Mobiler 3D-Druck als innovative Alternative zur Erstellung von Bauwerken

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Grundlegung der Arbeit
1.1 Gegenstand der Arbeit
1.2 Aufbau und Zielsetzung der Arbeit
1.3 Themenabgrenzung

2 Gegenwärtige Situation der deutschen Bauindustrie
2.1 Hohe Nachfrage nach Wohnraum und Kapazitätsengpässe
2.2 Fehlende Automatisierung und stagnierende Arbeitsproduktivität
2.3 Innovationshemmnisse und Potenziale der Digitalisierung

3 Funktionsweise des 3D-Gebäudedrucks
3.1 Historie
3.2 Technische Methoden
3.3 Aktueller Stand der Anwendungspraxis

4 Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen konventionellem Bau und 3D-Gebäudedruck
4.1 Arbeitskräfte
4.2 Qualität
4.3 Bauablauf und Bauzeit
4.4 Baukosten und Bauzeit
4.5 Nachhaltigkeit
4.6 Einsatzbereiche

5 Ergebnisanalyse
5.1 SWOT-Analyse
5.2 Notwendige Faktoren für die Implementierung der 3D-Druck Methode

6 Schlussfolgerung

Literaturverzeichnis

Anlage: Detaillierte Zusammensetzung des TUD Mix 1 mit Ökobilanz

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Fachkräftemangel als Risiko für die eigene wirtschaftliche Entwicklung in Prozent

Abb. 2: Megatrends Nachhaltigkeit und Digitalisierung

Abb. 3: Kenntnisstand Digitalisierungsthemen

Abb. 4: Contour Crafting Drüse

Abb. 5: Konstruktion eines konventionellen Gebäudes durch Contour Crafting

Abb. 6: Mit D-Shape Methode gedruckte Säulen

Abb. 7: CyBe RC 3D Betondrucker

Abb. 8: CONPrint3D Autobetonpumpe

Abb. 9: Diagramm Arbeitsunfälle Deutschland

Abb. 10: Konventionelle Baustelle

Abb. 11: Contour Crafting Baustelle

Abb. 12: Erwerbsanteil nach Geschlecht

Abb. 13: Druckfestigkeitsprüfung vertikal (V), horizontal (H1) und horizontal (H2)

Abb. 14: Ergebnisse Druckfestigkeitsprüfung

Abb. 15: Biegezugfestigkeitsprüfung vertikal (V) und horizontal (H1)

Abb. 16: Ergebnis Biegefestigkeitsprüfung

Abb. 17: Workflow 3D Druckprozess

Abb. 18: STL Format, konstante Schichtdicke und adaptive Schichtdicke eines 3D Modells

Abb. 19: Baustelleneinrichtung 3D-Drucker

Abb. 20: Schalungsdruck für Fundamente

Abb. 21: Bewehrungseinlage in Fundamentschalung

Abb. 22: Verfüllung der Streifenfundamente

Abb. 23: Schutzversiegelung

Abb. 24: Wanddruck Apis Cor

Abb. 25: Bewehrungseinlage in Wand Apis Cor

Abb. 26: Einbau von Stürzen Apis Cor

Abb. 27: Druckkopf und Prinzipdarstellung des Druckvorgangs

Abb. 28: Grundriss Beispiel

Abb. 30: Apis Cor Wandaufbau Innenwände (oben) und Außenwände (unten)

Abb. 30: Zusammensetzung Abfall Rohbau in M.-%

Abb. 31: Übergang von digitaler Planung zu digitaler Fertigung

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Wahl und Einfluss der Materialien auf verschiedene Aspekte der Betontechnologie

Tab. 2: Materialzusammensetzung Druckbeton

Tab. 3: Bauzeitenvergleich konventionellem KS Mauerwerk und Apis Cor Wanddruck

Tab. 4: Kostenvergleich konventionellem KS Mauerwerk und Apis Cor Wanddruck

Tab. 5: Bauzeitenvergleich konventionellem KS Mauerwerk und CONPrint3D Wanddruck

Tab. 6: Kostenvergleich konventionellem KS Mauerwerk und CONPrint3D Wanddruck

Tab. 7: Baustoffprofile Ökobilanz

Tab. 8: Überwiegend verwendete Baustoffe in Wohngebäuden 2017

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Grundlegung der Arbeit

1.1 Gegenstand der Arbeit

Die Baubranche hat sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert. Es gibt riesige Bauprojekte mit immer größer werdenden Wolkenkratzern, immer länger werdenden Brücken und immer futuristischeren Formen. Aber das tägliche Baugeschäft und die Art wie wir bauen, ist abgesehen von einigen innovativen Materialien und Techniken ziemlich gleichgeblieben. Das könnte sich bald ändern. Der 3D-Druck, der bisher nur für die Herstellung von Gebäudemodellen eingesetzt wurde, könnte die Art und Weise, wie unsere Baukonstruktionen gebaut werden, drastisch verändern. In den letzten Jahren wurden 3D-Drucker entwickelt, die auf der Baustelle mit Beton Gebäude drucken können. Nach kurzer Zeit wurden weltweit Videos viral, die zeigen, wie ein Drucker in einem Tag ein ganzes Gebäude druckt. Es wird mit niedrigeren Kosten, höherer Genauigkeit und weniger Abfall geworben. Doch was steckt hinter dieser neuen Technologie?

