Wird sich der 3D-Betondruck im gewerblichen Bauwesen durchsetzen?

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Was haben Schulen in Afrika, rekordhohe Windkraftanlagen, katastrophensichere Armeeunterkünfte, Hotels aus Sand und Bauprojekte auf dem Mond gemeinsam?

Wenn Sie „3D-Druck“ sagen, haben Sie Recht, aber das erzählt nicht die ganze Geschichte. Das Besondere an diesen Projekten ist, dass sie die Grenzen des Möglichen mit der 3D-Betondrucktechnologie (3DCP) erweitern. Der 3D-Druck mit Beton wurde weltweit ausgiebig getestet, von gewerblichen Wohnprojekten in Eindhoven, Niederlande, bis zum ersten offiziellen Gewerbegebäude in Dubai, Vereinigte Arabische Emirate. Mit den formbaren und dennoch hart abbindenden Eigenschaften von Beton und den mechanischen Armen von 3D-Druckern, die extremen klimatischen Bedingungen und schwierigem Gelände standhalten, bietet 3DCP der kommerziellen Bauindustrie viele Vorteile.

Ein 3D-gedruckter Windkraftanlagensockel aus Beton, hergestellt mit dem BOD 2 3D-Drucker für GE. Bild mit freundlicher Genehmigung von COBOD.

Über 70 % der Weltbevölkerung leben in Betonkonstruktionen, und die Nachfrage nach Beton und Zement wird voraussichtlich weiter steigen – selbst Windkraftanlagen, die erneuerbare Energien nutzen, benötigen Beton und Stahl, um langlebig zu sein. Dennoch ist die Zementindustrie für 8 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO2) verantwortlich, die den Planeten langsam aufheizen. Die heutigen Wissenschaftler sind sich einig, dass drastische Maßnahmen ergriffen werden müssen, um zu verhindern, dass die Erwärmung der Erde die 1,5-Grad-Marke überschreitet – eine Grenze, deren Überschreitung katastrophale Folgen hätte. Wie können Ingenieure also in einer Welt, die stark auf Beton angewiesen ist, Emissionen reduzieren und Beton umweltfreundlicher machen?

Werfen wir einen genaueren Blick auf die Vorteile des 3D-Betondrucks und darauf, wie seine additive Fertigungsmethode eine praktikable Lösung zur Eindämmung des Klimawandels sein kann.

Haltbarkeit und Sicherheit sind bei jedem Bauprojekt von entscheidender Bedeutung, aber bei Gewerbegebäuden, die für eine umfassende öffentliche Nutzung vorgesehen sind, sind die Risiken umso größer. Nehmen wir zum Beispiel Brücken. Im Jahr 2018 stürzte die Morandi-Brücke in Genua bei heftigen Regenfällen ein und ließ Dutzende Fahrzeuge in den Abgrund stürzen. Diese Brücke war Teil einer der wichtigsten Autobahnen des Landes und verband es mit Frankreich, was internationale Aufmerksamkeit auf den Zustand der italienischen Infrastruktur lenkte.

Während 3DP-Brücken konzeptionell schon seit 2016 existieren, erwecken aktuelle Projekte auf der ganzen Welt den Ansatz der additiven Fertigung zum Leben – mit China und den Niederlanden als Pioniere in diesem Bereich. Unterstützt von 176 Zementeinheiten befindet sich die längste 3D-gedruckte Betonbrücke Chinas, die Passagiere über den Shanghai-Kanal befördert. Gleichzeitig gibt es in Amsterdam die weltweit erste 3D-gedruckte Stahlbrücke. An der Brücke sind mehrere Sensoren angebracht, die dabei helfen, Bewegungen, Temperatur und Vibrationen zu überwachen und so die öffentliche Sicherheit kontinuierlich zu gewährleisten.

Die Vorteile der additiven Fertigung sind gut dokumentiert. Mit 3D-Druckern verwenden oder „fügen“ Ingenieure nur die genaue Materialmenge hinzu, die für die Herstellung von Strukturen erforderlich ist, wodurch die Ressourcen maximiert und der Abfall minimiert wird. Die Universität Gent, die einen additiv gefertigten Gehweg testete, stellte fest, dass die 3DP-Konstruktion weniger Material erforderte und eine geringere Umweltbelastung hatte.

Marineinfanteristen des 7th Engineer Support Battalion, 1st Marine Logistics Group, arbeiten während einer Übung in Camp Pendleton, Kalifornien, zusammen, um eine Betonbrückenstützsäule zu sichern, die mit einem 3D-Drucker erstellt wurde. Foto des Marine Corps.

3D-Drucker können nicht nur schneller bauen, sondern diese Werkzeuge minimieren auch die Belastung der Arbeiter und reduzieren die Materialverschwendung bei gleichzeitiger Maximierung der Präzision. Nicht umsonst nutzt das US Marine Corps den 3D-Betondruck, um maßgeschneiderte Brücken zur Überquerung jeder Lücke zu bauen.

Für die Herstellung großer Betonmengen wird viel Strom benötigt, und bei der Herstellung von Zement, einem Hauptbestandteil von Beton, entstehen weitere CO2-Emissionen. Während erneuerbare Stromnetze die Emissionen um 50 % reduzieren könnten, ist der Übergang zeitnah und kostspielig. Tatsächlich müssen die Investitionen in die Energiewende bis 2050 auf 4,4 Billionen US-Dollar pro Jahr steigen. In der Zwischenzeit ist es von entscheidender Bedeutung, Bauprozesse zu überdenken und nachhaltigere Materialien zu verwenden.

