Innovativer 3D-Druck trifft auf Hightech-Beton

Mannigfaltige Gestaltungsfreiheit beim 3D-Druck von Betonschalungen – am Beispiel des voxeljet-Firmensteins

voxeljet, Friedberg bei Augsburg, Dezember 2017

Von weitem wirkt er schlicht – doch seine Front hat es in sich. Mit klaren Hinterschneidungen ragt das voxeljet-Logo aus einer Felsformation. Die Erscheinung lässt langwierige, traditionelle Handarbeit mehrerer Steinmetze vermuten – dabei verbirgt sich dahinter eine innovative Technologie: hochmoderner 3D-Druck. Statt von einem Festkörper Material abzutragen, werden komplexe Formen gedruckt und später mit flüssigem Beton gefüllt. Das Kunstwerk vereinigt neueste Formgebungstechniken mit state-of-the-art Hightech-Beton und öffnet Türen für nie dagewesene Anwendungsmöglichkeiten in der Architektur und dem Bauwesen.

Der 3D-Druck, auch bekannt als additives Fertigung, erschließt so gut wie jeden Tag neue Einsatzgebiete in den verschiedensten Industrien und Branchen. voxeljet, ein führender Hersteller industrietauglicher 3D-Drucksysteme spielt dabei ganz oben an der Spitze mit. Während bisher die Gießereiindustrie einer der Hauptabnehmer der voxeljet Technologie gewesen ist, verbreitert sich nun das Anwendungsportfolio weiter. Mithilfe des 3D-Drucks können hochkomplexe Formen und Kerne aus Sand in kürzester Zeit und hoher Präzision hergestellt werden. So können sich Anwender ganze Prozessschritte wie den kosten- und zeitaufwändigen Werkzeugbau einsparen, da die Herstellung 3D-gedruckten Sandformen und -kernen lediglich eine CAD-Datei benötigt. Voxeljet kann diese Formen dann in demand – also bei Bedarf, in kürzester Zeit in ihrem Dienstleistungszentrum herstellen.

3D-Druck erobert die Architektur und Bauindustrie für sich

Der voxeljet-Firmenstein aus Beton stellt richtungsweisend die Möglichkeiten der additiven Fertiung in der Architektur und der Bauindsutrie dar. Mit ähnlichen Fließeigenschaften wir Metall, kann flüssiger Beton in sandgedruckte Formen gegossen werden. Je nach Anwendung und Komplexität des gewünschten Bauteiles, können sowohl wiederverwertbare als auch einmalig nutzbare Schalungen hergestellt werden. Der Vorteil von 3D-Druck liegt im werkzeuglosen, kostenoptimierten Fertigungsprozess. Die voxeljet-3D-Drucksysteme erlauben die Fertigung von Gussformen mit hochkomplexen Geometrien in kürzester Zeit und mit beeindruckender Präzision. Durch konventionelle Fertigungsmethoden wären derartig komplexe Formen nur mit viel Aufwand herzustellen oder sogar gänzlich unmöglich.

voxeljet sieht großes Potenzial für zukünftige Anwendungsbereiche für den Betonguss in Architektur und Bauindustrie. Fassaden, Innenraumausstattungen oder sogar Mobiliar lassen sich mit den großformatigen 3D-Druckssystemen von voxeljet genauso leicht fertigen, wie Kunst- oder Designobjekte.

In Kooperation mit Dade Design concrete works GmbH, einem Schweizer Experten für hochwertige Betondesigns und Formenbau konnte voxeljet den filigranen Firmenstein reibungslos beim ersten Versuch fertigen.

Vom CAD-Datensatz zum fertigen Bauteil: Der Druckprozess

Am Anfang steht das CAD-Design. Um den vollen Nutzen aus dem 3D-Druck ziehen zu können, entschloss sich voxeljet dazu eine hybride Schalung aus konventionellen Schalungselementen und 3D-gedruckten Teilen zu fertigen. Mittels der additiven Fertigung wurden dabei lediglich die komplexen Teile, die Front des Firmensteins gefertigt. Die gerade Flächen werden mit konventionellen Holzschalungen abgebildet.