1.2 Aufbau und Zielsetzung der Arbeit

Die Thesis wird mit einer Analyse der Gegenwärtigen Bauwirtschaft eingeleitet. Sie bildet die Grundlage für die Notwendigkeit von Innovationen im täglichen Baugeschäft. Dabei wird zum einen auf die hohe Nachfrage nach Wohnraum bei gleichzeitigen Kapazitätsengpässen eingegangen, die aus der geringen Automatisierung und der stagnierenden Arbeitsproduktivität resultieren. Anschließend wird beschrieben, was der Grund für die Innovationsschwäche der Baubranche sein könnte und welche Potenziale die Digitalisierung für diese birgt. Der 3D-Druck wird als einer der zukünftigen Digitalisierungstrends betrachtet.

Daraufhin wird die 3D-Druck Technologie für den Baubetrieb erklärt. Angefangen bei der Entwicklung über die letzten Jahre werden die drei grundlegenden Betondruckmethoden beschrieben, auf welche alle folgenden Methoden zurückgehen. Letztendlich wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Anwendungspraxis durch die kurze Vorstellung einiger Unternehmen und Projekte gegeben.

Den Hauptteil bildet der Vergleich zwischen der konventionellen Bauweise und dem 3D-Gebäudedruck. Der Vergleich ist unterteilt in die Bereiche Arbeitskräfte, Qualität, Bauablauf, Baukosten und -zeit, Nachhaltigkeit und Einsatzbereiche. Nur die Faktoren, die sich zwischen den beiden Methoden signifikant unterscheiden, werden hierbei genauer betrachtet, um so die Stärken und Schwachpunkte besser herauszukristallisieren.

In der Ergebnisdiskussion wird eine SWOT-Analyse durchgeführt, in der die Ergebnisse des Vergleichs zusammengefasst und im Zusammenhang mit den externen Chancen und Risiken analysiert werden. Schlussendlich werden die hindernden Faktoren für die Einführung des 3D-Drucks in die Bauindustrie beschrieben und eine abschließende Aussage, sowie ein Ausblick über die Verwendung der Methode als Alternative zur Erstellung von Gebäuden getroffen.

Ziel dieser Arbeit ist es im ersten Schritt die derzeit vorhandenen Informationen über den 3D-Betondruck zu bündeln und weitestgehend zu erläutern, um einen Überblick über diese neuartige Methode mit Konzentration auf die im Vergleich genannten Bereiche zu erlangen. Da diese Gebäudeerstellungsmethode noch sehr neu ist und vielfach noch im Forschungsprozess steckt, gibt es bisher nur rudimentäre wissenschaftliche Literatur, welche die Methode in ihrer Gesamtheit betrachtet. Diese Arbeit soll hierfür einen Ansatz leisten.

Im zweiten Schritt wird das Ziel verfolgt, eine abschließende Aussage darüber zu treffen, inwiefern der 3D-Betondruck auf Grundlage der verfügbaren Informationen eine Alternative zur konventionellen Gebäudeherstellung darstellt. Dabei sollen die hemmenden sowie auch die fördernden Faktoren bei der Einführung betrachtet und auf ihre Wirkung hin beurteilt werden.

1.3 Themenabgrenzung

Der 3D-Druck von Bauteilen beschränkt sich längst nicht nur auf Beton. Mittlerweile gibt es Verfahren, bei denen Reisstroh, Holzleim und andere Materialen für den Gebäudedruck verwendet werden. Da mit der Vielzahl an Materialien auch eine Vielzahl an Druckmethoden und Eigenschaften einhergehen, würde es die Komplexität der Masterthesis überschreiten all diese mit in einen Vergleich einzubeziehen. Deshalb werden im Folgenden lediglich betonartige Materialien und deren Druckverfahren behandelt.

Es wäre ebenfalls denkbar, den 3D-Betondruck mit der Plattenbauweise zu vergleichen, bei der Gebäude aus in Fabriken vorgefertigten Betonplatten zusammengefügt werden. Die Baukosten von Wohn- und Bürogebäuden, die als Plattenbauten errichtet werden, sind in der Regel jedoch höher als die von Bauwerken, die in Mauerwerksbau errichtet werden. Das liegt daran, dass Stahlbetonbau teurer ist, als Mauerwerksbau. Dazu kommt, dass Verbindungselemente aus Edelstahl herzustellen sind, die sperrigen Platten über zum Teil weite Entfernungen transportiert werden müssen und der gesamte Planungsprozess vor der Fertigung im Werk abgeschlossen sein muss. Deshalb werden bei individuell gefertigten Gebäuden lediglich die Decken, Dachplatten und Treppenhäuser im Werk gefertigt. Dementsprechend werden Wände von Wohn- und Bürogebäude immer noch hauptsächlich mit Mauerwerk errichtet. Der Vergleich von konventioneller (Mauerwerks-)Bauweise und mobiler 3D-Druckbauweise bei Wohn- und Bürogebäuden ist in diesem Falle folglich passender.

Beim Bau von Hallen und Fabriken ist die Verwendung von vorgefertigten Bauteilen üblich, da diese meist keine hohen individuellen Anforderungen habe. Aus dem Grund wird in der folgenden Arbeit der Bau von industriellen Bauwerken vernachlässigt. Dies schließt nicht aus, dass die 3D-Betondruckweise nicht auch vorteilhaft für den Einsatz in diesem Bereich wäre.

Der 3D-Betondruck kann ebenfalls in Fabriken zur Vorfertigung von Bauteilen angewandt werden. In dieser Arbeit soll aber aus den zuvor genannten Gründen allein der mobile 3D-Betondruck auf der Baustelle betrachtet werden.

