Ist die Bauindustrie bereit für den 3D-Druck? (Update 2020)

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Die Bauindustrie ist vielleicht die neueste Technologie, die den 3D-Druck als praktikable Fertigungstechnologie einführt. Aber die Technologie hat das enorme Potenzial, die Branche zu verändern, indem sie Produktionszeit und -kosten reduziert und gleichzeitig Designflexibilität und ein hohes Maß an Nachhaltigkeit bietet.

Wie in unserer Reifegradtabelle hervorgehoben wird, die untersucht, wie sich der 3D-Druck branchenübergreifend entwickelt, bleibt der 3D-Druck im Bausektor ein relativ neuer Ansatz, und es gibt eine Reihe von Herausforderungen, die gemeistert werden müssen, bevor dies möglich ist breit angenommen werden.

Um mehr über den aktuellen Stand des 3D-Drucks in der Baubranche zu erfahren, untersuchen wir die wichtigsten Vorteile und Technologien des 3D-Drucks für Ingenieure und Architekten sowie die spannendsten 3D-Druckprojekte im Bauwesen.

Wie kann die Bauindustrie vom 3D-Druck profitieren?

Die Bauindustrie hat zu einer Zeit begonnen, den 3D-Druck zu übernehmen, als die Branche aggressiv nach Lösungen für eine Reihe von Herausforderungen sucht.

Eine davon ist die Minimierung von Bauschutt. Bauschutt macht beispielsweise etwa 30 % des gesamten Abfallaufkommens in der EU aus.

Darüber hinaus sehen sich Ingenieure und Architekten zunehmend mit Einschränkungen der Gestaltungsfreiheit konfrontiert, die durch den Gießprozess entstehen.

Andere Probleme beinhalten Nachteile bei der Herstellung von Schalungen auf Baustellen und Hürden beim Transport verschiedener Materialien von einem Ort zum anderen.

Der Einsatz von 3D-Druck in der Bauindustrie könnte dazu beitragen, einige dieser Probleme zu lösen, indem sie Designfreiheit und ein höheres Maß an Nachhaltigkeit und Automatisierung bietet.

Designflexibilität 

3D-Druck bietet Architekten, Ingenieuren und Designern einen großen Spielraum für Innovation und Kreativität. Komplizierte Designs und Kurven, die mit herkömmlichen Konstruktionsmethoden möglicherweise nicht möglich sind, können mit dieser Technik erstellt werden.

Reduzierte Materialverschwendung

Reduzierter Materialverlust ist ein weiterer Vorteil, da Additive Manufacturing (AM) Teile Schicht für Schicht aufbaut, wobei genau die für das Projekt benötigte Materialmenge verwendet wird. Dies könnte sich positiv auf die Umwelt auswirken, insbesondere da beim 3D-Druck recycelte und lokal bezogene Materialien verwendet werden können.

Reduzierte manuelle Arbeit 

Der Einsatz autonomer oder teilautonomer 3D-Drucker im Bauwesen könnte arbeitsintensive manuelle Arbeiten reduzieren. Die Automatisierung des Druckprozesses reduziert auch das Risiko menschlicher Fehler oder Unfälle und Verletzungen auf Baustellen.

Schnellere Konstruktion 

Einige Bau-3D-Drucker sind für den Einsatz vor Ort konzipiert. Dadurch entfallen mehrere zeitaufwändige Schritte, wie das Herstellen von Fertigteilschalungen.

Im Bauwesen bezeichnet Schalung eine temporäre Form, in die Beton gegossen und geformt wird. Schalungen werden verwendet, um alles von Brücken über Fundamente bis hin zu den Wänden eines Gebäudes zu erstellen, und werden normalerweise von Hand gefertigt.

Heute bieten mehrere Unternehmen 3D-Drucker an, mit denen direkt und ohne Schalung Wände vor Ort gebaut werden können. Dies führt zu einem deutlich beschleunigten Bauprozess, der auch von reduzierten Kosten für den Transport der Schalungen zur Baustelle profitiert.

3D-Drucktechnologien für den Bausektor

Abhängig von der Anwendung können mehrere verschiedene AM-Methoden im Bau verwendet werden:

Extrusion von Beton

Eine der hauptsächlich verwendeten Methoden ist die Pastenextrusion, bei der ein mit einer Düse ausgestatteter Roboterarm oder Kran verwendet wird, um den Beton in Pastenform auf eine Bauplattform zu extrudieren.

Dies erzeugt Schicht für Schicht die Konturen eines Gebäudes, das einer beliebten Kunststoff-Fused Filament Fabrication (FFF)-Technologie ähnelt.

Ein früher Pionier des Extrusionsverfahrens für die Baubranche ist Bherokh Khoshnevis, der Gründer von Contour Crafting. Die von Contour Crafting entwickelte Technologie bietet eine Reihe von Materialien, darunter Beton, Keramik und Polymere.

Neben Contour Crafting bieten andere Unternehmen Lösungen für den Beton-3D-Druck an, wie z. B. ICON, CyBE und Apis Cor , um ein paar zu nennen.

Additive Fertigung mit Drahtlichtbogen

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein Verfahren für Metallanwendungen.

