STARTSCHUSS FÜR 3D GEDRUCKTE SANDSCHALUNG

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Artikel erschienen im FORUM, Architektur & Bauforum,FORSCHEN,01/18


 

 

1981 erfand Charles W. Hull die Stereolithographie. Zwei Jahre später druckte er als weltweit erstes Objekt im 3D-Druckverfahren eine Tasse. Im Jahr dazwischen, 1982, wurde Autodesk gegründet.

 

DIE GESCHICHTE DES 3D-DRUCKS IST DIE GESCHICHTE DES COMPUTERUNTERSTÜTZTEN KONSTRUIERENS (CAD).

VON CHRISTINE BÄRNTHALER


 

 

IN DÜBENDORF BEI ZÜRICH, AUF DEM EMPA EAWAG-CAMPUS, STEHT DAS NEST (NEXT EVOLUTION IN SUSTAINABLE BUILDING TECHNOLOGIES). ES HANDELT SICH DABEI UM EIN GEBÄUDE, DAS INFRASTRUKTURELL UND KONSTRUKTIV ALS ANDOCKSTATION FÜR BAULICHE EXPERIMENTE KONZIPIERT WURDE. 

 

Bei Fertigstellung des Kerngebäudes dominierten drei rohe und weit auskragende Stahlbetonplatten das Bild der Architektur. Sie dienen als Bauplätze, um neue Baustoffe, Systeme, Wohn- und Arbeitskonzepte realmaßstäblich errichten, erleben und monitoren zu können. Pro Geschoß stehen zwischen 500 und 700 Quadratmeter dieser Art vertikal gestapelter Bauflächen zur Verfügung. Ein mittig gelegenes großzügiges Atrium mit Erschließung und Gebäudetechnik bildet das Rückgrat des Gebäudes. Geplant wurde das NEST von Gramazio Kohler Architekten. Seit der Inbetriebnahme des Gebäudes im Jahr 2016 wurden bereits einige Demonstrations-Units am NEST realisiert: Vision Wood, Meet2Create, Solare Fitness & Wellness und im Dezember 2017 Werner Sobeks Urban Mining & Recycling Unit.

 

FÜR 2018 STEHT NUN DIE FERTIGSTELLUNG DES DFAB HOUSE AN. DIESE DREIGESCHOSSIGE EINHEIT BRINGT FORSCHENDE VON INSGESAMT ACHT LEHRSTÜHLEN DER ETH ZÜRICH ZUSAMMEN.

 

Gemeinsamer Nenner ist die Erforschung und Entwicklung digitaler Bauprozesse gemäß dem schweizerischen nationalen Forschungsschwerpunkt „Digitale Fabrikation“. Fünf neue Technologien kommen an unterschiedlichen Bauteilen im prototypischen DFAB HOUSE zur Anwendung, davon basieren zwei auf dem Einsatz von Robotern.

 

EINE AUSNAHME BILDET DER SMART SLAB, EINE ETWA 80 QUADRATMETER GROSSE, STATISCH OPTIMIERTE LEICHTBAU-BETONDECKE.

 

 

Diese lagert auf einer mittig im Raum angeordneten zwölf Meter langen und mehrfach gekrümmten Wand. Der schlangenförmige Verlauf der Wand als Auflager erwirkt einen irregulären Kräfteverlauf in der Deckenplatte. Die sich daraus ableitende Struktur hat das Team um Benjamin Dillenburger, Professor für Digitale Bautechnologie an der ETH Zürich, auf die Gestalt der Deckenuntersicht übertragen. Darüber angeordnete Betonrippen übernehmen die Aussteifung und tragen das Obergeschoß.

 

DIE DIGITALE FABRIKATION GESCHIEHT HIER NICHT VOR ORT MIT EINEM ROBOTER, SONDERN BETRIFFT DEN SCHALUNGSBAU AUF EINEM SANDGUSS 3D-DRUCKER. ZWISCHEN DER PARAMETRISCH GEFORMTEN 3D-ZEICHNUNG DER DECKENPLATTE UND DER FERTIGEN, KOMPLEXEN, DREIDIMENSIONAL GEFORMTEN BETONSCHALUNG LIEGT NUR DER DATENTRANSFER ZUM 3D-DRUCKER.

 

Industriepartner in der Umsetzung ist die voxeljet AG in Augsburg. Dort hat man sich die letzten Jahre intensiv damit beschäftigt, das Verfahren des Sand 3D-Drucks an die Erfordernisse des Bauens und Betonierens anzupassen. voxeljet ist Hersteller industrietauglicher 3D-Drucksysteme und betreibt Dienstleistungszentren für „on-demand“-Fertigung.

