Beton-3D-Druck - Vergleich mit traditionellen Bauweisen

Vergleich des Beton-3D-Drucks mit traditionellen Bauweisen (KI-generiertes Symbolbild)

Die Einführung des Beton-3D-Drucks, insbesondere der additiven Fertigungsverfahren, wird in vielen Fällen als mögliche Lösung für aktuelle Herausforderungen im Bausektor diskutiert. Dazu zählen Probleme wie stagnierende Produktivität, steigender Fachkräftemangel, das Ausmaß von Arbeitsunfällen oder aber hohe Umweltbelastungen durch Materialbedarf und CO2-Ausstoß. Der Einsatz des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Produktivität bei konstanter oder sinkender Personaldecke zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.

Wirtschaftlichkeit

Der Beton-3D-Druck wird oft als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Bauweisen angepriesen. Durch einen reduzierten Personalaufwand, eine effizientere Nutzung der Materialien und geringere Herstellungszeiten sollen die Baukosten durch den Einsatz von Drucktechnologien erheblich gesenkt werden. Pilotprojekte berichten von Einsparungen von bis zu 80% der Arbeitskosten und bis zu 70% der Bauzeit.

Zeitaufwand

Signifikante Zeitersparnisse ergeben sich insbesondere bei Bauteilen, die Rundungen oder komplexe Geometrien aufweisen oder allgemein in der Herstellung aufwendiger sind. Während bei konventionellen Herstellungsmethoden präzise Schalungen erforderlich sind, können diese beim Beton-3D-Druck größtenteils eingespart werden. Simulationsstudien haben die Druckgeschwindigkeit für die Wände eines dreigeschossigen Gebäudes mit einer Fläche von jeweils 600 m² berechnet und mit anderen Bauverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 72% im Vergleich zu konventionellen Bauweisen.

Kostenaufwand

Die Kosten für den Bau eines vollständig gedruckten Gebäudes fallen noch hoch aus und werden sich erst mit einer zunehmenden Bekanntheit auf dem Markt und Nutzung der Verfahren allmählich verringern. Dies hängt mit den aktuell hohen Anschaffungs- bzw. Mietkosten des Druckers sowie mit den notwendigen Schulungen für die Bedienung der Maschine zusammen. Außerdem besteht in Deutschland derzeit eine längere Vorlaufzeit aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Nachfrage. Darüber hinaus ist das für den Betondruck benötigte Material im Vergleich zu Normalbeton, mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Grund dafür ist der (je nach Druckverfahren) enorme Einsatz von Betonzusatzstoffen, welche die rheologischen Eigenschaften des Druckes regulieren. Zudem sind viele Drucker ausschließlich für Betone bestimmter Firmen zugelassen. Es ist zu erwarten, dass diese typischen Herausforderungen in der Anfangsphase neuer Technologien mittelfristig an Bedeutung verlieren, sodass der Einsatz von Betondrucktechnologien zukünftig eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Bauweisen darstellen wird.

Geometrische Freiheiten

Um Kosten zu reduzieren und die Wiederverwendung von Schalungen zu gewährleisten werden die architektonischen Freiheiten in den traditionellen Bauweisen bereits in der Entwurfsphase einer Konstruktion durch vordefinierte Geometrien begrenzt. Aufgrund der aufwendigen Schalungsarbeiten werden im konventionellen Betonbau komplexe Bauteile, wie runde oder konisch geformte Elemente, gemieden. Durch mathematische Nachweise konnte bestätigt werden, dass durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nahezu jede Geometrie im Beton-3D-Druck realisiert werden kann. Dabei kommen auch etablierte, rechnergestützte Methoden zur Herstellung von optimierten Strukturen zum Tragen. Die additive Fertigung bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung von Wandelementen. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Flexibilität bei horizontalen Spannweiten aufgrund fundamentaler physikalischer Bedingungen deutlich eingeschränkt ist. In additiven Fertigungsverfahren hat die geometrische Komplexität eines Bauteils nur einen geringen Einfluss auf die Fertigungszeit und den Kostenaufwand. Der entscheidende Faktor ist vielmehr das Volumen der zu fertigenden Struktur. Daher können z.B. Wände mit Rundungen in einer ähnlichen Geschwindigkeit und mit einem vergleichbaren Kostenaufwand, wie gerade Wände hergestellt werden.

