigen Druck nicht ohne weiteres erzeugen. Theoretisch mögliche Lösungen sind bisher unrentabel und verlangen zu viel Platz.
… und die Aussichten
Das 3D-Drucken beim Bau wird gelegentlich als Möglichkeit bezeichnet, die Wohnungsnot in der Dritten Welt zu beheben. Doch die Kosten der Technik ebenso wie die notwendige Logistik setzen gegenwärtig Grenzen. Dazu kommt, dass die optimale Temperatur für den Beton zwischen zehn und 30 Grad Celsius liegt. Bei höheren Temperaturen muss dem Beton extra Wasser zugeführt werden, um ihn plastisch zu halten, was in wasserarmen Gebieten eine zusätzliche Herausforderung wäre. Auch zu niedrige Temperaturen erhöhen den Aufwand. Bei unter fünf Grad muss ein Bauzelt aufgestellt werden, damit der Raum erwärmt werden kann, um ein vorzeitiges Erstarren des Betons zu verhindern. Dieses Problem ist allerdings kein spezifisches Problem des 3D-Drucks, es tritt bei allen Betonarbeiten auf.
Die Experten sind sich gegenwärtig uneinig, welche Perspektiven 3D-Druck auf dem Bau hat. Einstweilen ist er wohl eine Nischentechnologie – sowohl von der Anzahl der damit errichteten Bauten als auch bei den praktischen Möglichkeiten. Bisher wurden vorzugsweise Häuser gebaut, die etwa ein Drittel der Größe eines klassischen Einfamilienhauses haben. Der Marktführer COBOD, ein dänisches Unternehmen, bietet einen Roboter an, der ein Haus mit 170 Quadratmetern Grundfläche innerhalb von 26 Stunden bauen kann. Mit einem Preis von etwa 2,5 Millionen Euro muss der »Drucker« allerdings auch gut ausgelastet sein, um die Investition rentabel zu machen. Positiv zu Buche schlägt, dass die Bedienung durch zwei Personen ausgeführt werden kann und der Roboter so programmiert werden kann, dass andere Gewerke innerhalb des Grundrisses arbeiten können, ohne die Auflagen des Arbeitsschutzes zu verletzen. Dies betrifft unter anderem die Verlegung von Rohren oder elektrischen Leitungen, was bei guter Planung zu erheblichen Zeiteinsparungen führt.
Der Erfolg von COBOD und, darauf aufbauend, 3DCP hat nicht nur mit enger Verbindung zur Forschung an zwei technischen Universitäten zu tun. Auch die finanzielle Unterstützung durch ein Technologieprogramm der dänischen Regierung tat ein übriges.
3D-Druck kann nicht nur beim Bauen in städtischen Randlagen eingesetzt werden, sondern auch in Gebieten mit dichter Bebauung, da kein Kran benötigt wird. Die Verdichtung der Bebauung kann damit vorangetrieben werden. Die Technologie ist insgesamt so ausgereift, dass die geltenden EU-Bauvorschriften eingehalten werden, aber private Bauherren sind zumindest in Dänemark noch zurückhaltend. Daher sind es meistens Kommunen oder staatliche Auftraggeber, die der neuen Technologie mit Aufträgen den Weg ebnen.
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