Nachhaltigkeit in der Bauindustrie: Formvollendet mit 3D-Druck

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3D-Druck kann die Bauindustrie nicht nur in Sachen Nachhaltigkeit voranbringen, sondern eröffnet auch neue gestalterische Dimensionen für außergewöhnliche Architekturprojekte.
3D-Druck sorgt für Nachhaltigkeit in der Architektur

Quelle: Gratz/voxeljet

  • Die Bauindustrie muss auf Rohstoffknappheit, fragile Lieferketten, wachsenden Zeitdruck und die Forderung nach Nachhaltigkeit schnell passende Antworten finden.
  • Eine dieser Antworten liegt in der durchgängigen Digitalisierung der Arbeitsabläufe vom Entwurf bis zum Bauelement.
  • Dazu gehört auch der Einsatz von KI-basierter Konstruktionssoftware in Verbindung mit 3D-Druck.
  • 3D-Druck-Lösungen wie die von voxeljet können dabei die notwendigen Anpassungsprozesse an veränderte Rahmenbedingungen voranbringen und die Basis für zukunftsorientierte Architekturprojekte bilden.

Steigende Rohstoffpreise, fragile Lieferketten, wachsender Zeitdruck und Rücksicht auf die Umwelt: Auf den unterschiedlichsten Ebenen wird die Bauindustrie mit veränderten Rahmenbedingungen konfrontiert. Die Digitalisierung von Arbeitsabläufen schreitet zwar auch in dieser Branche voran, konzentriert sich bislang aber eher auf Planungs- und Verwaltungsaufgaben und weniger auf durchgängig datengetriebene Prozesse, vom Entwurf bis hin zum realen Bauelement. 3D-Druck mit Technologien beispielsweise von voxeljet kann für zukunftsorientierte Architekturprojekte die nötige Basis schaffen.

An sich sind es nur einige Tischbeine. Die filigranen, miteinander verwobenen Strukturen könnten das Werk eines Designers sein, inspiriert von den Beobachtungen während eines Spaziergangs im Wald. Damit derart fragil wirkende Konstruktionen nicht unter der Last einer schweren Tischplatte einknicken, braucht es neben künstlerischem Geschick aber auch profunde Kenntnisse der Berechnung statischer Lasten.


Per 3D-Druck zum Positivmodell aus Kunststoff: Mit einer Präzision bis zu 600 dpi werden 150 Mikrometer dünne Schichten aus Quarzsand nach und nach aufeinander gedruckt und miteinander verklebt. Mit konventionellen Werkzeugen ist die Herstellung solch komplexer Strukturen in einem einzigen Arbeitsgang kaum möglich. Bildquelle: Gratz/voxeljet

Tatsächlich steckt hinter der Idee verästelt aufgebauter Tischbeine nicht der schöpferische Geist eines Menschen, sondern die KI-Funktionalität der Software Autodesk Fusion 360 in Verbindung mit 3D-Drucktechnologie. Ausgangspunkt war die Überlegung, bei minimalem Materialeinsatz die strukturellen Kräfte der Tischplatte  zuverlässig abzufangen. Als Werkstoff fiel die Wahl auf Bronze: Per 3D-Druck wurde aus den Entwurfsdaten zunächst ein Positivmodell aus Polymethylmethacrylat (kurz PMMA) hergestellt, in der Gießerei verwandelte sich der Rohling dann in eine den hochpräzisen Vorgaben entsprechende Keramikform. Und so filigran das Endprodukt auch wirken mag: In puncto Stabilität sind diese Tischbeine einer massiven Konstruktion absolut ebenbürtig. Der Unterschied: ein erheblich reduzierter Materialaufwand durch KI-unterstützte Konstruktion und 3D-Modelldruck.