2 Gegenwärtige Situation der deutschen Bauindustrie

Derzeit erlebt der Bau in Deutschland einen Aufschwung wie viele Jahre nicht und das dürfte sich in den kommenden Jahren höchstwahrscheinlich auch nicht ändern. Gleichzeitig nehmen die Kapazitätsengpässe auf der Seite des Baugewerbes stetig zu. Dazu stagniert die Produktivität der Branche seit langer Zeit. Bei der Suche nach Lösungen ruhen die Hoffnungen immer stärker auf den Trends der Digitalisierung. Vereinzelnd sind schon heute einige digitale Technologien im Einsatz. Bis zur flächendeckenden Anwendung und dem allgemeinen Bewusstsein über die Notwendigkeit von diesen Technologien dürfte jedoch noch einige Zeit vergehen.¹

2.1 Hohe Nachfrage nach Wohnraum und Kapazitätsengpässe

Der Wohnungsbau profitiert seit einiger Zeit von der hohen Nachfrage nach Wohnraum. Grund dafür ist der demografische Wandel. Während im bundesdeutschen Durchschnitt die Bevölkerung schrumpft, verzeichnen die Großstädte beständig steigende Einwohnerzahlen. Vornehmlich gut ausgebildete junge Menschen wandern aus ländlichen Regionen in die Großstädte, aber auch zunehmend jüngere Senioren, da die Gesundheits-, Freizeit- und Kulturangebote attraktiver sind als auf dem Land. Weitere Gründe sind vor allem aber auch die niedrigen Zinsen und das steigende Einkommen. Dieses Wachstum wird in den kommenden Jahren nur leicht aufgrund vom Mangel an Bauflächen sowie den hohen Baukosten abflachen.²

Das Wachstum im Wohnungsbau hängt neben anderen Faktoren in hohem Maße von der Verfügbarkeit der Handwerker ab. Die Zahl der Beschäftigten hat in den letzten fünf Jahren allerdings nicht wesentlich zugenommen. Dies hat negative Folgen sowohl für den Neubau als auch für den Bestandsmarkt. Bauunternehmen müssen sich dementsprechend wieder intensiver um Arbeitskräfte bemühen. Im Bauhauptgewerbe sind die Beschäftigtenzahlen in den letzten Jahren wieder gestiegen, da immer mehr ausländische Arbeitskräfte angeworben werden. Dennoch reichen die vorhandenen Arbeitnehmer nicht aus, um der Nachfrage gerecht zu werden. So klagten im Jahr 2017 ganze 19% der Bauunternehmen über Behinderungen der Bautätigkeit aufgrund von Arbeitskräftemangel.³

Abbildung 1 zeigt deutlich, dass der Fachkräftemangel für ein Drittel der Unternehmen in der Industrie und sogar für mehr als zwei Drittel der Firmen des Baugewerbes ein Risiko für die wirtschaftliche Entwicklung darstellt. Die Tendenz ist steigend und wird im Hinblick auf die Entwicklung in den kommenden Jahren vorerst auch nicht abflachen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Fachkräftemangel als Risiko für die eigene wirtschaftliche Entwicklung in Prozent

Quelle: Die Deutsche Bauindustrie: Bauwirtschaft im Zahlenbild, 2017, S.29

2.2 Fehlende Automatisierung und stagnierende Arbeitsproduktivität

Der Einsatz von Automatisierung und Robotik im Bauwesen ist eine echte Perspektive, das stellen nur wenige in Frage. Während es bereits Basistechnologien gibt, die stetig weiterentwickelt und verfeinert werden, ist die Frage, was den Fortschritt noch hindert. Der Bausektor ist einer der größten der Weltwirtschaft mit jährlich rund 9 Billionen Euro für Baustoffe und Dienstleistungen. Die Produktivität der Branche ist jedoch seit Jahrzehnten hinter den anderen Sektoren zurückgeblieben.⁴

Arbeitsproduktivität ist definiert als die Wertschöpfung der Bauarbeiter (abzüglich der eingekauften Materialien) pro Arbeitsstunde und deren inflationsbereinigtes Wachstum im Zeitverlauf. Eine Erhöhung bedeutet, dass Kunden mit den gleichen oder weniger Ressourcen ein höherer Wert geboten werden kann. Dies führt zu einer erstrebenswerten Mischung aus niedrigeren Kosten für Eigentümer, höherer Rentabilität für Auftragnehmer und höheren Löhnen für Arbeitnehmer. Ein oder zwei dieser Ziele können auch ohne Produktivitätswachstum erreicht werden, nämlich durch Verringerung von Löhnen oder Margen, um die Kosten zu senken oder die Preise für Eigentümer zu erhöhen, um die Lohnanforderungen erfüllen zu können, aber die Kombination aller drei erfordert Produktivitätszuwachs. Hohe Arbeitsproduktivität geht zudem auch oft mit kürzeren und zuverlässigeren Zeitplänen einher.⁵

Weltweit betrug das Wachstum der Arbeitsproduktivität im Bauwesen in den letzten zwei Jahrzehnten durchschnittlich 1 % pro Jahr, verglichen mit 2,8 % in der gesamten Weltwirtschaft und 3,6 % in der verarbeitenden Industrie. Ohne Veränderungen wird der globale Bedarf an Infrastruktur und Wohnraum schwer zu decken sein. Wenn die Bauproduktivität gegenüber der Gesamtwirtschaft aufholen würde, könnte die Wertschöpfung der Branche in der Theorie um 1,4 Billionen Euro pro Jahr steigen. Das würde das weltweite BIP um etwa 2 % steigern.⁶