Kalifornien hat beispielsweise versprochen, bis 2035 die CO2-Emissionen pro Tonne Zement um 40 % zu senken, während die Technologiegiganten Microsoft, Google und Salesforce sowie 50 andere zugesagt haben, mit dem Kauf kohlenstoffarmer Versionen von Zement zu beginnen. Hinter diesem Vorhaben steht eine Armee von Forschern. Forscher der Universität Cambridge behaupten bereits, den „weltweit ersten emissionsfreien Zement“ erfunden zu haben – Cambridge Electric Cement. Also, wie funktioniert es?

Wenn gebrauchter Zement vom recycelten Beton getrennt wird, entsteht Schlacke, die normalerweise als Abfallprodukt betrachtet wird. Es ist reich an Kalziumoxid – einem wichtigen Bestandteil des Klinkers, der zur Herstellung von Zement verwendet wird und 90 % der gesamten Kohlenstoffemissionen im Zement- und Betonsektor verursacht. Das Cambridge-Team mahlte die recycelte Schlacke zu einem Pulver und stellte fest, dass es „praktisch identisch mit dem Klinker ist, der die Grundlage für neuen Portlandzement bildet“.

Andere Möglichkeiten, Beton zu verstärken und seinen CO2-Fußabdruck zu verringern, sind die Zugabe von recyceltem Kunststoff zur Mischung. MIT-Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sie durch Pulverisieren von Kunststoffflocken zu einem feinen Pulver diese mit Zementleim und Flugasche mischen können, um Beton herzustellen, der bis zu 15 % fester ist als herkömmlicher Beton.

Forscher der Technischen Universität Berlin und der Brunel University haben herausgefunden, dass Beton robuster und umweltfreundlicher gemacht werden kann, indem der Sand im Portlandzement teilweise durch recyceltes Glas, Kalkstein und Kunststofffüllstoffe ersetzt wird. Das Team verbesserte die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit drastisch und schuf so ein langlebiges Endprodukt.

Diese Innovationen werden bereits von einigen der führenden Baustoffunternehmen übernommen. Im Jahr 2020 stellte CEMEX seine Version von Netto-CO2-Beton namens Vertua vor, der messbare Auswirkungen auf die Umwelt hat. 100 Säcke herkömmlichen Zements, die durch Vertua-Zement ersetzt werden, entsprechen der Entfernung von 105 Autos für einen Tag, was einem Gewicht von 1,3 Tonnen entspricht Reduzierung der CO2-Emissionen.

Wir haben die Vorteile der 3D-Druck-Bautechnologie und die Innovationen im Zusammenhang mit nachhaltigem Beton ermittelt. Die Kombination dieser beiden Kräfte läutet eine neue Ära des nachhaltigen und umweltbewussten Bauens von Nichtwohngebäuden ein.

Rückblickend auf das Jahr 2015 nutzte der Materialwissenschaftsingenieur und Hotelbesitzer Lewis Yakich im Lewis Grand Hotel die 3D-Drucktechnologie. Yakich arbeitete mit dem 3D-Druckspezialisten Anthony Rudenko zusammen, um in nur 100 Stunden die erste 3D-gedruckte Hotelsuite zu erstellen. Dieses Beispiel veranschaulicht perfekt die bemerkenswerte Zeiteffizienz und Kosteneinsparung (in diesem Fall bis zu 60 %), die der 3D-Druck im Vergleich zu herkömmlichen Baumethoden bietet. Stellen Sie sich nun vor, den Beton in diesen Projekten durch nachhaltige Ersatzstoffe zu ersetzen, und die Vorteile nehmen exponentiell zu!

Bereits 2019 wurden diese beiden Innovationen in Mosambik in die Praxis umgesetzt, wo Ingenieure das weltweit erste luxuriöse 3D-gedruckte Sandhotel bauten, das mit einem Sand- und Meerwassermörtel gebaut wurde. Durch die Verwendung lokal verfügbarer Materialien können Designer und Ingenieure dabei auch Transportkosten und Emissionen einsparen.

Wir leben in einer Zeit, in der technologische Durchbrüche an der Tagesordnung sind. Und doch brauchen diese Durchbrüche Zeit, bis sie weit verbreitet sind. Während wir für die Zukunft bauen, können wir damit rechnen, dass immer mehr Ingenieure in kommerziellen Projekten weiterhin mit 3D-Betondruck und nachhaltigen Rohstoffen experimentieren und deren Haltbarkeit im Laufe der Zeit überwachen, um die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten und ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren.

Ibon Iribar, Investment- und Open-Innovation-Berater bei CEMEX Ventures, erforscht und analysiert eingehend fortschrittliche Technologien für die Bauindustrie und hilft bei der Identifizierung von Investitions- und Geschäftsentwicklungsmöglichkeiten mit neuen Startups, Projekten und Einheiten des Bautechnologie-Ökosystems in mehreren Märkten. Ibon leitet die Bemühungen für die größte Herausforderung für Bau-Startups, den Bau-Startup-Wettbewerb, und arbeitet das ganze Jahr über an der Suche nach den innovativsten und vielversprechendsten Lösungen, in die man investieren oder mit denen man zusammenarbeiten kann, um die Entwicklung von Startups und ihr Wachstum in der gebauten Umwelt zu unterstützen.

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