Forschung in Braunschweig

TU Braunschweig: Leichte Beton-Brücken aus dem 3D-Drucker

| Lesedauer: 4 Minuten
Entwurf einer auf dem Prinzip der „Injection 3D Concrete Printing Technologie“ basierenden Brücke – in Zusammenarbeit mit Pieluigi D’Acunto und Ole Ohlbrock.

Entwurf einer auf dem Prinzip der „Injection 3D Concrete Printing Technologie“ basierenden Brücke – in Zusammenarbeit mit Pieluigi D’Acunto und Ole Ohlbrock.

Foto: ITE/TU Braunschweig

Braunschweig.  Mit dem Verfahren könnten 50 bis 70 Prozent des Materials eingespart werden. Das heißt: Der Kohlendioxidausstoß bei der Zementproduktion würde sinken.

Auf dem Weg zur Klimaneutralität spielen gerade jene Industrien eine entscheidende Rolle, die einen extrem hohen Energieverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß haben. Die Zementindustrie ist eine davon. Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Material. Der Werkstoff aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen ist günstig, in großen Mengen verfügbar, lässt sich gut verarbeiten und ist lange haltbar. Aber: Die Herstellung des Zements ist für rund acht Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich.

Um diesen zu senken, forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig daran, wie der immense Materialverbrauch beim Bauen reduziert werden kann. Wie die TU mitteilt, gehen sie an die Grenzen des 3D-Drucks und erzeugen mit einer neuen Technik filigrane Leichtbaustrukturen aus Beton. Das Projekt wird von der Volkswagenstiftung gefördert.

50 bis 70 Prozent Material können damit laut der TU eingespart werden

Mit Hilfe digitaler Prozesse könne das Material effizienter eingesetzt und deutlich weniger davon verbraucht werden. Beton werde nur dort im Bauteil abgelegt, wo man es auch tatsächlich benötige. 50 bis 70 Prozent Material können damit laut der TU eingespart werden. Beteiligt sind das Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) und das Institut für Tragwerksentwurf (ITE). Während bislang üblicherweise horizontal Schicht für Schicht gedruckt wird, um beispielsweise eine Hauswand zu errichten, erforschen die beiden Institute jetzt ein ganz neues Verfahren.

Die Teams um die Professoren Dirk Lowke, Kloft und Norman Hack entwickeln ein 3D-Injektionsdruck-Verfahren, um leichte räumliche Strukturen herzustellen. „Gerade im Betonbau ist es üblich, dass man die Wände massiv betoniert. Wir möchten jedoch eine leichte, aufgelöste Bauweise erreichen, die man eher von Holz oder Stahl kennt“, erklärt Lowke.

Betonbauteile sollen in der Fabrik gefertigt und vor Ort zusammengesetzt werden

Hierbei injizieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Betonstrang in ein Trägermedium und bilden dort eine filigrane räumliche Struktur. „Im Versuch ist die Trägerflüssigkeit ein durchsichtiges Gel. Für den großtechnischen Anwendungsprozess wollen wir dieses durch eine mineralische Suspension ersetzen, die günstiger, ökologisch unschädlich und in großem Maßstab recycelbar ist“, so Lowke. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren: Die Trägerflüssigkeit muss perfekt auf den Beton und den robotisch gesteuerten Prozess abgestimmt sein, um das Material in der gewünschten Position zu halten.

Wenn die Gesteinsmehl-Suspension, die wie eine Schlammpackung aussieht, abgelassen wird, bleibt die gitterähnliche Struktur zurück. „Die Betonbauteile eignen sich zum Beispiel für Brücken oder Dachtragwerke“, so der Wissenschaftler. Diese sollen in der Fabrik gefertigt und vor Ort zusammengesetzt werden. „Neben dem CO2-Einsparpotenzial können wir mit unserem Verfahren auch neue Möglichkeiten in der Architektur schaffen, nämlich komplexe Geometrien ohne räumliche Einschränkungen.“

Das Forscherteam verweist hier auf Brücken des Schweizer Bauingenieurs Robert Maillart und auf filigrane Formen wie sie einst der italienische Bauingenieur Pier Luigi Nervi mit seinen „Ferro-Cemento“-Elementen schuf: „Solche Strukturen werden heute nicht mehr hergestellt, weil es zu aufwendig ist. Wenn wir jedoch eine Technologie haben, mit der wir so etwas in einer kostengünstigen Art und Weise produzieren können, verhilft es diesen ressourceneffizienten Strukturen vielleicht zu einer neuen Renaissance.“

Nicht nur Beton kommt aus der Düse, sondern auch ein Drahtseil

Auch an der Integration der Bewehrung forscht das Projektteam, damit die Struktur möglichst tragfähig ist. „Wir wollen Stahlstrukturen eindrucken oder im Betonstrang einen langen Metall- oder Faserstrang mitführen. Das ist die etwas herausfordernde Variante. Damit kommt nicht nur Beton aus der Düse, sondern auch ein kontinuierliches Drahtseil, eine endlose Faser, die als Bewehrung dient“, so Professor Lowke.

Mit ihrem Projekt schauen die Braunschweiger Expertinnen und Experten aus Bauingenieurwesen und Architektur deutlich in die Zukunft: Mit mindestens zehn Jahren rechnet Professor Lowke, bis die bereits patentierte 3D-Druck-Technik großtechnisch eingesetzt werden kann. Zunächst wollen die Forschenden jedoch die Machbarkeit nachweisen und zeigen, dass es mit dem Verfahren möglich ist, bewehrte Betonelemente herzustellen.

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