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Solarhäuser und solare Bauelemente

3D-Druck in der Architektur (B)


Im Mai 2015 stellt das russische Unternehmen SPETSAVIA (auch: Spectavia) mit Sitz in Jaroslawl das erste Modell eines serienmäßig hergestellten 3D-Portaldruckers mit einem Bauvolumen von 3,5 x 3,6 x 1 m vor, dessen Preis zum Verkaufsstart 14.600 € beträgt.

SPETSAVIA 3D-Haus

SPETSAVIA 3D-Haus

Im Dezember werden in der firmeneigenen Werkstatt 600 Wand-Elemente für das „ersten Wohngebäudes in Europa und der GUS“ gedruckt, mit einer Fläche von 2.985 m2. Die Schichten des Hauses werden mit 10 mm Höhe und 30 – 50 mm Breite gedruckt, die Wände mit bis zu 15 m2/h.

Nach Fertigstellung des Dachstuhls und der Innenausstattung präsentiert das Unternehmen das komplette 3D-Gebäude im Oktober 2017. Ein wichtiges Merkmal des 3D-Hauses in Jaroslawl, das dieses Projekt von anderen realisierten unterscheidet: Es handelt sich nicht um eine Präsentationsstruktur, sondern um ein vollwertiges Wohngebäude. Heute ist es das Zuhause einer echten, durchschnittlichen Familie.

Ab Anfang 2018 produziert die Unternehmensgruppe AMT-SPETSAVIA sieben Modelle von Portalbaudruckern: vom Kleinformat (für den Druck kleiner architektonischer Formen) bis zum Großformatdrucker (für den Druck von Gebäuden bis zu 3 Etagen). Inzwischen sind die 3D-Drucker unter der Marke AMT in mehreren Ländern im Einsatz.

Die 3D-Drucktechnologie von AMT-SPETSAVIA wird auch verwendet, um in der alten russischen Stadt Palekh, in der Region Ivanovo, den historischen Hauptbrunnen, der sich im Park in der Nähe der Kathedrale des Heiligen Kreuzes befindet, fast von Grund auf zu restaurieren. Er wurde Mitte des letzten Jahrhunderts von dem berühmten Bildhauer Nikolai Dydykin geschaffen. Der Durchmesser des Palekh 3D-Brunnens beträgt 26 m, die Tiefe 2,2 m.

BOD im Bau

BOD (im Bau)

Bereits im August 2017 wird der erste Baudrucker nach Europa geliefert – an die dänische Firma 3DPrinthuset. Dieser 8 x 8 x 6 m Drucker wird in Kopenhagens Nordhavn für den Bau des „ersten 3D-gedruckten Gebäudes in der EU“ verwendet, einem kleinen ‚Büro-Hotel‘ von weniger als 50 m2, das gemäß den europäischen Bauvorschriften errichtet wird.

Das BOD, kurz für ‚Building on Demand‘, ist so benannt, um zu verdeutlichen, daß mit der 3D-Drucktechnologie der Bauprozeß automatisiert und die Grenzen des Machbaren erweitert werden. Da mit dem 3D-Konstruktionsdruck eine kostengünstige automatisierte Herstellung organischer Formen möglich ist, enthält das 4,5 m hohe BOD keine geraden Linien oder Wände; die einzigen geraden Elemente sind die Fenster und Türen. Auch einen Teil des Fundaments wird 3D-gedruckt, der Rest der Konstruktion wird in traditioneller Bauweise ausgeführt.

Die 3DPrinthuset behauptet allerdings, den 3D-Betondrucker selbst entwickelt zu haben. Dies erklärt sich möglicherweise dadurch, daß die 3DPrinthuset über ihr im September 2018 gegründetes Tochterunternehmen COBOD International A/S auch in das im Juli 2015 begonnene Projekt des französischen Start-Ups XtreeE (s.u.) einsteigt, bei dem ein Mehrkomponenten-Drucksystem entwickelt wird, das auf einem 6-Achsen-Roboterarm montiert ist, um mit dem 3D-Druck und eigener Software komplexe Betonkonstruktionen zu erstellen. Weitere Partner sind die Baubranche-Firmen Saint Gobain, Vinci und LafargeHolcim. Besonders das letztgenannte multinationale Bauunternehmen wird uns in dieser Übersicht noch häufig begegnen.

Erwähnenswert ist auch, daß die COBOD im Februar bzw. November 2017 zwei internationale Konferenzen zum 3D-Baudruck organisiert, die darauf abzielen, die stärksten Namen der aufstrebenden Branche zusammenzubringen. Dabei entsteht die allgemeine Idee, daß der Bereich 3D-Baudruck eine einheitlichere Plattform benötigt, auf der Ideen, Anwendungen, Probleme und Herausforderungen ausgetauscht und diskutiert werden können.