2.3 Innovationshemmnisse und Potenziale der Digitalisierung

Angesichts der aktuell hohen Baunachfrage und der gleichzeitig limitierten Kapazitäten stellt sich die Frage, ob die Digitalisierung die Bauabläufe verbessern und letztlich auch beschleunigen kann. Aus der Sicht vieler Baufirmen basiert die Entscheidung für oder gegen die Einführung digitaler Prozesse jedoch zuerst einmal auf den möglichen Auswirkungen auf die eigene Profitabilität. Die Gewinnspanne im Bauhauptgewerbe ist nämlich im Vergleich zu anderen Branchen nur unterdurchschnittlich. Die Implementierung neuer Technologien erfordert aber beachtliche Anstrengungen und Kosten. Viele Baufirmen erwarten deshalb eine merkliche Steigerung ihrer Margen, da sonst der vorausgegangene Aufwand in Frage gestellt wird. In der Tat sind die Potentiale zur Fehlervermeidung bzw. Effizienzsteigerung enorm. So wird heute in Deutschland beispielsweise der Fehlerkostenanteil im Bauhauptgewerbe auf rund 10 % des Jahresumsatzes von mehr als 100 Mrd. Euro geschätzt. Eine spürbare Reduzierung dieser Mehrarbeiten bzw. Zusatzkosten könnte somit zu einer deutlichen Erhöhung der Gewinnspanne im Bau führen.⁷

Traditionell wird die Bauwirtschaft als Low-Tech-Branche wahrgenommen, die wenig innovativ ist und mit hohen Innovationshemmnissen zu kämpfen hat. Zu letzteren gehören beispielsweise der enge Zeit- und Kostenrahmen in Bauprojekten und der hohe Anteil kleiner und kleinster Unternehmen in der Wertschöpfungskette. Auch die räumliche und sektorale Zergliederung der Branche erleichtert keineswegs die Streuung von Wissen und Innovationen. Zusätzlich finden die wesentlichen Innovationsaktivitäten nicht im Hauptgewerbe statt, sondern vielmehr bei den Lieferanten von Baustoffen, Ausrüstungen und Maschinen sowie bei den Bauingenieuren und Architekten. Diese Aspekte behindern eine Bündelung von Innovationen und werden als „innovation gap“ bezeichnet.⁸

Gegenwärtig stehen die Unternehmen in der Bauwirtschaft vor der Herausforderung, ihre betriebliche Organisation neu zu gestalten, um den veränderten Kundenbedürfnissen durch neue dienstleistungsorientierte Marktstrategien gerecht zu werden. Gleichzeitig verändern sich die Rahmenbedingungen durch ein gestiegenes Bewusstsein für nachhaltiges Bauen und eine energieeffiziente Nutzung. Deshalb ist nicht allein eine Reorganisation einzelner Betriebe, sondern vielmehr eine insgesamt neue Positionierung der Branche notwendig.⁹

Es wurden bereits einige Anwendungen entwickelt bzw. werden zurzeit erforscht, um die Digitalisierung im Baugewerbe voranzutreiben. Zu nennen sind hier beispielsweise Cloud Computing, Virtual bzw. Augmented Reality, BIM, 3D-Druck und autonom agierende Maschinen. Mit Hilfe der Digitalisierung sollen Echtzeitinformationen für alle Beteiligten bereitgestellt und individuelle Serienproduktionen ermöglicht werden. Die Planungsqualität soll verbessert und die Produktivität erhöht werden. Alle Informationen sollen durchgängig für alle in jedem Arbeitsschritt verfügbar sein.¹⁰

Die Abbildung 2 veranschaulicht, dass die Trends im Bereich Digitalisierung/Technologie und Nachhaltigkeit die höchste Relevanz besitzen. Gleichzeitig sind sie noch relativ gering verbreitet. Der 3D-Druck ist eine der Technologien, die als hoch relevant eingestuft, aber beinahe am wenigsten von allen Trends umgesetzt bzw. verbreitet ist. Dies zeigt, dass es in diesem Bereich noch viele Hindernisse gibt, welche die weitere Entwicklung dieser Technologie unterdrücken. Für Unternehmen könnte es aber ggf. sinnvoll sein, sich bereits heute auf diese Entwicklung einzustellen und entsprechende Fachkenntnisse für die Zukunft aufzubauen.¹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Megatrends Nachhaltigkeit und Digitalisierung

Quelle: Baumanns, T., et al.: Bauwirtschaft im Wandel, 2016, S.20

Eine Umfrage an KMU in der Baubranche zeigt, dass der allgemeine Kenntnisstand zur 3D-Druck Technologie noch sehr begrenzt ist. Gut 70% der Unternehmen sind über diesen Trend wenig bis gar nicht informiert. Umso schwieriger gestaltet sich die Begeisterung solcher Unternehmen für die Investition in eine Betondruck-Technologie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Kenntnisstand Digitalisierungsthemen

Quelle: Goger, G.; Piskenik, M.; Urban, H.: Potenziale der Digitalisierung im Bauwesen, 2018, S.88

3 Funktionsweise des 3D-Gebäudedrucks

In den letzten zehn Jahren haben technische Forschungsteams mit dem 3D-Druck experimentiert, um Komponenten von Gebäuden und ganzen Häusern mit dieser Technologie zu erstellen. Der Druck erfolgt mit sogenannten „Super-Size-Druckern“, die eine spezielle Mischung aus Beton und Verbundstoffen verwenden. Diese Mischung ist viel dicker als normaler Beton und stützt sich selbst.¹²