WAAM funktioniert durch das Schmelzen von Metalldraht unter Verwendung eines Lichtbogens als Wärmequelle. Der Prozess wird von einem Roboterarm gesteuert und die Form wird auf einem Trägermaterial (einer Grundplatte) aufgebaut, aus dem das Teil nach der Fertigstellung geschnitten werden kann.

Der geschmolzene Draht wird in der Form von Perlen auf dem Substrat. Wenn die Perlen zusammenkleben, bilden sie eine Schicht aus Metallmaterial. Der Vorgang wird dann Schicht für Schicht wiederholt, bis das Metallteil fertig ist.

WAAM-Geräte können mit einer Reihe von Metallen wie Aluminium, Stahl und Titan arbeiten und die Technologie kann zur Herstellung verwendet werden große Strukturen. Ein Beispiel für die Möglichkeiten dieser Methode ist die Stahlbrücke von MX3D.

Sandbindemittelstrahlen

Binder Jetting kann im Bauwesen zur Herstellung von Formen verwendet werden. Die Technologie funktioniert, indem ein flüssiges Bindemittel auf Schichten von Pulvermaterial aufgetragen und dadurch verbunden wird.

Binder Jetting eignet sich besonders für die Herstellung von Schalungselementen für den Betonguss. Dieser Ansatz hilft nicht nur Ressourcen, sondern auch Zeit und Kosten zu sparen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Komplexität beim 3D-Druck von Schalungen mit Binder Jetting keine Rolle mehr spielt. Krümmungen, detaillierte Fassaden oder Hinterschneidungen können einfach in 3D gedruckt werden, was die Grenzen des Designs im Bauwesen überschreitet.

Die spannendsten Beispiele für 3D-Druck im Bauwesen

3D-gedruckte Wände 

In den letzten Jahren haben mehrere Unternehmen Methoden zum Bau von Gebäudewänden mit 3D-Drucktechnologie entwickelt. Ein solches Beispiel ist das in China ansässige Unternehmen Winsun, das Großbauten wie einen fünfstöckigen Wohnblock und eine 12.000 Quadratmeter große Villa produziert hat.

Eine große Maschine – über 100 Meter lang – 3D-gedruckte Hohlwände aus Zement, Sand und Fasermischung. Die Wände wurden zur Baustelle transportiert, verstärkt und montiert. Das Potenzial einer solchen Methode könnte zu erheblichen Zeit-, Arbeits- und Materialeinsparungen führen.

Bau 3D-Druck in Dubai 

Während es viele 3D-Bauprojekte auf der ganzen Welt gibt, ist Dubai derzeit die Hochburg der Aktivitäten für den Bau-3D-Druck. Die Stadt hat sich ambitionierte Ziele gesetzt, in naher Zukunft 25 Prozent der Gebäude im 3D-Druck zu bauen.

Und der Fortschritt in diesem Bereich ist bereits sichtbar.

Zum Beispiel arbeitete Apis Cor, ein in den USA ansässiger Hersteller von 3D-Druckern für Beton, 2019 mit der Stadtverwaltung von Dubai zusammen ein Gebäude mit zwei Stockwerken und einer sehr komplexen Architektur zu schaffen.

Apis Cor entwickelte ein auf Gips basierendes Material, das durch den Drucker geleitet wurde, das von einem lokalen Hersteller bezogen wurde.

Der Druck fand im Freien statt, um zu beweisen, dass die Technologie einer rauen Umgebung ohne Feuchtigkeits- und Temperaturkontrolle standhält.

Das Gebäude ist angeblich eines der größten, das mit Hilfe von on . gebaut wurde -Site-3D-Druck.

Brücken

Der Bau von Brücken mittels 3D-Druck ist eine weitere Anwendung in der Bauindustrie.

Madrid ist die Heimat der ersten 3D-gedruckten Betonbrücke, während in den Niederlanden eine 8 Meter lange 3D-gedruckte Brücke für Radfahrer gebaut wurde. Der Prozess dauerte insgesamt 3 Monate, bis Roboter die Betonblöcke für die Brücke erstellten, die aus 800 Schichten bestanden, die dann zur Herstellung der Brücke zusammengefügt wurden.

Außerdem das niederländische niederländische Robotik-Startup MX3D entwickelt eine 3D-gedruckte Stahlbrücke, die mit intelligenten Technologien wie Sensoren ausgestattet ist.

Die geschwungene Struktur der Brücke aus Edelstahl unterstreicht die Gestaltungsfreiheit von AM.

2019 hat die MX3D-Brücke ihre erste Testphase von 20 Tonnen bestanden und soll noch in diesem Jahr an ihrem endgültigen Bestimmungsort über einem Amsterdamer Kanal platziert werden.

Innenarchitektur

Die Möglichkeit, komplexe, filigrane Geometrien zu erstellen, eröffnet Innenarchitekten völlig neue Gestaltungsspielräume. Ein aktuelles Beispiel ist Bottlepot – ein Londoner Geschäft mit einem 3D-gedruckten Interieur aus nachhaltigen Materialien. Dieses Projekt zeigt, wie durch 3D-Druck Abfall beim Bauen reduziert und die Zukunft für nachhaltiges Design gestaltet werden kann.

