3D-Druck (Additive Fertigung)

Seit seiner Einführung hat der 3D-Druck eine stetige Entwicklung erlebt und ist heute in der Lage, komplexe Baustrukturen schnell und effizient zu erstellen. Diese Technologie verspricht eine Revolution in der Art und Weise, wie wir bauen, mit verbesserten Fertigungsprozessen, verringerten Materialeinsatz und der Möglichkeit, individuelle und komplexe Designlösungen zu realisieren. Der Demonstrator an der Jade Hochschule ermöglicht es verschiedene 3D-Drucktechnologien kennenzulernen.

State of the Art

Aktuelle 3D-Drucktechnologien im Bauwesen sind vielfältig und fortschrittlich. Sie reichen von kleinen, tragbaren Geräten für den On-Site-Druck bis hin zu großen Drucksystemen für komplette Baustrukturen. Zu den Pionieren dieser Technologie gehören Unternehmen wie ICON, die bereits ganze Gebäude und sogar Wohnsiedlungen gedruckt haben.

Diese Techniken werden sowohl für den Neubau als auch für die Sanierung und Erweiterung bestehender Strukturen eingesetzt.

Funktionsweise

3D-Drucken im Bauwesen, auch additive/generative Fertigung genannt, ist ein innovativer Ansatz zur Herstellung von Baukomponenten und sogar ganzen Rohbauten mithilfe von 3D-Drucktechnologien. Es könnte in Zukunft für bestimmte Bauwerkstypen eine schnellere, kostengünstigere und effizientere Bauweise im Vergleich zu herkömmlichen Bauprozessen ermöglichen.

Die Funktionsweise der additiven Fertigung, lässt sich grob in drei wesentliche Schritte gliedern: Datenaufbereitung, schichtweisen Aufbau und Nachbearbeitung.

1. Datenaufbereitung: Dies ist der erste Schritt, bei dem aus digitalen 3D-Modellen Arbeitsanweisungen für die Maschine erstellt werden. Hier wird der formlose Werkstoff, basierend auf den digitalen Modellen, für den Druck vorbereitet. Dieser Prozess ist auch unter dem Begriff „Slicen“ bekannt und erfordert Fachwissen und Erfahrung, um die Daten korrekt für den Druck aufzubereiten. Beim sogenannten „Slicen“ wird das Werkstück virtuell in Scheiben geschnitten und für jede dieser Scheiben ein Fahrweg für den Druckkopf berechnet.
2. Schichtweiser Aufbau: Anschließend erfolgt der eigentliche Druckprozess, bei dem das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um das Objekt zu bilden. Dies geschieht automatisiert und basiert auf dem zuvor aufbereiteten Modell. Die verwendeten physikalischen und chemischen Prinzipien beim stoffschlüssigen Fügen, wie etwa das Verschmelzen oder Verkleben der Materialschichten, sind entscheidend dafür, welche Werkstoffe verarbeitet werden können und welche Produkteigenschaften erreicht werden.
3. Nachbearbeitung: Nach dem Druck erfolgt häufig eine Nachbearbeitung der gedruckten Teile. Dazu kann beispielsweise die Entfernung von Stützstrukturen gehören, die für den Druck notwendig waren, sowie Wärmebehandlungen oder das Sintern von Keramik. Diese Phase erfordert ebenfalls Fachkenntnis und ist zum Teil von Handarbeit geprägt.

Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von komplexen Formen und Geometrien, die mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur mit wesentlich mehr Aufwand herstellbar sind.

Materialien und ihre Anwendungsfälle im Bauwesen

Die additive Fertigung im Bauwesen hat eine Vielzahl von Materialien hervorgebracht, die je nach Anforderungen des Bauprojekts spezifisch ausgewählt werden können. Diese reichen von traditionellen bis zu innovativen Substanzen, die jeweils einzigartige Eigenschaften und Anwendungen bieten.

