Additive Fertigungsverfahren haben sich in den vergangenen Jahren in baufremden Industriezweigen stark entwickelt. Als Vorteile des „3D-Drucks“ zählen z. B. sinkende Herstellkosten, schnellere Fertigungszeiten und verbesserte Ressourceneffizienz. Beim Bau von Prototypen oder zur Fertigung von hochkomplexen Einzelstücken sind 3D-Druckverfahren seit Jahren den konventionellen Verfahren überlegen.

Aktuell wird mit Hochdruck daran geforscht, diese Technologie in die Baupraxis zu überführen. Es bestehen große Potenziale, die Effizienz der Bauprozesse, z. B. hinsichtlich Arbeitsproduktivität, Qualität, Sicherheit oder Nachhaltigkeit, erheblich zu verbessern. Weltweit überschlagen sich nahezu die Berichte, in denen neue Pilotprojekte, Fortschritte und Erkenntnisse vermeldet werden.

Seit 2014 arbeitet das Institut für Baubetriebswesen der TU Dresden in einem interdisziplinären Team aus Praxispartnern und anderen Instituten der Universität an der Entwicklung eines schalungsfreien Beton-3D-Druckverfahrens. Das Verfahren „CONPrint3D^® – Concrete ON-site 3D Printing“ grenzt sich dabei deutlich von anderen weltweiten Forschungsaktivitäten ab. Als Ortbetonbauverfahren soll die Technologie direkt auf der Baustelle angewendet werden. Die maschinelle Basis stellt eine modifizierte Autobetonpumpe dar. Die neue, intelligente Steuerungstechnik ermöglicht es, den Beton kontinuierlich zu fördern und positionsgenau zu platzieren. Am Ende des autonom gesteuerten Verteilermastes befindet sich ein eigens entwickelter Druckkopf, der den Beton geometrisch präzise, schichtweise und endfertig ausbringt.

Das Verfahren der Extrusion stellt dabei besondere Anforderungen an den Baustoff Beton. Zunächst soll der Beton über die gesamte Förderlänge gut pumpfähig, also fließfähig, sein. Nach Austritt aus dem Druckkopf muss er allerdings schnell formbeständig ansteifen. Zur Beherrschung dieser nahezu gegensätzlichen Eigenschaften sind spezielle Betonrezepturen notwendig.

Mit CONPrint3D^® werden monolithische, wandbreite Betonstrukturen erzeugt („Massivbaudruck“). Der Druckkopf soll so konzipiert werden, dass scharfkantige Wandverbindungen (Wandecken, -T-Verbindungen und -kreuzungen) gedruckt werden können. Außerdem sollen Betone mit üblicher Gesteinskörnung von bis zu 16 mm Größtkorn zum Einsatz kommen. Damit unterscheidet sich diese Technologie von anderen weltweiten Forschungsaktivitäten, die überwiegend kleinere Stränge als „Endlosschleife“ mit sehr feinkörnigem Beton applizieren und 3D-Druckmaschinen einsetzen, die häufig mit hohen Investitionskosten verbunden sind. Die Alleinstellungsmerkmale von CONPrint3D^® sollen das Verfahren sicher, wirtschaftlich und marktfähig machen. In einem ersten Entwicklungsschritt ist es geplant, unbewehrte Betonbauteile als Ersatz für den konventionellen Mauerwerksbau zu erzeugen.

Die dazu bisher erreichten Forschungsergebnisse sind sehr vielversprechend. In weiteren Schritten sollen Bewehrungsstrukturen (z. B. Kurzfasern oder textile Gelege) sowie TGA-Installationen in die Bauteile integriert werden. Im Jahr 2016 wurden die Forschungsarbeiten mit dem internationalen bauma-Innovationspreis in der Kategorie Forschung ausgezeichnet.

Um die Technologie erfolgreich zu entwickeln, sind drei Institute der TU Dresden beteiligt. Mit der maschinellen Umsetzung beschäftigt sich die Professur für Baumaschinen. Geeignete Betonrezepturen und Betoneigenschaften im frischen und erhärteten Zustand werden vom Institut für Baustoffe erforscht. Die baubetrieblichen Aspekte, insbesondere die wirtschaftliche und baupraktische Umsetzung sowie das Datenmanagement mit BIM untersucht das Institut für Baubetriebswesen.

In den aktuellen Forschungstätigkeiten wird ein druckbarer Schaumbeton entwickelt, der über verbesserte Wärmedämmeigenschaften und eine deutlich reduzierte Masse verfügt (CONPrint3D^® Ultralight). Ziel ist die Entwicklung einer nachhaltigen Alternative für Mauerwerkswände mit vorgeblendetem Wärmedämmverbundsystem. Außerdem wird eine durchgängig automatisierte, digitale Prozesskette, ausgehend von einem BIM-Gebäudemodell bis hin zum maschinenlesbaren G-Code entwickelt (digiCON²- digital concrete construction).

Sollte es technisch gelingen, CONPrint3D^® erfolgreich umzusetzen, sind Kostenersparnisse in Höhe von bis zu 25 Prozent und deutlich reduzierte, (errechnet wurden viermal geringere) Bauzeiten gegenüber dem derzeit üblichen Mauerwerksbau realisierbar. Die Forschungsarbeiten der nächsten Jahre können daher mit Spannung verfolgt werden.

Institut für Baubetriebswesen der TU Dresden

Die Bauwirtschaft befindet sich in einem stetigen Wandel. Das Institut für Baubetriebswesen fokussiert dabei die aktuellen bauwirtschaftlichen Entwicklungen, Innovationen und Unternehmensstrategien in allen Bereichen des operativen Baugeschäftes. Mit einem motivierten und kompetenten Team von mehr als 16 Mitarbeitern sowie externen Lehrbeauftragten und Honorarprofessoren ist das Institut in den Bereichen der Forschung, Lehre und Praxisanwendungen eingebunden. Dabei wird in den Fachgebieten der Bauwirtschaft, der Bauausführung und des Projektmanagements für Immobilien, aber auch für Ingenieur- und Tiefbauwerke sowie Infrastrukturprojekte bewährtes Fachwissen angewandt sowie Innovation, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit gefördert. Das Institut sieht sich an den Schnittstellen zwischen der Entwicklung von Bauprojekten, deren Fachplanung, der Baupreisbildung und Projektdurchführung sowie dem nachgelagerten Betrieb baulicher Anlagen. Neben der Grundlagenausbildung vertiefen die Studenten bei uns in den beiden Vertiefungsrichtungen Baubetriebswesen und Gebäude – Energie – Management zum Diplom-Bauingenieur.

Unterstützung bietet das Institut Unternehmen, Institutionen oder Bauherren im Rahmen einer interdisziplinären Antrags- oder Industrieforschung, Zusammenarbeit mit Studenten sowie gutachterlichen Tätigkeit. Besonders erfolgversprechende Förderaussichten bestehen aktuell bei Kooperations-Forschungsprojekten unter Beteiligung von KMU.

Weitere Informationen unter www.tu-dresden.de/biwibb.