Architekturmodelle

Eine der größten Auswirkungen des 3D-Drucks im Bauwesen war die Herstellung von Architekturmodellen. Der 3D-Druck hat den Architekturmodellierungsprozess revolutioniert, indem er einen schnellen und digitalisierten Prozess für die Modellherstellung ermöglicht.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der 3D-Druck schnelle und kostengünstige Design-Iterationen ermöglicht, was erheblich Zeit spart und dabei Kosten senkt.

Bauteile

3D-Druck hat sich auch für die Herstellung spezifischer Bauteile und Werkzeuge für das Bauwesen als geeignet erwiesen.

Der britische Bauunternehmer Skanska ist eines der ersten Unternehmen, das den 3D-Druck zur Herstellung von Bauteilen verwendet hat wie eine Verkleidung.

In einem Projekt hat Skanska 3D-Druck verwendet, um Polymerverkleidungsknoten für das Dach des 6 Bevis Marks Geschäftszentrums in London herzustellen. Dieser Ansatz hat in Bezug auf Zeit- und Kosteneinsparungen eine vorteilhaftere Alternative zu herkömmlichen Techniken geschaffen.

3D-gedruckte Schalungen

Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von 3D-gedruckten Schalungen bei einem groß angelegten Renovierungsprojekt für ein 42-stöckiges Wohn- und Geschäftshaus in New York City.

Gate Precast, ein Unternehmen, das zuvor tätig war an der neuen Fassade des Gebäudes, stellte fest, dass die Herstellung von Holzformen für das Projekt ein großes Unterfangen sein würde, das bis zu 9 Monate dauern kann. Die benötigten Formen waren groß – einige maßen bis zu 2,6 x 1,7 x 0,5 m, was die langen Produktionszeiten zusätzlich verlängerte.

Um den Prozess zu beschleunigen, entschied sich das Unternehmen, mit 3D-Druck zu experimentieren. Partnerschaft mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), um seine BAAM-Technologie einzusetzen.

Dank BAAM konnte das Unternehmen Formen zwischen 8 und 11 Stunden drucken, mit zusätzlichen 8 Stunden Bearbeitungszeit, um dies zu erreichen das gewünschte Oberflächenfinish. Die Formen wurden aus kohlefaserverstärktem ABS hergestellt, einem üblichen Thermoplast, gemischt mit gehackten Kohlefasern für zusätzliche Festigkeit.

Das Ergebnis ist eine starke Form, die während ihrer Lebensdauer bis zu 200 Betongießen unterstützt. im Vergleich zu 15-20 Gussteilen für eine Holzform.

Das Unternehmen ist der Ansicht, dass es ohne die 3D-gedruckten Formen und BAAM unmöglich gewesen wäre, die Formen innerhalb des für dieses Projekt erforderlichen Zeitrahmens zu erstellen.

Herausforderungen bei der Einführung des 3D-Drucks in der Bauindustrie

Obwohl AM ein enormes Potenzial für die Baubranche birgt, gibt es immer noch eine Reihe von Hindernissen für eine breitere Akzeptanz.

Eines der Schlüsselthemen ist die Qualitätskontrolle. Der 3D-Druck hat Fragen zu seiner Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Baumaterialien und -methoden aufgeworfen:Wird ein 3D-gedrucktes Haus so lange halten wie ein traditionell gebautes Haus? Wird es im Falle eines Brandes oder einer Naturkatastrophe statisch und sicher sein?

Die Vorschriften für das Bauwesen sind nicht überraschend streng, und die von AM angebotenen neuen Technologien und Materialien müssen noch in Baunormen und -vorschriften integriert werden.

Darüber hinaus erfordert der 3D-Druck erfahrene Bediener und Designern, was Investitionen in Schulungen bedeutet, um automatisierte Technologien und Software-Kenntnisse optimal zu nutzen.

Eine weitere Hürde, die es zu überwinden gilt, ist die begrenzte Auswahl an Baumaterialien, die 3D-gedruckt werden können. Allerdings wird insbesondere an Beton und biobasierten nachwachsenden Rohstoffen geforscht.

Die Zukunft des 3D-Drucks im Bauwesen 

Trotz Visionen von komplett 3D-gedruckten Gebäuden wird die Technologie traditionelle Bauweisen nicht ersetzen – zumindest nicht kurzfristig.

Vielleicht liegt einer der größten Anwendungsfälle der AM-Technologie in der Herstellung komplexer Bauteile wie Fugen, Fassaden und Schalungen, wobei die Vorteile der AM-Gestaltungsfreiheit genutzt werden.

Neben der Designflexibilität kann der 3D-Druck vor Ort auch dazu beitragen, den Abfall auf den Baustellen zu reduzieren und als gutes Sprungbrett in eine nachhaltigere Zukunft dienen.

Looking Insgesamt gesehen kann der 3D-Druck eine der wichtigsten Lösungen für die aktuellen Herausforderungen im Bausektor sein, da er sich allmählich zu einer nachhaltigeren, flexibleren und automatisierten Bautechnologie entwickelt.