Oak Ridge National Laboratory und die University of Maine 3D-drucken eine recyclebare Bodenplatte

Forschende des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums und der University of Maine haben eine einteilige, recycelbare Bodenplatte aus natürlichen Materialien entworfen und in 3D gedruckt, die sich als stark genug erwiesen hat, um Baumaterialien wie Stahl zu ersetzen.

Das Projekt ist Teil des Sustainable Materials & Manufacturing Alliance for Renewable Technologies (SM2ART)-Programms. Zuvor hat das SM2ART-Team das BioHome3D geschaffen, das erste vollständig aus biologischen Materialien additiv gefertigte Haus in den USA.

Die Bodenplatte und andere Komponenten von BioHome3D wurden kürzlich während der Housing Innovation Showcase 2024 des US-Wohnungsbau- und Stadtentwicklungsministeriums auf dem National Mall ausgestellt. Die SM2ART Nfloor Kassette wurde entwickelt, um herkömmliche Stahl- und Betonoberflächen zu ersetzen, was einen bedeutenden Schritt für den Bau von Wohngebäuden darstellt. Diese Technologie könnte die Nutzung nachhaltiger, modular hergestellter Gebäudeabschnitte fördern.

Modulare Bauweise, bei der komplette Gebäudeteile in einer Fabrik vorgefertigt und anschließend zur Endmontage auf die Baustelle geliefert werden, wird zunehmend als kostengünstige Methode zur Entwicklung nachhaltiger Wohnstrukturen in städtischen Gebieten angesehen. ORNL-Forscherin Katie Copenhaver erklärt, dass dieser erste Versuch, eine starke Bodenplatte aus umweltfreundlichen Ressourcen herzustellen, das Potenzial für die Verwendung organischer Materialien in modularen Mehrfamilienhäusern erheblich steigert.

“Durch den Einsatz von biobasiertem 3D-Druck in großem Maßstab haben wir eine Baugruppe aus 31 Teilen und drei Materialien durch eine Bodenplatte aus einem einzigen Material ersetzt, die umweltfreundlich ist”, sagte sie, “und dieselbe Festigkeit aufweist wie eine herkömmliche Stahlbodenkonstruktion.”

Die Robustheit der SM2ART-Bodenplatte stammt aus der einzigartigen Mischung von Polymilchsäure (PLA) und Holzmehl, das aus Abfällen der Holzverarbeitung gewonnen wird.

“Die Mischung aus PLA und Holzmehl ist ein hervorragendes Material für die Herstellung von recycelbaren, großformatigen, additiv gefertigten Teilen”, sagte Scott Tomlinson, Bauingenieur am Advanced Structures and Composites Center der University of Maine. “Diese einteilige Bodenkonstruktion ist steifer und bietet ein besseres Gehgefühl als die Stahlbetonkonstruktion, die sie ersetzt.”

Für die Herstellung der Bodenplatte verwendeten die Forschenden einen großformatigen 3D-Drucker, der das PLA/Holzmehl-Gemisch in präzise geometrische Formen schichtweise auftrug. Der Druckvorgang dauerte etwa 30 Stunden und führte zu einer Arbeitsersparnis von etwa 33% im Vergleich zur manuellen Herstellung einer ähnlichen Stahlkonstruktion.

Ein signifikanter Kostenfaktor bei traditionellen Stahlrahmen entsteht durch das nachträgliche Einfügen von Kanälen für Elektrokabel, Rohrleitungen und Lüftungsschächte.

“Der 3D-Druck kann Zeit und Geld sparen, da die Bodenkassette mit den im fertigen Produkt vorgesehenen Ausschnitten gedruckt wird”, so Copenhaver. “Die einzige menschliche Arbeit besteht darin, die Akustikhaut für die Schalldämmung und den von den Bewohnern gewünschten Bodenbelag zu verlegen.”

Die SM2ART-Bodenplatte ist vollständig recycelbar. Im Gegensatz zu Baumaterialien, die nach dem Abriss eines Gebäudes auf einer Deponie landen, kann PLA als erneuerbares Material nach der Demontage zu neuen Produkten verarbeitet werden, was zu einer nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft beiträgt.

“Die nächsten Schritte werden darin bestehen, den Herstellungsprozess schneller, effizienter und kostengünstiger zu gestalten und zusätzliche Funktionen hinzuzufügen”, sagte Tomlinson von UMaine. “Diese Technologie ist vielversprechend für die Zukunft nachhaltiger Gebäude”.

Das Projekt befindet sich in der Anfangsphase der Entwicklung. Weitere Forschungen umfassen die Integration von Flammschutzmitteln, nachhaltiger Isolierung und die Verbesserung der Produktionstechniken.