Im November 2018 erhält die Firma einen Innovationszuschuß von über 2 Mio. aus dem Innovation Fund Denmark für die Entwicklung eines neuen modularen 3D-Druckers für das Bauwesen, der den Namen BOD2 erhält.

In der Folgezeit entwickelt die COBOD mit dem Baudrucker BOD2 eine aktualisierte und verbesserte Version des Vorgängers BOD, die zu diesem Zeitpunkt als Europas größter 3D-Betondrucker gilt. Der BOD2 soll eine 10-mal höhere Druckgeschwindigkeit wie sein Vorgängermodell haben und kommt damit auf bis zu 1 m/s. Mit ihm errichtet Kamp C, das Belgische Zentrum für Nachhaltigkeit und Bauwesen in Westerlo, das „erste in einem Stück vor Ort 3D-gedruckte zweistöckige Haus in Europa“, das im Juli 2020 enthüllt wird. Es soll 1,6 Mio. € gekostet haben.

Das in Westerlo, Belgien, errichtete Modellhaus wird im Rahmen des europäischen Programms C3PO (Co-Creation: 3D-printing with enterprises) mit Finanzierung aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gedruckt. Es ist 8 m hoch und hat eine Grundfläche von 90 m2. Durch die eingesetzte Drucktechnologie ist eine Schalung überflüssig, was schätzungsweise 60 % Material, Zeit und Budget einspart.

Rechnet man alle Tage zusammen, dauerte es gerade einmal drei Wochen, um das Haus zu drucken. Künftig will das Unternehmen die Druckzeit von drei Wochen auf knapp zwei Tage verkürzen. Dem Unternehmen zufolge ist das gedruckte Haus dreimal stabiler als eines, das mit herkömmlichen Schnellbauziegeln gebaut ist. Dieses erste Haus dient als Test, den die Forscher im Laufe der Zeit auf Festigkeit überwachen werden.

Das Musterhaus verfügt über einen Überhang mit stark gewölbten Wänden und ist mit Fußboden- und Deckenheizung, Solarpaneelen in der Fassade und einer Wärmepumpe ausgestattet. Zukünftige Entwürfe werden auch noch ein Gründach beinhalten.

Bereits 2018 gewinnt die die COBOD International die erste EU-Ausschreibung für 3D-Baudrucker – außerdem erwirbt die deutsche PERI Gruppe, der weltweit größte Hersteller und Anbieter von Schalungs- und Gerüstesystemen, eine Minderheitsbeteiligung an der COBOD.

Ab 2019 wird der BOD2 in Serie produziert und weltweit vertrieben, wobei er in drei verschiedenen Größen angeboten wird. Der kleinste hat ein Bauvolumen von ca. 13 m3 (1,9 x 4,7 x 1,5 m) bei einem Preis von 191.000 €, während der größte ein Bauvolumen von ca. 1.240 m3 (9,5 x 19,8 x 6,6 m) hat, bei einem Preis von fast einer halben Million Euro.

Das saudi-arabische Unternehmen Elite for Construction & Development Co. kauft im März den größten bislang entwickelten 3D-Konstruktionsdrucker. Mit einer Baufläche von 12 x 27 x 9 m ist er groß genug, um dreistöckige Gebäude mit mehr als 300 m2 pro Stockwerk zu drucken. Der Drucker extrudiert pro Sekunde bis zu 100 cm Beton. Regulär wird die Druckgeschwindigkeit mit 25 cm/s angegeben.

Zum Hintergrund: Das sogenannte Saudi-Arabien will im Rahmen der Vision 2030 den Lebensstandard und die Wohnungssituation der Einwohner verbessern, wofür in den nächsten zehn Jahren auch 1,5 Millionen private Wohnhäuser gebaut werden sollen.

Ebenfalls recht interessant: Im September 2019 berichten die Fachblogs, daß die COBOD das BOD-Gebäude kürzlich nachgedruckt habe, was diesmal aber nur noch drei Tage gedauert hätte, genauer gesagt 28,5 Stunden – statt zwei Monate. Im Vergleich zur ursprünglichen Konstruktion des BOD konnte somit eine 20-mal höhere Produktivität erreicht werden. Für den Fall, daß das BOD ein drittes Mal gedruckt wird, rechnen die Techniker mit einer Druckzeit von nur noch acht Stunden.

Im Juni 2020 wird bekannt, daß die COBOD mit den Firmen GE Renewable Energy und LafargeHolcim zusammenarbeiten wird, um Windkraftanlagen mit optimierten 3D-gedruckten Betonsockeln von bis zu 200 m Höhe zu entwickeln. Durch die wirtschaftliche Entwicklung höherer Windkrafttürme, die stärkere Winde einfangen, soll mehr erneuerbare Energie pro Turbine erzeugt werden. Die Partner wollen letztendlich einen Windturbinen-Prototyp mit einem gedruckten Sockel sowie ein Drucker- und Materialsortiment herstellen, um die Produktion zu steigern.

