Beton-3D-Druck: Neue Technik erzeugt ultraleichte, abfallfreie Betonstrukturen

Die Architektin Mania Aghaei Meibodi und die Forscher Alireza Bayramvand und Yuxin Lin vom DART-Labor am Taubman College of Architecture and Urban Planning der U-M haben eine Methode zur Herstellung von ultraleichtem, abfallfreiem Beton entwickelt.

Die Methode reduziert das Gewicht um 72 % im Vergleich zu konventionellem, festem Beton derselben Größe und führt zu neuen Partnerschaften und Patenten außerhalb der U-M.

Bisherige Ansätze zum 3D-Betondruck (3DCP) zielen darauf ab, das Bauen zu digitalisieren und den Betonverbrauch zu senken. Der am weitesten verbreitete Ansatz hat jedoch geometrische Einschränkungen, die seine Anwendung auf einfache Formen wie orthogonale Wände beschränken.

“Dies führt zu einem hohen Betonverbrauch und schränkt die Anwendung für leichte Formen ein, die komplizierte Formen wie verzweigte und winklige Rohrformen, Überhänge, Auskragungen von Schichten und Variationen des Filamentabschnitts oder -winkels beinhalten”, so Aghaei Meibodi, Assistenzprofessor für Architektur am Taubman College.

Bei der auf Baustellen am häufigsten verwendeten Methode wird der 3DCP-Werkzeugkopf mit einem planaren Werkzeugweg parallel zum Boden oder entlang einer einzigen Ebene geführt. Der Werkzeugkopf folgt dieser Bahn und extrudiert den Mörtel aus dem Druckkopf, um ihn in horizontalen Schichten aufzutragen.

Nachdem jede Schicht aufgetragen wurde, wird die Extruderdüse um die Höhe der aufgetragenen Schicht angehoben. Dieser Vorgang wird wiederholt, um eine Betonform zu erstellen, die später mit Bewehrungsstäben und Beton gefüllt wird.

Der neue Ansatz des U-M-Teams, die “Shell Wall”, demonstriert einen rechnerischen Entwurf und eine robotergestützte 3D-Drucktechnologie, die Topologieoptimierung und 3D-Betondruck effektiv miteinander verbindet. Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um eine Technik, mit der die effizienteste Materialverteilung auf der Grundlage von Leistungskriterien wie Festigkeit oder Gewicht für eine bestimmte Gruppe von Trägern ermittelt wird (The Smart Takes from the Strong).

Das Team hat ein Berechnungsmodell entwickelt, das die nicht planare und variable Materialaufbringung auf der Grundlage der Form und der geometrischen Merkmale der topologieoptimierten Teile synergetisch kombiniert. Dies ermöglicht einen effizienten Materialeinsatz, indem das Material genau dort platziert wird, wo es für strukturelle Zwecke benötigt wird, “und vermeidet eine unnötige Überbeanspruchung durch übermäßige Materialmengen”, so Aghaei Meibodi. “All diese Faktoren zusammengenommen bedeuten, dass wir bessere, umweltfreundlichere Strukturen zu niedrigeren Kosten bauen können.

Im Zeitalter von Robotern, künstlicher Intelligenz und Automatisierung in der Architektur erfreut sich der 3D-Druck in der Baubranche zunehmender Beliebtheit, insbesondere wegen seiner Fähigkeit, komplexe Formen und Strukturen schnell und mit weniger Abfall zu erstellen.

Laut Bayramvand und Lin haben frühere Forschungen den nicht-planaren 3D-Druck mit polymerbasierten Materialien für komplizierte Geometrien erforscht, aber die Verwendung von Beton – einem schwierigeren Material – wurde bisher nur wenig beachtet.

Mit diesen technologischen Fortschritten der DART Lab-Forscher beginnen namhafte Marktführer im 3D-Betonbau – die Peri Group, ICON und WASP – auf sich aufmerksam zu machen.

Angesichts der rasanten Urbanisierung und der steigenden Anforderungen an den Bau von Infrastrukturen trägt ihre Arbeit zu bedeutenden Veränderungen in der Bauindustrie und den allgemeinen 3DCP-Praktiken bei – und begründet neue Partnerschaften, die die zukünftigen Ergebnisse für Architekten, Gesetzgeber, Startups im Bereich 3D-Betondruck und die Betonindustrie insgesamt verbessern sollen.

Mehr über University of Michigan finden Sie hier.