3.1 Historie

Traditionell war der Einsatz von 3D-Druck auf den Fertigungssektor beschränkt. Es wurde verwendet, um Prototypen mit geringen Produktionsvolumina, kleinen Teilgrößen und komplexen Designs zu produzieren. Daher wurde die 3D-Drucktechnologie während dieser Zeit üblicherweise als RP-Technologie bezeichnet. Das RP war lange Zeit auf das verarbeitende Gewerbe beschränkt, bis es Anfang des 21. Jahrhunderts zur Erstellung von Architekturmodellen in die Bauindustrie eingeführt wurde. Die Technologie war nützlich, um schnell physische 3D-Modelle zu erstellen. Der Druckvorgang konnte innerhalb von Stunden abgeschlossen sein.¹³

Schon seit 1995 gab es einige Versuche, konstruktive Materialien zu verwenden, die die Anwendbarkeit der Technologien in der Bauindustrie demonstrierten. Die CC Technik von Khoshnevis begann zunächst als neuartige keramische Extrusions- und Formmethode, als Alternative zu den aufkommenden Polymer- und Metall-3D-Drucktechniken, und wurde 1995 patentiert. Khoshnevis erkannte, dass diese Technik für die Erstellung von Freiformbauelementen genutzt und alle bisherigen 3D-Drucktechniken übertreffen könnte, bei denen die Bauteilabmessung in der Regel bei unter einem Meter lag. Dennoch war die Größe der Betonprodukte anfangs beschränkt. Das zentrale Thema lag anfangs jedoch weniger auf der Größe der Bauteile als vielmehr auf der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des extruierten Betons.¹⁴

Im Jahr 2005 patentierte Dini die DS-Technologie. Mit seinem Pulverstrahlverfahren erreichte er eine Skalierung auf ca. 6 x 6 x 3 m. Darauf folgte im Jahr 2008 die CP-Technologie an der Loughborough University von Buswell. ¹⁵

Es war lange Zeit nicht klar, ob aufgrund der Größe von den Druckern überhaupt mittelgroße oder große Gebäude mit der 3D-Drucktechnologien gedruckt werden können. Bei der Entwicklung von 3D-Druckern im großen Maßstab hat es in den letzten Jahren jedoch eine signifikante Verbesserung gegeben, um den Anforderungen des 3D-Druckens im industriellen Maßstab gerecht zu werden.¹⁶

Bei der Verwendung des 3D-Drucks für das Drucken von ganzen Gebäudeprojekten gab es einige wichtige Entwicklungen. Im Jahr 2014 hat WinSun in weniger als einem Tag die Wände für eine Häusergruppe von 10 Häusern (je 200m²) in Shanghai gedruckt. Die Größe des in diesem Projekt verwendeten 3D-Druckers betrug 150 m x 10 m x 6,6 m, wodurch große Gebäude innerhalb von 24 Stunden mit hochwertigem Zement und Glasfaser gedruckt werden konnten.¹⁷

Im Jahr 2015 wurden vom selben Unternehmen eine Villa (ca. 1.100 m²) und ein fünfstöckiges Wohnhaus von einem 3D-Drucker gedruckt. Die Villa und die Wohnung wurden jedoch nicht einteilig gedruckt. Stattdessen wurden die meisten Bauelemente vorgedruckt und anschließend installiert. Die Gebäude stehen als erste vollständige Strukturen ihrer Art, die mit 3D-Konstruktionsdrucktechniken hergestellt wurden und demonstrieren dazu die Anwendbarkeit des 3D-Drucks von Bauprojekten mit mehreren Stockwerken.¹⁸ 2016 druckte die Firma Apis Cor das erste Gebäude mit einem mobilen 3D-Drucker direkt auf der Baustelle in Stupino, Russland. In weniger als einem Tag wurden selbsttragende Wände, Trennwände und Gebäudehüllen bedruckt. Die reine Maschinenzeit betrug 24 Stunden.¹⁹

Noch gibt es jedoch viele Praktiker, die den Einsatz von 3D-Druck zum Drucken ganzer Häuser in Frage stellten. Sie sind der Meinung, es müsse eine Technologie genutzt werden, die sich einfacher und schneller in die moderne Konstruktion integrieren lässt als die derzeitigen Betondruckmethoden.²⁰

3.2 Technische Methoden

Alle bis heute entwickelten 3D-Druck Techniken sind auf drei ursprünglichen Techniken zurückzuführen: Dem CP, dem CC und dem DS. Sie wurden auf den Bauzweck hin ausgerichtet und befinden sich heute in der praktischen Nutzung durch Unternehmen und Institutionen.

