„Formfreiheit durch Massenanpassung“: Technische Herausforderungen im 3D-Druck

Beim Durchsuchen des 3D-Druck-Tags auf ArchDaily wird deutlich, dass sich diese Technologie unglaublich schnell entwickelt hat. Während wir das Konzept in den Anfangsjahren als ferne Zukunftsmöglichkeit oder anhand kleiner Beispiele betrachteten, konnten wir in den letzten Jahren die Produktion ganzer gedruckter Gebäude und immer komplexer werdender Bände beobachten. Die durch das Lesen einer Computerdatei entwickelte Fertigung erfolgt durch additive Fertigung mit Beton – oder anderen Baumaterialien – und bereitet zahlreiche Schwierigkeiten bei der Bereitstellung eines effizienten Prozesses, der die Verbreitung der Konstruktionstechnik ermöglicht. Der vom Huizenprinters-Konsortium gedruckte Pavillon veranschaulicht diesen Prozess beispielsweise gut.

Der Prozess begann im Jahr 2018 mit den ersten konkreten Entwicklungstests für die Entwicklung der additiven Roboterfertigung. Nach Angaben des Teams „hatten sie damals noch wenig Wissen über Robotik und einen Materialmix, der sich nur 30 cm hoch stapeln ließ, bevor er zusammenbrach“. Das Konsortium besteht aus dem Bauunternehmen Heilijgers BV, dem Betonlieferanten Van der Kamp BV, den Innovationsspezialisten von Blueways und der kreativen Innovationsgemeinschaft De WAR. Zusätzlich zu den bereits genannten waren auch Jelle Feringa und Summum Engineering an dem Projekt beteiligt und lieferten Strukturdesign, parametrische Modellierung und Engineering.

Neue Produktionsformen erfordern neue Denkweisen

Da der zentrale Schwerpunkt des Projekts auf dem Lernen lag, wurde beschlossen, das gesamte generierte Wissen zu veröffentlichen, mit der Absicht, zu weiterer Forschung und ähnlichen Initiativen beizutragen. Die Gruppe beschloss, das Gelernte durch eine Reihe von Wissensaustauschveranstaltungen und eine Website zu teilen, auf der sie ihre Ergebnisse veröffentlichten. Diese Informationen wurden im Gegensatz zum herkömmlichen Urheberrecht nach dem Prinzip des Copyleft veröffentlicht. „Der Informationsaustausch ist entscheidend für die Beschleunigung von Innovationen. Erfindung ist wohl nichts anderes, als bestehende Ideen auf neuartige Weise zu kombinieren, und wie könnte man Ideen besser ernten als in einer offenen Gemeinschaft? In diesem Projekt arbeiten wir nach dem Creative Commons 4.0-Prinzip „Teilen und Teilen unter gleichen Bedingungen.“ sagte Harmen Zijp von De WAR.

Wie es bei jedem Prototyping-Prozess zu erwarten ist, traten mehrere Probleme auf, die im Laufe des Projekts behoben werden mussten. Probleme wie Temperaturschwankungen in der Halle oder die Unmöglichkeit, zu große Teile zu drucken, führten zu einer Reihe von Innovationen im Prozess. Wie in der Pressemitteilung des Projekts beschrieben:

„Es folgten mehrere Jahre der Entwicklung der Technologie und der Aktualisierung der Design- und Fertigungsstrategien. Viele Iterationen von Maschinen und Software führten zur Entwicklung eines Prozesses zur starken Beschleunigung der Aushärtung von Beton. Durch Zugabe eines Beschleunigers am Druckkopf wurde die Betonmischung hergestellt.“ härtet in wenigen Minuten aus und ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Designs.

Als größte Herausforderung erwies sich der Druck des Daches. Der Durchbruch gelang mit der Segmentierung der gesamten Struktur in 8 Teile. Obwohl das Problem dadurch theoretisch gelöst wurde, ergab sich in der Praxis eine äußerst komplexe Geometrie für den Druck. Die langen, dünnen Drucke erhöhten das Risiko von Schrumpfungsrissen, was durch eine Anpassung des Mischungsdesigns, die Verwendung von Aushärtemasse und das Abdecken der Drucke nach der Fertigstellung gemindert wurde. Durch die doppelte Krümmung bestand Knickgefahr; die Rippenstruktur wurde eingeführt. Von einem Ende zum anderen gibt es einen sehr großen Höhenunterschied (80 %); Die daraus resultierende Steigung machte den Transport zu einer Herausforderung. Darüber hinaus war aufgrund der Form eine nicht-planare Druckstrategie mit entsprechender Ausrichtung des Druckkopfes erforderlich. Kurz gesagt: Die Lösung eines großen Problems brachte eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich, die alle systematisch gelöst wurden.“

In 3D gedruckte Betonkonstruktionen erfordern keine Schalung, was wiederum den Materialverbrauch weiter verringert, da Schalungen tendenziell eine kurze Lebensdauer haben. Ein weiteres Problem besteht darin, dass 3D-gedruckte Teile nur durch Kompression wirken, sodass kein Stahl in die Struktur eingebaut werden muss. Dies ist nicht nur potenziell günstiger und hat einen geringeren CO2-Fußabdruck, sondern vereinfacht auch das Recycling des Betons im Falle eines Abrisses erheblich. Es wird erwartet, dass in Zukunft auch recycelte Betonzuschlagstoffe gedruckt werden.

Der vier Jahre später gebaute Pavillon verkörpert den gesamten entwickelten Wissensprozess und erforderte keinerlei Schalung oder Stahlbewehrung. Obwohl es klein ist, zeigt es, wie die Verbreitung von Wissen und Investitionen in Technologie eine wesentliche Rolle für die Zukunft des Bauwesens spielen können. Darüber hinaus war eines der Ergebnisse des Projekts die Gründung von Vertico BV, einem Unternehmen, das sich auf dreidimensionale Drucktechnologien konzentriert. „Das Versprechen des 3D-Drucks in jeder Branche ist Formfreiheit mit Massenanpassung. Wir stehen erst am Anfang der Erkenntnis dieses Potenzials für Beton, das uns dazu antreibt, unsere Technologie kontinuierlich zu verbessern.“ – Volker Ruitinga, Gründer, Vertico BV

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