 

RENOMMIERTE VERTRETER DER DEUTSCHEN AUTOMOBILINDUSTRIE ARBEITEN SEIT BEINAHE EINEINHALB JAHRZEHNTEN MIT DEN HOCHPRÄZISEN 3D-DRUCK-SANDFORMEN FÜR DEN METALLGUSS.

 

Doch Beton und glühendes Metall verhalten sich unterschiedlich. Beim gewohnten Ausgießen der Sandformen mit Metall löst sich aufgrund der hohen Temperatur der Binder im Sandguss. Die Form zerfällt in einzelne Sandkörner und ist somit verloren. In der Architektur ist Gegenteiliges erwünscht. Eine herkömmliche Matrize wird ohne sichtbaren Qualitätsverlust im Betonguss bis zu 100-mal eingesetzt. voxeljet infiltriert die Gussformen für Beton daher mit Epoxidharz und erreicht damit sehr glatte Resultate und einen Einsatz von etwa 40 Abgüssen (Stand 2019) bei entsprechendem Handling.

 

Eine weitere Hürde für den Einsatz der Technologie im Bauwesen stellte das Gewicht der Sandgussformen dar. Anstelle massiver Drucke, wie sie für Gussformen beispielsweise von Turbinen zum Einsatz kommen, ist voxeljet übergegangen, Material einzusparen und nur mehr eine dünne Schalhaut von wenigen Zentimetern Stärke zu drucken. Diese wird in Folge auf eine sogenannte Knaggebox montiert. Da die Druckkosten der Schalung unter anderem vom verbrauchten Sand abhängen, kann der Preis damit ebenfalls vorteilhafter gestaltet werden. Bezüglich des Preises nennt voxeljet drei Kostentreiber: Komplexität, Lieferzeit und Stückzahl.

 

DIE LIEFERZEIT ÜBT DEN GRÖSSTEN EINFLUSS AUF DIE KOSTEN. EIN LITER SANDDRUCK KOSTET BEI FERTIGUNG BINNEN 15 TAGEN FÜNF EURO. BEI EINER LIEFERUNG BINNEN 25 TAGEN SINKT DER PREIS AUF BEINAHE DIE HÄLFTE MIT DREI EURO.

 

Die Vorteile der 3D gedruckten Sandschalung liegen in den Möglichkeiten der Gestaltung. Auch Hinterschneidungen sind machbar, so lange das Ausschalen gewährleistet ist. Hier sieht voxeljet auch das größte Entwicklungspotenzial für die kommenden Jahre, also in der Umgestaltung der Drucktechnologie hin zu einem wasserlöslichen Bindemittel. Die Schalung wäre dann zwar wieder verloren, könnte aber in Formen mit fragilen Hinterschneidungen einfach weggewaschen werden.

 

DIE TECHNOLOGIE DER 3D GEDRUCKTEN SANDSCHALUNG STEHT HIER UND JETZT AM MARKTEINTRITT. DER SMART SLAB IM DFAB HOUSE WIRD DAS ERSTE REALMASSSTÄBLICHE ARCHITEKTURPROJEKT SEIN, DAS MIT EINER 3D GEDRUCKTEN SANDSCHALUNG PRODUZIERT WIRD.

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NEST am Empa Eawag-Campus in Zürich Architektur: Gramazio Kohler Architekten, Foto: Roman Keller


 

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NEST. Dezember 2017. Rechts oben die Solare Fitness & Wellness Unit, in der Mitte die jüngst fertiggestellte Urban Mining & Recycling Unit unter der Leitung von Werner Sobek. FOTO: Digital Building Technology Group, ETH Zürich


 

 

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Mockup Smart Slab. Mittiges Auflager bildet eine doppelt gekrümmte Wand, die mittels der Mould Mesh Technologie konstruiert wird. Ein Roboter fertigt ein Bewehrungsgitter, das gleichzeitig als Schalung fungiert. Die filigranen Stützen sind mit dem Smart Dynamic Casting Verfahren geformt. FOTO: Digital Building Technology Group, ETH Zürich 


 

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Mockup Smart-Slab Ausschnitt; FOTO: Digital Building Technology Group, ETH Zürich 


 

 

 

 

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Kraftflüsse als Parameter für die Gestaltung des Smart Slab; Rendering: Digital Building Technology Group, ETH Zürich 


 

 

 

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3D Modell Kraftflüsse = Deckenuntersicht, Rendering: Digital Building Technology Group, ETH Zürich 


 

 

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Rendering zur komplexen Ausführung der Deckenuntersicht des Smart Slab; Rendering: Digital Building Technology Group, ETH Zürich 


 

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Ausschnitt 3D-Druck Sandschalung von voxeljet mit Betonabdruck; Foto: Digital Building Technology Group, ETH Zürich