Der komplexe Teil des voxeljet-Firmensteins besteht im Wesentlichen aus der Gesteinsstruktur mit dem integrierten Logo, das aus der Hintergrundstruktur hervorragt. „Durch die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks lassen sich selbst hochkomplexe Geometrien mit Hinterschneidungen und gewollten Unebenheiten problemlos realisieren. Mit dem Abguss des Firmensteins konnten wir eine Geometrie produzieren, die auf konventionelle Weise schlichtweg nicht möglich gewesen wäre“, sagt Tobias King, Director Applications bei voxeljet.

Um das Schalungselement zu drucken, wurde die einsatzbereite CAD Datei auf ein 3D-Drucksystem von voxeljet geladen. Dieses fertigte das Bauteil in nur einem einzigen Arbeitsschritt. Das genutze 3D-Drucksystem war die VX4000, der größte, industrielle Drucker, mit einem zusammenhängenden Bauraum von 4x2x1m (LxBxH). Die VX4000 druckte die Form für den Firmenstein in nur einer Nacht.

Die Technolgie die der VX4000 zu grunde liegt, ist das Pulverdruckverfahren. Im Schichtbauverfahren wird eine 300 Mikrometer feine Schicht Sand auf der Bauplattform verteilt. Anschließend werden die Schichten selektiv mit einem Bindemittel verklebt, welches ein Druckkopf an die Baupläne der CAD-Datei verteilt. Das Fertige Bauteil wird im letzten Prozessschritt mit Druckluft von dem unverdruckten Sand befreit und von voxeljet-Spezialisten mit einer PU-Dispersion, um Poren zu schließen und gleichzeitig die Formenoberfläche zu versiegeln.

Der Betonguss des Firmensteins

voxeljet die nachbehandelte Form wurde anschließend in die Schweiz zu Dade Design Concrete works GmbH gesendet. Die Experten für Betonguss übernahmen den Abguss des Steines.

Damit sich die Sandform nach dem Guss leichter vom Beton entfernen lässt, bringt Dade Design ein Trennmittel auf die Form auf. „Gerade bei den Buchstaben ist es wichtig, dass sich die Form so leicht wie möglich von dem Gussstück entfernen lässt, damit später keine Schäden am Beton entstehen“ sagt Andy Keel, Inhaber von Dade Design. Für Keel ist industrieller 3D-Druck „eine Innovation, die völlig neue Dimensionen im Beton-Formenbau eröffnet. Der 3D-Druck ermöglicht uns ein komplett digitales Produktionsverfahren, wodurch wir wertvolle Arbeitszeit und Mühen einsparen.“

In einem zweiten Schritt, nachdem das Logo verhärtet war, wurde der restliche Teil des Firmensteines mit selbstverdichtenden Spezialbeton, UHPC (Ultra-High Performance Concrete) gegossen. Nach nur 20 Stunden war dieser komplett getrocknet und die Schalung konnte entfernt werden.

Der frisch gegossene voxeljet-Firmenstein bedurfte lediglich geringste Nachbearbeitung. Für den finalen Schliff verliehen Mitarbeiter von Dade Design dem Stein eine sogenannte Betonkosmetik, bei der der Beton mittel Politur geglättet wurde. Das Resultat der ersten Versuche im Betonguss kann sich sehen lassen. Durch modernste 3D-Druck-Technologie und hohe Handwerkskunst hat 3D-Druckerhersteller voxeljet die Horizonte des traditionellen Gusses erweitert. „Was in der Architektur bis vor ein paar Jahren noch undenkbar gewesen wäre, ist nun durch eine Kombination von 3D-Druck und unserem eigens entwickelten UHPC-Beton möglich“, ergänzt Betonguss-Spezialist Keel. Der fertige Stein mit dem voxeljet-Logo schmückt nun den Eingang des voxeljet-Verwaltungsgebäudes in Friedberg.