Automatisierung

Eine fortschreitende Digitalisierung in der Baubranche ist unerlässlich, um den baubetrieblichen Ablauf bestmöglich zu optimieren. Der Beton-3D-Druck schafft eine durchgängig automatisierte Prozesskette. Geometrische und stoffliche Daten werden in der Planung festgelegt und dienen der Generierung von Steuerungsdaten für den 3D-Druck.

Die Automatisierung im Bauwesen kann dazu beitragen, das Problem der vielen Arbeitsunfälle auf Baustellen zu mindern. Die hohe Unfallrate in der Baubranche ist das Ergebnis von komplexen Bauprozessen und menschlichem Fehlverhalten. Dynamische Arbeitsbedingungen, das Zusammenspiel verschiedener Gewerke und wechselnde Umgebungen erhöhen das Unfallrisiko zusätzlich. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren und die damit verbundene Automatisierung können zu besseren und vorhersehbareren Arbeitsabläufen auf der Baustelle führen, was die Arbeitssicherheit im Vergleich zur traditionellen Bauweise erhöhen kann.

Das Baugewerbe leidet wie alle Branchen unter einem zunehmenden Fachkräftemangel. Die Einführung des 3D-Drucks in der Baubranche und die damit einher gehende Automatisierung kann diesem Mangel entgegenwirken. Durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren werden weniger gewerbliche Fachkräfte auf der Baustelle benötigt. Die Gerätebedienung der Drucktechnologie wird üblicherweise nur durch zwei Fachkräfte mit Ingenieursausbildung durchgeführt. Zudem kann der Einsatz innovativer Technologien ein Anreiz zur Aufnahme eines Studiums oder einer Ausbildung darstellen.

Jedoch hat die Automatisierung nicht nur Vorteile. Die traditionellen Bauweisen bieten aufgrund ihrer handwerklichen Ausprägung eine gewisse Flexibilität, um schnell auf individuelle Probleme oder Bedingungen zu reagieren. Im Gegensatz dazu können bei einer komplett digitalisierten Prozesskette bereits in der Planungsphase Fehler in den Daten auftreten, die auf der Baustelle nicht schnell behoben werden können.

Nachhaltigkeit

Obwohl die Betonproduktion mit einem Beitrag von 5% der weltweiten CO2-Emission zu einer der größten Umweltbelastungen zählt, ist Beton weiterhin das zentrale Material in der Baubranche. Die temporären Schalungen im traditionellen Betonbau tragen zusätzlich zur Umweltbelastung bei, da sie beträchtliche Mengen an Abfall erzeugen. Bei Bauteilen mit gekrümmter Geometrie ist es häufig erforderlich, spezielle Schalungen anzufertigen, welche nach dem Gebrauch keine weitere Verwendung finden und entsorgt werden müssen. Durch die präzise Materialnutzung und den schalungsfreien Aufbau werden beim Beton-3D-Druck Abfälle deutlich reduziert und transportbedingte Emissionen verringert. Insbesondere der Einsatz von Leichtbeton trägt zu einer weiteren Verminderung des CO2- Ausstoßes im Vergleich zu herkömmlichem Betonen bei.

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren verspricht durch den effektiven Einsatz von Materialien einen geringen Ressourcenverbrauch. Der Beton soll nur an den Stellen aufgebracht werden, wo er aufgrund der Belastung benötigt wird. Derzeit werden Forschungsansätze zur Entwicklung von sogenannten Gradientenbetonen verfolgt. Dieser innovative Beton zeichnet sich dadurch aus, dass seine Materialeigenschaften je nach den lokalen Anforderungen flexibel angepasst werden können.

Untersuchungen zur Umweltauswirkung des Beton-3D-Drucks im Vergleich zur konventionellen Bauweise zeigen deutlich, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens erhebliche positive Auswirkungen auf die Umweltbilanz haben kann. Es ist jedoch anzumerken, dass bei der Untersuchung von bewehrtem Beton-3D-Druck keine signifikanten Umweltvorteile festgestellt wurden.

Quellen

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