Wie lässt sich das Eindringverhalten von Zementleimen für den 3D-Druck exakt berechnen und welche Chancen bieten selektiv bindende Verfahren? Dieser Frage spürte Dr. Daniel Weger in seiner Promotion nach und erhielt dafür den CEMEX Förderpreis Beton Central Europe 2020.
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Der Beton-3D-Druck scheint viele Antworten auf aktuelle Probleme parat zu haben: Die Technologie schont Umwelt und Ressourcen und kommt mit weniger Fachkräften aus als konventionelle Bautechniken. Besonders verbreitet ist momentan die Beton-Extrusion. Dabei bringt eine Düse einen Frischbetonstrang über dem nächsten auf. Der Nachteil: Überhänge, ein Fenstersturz oder filigrane Details müssen bislang extra abgestützt werden.
Hier setzt die „Selective Paste Intrusion“ an, kurz: SPI. Zementleim verbindet dabei dünne Schichten von Gesteinskörnung. „Wegen seiner hohen Festigkeit und Dauerhaftigkeit im Vergleich mit anderen selektiv bindenden Verfahren eignet sich die SPI auch zur Herstellung von Außenbauteilen. Es ist also ein sehr robustes Verfahren mit einer höheren Komplexität als die Beton-Extrusion“, erläutert Dr. Daniel Weger. Er hat die SPI in seiner Promotion an der Technischen Universität München (TUM) mitentwickelt. Für seine Arbeit erhielt er den CEMEX Förderpreis Beton Central Europe 2020.
Daniel Weger erforschte vor allem die Rheologie, also die Fließfähigkeit des Zementleims. Dieser darf weder zu zäh noch zu flüssig sein, um die Schichten zu verbinden. „Ich habe mehrere Berechnungsmodelle dazu entwickelt, wie weit der Tropfen in das Partikelbett eindringt“, erläutert der Bauingenieur. „Anhand dieser Parameter kann ich vorher entscheiden, wie hoch die Schichten werden dürfen.“
Förderpreis Beton Central Europe 2022
Mehr Informationen finden Sie auf der Webseite von CEMEX.
Von der Forschung in die Praxis
Momentan ist das Verfahren an der Schwelle vom Forschungsprojekt zur Praxis. Teilweise sind die selektiv bindenden Verfahren bereits im Einsatz. Ein Hersteller in Südtirol testet zurzeit einen SPI-Großdruckkopf für eine Bauraumgröße von 15 Kubikmetern, der demnächst auf den Markt kommen wird. Im Vergleich zur Beton-Extrusion handelt es sich aber noch um eine Nische, räumt Daniel Weger ein.
Bisher kommt das Verfahren überwiegend für Fertigteile und noch nicht für ganze Gebäude zum Einsatz. Daniel Weger geht davon aus, dass weniger komplexe Bauteile auch in Zukunft auf der Baustelle zu großen Teilen weiterhin geschalt und gegossen oder auch mittels Beton-Extrusion hergestellt werden. Für komplexere hingegen kann die additive Fertigung mit SPI eine Alternative sein, besonders für überhängende, filigranere Lösungen, die mit der Beton-Extrusion nicht realisierbar sind. Auch eine Kombination verschiedener 3D-Druck-Verfahren sei denkbar. So ließen sich horizontale Bauteile wie Decken mit Hilfe von SPI in per Beton-Extrusion gedruckte Gebäude einbauen – eine gewichtsreduzierte, formoptimierte und materialsparende Alternative zu gegossenen Teilen.
Nach Positionen als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Centrum Baustoffe und Materialprüfung der Technischen Universität München in der Arbeitsgruppe Betontechnologie und als Leiter der Projektgruppe „Additive Fertigung“ mit Forschungsprojekten zu selektiv bindenden Verfahren und zu Beton-Extrusion arbeitet Daniel Weger heute in einem Bauingenieurbüro. Er beschäftigt sich mit speziellen bautechnischen und dauerhaftigkeitsbezogenen Fragestellungen. Unter anderem berät er Kundinnen und Kunden dazu, welches Beton-3D-Druck-Verfahren sich für ihre Bauprojekte eignet, begleitet Projekte baurechtlich und erstellt Gutachten für Zustimmungen im Einzelfall oder vorhabenbezogene Bauartgenehmigungen, die zur Erstellung eines 3D-gedruckten Gebäudes notwendig sind. Auch in der Materialentwicklung ist er weiterhin aktiv.
Über den CEMEX Förderpreis Beton Central Europe haben sich für den 33-Jährigen interessante Kontakte in der Branche ergeben. Er engagiert sich in verschiedenen Arbeitsgruppen, die sich mit der Normung und rechtlichen Fragen rund um den Beton-3D-Druck beschäftigen. „Ich denke, die additive Fertigung wird sich in die Bautechniken einreihen, die es bereits gibt“, prognostiziert er. „Es wird nicht nur diese eine geben.“ Nun gehe es darum, den rechtlichen Rahmen zu schaffen, damit auch das gebaut werden dürfe, was technisch möglich ist.
Wir haben den Förderpreis Beton ins Leben gerufen und als einen wichtigen Baustein unserer Unternehmensführung gepflegt, um kluge Köpfe aus Wissenschaft und Industrie zu fördern. Denn gerade heute, wo sich unsere Industrie den vielfältigen Herausforderungen unserer Zeit stellen muss, brauchen wir noch mehr die Unterstützung der wissenschaftlichen Elite von morgen.
