Jeder kennt die berühmte Geschichte der drei kleinen Schweine aus dem 18. Jahrhundert, die 1933 von Walt Disney populär gemacht wurde. Darin baute ein faules Schwein ein Haus aus Stroh, das zweite, etwas fleißigere, entschied sich für Holz, während das dritte, fleißige Schwein, beschloss, ein Haus aus Ziegeln zu bauen, das sich als das widerstandsfähigste gegen die Versuche des bösen Wolfes herausstellte, es umzublasen. Heute hätten die ersten beiden nie gedacht, dass ihre Materialien im Bauwesen verwendet werden würden und dass natürliches oder nachhaltiges Bauen etwas werden würde, nach dem man strebt. Natürliche Materialien werden immer beliebter, und mit neuen fortschrittlichen technologischen Methoden wird alles einfacher, günstiger und umweltfreundlicher.
Die Bauindustrie, wie alle anderen, durchläuft eine Phase schnellen Wandels und Innovation. Die größte Rolle in dieser Geschichte spielt neue Technologie und nachhaltige Materialien, die entscheidend dafür werden, was heute allgemein als städtische Gebiete bezeichnet wird, und neue Möglichkeiten im ökologischen Bauen, Architektur und Design eröffnen. Aufgrund ökologischer Herausforderungen wird zunehmend Wert auf Bauweisen gelegt, die Emissionen und Materialverbrauch reduzieren, da weniger Material auch einen kleineren ökologischen oder CO2-Fußabdruck bedeutet. In diesem Kontext hat sich der 3D-Druck als eine der vielversprechendsten Technologien herausgestellt.
Chinesische Pioniere
Die Technologie des 3D-Drucks im Bauwesen begann in den frühen 2000er Jahren zu entwickeln, aber die weit verbreitete Anwendung und die ersten konkreten Projekte erschienen erst nach 2010. Es ist nicht überraschend, dass das chinesische Unternehmen WinSun in diesem Bereich ein Pionier ist, angesichts der zunehmend fortschrittlichen chinesischen Technologie in fast allen Branchen. 2014 war WinSun das erste Unternehmen, das mehrere Häuser mit der 3D-Druckmethode baute. Es druckte Wandabschnitte aus Beton in einer Fabrik und montierte sie dann vor Ort, was demonstrierte, wie diese Methode den Bau beschleunigen und, was noch wichtiger ist, die Kosten senken kann.
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Weniger Rohstoffe bedeuten auch einen kleineren CO2-Fußabdruck. Unter diesem Slogan betonen Stadtplaner Bauweisen, die Emissionen und Materialverbrauch reduzieren.
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Wir mussten bis 2017 warten, um große Objekte mit einem 3D-Drucker zu drucken, als das russische Unternehmen ApisCor ein ganzes Haus direkt auf der Baustelle in Stupino, nahe Moskau, druckte. Mit einem großen Roboterarm vollendete es die Struktur eines Betonhauses in nur 24 Stunden und zeigte die Effizienz dieser Technologie beim Bau größerer Wohngebäude. Danach erweiterte sich die Technologie auf andere Bauprojekte, einschließlich Brücken. Ein Beispiel ist die Royal BAM Group, die 2017 die erste 3D-gedruckte Betonbrücke im niederländischen Dorf Gemert in Zusammenarbeit mit Forschern der Technischen Universität Eindhoven baute. Dieses Projekt war bedeutend, da es das Potenzial des 3D-Drucks im Infrastrukturbau demonstrierte, insbesondere unter anspruchsvollen Bedingungen wie Brücken, die schweren Lasten standhalten müssen.
