Die Technologie der additiven Fertigung hat sich bereits in verschiedenen Branchen als förderlich für die Nachhaltigkeit erwiesen. Vor diesem Hintergrund widmet sich die vorliegende Bachelorarbeit der Forschungsfrage, welchen Beitrag eine Integration von additiven Fertigungstechnologien im Bauwesen zur Steigerung der Nachhaltigkeit und zur Bewältigung aktueller Herausforderungen im Bausektor leisten kann.
Zur Beantwortung dieser Frage wurden umfangreiche Recherchen in verschiedenen wissenschaftlichen Datenbanken durchgeführt, um einen umfassenden Überblick über die Anwendung der additiven Fertigung im Bauwesen zu gewährleisten.
Weltweit ist die Gebäude- und Baubranche für etwa 37% der CO2-Emissionen verantwortlich. Darüber hinaus produziert dieser Sektor jährlich weltweit etwa 100 Milliarden Tonnen Abfall. Diese Zahlen verdeutlichen die allgemeine Relevanz einer nachhaltigen Gestaltung des Baubereichs für die Verwirklichung einer nachhaltigen Zukunft.
Zusätzlich zu diesen Umweltauswirkungen sieht sich der Bausektor mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert, darunter einer stagnierenden Arbeitsproduktivität sowie einem Rückgang an Fachkräften und damit verbundenen Kapazitätsengpässen. Diese Probleme lassen sich größtenteils auf das Fehlen von Innovationen und eine unzureichende Digitalisierung im Baubereich zurückführen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Relevanz
1.2 Thematische Abgrenzung
1.3 Zielsetzung
1.4 Methodik
1.5 Aufbau der Bachelorarbeit
2 Stand der Forschung zur additiven Fertigung
2.1 Geschichtliche Entwicklung des 3D-Drucks
2.2 Klassifizierung der additiven Fertigungsverfahren
2.3 Übersicht über die additiven Fertigungsverfahren
2.3.1 Fused-Layer-Modeling (FLM)/Extrusionsverfahren
2.3.2 Selective Laser-Sintering (SLS)/Lasersinterverfahren
2.3.3 Three-dimensional Printing (3DP)/3D-Druck-Verfahren
2.3.4 Layer-Laminate-Manufacturing (LLM)/Schicht-Laminat-Verfahren
2.3.5 Stereolithography (SL)/Stereolithografieverfahren
2.4 Digitale Prozesskette der additiven Fertigung
2.5 Potentiale und Anwendungsgebiete additiven Fertigung
3 Additive Fertigung im Bauwesen
3.1 Klassifizierung der additiven Fertigungsverfahren im Betonbau
3.1.1 Selektives Binden
3.1.2 Extrusionsverfahren
3.1.3 Spritzbetonverfahren
3.1.4 Gleitschalungsverfahren
3.1.5 Auswahl der aussichtsreichsten Verfahrenstechnologie
3.2 Beispiele realisierter Projekte und Hersteller von 3D-Druck-Häusern
3.2.1 Pilotprojekte der PERI GmbH in Deutschland
3.2.2 Apis Cor
3.2.3 Pilotprojekt TECLA von WASP in Italien
3.3 Digitale Prozesskette beim additiven Gebäudedruck
3.3.1 Building-Information-Modeling
3.3.2 Potentiale von Building-Information-Modeling
3.3.3 Verknüpfung von BIM mit der additiven Fertigung im Bauwesen
4 Nachhaltigkeit im Bauwesen
4.1 Ökonomische Dimension
4.2 Ökologische Dimension
4.3 Sozikulturelle Dimension
4.4 Nachhaltigkeitspotentiale der additiven Fertigung in der Bauindustrie
4.4.1 Potentiale für die ökonomische Dimension
4.4.2 Potentiale für die ökologische Dimension
4.4.3 Potentiale für die sozikulturelle Dimension
4.4.4 Zwischenfazit
4.5 Nachhaltigkeitsverknüpfung entlang der Dimensionen
4.6 Potentiale zur Erfüllung der Sustainable Development Goals
5 Sustainability-SWOT-Analyse
5.1 Stärken
5.2 Schwächen
5.3 Chancen
5.4 Risiken
5.5 Notwendige Faktoren für eine weitreichende Implementierung der additiven Fertigung im Bauwesen
5.5.1 Standardisierung
5.5.2 Staatliche Substitutionen
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Forschungsthemen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, den aktuellen Kenntnisstand über additive Fertigung im Bauwesen zusammenzuführen und zu untersuchen, inwiefern diese Technologie eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Bauweisen darstellt. Hierfür wird analysiert, wie durch additive Fertigung sowohl ökonomische, ökologische als auch soziale Aspekte der Nachhaltigkeit verbessert werden können, um so zur Bewältigung gegenwärtiger Herausforderungen im Bausektor beizutragen.
