Additive Fertigung im Bauwesen Vom Bauschrott zur Fassadenhalterung

Anbieter zum Thema

RWTH Aachen

a.b.jödden gmbh

TRIC GmbH

Wie lassen sich CO₂-Emissionen und Ressourcenverbrauch im Bauwesen signifikant reduzieren? Dieser Frage widmet sich der RWTH Aachen Lehrstuhl Digital Additive Production DAP im Rahmen des vom BMWE geförderten Forschungsprojekts „AddMamBa“. Die Antwort: Additive Fertigung von wiederverwendbaren Fassadenhalterungen aus recyceltem Stahl. Denn damit lassen sich Materialeinsatz sowie thermische Schwachstellen gezielt reduzieren.

Der UN Global Construction Report 2024/25 berichtet, dass rund 34 % der energiebedingten globalen CO₂-Emissionen und 32 % des weltweiten Energieverbrauchs auf das Bauwesen entfallen. Vor diesem Hintergrund rücken Strategien zur Ressourcenschonung, Kreislaufwirtschaft und Wiederverwendung von Baustoffen zunehmend in den Fokus von Forschung und Praxis. Die Additive Fertigung (AM) gilt dabei als Schlüsseltechnologie, um sekundäre Rohstoffe wirtschaftlich nutzbar zu machen und funktional optimierte, materialeffiziente Bauteile herzustellen.

Vom Bauschrott zum Metallpulver für die additive Fertigung

Für die Forschungsarbeiten wurden zwei Bauteiltypen ausgewählt: Fassadenhalterungen für vorgehängte, hinterlüftete Fassaden (VHF) sowie Steckverbinder für Tragwerke.

Im Projekt werden diese Bauteile mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) gefertigt. Das dafür benötigte Metallpulver wird aus Stahlschrott gewonnen (Bild 1), der zunächst nach Alter, Güte (z.B. Bewehrung, Träger) und Erhaltungszustand sortiert und auf chemische Zusammensetzung geprüft wird. Anschließend erfolgt die Pulverherstellung per Gasverdüsung (VIGA). Das Pulver wird in einem weiteren Schritt gesiebt, um eine Korngrößenfraktion von 15 – 45 Mikrometern zu erhalten, die einen gleichmäßigen Schichtaufbau im PBF-LB/M gewährleistet.

Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass der recycelte Stahl die geforderte Qualität für tragende Fassadenbauteile erreicht.

Optimiert, kreislauffähig und additiv gefertigt

Aufgrund des Fertigungsprinzips lassen sich die Fassadenverbindungen individuell an Gebäudegeometrie, die Konfiguration der Unterkonstruktion und regionale Anforderungen anpassen – ohne Zusatzkosten für Werkzeuge oder Formen. Die Topologie-Optimierung ermöglicht eine lastpfadgerechte Materialverteilung, die das mechanische Tragverhalten verbessert und gleichzeitig thermische Schwachstellen, wie Wärmebrücken, reduziert (Bild 2).

Ein im Projekt entwickeltes digitales Planungstool unterstützt Anwendende bei der Auswahl geeigneter Halterungslösungen (Bild 3). „Nach Eingabe relevanter Gebäude- und Fassadendaten sowie der Konfiguration der Unterkonstruktion liefert das Tool eine fundierte Datengrundlage, um den jeweils bestmöglichen Halter zu identifizieren“, erklärt Wissenschaftlerin Joana Schulte. Dabei berücksichtigt das Tool einschlägige Normen, insbesondere DIN EN 1991-1-4/NA.

Ergänzend wird im Projekt ein lebenszyklusorientiertes Design umgesetzt: Die Bauteile sind so gestaltet, dass sie demontierbar, sortenrein trennbar und wiederverwendbar sind (Bild 4).

Ausblick und Ökobilanz

Im Rahmen eines Life Cycle Assessments (LCA) gemäß DIN EN 15804 zeigen erste Berechnungen auf Basis konservativer Strommixszenarien ein Global Warming Potenzial von 23,8 bis 33,5 kg CO₂-Äquivalenten pro Kilogramm Bauteil (2030), mit weiter sinkender Tendenz durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien.

Die Analyse zeigt jedoch auch, dass der Ausgleich der, in der entwickelten Vorgehensweise höheren, Herstellungsemissionen durch Nutzungseinsparungen vor allem in Gebäuden mit konventioneller Gasheizung deutlich wird. In Kombination mit modernen Wärmepumpen fällt dieser Effekt geringer aus.

Umso bedeutender ist aus diesem Grund der Kreislaufwirtschaft-Aspekt des Projekts: Im Versuch konnten aus dem eingesetzten Stahlschrott rund 60 % einsatzfähiges Metallpulver aufbereitet werden (30 kg Pulver aus 50 kg Schrott). Damit zeigt das Projekt, dass sich Recycling-Stahl grundsätzlich für die additive Herstellung funktionsrelevanter Fassadenverbindungen qualifizieren lässt.

Die sortenreine Demontage der neu- und weiterentwickelten Halter sowie Verbindungslösungen leisten einen weiteren signifikanten Beitrag hin zu geschlossenen Materialkreisläufen.

Additive Fertigung: Nutzen für Branche und Praxis

Für Architekturbüros, Ingenieurplaner, Fassadenbauer und Hersteller von Verbindungselementen bietet das Projekt wichtige Erkenntnisse: AM ermöglicht nicht nur funktionsoptimierte Geometrien, sondern erschließt auch das Potenzial, Stahlschrott in hochwertige Bauteile zu überführen und damit Materialkreisläufe im Bauwesen zu schließen.

Neu ist dabei weniger die Verdüsung selbst, sondern der Nachweis, dass Recycling-Stahl für die additive Herstellung tragender Fassadenverbindungen qualifiziert werden kann. Damit erschließt das Projekt einen konkreten Anwendungspfad, wie Sekundärmaterial in der additiven Prozesskette für den Bausektor nutzbar wird. Ein Ergebnis, das auch für Pulverhersteller und Anwender der additiven Fertigung von Bedeutung ist.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Additive Manufacturing von 3D-Verbindungselementen im Bauwesen (AddMamBa) wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Technologietransfer-Programm Leichtbau (Förderkennzeichen 03LB3019B) gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut.

Das Projekt-Konsortium:

1. Paul Kamrath Ingenieurrückbau GmbH;
2. RSB Rudolstädter Systembau GmbH;
3. Laser Melting Innovations GmbH;
4. RWTH Aachen University: Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP), Institut für Stahlbau mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Nachhaltigkeit im Metallleichtbau (MLB), Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau (STB).

Weitere Informationen: https://dap-aachen.de/

Nachhaltigkeit im Bauwesen

Kooperation bringt Materialtransparenz in die Ausschreibung