• Beton: Beton ist das am weitesten verbreitete Material im 3D-Baudruck. Angepasst an die Drucktechnologie, ermöglicht es den Bau von Strukturen direkt vor Ort. Anwendung findet der 3D-gedruckte Beton bei der Erstellung von Gebäudehüllen, komplexen Fassadenelementen und individualisierten Bauteilen, wie etwa speziell geformten Säulen oder Wänden. In der Praxis werden damit auch Brücken oder tragende Elemente hergestellt, die sowohl robust als auch ästhetisch ansprechend sind.
• Kunststoff: Kunststoffe, insbesondere thermoplastische Materialien, werden für Elemente verwendet, die ein leichtes Gewicht und eine gewisse Flexibilität erfordern. Sie sind ideal für den Innenausbau, für dekorative Elemente oder für Installationsteile, bei denen komplexe Geometrien oder Integration von Leitungen und Kanälen gefragt sind. Außerdem werden Kunststoffe beim Prototyping und bei der Herstellung von nichttragenden Bauteilen genutzt.
• Gips: Gips ist ein Material, das hauptsächlich für den Innenausbau und für dekorative Zwecke verwendet wird. Durch 3D-Druck lassen sich sehr feine Details und Ornamente für Innenwände und Deckenplatten erstellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht so kosteneffizient oder präzise hergestellt werden könnten.
• Holz: Beim 3D-Druck mit Holz werden in der Regel Holzfasern mit Bindemitteln kombiniert, um ein Material zu schaffen, das für den Druck geeignet ist. Dies kann für die Erstellung von Wandelementen, Möbeln oder sogar ganzen Wandabschnitten genutzt werden. Durch die Kombination von traditionellem Baustoff mit moderner Technologie können so ökologische, nachwachsende und gleichzeitig individuell gestaltete Bauteile entstehen.
• Metall: Metallische Materialien werden im Bauwesen eher selten gedruckt, finden aber in der Erstellung von Verbindungselementen, maßgefertigten Beschlägen und in der Fertigung von komplexen Fassadenelementen Anwendung. Die Präzision des 3D-Drucks ermöglicht dabei eine hohe Detailgenauigkeit und Passgenauigkeit, was für Metallkomponenten besonders wichtig ist.

In der praktischen Umsetzung können diese Materialien in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die Vorteile jedes Materials optimal zu nutzen. So könnten beispielsweise in einem Gebäude die tragenden Strukturen aus Beton, die dekorativen Elemente aus Gips, die funktionalen Installationsteile aus Kunststoff und spezielle Verbindungen oder Beschläge aus Metall hergestellt werden. Die Auswahl und Kombination der Materialien hängen dabei immer vom spezifischen Projekt, den Anforderungen an die Bauteile und den gestalterischen Wünschen ab.

Auch Kunst und Denkmalschutz können vom von 3D-Drucktechnologien profitieren. Dadurch können kunstvolle Skulpturen mit erstaunlicher Detailtreue und Präzision reproduziert werden, was es Künstlern ermöglicht, ihre Werke leichter zu vervielfältigen und einem breiteren Publikum zugänglich zu machen. Darüber hinaus kann diese Technologie auch dazu beitragen, beschädigte oder zerstörte Denkmäler und historische Gebäude zu rekonstruieren oder zu restaurieren, indem sie präzise Reproduktionen von fehlenden Teilen oder Strukturen herstellt.

Allerdings stehen dem Einsatz von 3D-Druck im Denkmalschutz auch ethische und rechtliche Fragen gegenüber, insbesondere im Hinblick auf den Schutz des kulturellen Erbes und die Authentizität der Replikate. Es bedarf sorgfältiger Planung und Abstimmung zwischen Künstlern, Denkmalschützern und Gesetzgebern, um sicherzustellen, dass der Einsatz von 3D-Drucktechnologie im Einklang mit den Grundsätzen des Denkmalschutzes steht und die kulturelle Integrität gewahrt bleibt.

Ausblick

Die Zukunft des 3D-Drucks verspricht eine kontinuierliche Evolution und eine immer breitere Anwendung in verschiedenen Branchen. Insbesondere im Bauwesen wird der 3D-Druck voraussichtlich eine entscheidende Rolle bei der schnellen und kosteneffizienten Erstellung von Gebäuden und Strukturen spielen. Fortschritte in der Materialwissenschaft und Drucktechnologie werden es ermöglichen, dass 3D-gedruckte Bauelemente zunehmend komplexe Formen und Designs umsetzen können. Darüber hinaus werden die Integration von Robotik und künstlicher Intelligenz sowie die Entwicklung neuer Baustoffe die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit des 3D-Drucks weiter verbessern. Insgesamt kann der 3D-Druck die Bauindustrie revolutionieren, indem er die Effizienz steigert und die Gestaltungsfreiheit erhöht. Mit der weiteren Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet kann der 3D-Druck zweifellos zu einer unverzichtbaren Technologie für die zukünftige Bauwirtschaft werden.