Filigranes Möbeldesign als Vorbild für Bauelemente im 3D-Druck

Realisiert wurde das „AI Table Project“ im Architectural Intelligence Research Lab (AIRLAB), einem Forschungslabor für Design an der Singapore University of Technology. Unter Leitung der Architektur-Professoren Carlos Bañón aus Spanien und Felix Raspall aus Argentinien, widmet sich das AIRLAB der Frage, wie mit technologischer Unterstützung bei minimalem Rohstoffeinsatz leistungsfähige Konstruktionen realisiert werden können. Im Mittelpunkt stehen digitale Design- und Fertigungsmethoden wie Strukturoptimierung und 3D-Druck, mit deren Hilfe Bañón und Raspall den Gedanken der Nachhaltigkeit in der Architektur fest verankern wollen. Die mit Unterstützung von voxeljet entstandenen Tischbeine bilden dabei quasi die Blaupause für unterschiedlichste Konstruktions- und Bauvorhaben aller Art und Größe.


Vom Modell zur Gussform: In der Gießerei werden die 3D-gedruckten Modelle aus Polymethylmethacrylat, kurz PMMA, mit Keramik ummantelt und anschließend ausgebrannt. Die übrigbleibende, hohle Keramikform bietet die optimale Basis für eine perfekt gestaltete Struktur. Bildquelle: Gratz/voxeljet

„3D-Druck bietet uns die Möglichkeit, aus digital optimierten Strukturen reale Produkte herzustellen“, erklärt Carlos Bañón. „Mit konventionellen Fertigungsprozessen wäre es unmöglich, anhand der von der Software generierten Werte hinsichtlich struktureller Optimierung, Gewichtsreduzierung und hoher Leistung ein real nutzbares Bauelement zu schaffen. Mit fortschrittlichen Technologien zum 3D-Druck ist das hingegen problemlos machbar.“ Und Felix Raspall ergänzt: „In der Architektur beginnt der Designprozess traditionell mit konzeptionellen Skizzen und führt dann hin zu einem hochtechnischen Projekt, an dessen Ende die Produktionsphase steht. Indem wir Algorithmen in die Entwurfsphase und 3D-Druck in die Fertigung einbeziehen, eröffnen wir der Kreativität mit neuen formalen und materiellen Spielräumen ganz andere gestalterische Dimensionen.“

3D-Druck sorgt für Nachhaltigkeit

Für den Architekten und AIRLAB-Mitbegründer Carlos Bañón steht fest: „Nachhaltigkeit ist die dringlichste Herausforderung dieses Jahrhunderts, und die Bauindustrie spielt dabei allein schon aufgrund ihrer Größe und der Lebensdauer der hervorgebrachten Produkte eine große und wichtige Rolle.“ Bezogen auf den 3D-Druck als Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren, beziffern die Forscher die Potenziale zur Senkung des produktionsbedingten Energieverbrauchs auf vier bis 21 Prozent, wobei die größten Effekte auf den erheblich verringerten Transportaufwand von Rohstoffen zurückzuführen wären. Felix Raspall sieht mit dem 3D-Druck zumal auch eine nie dagewesene Präzision in die Welt der Architektur einziehen: „Der 3D-Druck erfreut sich vor allem in Bereichen großer Beliebtheit, in denen es wie in der Medizintechnik oder der Raumfahrt um höchste Präzision auf der Ebene von Bruchteilen eines Millimeters geht. In der Architektur kommt es bislang eher selten auf solche Genauigkeiten an, in Zukunft könnten die im 3D-Druck erzielbaren Ergebnisse aber ungeahnte neue Entwürfe mit sich bringen.“


Bei einem verfügbaren Bauraum von 1’000 x 500 x 600 mm kann die voxeljet VX1000 auf Basis des PMMA-Prozesses mit höchster Präzision Feinguss- oder Architekturmodelle herstellen. Für das Projekt AI Table fiel die Wahl auf diese Technologie, da die Tischbeine für die Anfertigung über ein direktes additives Metalldruckverfahren zu groß waren. Bildquelle: Gratz/voxeljet