3.2.1 Contour Crafting

Das CC ist eine additive Fertigungstechnologie, welche vom Computer gesteuert wird und sehr große Objekte mit Abmessungen von mehreren Metern zuverlässig ausdrucken kann. Sie bedient sich dem Extrusionsverfahren, bei dem Beton durch eine Drüse extruiert wird. Diese Drüse bewegt sich mithilfe von Gerüstsystemen, Roboterarm o.ä. entlang der Gebäudekonturen und lagert eine Schicht Beton ab. Ist die Drüse die gesamte Gebäudekontur abgefahren, setzt sie ohne Pause wieder am Startpunkt an und druckt eine weitere Betonschicht auf die darunterliegende. Je nach Durchmesser der Drüse und Druckmethode kann so ein wellenförmiger Wandaufbau, eine Vollwand oder lediglich eine Wandschalung gedruckt werden (siehe Kapitel 4.3.2). An eine Wandschalung würde sich dementsprechend noch ein Füllprozess anschließen, bei dem Beton in die gedruckte Schalung gegossen wird, um den Bauteilkern aufzubauen.²¹

Eines der Hauptmerkmale des CC ist die Verwendung von zwei Kellen, die als zwei planare Oberflächen wirken und das gedruckte Objekt glatt und präzise machen. Diese ermöglichen die Erstellung von verschiedenen Oberflächenformen, ohne dafür verschiedene Spachtelwerkzeuge zu benötigen. In Abbildung 4 ist zu erkennen, dass die Extrusionsdrüse über eine obere und eine seitliche Kelle verfügt. Das Traversieren der Kellen während des Extruierens des Materials erzeugt eine glatte obere und äußere Schicht. Je nach Einstellung der Seitenkelle können auch nicht orthogonale Oberflächen hergestellt werden.²²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Contour Crafting Drüse

Quelle: Aus dem Englischen nach Khoshnevis, B.: Automated Construction by Contour Crafting, 2004, S.6

In Abbildung 5 ist der Druck einer Gebäudekonstruktion mit CC dargestellt, bei dem ein Gerüstsystem (Gantry) zum Einsatz kommt. In Gelb ist die auf dem Gerüst installierte Drüse zu erkennen, die an einen Betonsilo angeschlossen ist. Sie bewegt sich auf zwei parallelen Bahnen entlang der Schienen (der X-Achse), die den Gleitteil (die Y-Achse) tragen. Zusätzlich zur installierten Drüse ist in der Abbildung ein Greifarm zu sehen, der modellhaft darstellt, dass parallel zum Druck beispielsweise bereits das Einsetzen von Bewehrungsstäben möglich wäre. Mit diesem System kann ein Haus oder eine Serie von Häusern in einem einzigen Lauf konstruiert werden. Dabei kann das Design der Häuser jeweils ganz unterschiedlich sein. Die Vorteile von CC gegenüber anderen Schichtherstellungsprozessen sind die hohe Oberflächenqualität, eine hohe Herstellungsgeschwindigkeit und eine große Auswahl an verwendbaren Materialien.²³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Konstruktion eines konventionellen Gebäudes durch Contour Crafting

Quelle: Khoshnevis, B.: Automated Construction by Contour Crafting, 2004, S.7

3.2.2 Concrete Printing

Die Gebäudeerstellung mit der CP Maschine basiert auf der Abscheidung eines Pastenmaterials durch eine Extrusionsdüse, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Herstellung durch CC. Der Hauptunterschied zwischen CC und CP liegt im Design der Düsen. Die CP Düse ist so konzipiert, dass sie ihre Auflösung so variieren kann, dass sowohl grobe Flächen als auch feine Details innerhalt desselben Prozesses abgeschieden werden können. Das führt dazu, dass der Druckprozess hier wesentlich langsamer abläuft als bei CC. Der Vorteil ist aber eine exaktere Umsetzung von komplexen Geometrien und damit auch die Herstellung von detailgetreueren kundenspezifischen Bauteilen. Die Nutzung dieser Technologie für die Erstellung von Gebäuden kommt zum jetzigen Zeitpunkt nicht in Frage, da diese Technologie aufgrund der Geschwindigkeit zu weit hinter dem CC zurückbleibt. Dennoch ist eine Nutzung für die Vorfertigung einzelner Bauteile denkbar.²⁴

3.2.3 D-Shape

Die DS Technik unterscheidet sich stark von CC und CP. Während das CP und das CC sich Ablagerungstechniken von gemischten Materialien bedienen, um Objekte in Schicht aufzubauen, lagert DS Schichten von Rohmaterialien auf die Baufläche und erzeugt dann eine Zustandsänderung des Basismaterials. Als Gesteinskörnung kommen gemahlener Sandstein, Marmor oder Vulkangestein zum Einsatz. Die Gesteinskörnung wird vor dem Ausbringen auf die Baufläche mit einem Metalloxid in Pulverform gemischt. Nach Ausbringen einer Schicht wird ein rechteckiger Druckkopf mit bis zu 300 Düsen über das Partikelbett bewegt und eine Salzlösung in das trockene Gemisch eingebracht, wo es mit dem Metalloxid zu einem Bindemittel reagiert. Da der Abstand zwischen den einzelnen Düsen 20 mm beträgt, wird der Druckkopf pro Schicht 2 - 4 Mal leicht versetzt über das Partikelbett bewegt, um dicht an dicht liegende Spuren zu erhalten. Dementsprechend läuft der Druck mit dem DS Verfahren nur langsam ab. Nach Fertigstellung aller Schichten wird das ungebundene Material entfernt, das Bauteil mit einem zusätzlichen Bindemittel infiltriert und falls erforderlich nachbearbeitet.²⁵

Während des Umwandlungsprozesses von körnigem Sand zu Sandstein, welcher ungefähr eine Stunde dauert, werden die nachfolgenden Sandschichten über der letzten Schicht abgelagert. Es ist nicht Notwendig, dass die gedruckte Schicht sofort einen festen Zustand erreicht, da sie sich mit der darauffolgenden Schicht so besser verbinden kann. Das bedeutet die nachfolgenden Schichten können schnell fortgesetzt werden, während die katalytische Reaktion in den darunter liegenden Schichten noch fortschreitet.²⁶