- Additive Fertigung als Schlüsseltechnologie für ein nachhaltigeres Bauwesen
- Vergleich zwischen konventionellen Fertigungsverfahren und dem additiven Gebäudedruck
- Untersuchung der Nachhaltigkeitsdimensionen (ökonomisch, ökologisch, soziokulturell)
- Integration digitaler Planungsmethoden wie BIM in den Bauprozess
- Analyse von Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken (SWOT-Analyse) für die Implementierung
Auszug aus dem Buch
2.1 Geschichtliche Entwicklung des 3D-Drucks
Die Anfänge der additiven Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck, reichen bis ins Jahr 1980 zurück. Zu dieser Zeit patentierte Hideo Kodama, vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan, als Erster ein Verfahren, das dreidimensionale Modelle unter Verwendung von UV-Strahlen und einem lichtempfindlichen Harz herstellt. Das Patent lief jedoch aus, da das japanische Patentverfahren aufgrund finanzieller Schwierigkeiten nicht durchlaufen werden konnte (Beaman et al., 1997, p. 13).
Im Jahr 1984 patentierte Charles Hull diese Technologie erfolgreich unter dem Namen Stereolithografie (SL). Hull gründete daraufhin das Unternehmen 3D Systems, das die ersten kommerziellen 3D-Drucker im Jahr 1988 in Kalifornien herstellte (Su and Al'Aref, 2018, p. 2).
Etwa zur gleichen Zeit entwickelte Carl Deckard das Konzept des selektiven Laser-Sinterns (SLS). Deckard gründete daraufhin die Desktop Manufacturing Corporation (DTM Corp), die 1993 den 3D-Druck in die Industrie einführte (Su and Al'Aref, 2018, p. 2).
Steven Scott und Lisa Gump patentierten 1989 das sogenannte Fused Deposition Modeling (FDM). Hiermit wurde die Möglichkeit geschaffen, schnell und kostengünstig einen Prototyp aus Thermoplasten herzustellen. Mit diesem Verfahren wurde der Grundstein für die Technologie gelegt, die heutzutage im Hobbybereich genutzt wird (Su and Al'Aref, 2018, p. 2).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die globale Relevanz einer nachhaltigen Bauweise vor und formuliert die Forschungsfrage zur additiven Fertigung im Bausektor.
2 Stand der Forschung zur additiven Fertigung: Dieses Kapitel erläutert die geschichtliche Entstehung und die verschiedenen technischen Verfahren der additiven Fertigung.
3 Additive Fertigung im Bauwesen: Dieser Teil befasst sich mit der Anwendung additiver Verfahren im Betonbau, den eingesetzten Technologien und realisierten Pilotprojekten.
4 Nachhaltigkeit im Bauwesen: Das Kapitel analysiert die Nachhaltigkeitspotentiale in den drei Dimensionen Ökonomie, Ökologie und Soziokultur sowie deren Verknüpfung mittels BIM.
5 Sustainability-SWOT-Analyse: Hier werden mittels einer SWOT-Methode die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der Technologie systematisch bewertet.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das abschließende Kapitel fasst die zentralen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf künftige Forschungsbedarfe.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, 3D-Druck, Bauwesen, Nachhaltigkeit, Nachhaltigkeitsdimensionen, Betonbau, Building Information Modeling, BIM, Ressourcenoptimierung, CO2-Emissionen, Digitalisierung, Prozesskette, SWOT-Analyse, Bausektor, Innovation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potential additiver Fertigungsverfahren zur Steigerung der Nachhaltigkeit im Bauwesen und analysiert, wie diese Technologie aktuelle Herausforderungen des Sektors adressieren kann.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die Themenfelder umfassen die technischen Grundlagen des 3D-Drucks, die Anwendung im Betonbau, digitale Prozessketten wie BIM sowie eine Bewertung der Nachhaltigkeit in ökonomischer, ökologischer und sozialer Hinsicht.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand der Technik zum 3D-Gebäudedruck zu geben und zu bewerten, inwieweit er eine nachhaltige Alternative zum konventionellen Bauen darstellt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer methodischen, qualitativen Literaturrecherche in wissenschaftlichen Datenbanken, ergänzt durch die Analyse von Unternehmensprojekten für eine praxisnahe Darstellung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine technologische Bestandsaufnahme der Fertigungsverfahren, eine detaillierte Untersuchung der Nachhaltigkeitsdimensionen im Bauwesen sowie eine SWOT-Analyse zur industriellen Implementierung.
Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit?
Wichtige Schlagworte sind Additive Fertigung, Nachhaltigkeit, Gebäudedruck, BIM, Betonbau und ökonomische bzw. ökologische Prozessoptimierung.
Welche Rolle spielt BIM bei der additiven Fertigung von Häusern?
BIM dient als digitale Basis, um den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks zu planen, Daten konsistent zu verwalten und Schnittstellen für die automatisierte 3D-Druck-Steuerung zu schaffen.
Was sind die Hauptrisiken, die der Autor für den 3D-Gebäudedruck identifiziert?
Zu den Risiken zählen der Mangel an standardisierten Prüfverfahren, hohe Anschaffungskosten, fehlende einheitliche Softwarelösungen und rechtliche Unsicherheiten bzgl. der Bauzulassung.
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- Lukas Neumair (Author), 2023, Untersuchung der Nachhaltigkeit von additiv gefertigten Häusern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1443037
