3D-Druck zur Herstellung von leichten, isolierenden Bauelementen

Die ETH Zürich entwickelt in Zusammenarbeit mit der FenX AG 3D-Druck von zementfreien Mineralschäumen aus recycelten Abfällen für monolithische, leichte und isolierte Wandkonstruktionen.

Patrick Bedarf, Mitglied der Gruppe für digitale Bautechnologien unter Leitung von Professor Benjamin Dillenburger und kürzlich promovierter Wissenschaftler, steht vor einer dieser Strukturen. In seiner Doktorarbeit untersuchte er die Herstellung von leichten, isolierenden Bauelementen in komplexen Formen, um Material zu sparen.

Bedarf nutzte dabei ein nachhaltiges Isoliermaterial, das vom ETH-Spin-off FenX aus recyceltem Industrieabfall hergestellt wird. “Der von uns verwendete Mineralschaum ist ein innovatives Baumaterial, das zu einer klimafreundlicheren Industrie beiträgt”, erklärt Bedarf. Der Schaum besteht hauptsächlich aus Flugasche, einem Abfallprodukt aus Industriehochöfen.

“Dieses Material hat also bereits den ersten Stoffkreislauf durchlaufen und kann nach Gebrauch einfach recycelt werden”, erklärt Bedarf und zerbröselt ein Bauteil. “Das Material kann nun als neuartiger Schaumstoff wiederverwendet werden.”

Die Forschung wurde im Journal “3D Printing and Additive Manufacturing” veröffentlicht. Dabei wird die Produktion von isolierenden Wandelementen durch 3D-Druck als nachhaltiger Prozess beschrieben, der Materialverschwendung und CO2-Emissionen reduziert.

“Die Schalung, die zum Gießen des Materials benötigt wird, ist nicht mehr erforderlich. Schalungen sind sehr zeitaufwändig und können nur teilweise wiederverwendet werden Nehmen Sie zum Beispiel dieses Teil, das wie eine Pizza aussieht”, sagt er und zeigt auf eine flache Scheibe. “Wir haben zunächst verschiedene Arten dieser kleinen “Pizzen” gedruckt und sind dann zu größeren Stücken übergegangen, um zu sehen, ob der im 3D-Druck hergestellte Schaumstoff auch für großflächige Anwendungen geeignet ist.”

Im Labor wird ein gesamter Raum als 3D-Drucker genutzt. Roboterarme, ausgestattet mit Druckköpfen, tragen das Material schichtweise auf.

“Die Roboter können jeden vordefinierten Punkt im Raum präzise ansteuern”, erklärt Bedarf. “Wir programmieren den jeweiligen Weg und geben vor, wo sie sich wie schnell bewegen und wie viel Material wann und wo aus dem Druckkopf fließen soll.”

In ersten Versuchen verwendete Bedarf Beton, um die individuellen Bauteile zu verstärken. Später gelang es ihm, robuste Komponenten allein mit Schaum zu produzieren, wie im Prototyp des Airlement-Projekts gezeigt: eine monolithische Ecksäule aus vier 3D-gedruckten Segmenten. Die Teile werden mit Mörtel zusammengeklebt und dann mit einem weißen, zementfreien Putz besprüht.

Airlements – eine Wortkombination aus “air” und “elements” – bestehen aus leichten Einzelteilen, die manuell gehoben und übereinandergestapelt werden können. Bisher können Airlements nur als isolierende Teile für Innen- oder Außenwände verwendet werden.

“Die Gebäudeteile können einfach in einer Fabrik gedruckt, zur Baustelle transportiert und dort positioniert werden”, sagt Bedarf. “Um das Bauteil robuster zu machen, kann der hohle Kern mit hochdichtem Mineralschaum ausgegossen werden, wodurch er schließlich stark genug wird, um als tragende Struktur zu fungieren.”

Jedes einzelne Prototyp wird in weniger als einer Stunde gedruckt und eine Woche lang bei kontrollierter Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit gehärtet. Die Regulierung von Luftfeuchtigkeit und Temperatur ist wichtig, um sicherzustellen, dass das Material korrekt aushärtet und nicht bruchanfällig ist.

“Es gab überall Nebel und Staub, und es war wie in einer heißen Sauna”, sagt er und weist darauf hin, dass diese neue Produktionsmethode keine energieintensive Verarbeitung mehr erfordert. “Das ist ein Fortschritt gegenüber früheren Arbeiten mit zementfreien Schäumen, die entweder mit Zement oder durch anschließendes Aushärten bei hoher Temperatur im Ofen gehärtet werden mussten.”

Airlements könnten schließlich im nachhaltigen Bauwesen eingesetzt werden: Einerseits reduzieren die Isoliermaterialien den Energieverbrauch von Gebäuden. Andererseits produziert der 3D-Druck weniger Abfall als traditionelle Methoden zur Herstellung von Bauteilen und Schalungen, die umweltschädlich sind, sind nicht mehr erforderlich. Zuletzt sind Airlements komplett zementfrei, was nachhaltiges Bauen gewährleistet.

“Wenn das Bauteil nicht mehr benötigt wird, kann es vollständig zerkleinert und zu Staub zermahlen werden, der dann zu neuem Schaumstoff verarbeitet werden kann.”

Bedarf plant nun, Airlements zusammen mit FenX weiterzuentwickeln. In ihrer Fabrik in Turgi wird eine eigene Produktionslinie aufgebaut.

“Wir werden die Tragfähigkeit und die Dämmeigenschaften genau analysieren, um festzustellen, wie sich dieses Material als Wandelement in einem geschlossenen Raum verhält. Mit Hilfe von Infrarotmessungen werden wir herausfinden, wo die Wärmedämmung noch verbessert werden kann und wie wir eventuelle Schwachstellen durch Anpassung des Druckweges beseitigen können.”