Diese Druckmethode ist weniger auf den gewöhnlichen Wohnhausbau ausgelegt. Das liegt zum einen an der geringen Geschwindigkeit und zum anderen daran, dass der Druck weniger Detailgetreu ist. In Abbildung 6 ist gut zu erkennen, dass die Strukturen des gedruckten Bauteils nicht gradlinig und einheitlich sind. Diese Technologie macht es vielmehr möglich, zukünftig mit Materialien aus der Umgebung Gebäude herzustellen, die zweckgebunden sind und keinen nennenswerten ästhetischen Anspruch haben. In einem Forschungsprojekt der Europäischen Weltraumorganisation wurde so mit simuliertem Mondstaub bereits eine Mondbasis hergestellt. Ebenso soll es aber zukünftig auch möglich sein, Infrastrukturen wie Bunker, Krankenhäuser und Stützpunkte viel schneller und einfacher aufzubauen, als dies mit herkömmlicheren Methoden der Fall wäre. Sogar in Wüsten soll der 3D-Drucker zukünftig Gebäude erstellen.²⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Mit D-Shape Methode gedruckte Säulen

Quelle: Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.234

3.3 Aktueller Stand der Anwendungspraxis

Das CC ist wie bereits angedeutet die populärste Technik Gebäude zu drucken. Dennoch ist die Ausführung dieser Technologie in der Praxis von Unternehmen zu Unternehmen sehr unterschiedlich umgesetzt. Dieses Kapitel soll einen Überblick darüber geben, wie der aktuelle Stand der Anwendungspraxis ist. Die Aufführung der Unternehmen besitzt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beinhaltet lediglich einige der Pioniere dieser Technologie, sowie die, die sich durch ihre Ausführungsmethode von den anderen abheben. Dies schließt nicht aus, dass es noch weitere Projekte mit großem Erfinderreichtum gibt. Ebenso muss erwähnt werden, dass sich einige Unternehmen durch die zur Verfügung gestellten Materialien nicht auf ihre Seriosität hin überprüfen ließen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: CyBe RC 3D Betondrucker

Quelle: CyBe: 3D Concrete Printers, 2018

CyBe Construction ist ein Bauunternehmen aus den Niederlanden. Es hat den ersten mobilen Extrusion-Betondrucker entwickelt, der sich auf Raupenketten bewegen kann. Dadurch kann dieser sich, sofern er zur Baustelle transportiert wurde, selbst positionieren und mithilfe von Standbeinen fixieren. Die Standbeine sind sogar ausfahrbar, so dass der Drucker ohne Probleme 4,5m hohe Bauwerke drucken kann. Dies hat er bereits beim Bau diverser Referenzgebäude in Frankreich, Italien, Dubai und sogar einer Brücke in den Niederlanden bewiesen. CyBe hebt sich aber auch dahingehend ab, dass Leichtbeton eingesetzt wird. Somit liegt nach eigenen Angaben das Maß des machbaren Überhangs bei 20%. Im Sommer 2018 startete ein Projekt in Saudi-Arabien, bei dem das Unternehmen Häuser in der Wüste drucken soll.²⁸

ICON ist ein Unternehmen in Texas, welches sich hauptsächlich der Bekämpfung der Wohnungslosigkeit verschrieben hat. In Kürze sollen günstige Häuser in den Slums von Südamerika mithilfe der eigenen entwickelten Drucktechnologie mit Gantry-Bauweise erstellt werden. Der Drucker wurde so konzipiert, dass es nahezu ohne Abfall produziert und unter unvorhersehbaren Bedingungen wie begrenzten Wasser-, Energie-, Arbeitsleistung und Infrastruktur zur Bewältigung von Wohnraumknappheit arbeiten kann.²⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: CONPrint3D Autobetonpumpe

Quelle: bftTUD: 3D-Druck mit Beton, 08.04.2016

Im Laufe des Forschungsprojektes „Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton“ der TU Dresden wurde das Unternehmen CONPrint3D gegründet und eine Autobetonpumpe zum Druck von Gebäuden entwickelt. Diese ist somit eigenständig fahrbar und druckt mithilfe eines präzise steuerbaren Verteilermasts (siehe Abb. 8) die gesamte Wanddicke in einem Durchgang. Im April 2016 erhielt das Projekt auf der bauma München, „Weltleitmesse für Bau-, Baustoff- und Bergbaumaschinen, Baufahrzeuge und Baugeräte“, den bauma Innovationspreis in der Kategorie Forschung.³⁰

In Spanien hat das Startup Be More 3D nachgezogen und im Jahr 2014 in Kooperation mit der Technischen Universität Valencia einen eigenen 3D-Drucker entwickelt, der sich ebenfalls wie CONPrint3D besonders durch den großen Durchmesser seiner Extrusionsdrüse auszeichnet. Das Unternehmen druckte im Sommer 2018 einen Bungalow von 24m² in nur 12 Stunden.³¹

Gleichzeitig wird an der Technischen Universität München erstmals ein Verfahren vorgestellt, mithilfe dessen eine additive Baufertigung unter Einsatz von Holzleichtbeton durchgeführt werden kann. Dieser besteht dementsprechend zu einem großen Anteil aus einem nachwachsenden Rohstoff. Dieser soll besonders gute Wärme- und Schallschutzwerte aufweisen. Für die Verarbeitung eines neuen Holz-Leichtbetons haben die Forscher an der TUM ebenfalls einen 3D-Drucker nach dem CC-Prinzip konzipiert und gebaut.³²