Druckarten
Wie bereits erwähnt, ermöglicht der 3D-Druck die Erstellung von Bauelementen oder ganzen Gebäuden Schicht für Schicht. Bisher wurden Materialien wie Beton, verschiedene Polymere, Metalle, recycelte Materialien und kürzlich auch Ton am häufigsten verwendet. Die häufigste Art von Drucker basiert auf einem Roboterarm, der hin und her bewegt wird und Material extrudiert. Neben dieser Methode gibt es auch andere, wie das Pulverbinden und das additive Schweißen. Pulver wird innerhalb eines mit Pulver gefüllten Beckens gebunden, wo es Schicht für Schicht aushärtet, um das gewünschte Objekt zu erstellen. Additives Schweißen ist eine Metall-3D-Drucktechnologie, die Wärme und Metalldrähte verwendet, um metallische Strukturen Schicht für Schicht aufzubauen. Diese Technologie wird zunehmend eingesetzt, insbesondere in Branchen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Schiffbauindustrie, wo die Produktion großer und präziser Metallteile erforderlich ist.
Ohne Zement
Die fortlaufende Entwicklung der dreidimensionalen Drucktechnologie wird auch durch die neueste Methode demonstriert, die von Forschern der ETH Zürich entwickelt wurde. Das Schweizer Team hat eine neue Methode der robotergestützten additiven Fertigung entwickelt, die nur Ton verwendet, ohne Zement, was einen bedeutenden Schritt in Richtung vollständig nachhaltigen Bauens darstellt, das heißt, ausschließlich aus natürlichen Materialien. Es ist besonders vorteilhaft, dass Ton weit verbreitet und kostengünstig ist, wenn nicht sogar kostenlos, wenn der Bauherr sich für Selbstausgrabung entscheidet.
Das Schweizer Team entwickelte eine neue Methode mit einem alten Material und nannte sie Impact-Druck. Sie basiert auf der präzisen, schnellen Anwendung von Material, das umgangssprachlich als gespuckt und miteinander verbunden beschrieben wird.
Der Spuckmechanismus
Dieser ‚Impact-Druck‘ ermöglicht eine schnellere Schichtung von Materialien. Im Bauwesen stößt der 3D-Drucker Material, Ton, von oben nach unten aus und baut die Wand, indem er den Ton allmählich spuckt. Mit jedem dieser Impulse verbinden sich die Materialteile ohne Bindemittel. Diese Methode beseitigt auch die Notwendigkeit von Pausen, während der das Material aushärten müsste, wie es bei traditionellem Beton-3D-Druck der Fall ist. Dieses Spucken ist genau der Hauptunterschied im Vergleich zu früheren Methoden des 3D-Drucks von Gebäuden, bei denen Schichten übereinander gestapelt werden.
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3D-Druck im Bauwesen, auch bekannt als additive Fertigung, ist eine Technologie, die zu Beginn des Jahrtausends zu entwickeln begann. Sie basiert auf der Anwendung großer Roboter-Drucker, um Baukonstruktionen Schicht für Schicht zu erstellen, meist unter Verwendung speziell vorbereiteter Betonzusammensetzungen oder anderer Baumaterialien.
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In Zürich behaupten sie, dass sie mit dieser Methode Material mit Geschwindigkeiten von bis zu zehn Metern pro Sekunde ausstoßen können. Forscher des Robotic Manufacturing Laboratory der ETH Zürich verwendeten in diesem Fall eine Mischung aus ausgehobenem Boden, Schlamm und Ton für den Druck, die die notwendigen Anforderungen an die Stabilität und Haltbarkeit der Struktur ohne den Einsatz von Zement erfüllt.
Ein neues Werkzeug
Im Laufe der Entwicklung der Technologie wurde ein spezielles Druckwerkzeug entworfen, das in verschiedene Hochleistungsroboterplattformen integriert werden kann. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht die Anwendung in unterschiedlichen Geländen – sowohl in Produktionsstätten als auch auf Baustellen – sodass Experten glauben, dass diese Bauweise in Zukunft helfen könnte, unzugängliche Geländetypen zu erobern. Für den Moment kann diese Methode Säulen und Wände bis zu ein oder zwei Stockwerke hoch drucken, während auch an einer robotergestützten Methode zur Installation von Verstärkungen gearbeitet wird, die den gedruckten Strukturen zusätzliche Festigkeit verleihen würde.
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