Materialeinsatz auf das Wesentliche reduziert

Das AI Table Project ist ein Möbelprojekt. Und während die Beine aufgrund ihrer Größe für die meisten direkten Metall-3D-Druck-Technologien ungeeignet sind, kann die Bedeutung und das, wofür die sie eigentlich stehen, sehr wohl skaliert werden: Mehr Nachhaltigkeit in der Bauindustrie. „Der AI Table hat ein funktionales Design, das in der Lage ist, die geforderten Lasten zu übertragen. Es ist eine Demonstration, dass Design, Optimierung und Fertigungstechnologien kreativ und funktional eingesetzt werden können“, erklärt Bañón. „Angesichts der aktuellen Trends, wie dem demografischen Wandel und der Ressourcenknappheit, brauchen wir kreative Lösungen, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern. Bei AIRLAB beschäftigen wir uns mit digitalen Technologien, um Entwürfe zu realisieren, bei denen der Materialeinsatz durch strukturelle Optimierung auf das Wesentliche reduziert wird. Und wenn man ein ganzes Gebäude betrachtet, gibt es viele Möglichkeiten, die herrschenden Paradigmen der Architektur in Frage zu stellen.“


Im PMMA-Prozess hergestellte Modelle zeichnen sich durch hohe Präzision aus und ermöglichen die Anfertigung von Gussteilen mit guter Oberflächenqualität. Was an eingesetztem Druckmaterial nicht benötigt wird, kann zu 100% wiederverwendet werden. Bildquelle: Gratz/voxeljet

Zum Beispiel haben 3D-gedruckte Schalungselemente für den Betonguss ihren Nutzen bereits auf verschiedenen Baustellen bewiesen. In traditionellen Gebäuden gehen fast 80 Prozent des verwendeten Materials auf das Konto von Deckenkonstruktionen. Durch die Kombination von KI-Software, 3D-Sanddruck und Betonguss könnte auch dieser Materialverbrauch in der Bauindustrie sehr effektiv gesenkt werden. Es gibt viel Raum für Verbesserungen, und genau das ist das Ziel von Carlos Bañón und Felix Raspall. Nachdem die beiden Architekturprofessoren im Rahmen ihrer Arbeit bereits verschiedene 3D-Drucktechnologien ausprobiert hatten, kamen sie zum ersten Mal mit dem von voxeljet entwickelten Verfahren zur Herstellung von Feingussmodellen für das KI-Tisch-Projekt in Kontakt. Nun arbeiten sie bereits an ihrem nächsten Projekt, das wenig mit polierter Bronze, sondern eher mit massivem Betonguss zu tun hat.

Binder Jetting-Technologie für die Bauindustrie

  • PMMA-Prozess: Beim voxeljet PMMA-Prozess, werden Kunststoffmodelle schichtweise nach digitalen CAD-Daten aufgebaut. Diese können als Feingussmodelle in Gießereien zu Gussteilen verarbeitet werden, um beispielsweise einzigartige Möbel oder Designprodukte herzustellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt in dem direkten, präzisen und detailgetreuen Ausdruck von Architekturmodellen zur Veranschaulichung von Entwürfen und für Präsentationszwecken.
  • Sand-Prozess: Beim Sand-3D-Druck können Schalhäute oder ganze Schalungen für Betongussanwendungen unabhängig von ihrer Komplexität 3D-gedruckt werden. Die gedruckten Schalungselemente können für ideale Oberflächengüte und zum Widerstand gegen äußere Witterungseinflüsse auf Baustellen nachbearbeitet und optimiert werden und lassen sich bequem mit konventionellen Schalungssystemen kombinieren. Alternativ können auch Schalungselemente mit einer Größe von bis zu 4 x 2 x 1 Meter werkzeuglos und an einem Stück gedruckt werden. Anschließend lassen sich alle gängigen Betonarten wie beispielsweise UHCP verarbeiten.

Bild oben: Vom gedruckten PMMA-Modell zum fertigen Produkt: Die Gießerei Strassacker wählte für den Abguss der Tischbeine als Material Bronze. Das Metall ist verschleißfest, korrosionsbeständig und ideal geeignet für die topologische Optimierung von unterschiedlichsten Strukturen. Bildquelle: Gratz/voxeljet.

Weitere Informationen: https://www.voxeljet.com/ und https://airlab.sutd.edu.sg/

Erfahren Sie hier mehr über eine 3D-Druck-Plattform für maßgeschneiderte Architektur und Inneneinrichtung.

Lesen Sie auch: „Industriegerüstbau: BIM-basierte Planung für den Vitamin-A-Komplex“

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