Apis Cor ist die Entwicklerfirma eines mobilen 3D-Druckers, der in Polarkoordinaten arbeitet und sich somit selbst exakt ausrichten kann. Er druckt selbsttragende Wände und Trennwände, sowie beständige Schalung für Streifenfundament und Säulen aus bewehrtem Stahlbeton. Zukünftig sollen die Funktionen des Etagenbodens und Dachdrucks sowie die automatische horizontale Wand- und Fundamentbewehrung implementiert werden.³³

Das chinesische Unternehmen Winsun (chin. „Yingchuang“) ist wohl das bekannteste unter den 3D-Gebäudedruck Unternehmen. Das eingesetzte Verfahren basiert auf der Extrusion eines Frischbetons, der u.a. auch Recyclingmaterial enthält. Es hat bereits mehrere Familienhäuser, eine Villa und sogar ein 5 geschossiges Gebäude gedruckt, wobei einige Teile im Werk vorgedruckt worden sind. In Verbindung mit einem Joint Venture werden in 2018 bis 2021 Fabriken in Saudi-Arabien, der U.A.E, Katar, Marokko, Tunesien und den Vereinigten Staaten und mehr als in anderen 20 Ländern errichten, um den 3D-Gebäudedruck zu popularisieren. Sie zielen vor allem auf den Nahen Osten und Afrika ab, um Familien mit niedrigem Einkommen günstige und effiziente Häuser zu bieten. Im Jahr 2016 gab das Unternehmen bekannt, bereits über 100 Familienhäuser für Kunden gedruckt zu haben.³⁴

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¹ vgl. Kocijan, M.: Digitalisierung im Bausektor, 2018, S.42

² vgl. Haas, H.; Henger, R.; Voigtländer, M.: Wohnimmobilienmarkt, 2013, S.7f.; Kocijan, M.: Digitalisierung im Bausektor, 2018, S.42f.

³ vgl. Kocijan, M.: Digitalisierung im Bausektor, 2018, S.43

⁴ vgl. Chamberlain, A.: Automation and Robotics in Construction, 1994, S.223f.; MGI: Reinventing construction, 2017, S.1

⁵ vgl. MGI: Reinventing construction, 2017, S.4

⁶ vgl. MGI: Reinventing construction, 2017, S.1

⁷ vgl. Kocijan, M.: Digitalisierung im Bausektor, 2018, S.43f.

⁸ vgl. Butzin, A.; Rehfeld, D.: Innovationsbiographien in der Bauwirtschaft, 2008, S.2

⁹ vgl. Butzin, A.; Rehfeld, D.: Innovationsbiographien in der Bauwirtschaft, 2008, S.2

¹⁰ vgl. Kocijan, M.: Digitalisierung im Bausektor, 2018, S.43f.

¹¹ vgl. Baumanns, T., et al.: Bauwirtschaft im Wandel, 2016, S.20

¹² vgl. Sakin, M.; Kiroglu, Y. C.: Sustainable Houses of the Future, 2017, S.706

¹³ vgl. Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.25ff.

¹⁴ vgl. Khoshevis, B.: Patent Contour Printing, 1995; Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.10f.; Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.80ff.

¹⁵ vgl. Dini, E.; Nannini, R.; Chiarugi, M.: Patent D-Shape, 2006; vgl. Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.81

¹⁶ vgl. Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.27f.

¹⁷ vgl. Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.26f.

¹⁸ vgl. Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.26f.

¹⁹ vgl. apis cor: Technology perspective, 12.01.2017

²⁰ vgl. Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.26f.

²¹ vgl. Ma, G.: 3D printing technology of cementitious material, 2018, S.480f.

²² vgl. Khoshnevis, B.: Automated Construction by Contour Crafting, 2004, S.6f.

²³ vgl. Khoshnevis, B.: Automated Construction by Contour Crafting, 2004, S.6f.; Wu, P.; Wang, J.; Wang, X.: Critical review of 3D printing in construction, 2016, S.11f.

²⁴ vgl. Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.86f.; Ma, G.: 3D printing technology of cementitious material, 2018, S.483f.; Nematollahi, B.; Xia, M.; Sanjayan, J.: Progress of 3D concrete printing, 2017, 262

²⁵ vgl. Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.89ff.; Henke, K.: Extrusion von Holzleichtbeton, 2016, S.25ff.

²⁶ Gardiner, J.: Design of construction 3D printing, 2011, S.89ff.

²⁷ vgl. Ma, G.: 3D printing technology of cementitious material, 2018, S.479f.

²⁸ vgl. CyBe: 3D Concrete Printers, 2018; CyBe: Projects, 2018; Henke, K.: Extrusion von Holzleichtbeton, 2016, S.32

²⁹ vgl. ICON: corporate mission, 2018

³⁰ vgl. Henke, K.: Extrusion von Holzleichtbeton, 2016, S.31; Näther, M., et al.: 3D-Druck Machbarkeitsuntersuchungen, 2017, S.34ff.

³¹ vgl. UPV Radiotelevisió: Primera casa en 3D en España, 20.07.2018

³² vgl. Henke, K.: Extrusion von Holzleichtbeton, 2016

³³ vgl. apis cor: Construction technology, 2017

³⁴ vgl. Henke, K.: Extrusion von Holzleichtbeton, 2016, S.31; Winsun: AECOM agreement, 28.10.2017