Beton aus Industrieabfällen Maßgefertigte Formen aus dem 3D-Drucker

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Statt immer mehr Beton und Stahl zu verbauen, setzt ein europäisches Forschungsteam mit Beteiligung der Empa auf intelligente Formen, digitale Fertigung und alternative Bindemittel. So soll ein klimafreundlicher Baustoff entstehen, der filigran und dennoch stabil ist – und sich per 3D-Druck maßgefertigt herstellen, wieder zerlegen und neu verwenden lässt.

Mit möglichst wenig Masse, ohne aufwändige Stahlbewehrung und ohne Zement wollen Forschende der Empa, der ETH Zürich und weiterer europäische Partner das Bauen mit Beton grundlegend verändern. Im EU-Projekt «CARBCOMN» werden Betonbauteile zudem so gestaltet, dass sie sich nach der Nutzung leicht demontieren und andernorts wiederverwenden lassen. «Zum einen nutzen wir digitale Fertigungsmethoden, um ressourcenschonend zu bauen. Zum anderen ersetzen wir herkömmlichen Zement durch Bindemittel mit geringerem CO₂-Fussabdruck», sagt Empa-Forscher Moslem Shahverdi. Statt Zement kommt beispielsweise Stahlschlacke zum Einsatz – ein Nebenprodukt der Stahlindustrie.

Stabilität durch Form statt durch Material

Der Beton des «CARBCOMN»-Projekts mit reduziertem CO₂-Fußabdruck besteht ausschließlich aus Industrieabfällen. Dieser wird per 3D-Druck zu einzelnen Bauteilen geformt und später zu tragenden Strukturen zusammengesetzt. Statt auf konventionelle Stahlbewehrung setzt das Konsortium auf sogenannte «compression dominant structures». «Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung», erklärt Shahverdi. Deshalb entwickeln die Forschenden Strukturen, die vor allem auf Druck beansprucht werden – ähnlich wie historische Steinbrücken mit ihren Bögen.

Digitale Fertigung ermöglicht es ihnen, solche geometrisch optimierten Formen präzise zu planen und den Materialeinsatz deutlich zu reduzieren. Da der Beton schichtweise gedruckt wird, lässt sich teures Schalungsmaterial einsparen. Hohlräume werden gezielt dort freigelassen, wo keine Verstärkung nötig ist. «Wir planen diese Öffnungen direkt im digitalen Modell, sodass der Roboter sie beim Drucken automatisch freilässt», erklärt Shahverdi.

Leichtere Elemente reduzieren nicht nur den Materialverbrauch, sondern auch die seismische Belastung proportional zum Gewichtsverlust – ein entscheidender Vorteil in erdbebengefährdeten Regionen. «Selbst zehn Prozent weniger Gewicht bedeuten viel», sagt Shahverdi.

Chirurgisch eingesetzte Stahlbewehrung

Ganz ohne Stahlbewehrungen kommt das Konzept dennoch nicht aus. Sie werden jedoch nur dort eingesetzt, wo sie wirklich nötig sind. Hier bringt die Empa eine ihrer Spezialitäten ins Projekt ein: Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA). Diese vorgedehnten Metalle ziehen sich beim Erhitzen zusammen – anstatt sich auszudehnen – und versetzen so Bauteile nachträglich unter Spannung. «Wir arbeiten seit rund 20 Jahren mit solchen speziellen Legierungen», sagt Shahverdi. Das Empa-Spin-off re-fer bringt deshalb ebenfalls seine Expertise im Bereich Formgedächtnislegierungen ins «CARBCOMN»-Konsortium ein.

Klassische Spannstahlbewehrungen müssen aufwändig vorgespannt werden; Formgedächtnislegierungen hingegen werden unkompliziert nach dem Druck in den Beton eingefügt. Das bringt mehrere Vorteile: Der Druckprozess bleibt so automatisiert und ungestört, und die Fe-SMA-Bewehrungsstäbe können gezielt dort platziert werden, wo sie tatsächlich nötig sind. Zudem lassen sie sich später wieder vom Beton trennen – entscheidend, um die Bauteile später wieder demontieren zu können. Langfristig sollen laut dem Empa-Forscher auch diese Arbeitsschritte automatisiert werden. «In Zukunft könnte ein zweiter Roboter die Fe-SMA-Bewehrungsstäbe direkt nach dem Druck einsetzen.»

CO₂ als Härtemittel für den Beton

Ebenfalls erst nach dem 3D-Druck werden die Betonbauteile in eine Kammer gebracht, in der CO₂ injiziert wird. Dieses reagiert chemisch mit der stahlschlackenbasierten Betonmischung. «Dieses Verfahren härtet den Beton und bindet gleichzeitig CO₂», so Shahverdi. Ziel ist, die Festigkeit mit einer optimierten Betonmischung weiter zu steigern. Sollte dies nicht ausreichen, könnte ein kleiner Anteil Zement ergänzt werden. «Für normale Anwendungen im Tiefbau wäre dies bereits eine gute Ausgangsbasis», ist Shahverdi überzeugt.

Parallel zum Material entwickeln die Teams neue digitale Werkzeuge: Eine gemeinsame Plattform soll den gesamten Prozess vom Entwurf bis zur Fertigung abdecken – inklusive Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusanalysen. Architekturbüros wie «Zaha Hadid Architects» arbeiten eng mit den am Projekt beteiligten Ingenieurinnen und Materialwissenschaftlern zusammen. Während die Architektinnen und Architekten freigeformte Strukturen entwerfen, untersucht das Empa-Team die technische Machbarkeit, testet Materialien und entwickelt Verbindungstechnologien, die eine spätere Demontage erlauben.

«Wir kombinieren hier einzigartige Expertise – 3D-Druck, strukturelle Performance und unsere Spezialität: eisenbasierte Formgedächtnislegierungen», fasst Shahverdi zusammen. Bis 2028 soll ein Prototyp entstehen – ein 3D-gedrucktes Gebäudemodul, das die Machbarkeit des neuen Ansatzes zeigt.

Weitere Informationen: https://www.empa.ch/web/s604/beton-aus-dem-3d-drucker

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