Traditionell aus Stahl oder Betonfertigteilen gebaut, sind Türme von Windkraftanlagen in der Regel auf eine Höhe von weniger als 100 m beschränkt, da die Breite der Basis den Durchmesser von 4,5 m nicht überschreiten darf, der ohne übermäßige zusätzliche Kosten auf der Straße transportiert werden kann.

Das Drucken eines Sockels von 10 – 80 m Höhe mit 3D-gedruckter Betontechnologie direkt vor Ort ermöglicht hingegen den Bau von 150 – 200 m hohen Türmen. Typischerweise erzeugt eine 5 MW Turbine in 80 m Höhe jährlich rund 15 GWh. Im Vergleich dazu würde die gleiche Turbine in 160 m Höhe 20 GWh erzeugen.

COBOD wird sich bei dem Projekt auf die Robotik-Automatisierung und den 3D-Druck konzentrieren, GE Renewable Energy die Expertise in Bezug auf Design, Herstellung und Kommerzialisierung von Windkraftanlagen bereitstellen, und LafargeHolcim das maßgeschneiderte Betonmaterial, seine Verarbeitung und Anwendung entwerfen. Der erste Prototyp, ein 10 m hoher Turmsockel, war bereits im Oktober 2019 in Kopenhagen erfolgreich gedruckt worden. GE plant, die Produktion im Jahr 2023 aufzunehmen.

Windturbinenfundament Grafik

Windturbinen-
fundament
(Grafik)


In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß sich das Start-Up RCAM Technologies bereits 2017 vorgenommen hat, Turbinentürme auf ähnliche Weise zu bauen. Ihre von der California Energy Commission (CEC) mit 1,25 Mio. $ geförderte Forschung ist aber noch im Gange. Gemeinsam mit der University of California, Irvine, will die RCAM (Reinforced Concrete Additive Manufacturing) eine additive Fertigungstechnologie für Stahlbeton zum Bau kostengünstiger ultrahoher Windturbinentürme vor Ort entwickeln, demonstrieren und testen.

Im Dezember 2019 gibt die RCAM Pläne bekannt, gemeinsam mit der Firma Accucode Inc., einem Technologieintegrator und IT-Dienstleister, Windenergiekomponenten aus 3D-gedrucktem Beton zu entwickeln. Die Ankündigung erfolgt, nachdem die RCAM vom Colorado Office of Economic Development and International Trade (COEDIT) 250.000 $ erhalten hatte, und zwar für die Entwicklung eines 3D-gedruckten Windturbinenfundaments, das die Offshore-Bereitstellungskosten um bis zu 4 Mio. $ pro Fundament senken soll.

Die RCAM wird zunächst ein groß angelegtes 3D-Betondrucksystem beim NREL installieren, wo mit der Herstellung der Stützstrukturen mit festem Boden für Offshore-Windturbinen begonnen wird. Anschließend soll das Accucode-Team aus Ingenieuren und Betondruckexperten die Ausrüstung verwenden, um den 3D-Betondruck für eine Vielzahl von Anwendungen für erneuerbare Energien und zivile Infrastrukturen zu entwickeln und zu testen.

Weitere 3 Mio. $ von der CEC erhält die RCAM im Juni 2020 für die Weiterentwicklung und Bewertung der Windturbinentürme und Offshore-Anker der nächsten Generation. Dabei sollen 3D-Drucktechnologien konzipiert werden, mit denen aus regional verfügbaren Betonmaterialien Türme für Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen hergestellt werden können.

Kurz zuvor war gemeldet worden, daß auch Ingenieure der Purdue University und der Floating Wind Technology Company (FWTC) gemeinsam mit der RCAM an einer Möglichkeit forschen, die Anker von schwimmenden Windkraftanlagen aus 3D-gedrucktem Beton herzustellen. Die gegenwärtig gebräuchlichen Stahlkonstruktionen sind viel teurer als Beton, während die herkömmlichen Betonherstellungsverfahren eine Form erfordern, um den Beton in die gewünschte Struktur zu formen, was die Kosten erhöht und die Gestaltungsmöglichkeiten einschränkt. Der 3D-Druck würde die Kosten für diese Form eliminieren.

Das Team, an dem auch das niederländische Unternehmen Vertico beteiligt ist (s.u.), entwickelt eine Methode, bei der ein Roboterarm mit einer Betonpumpe integriert wird, um Unterkonstruktionen und Anker von Windkraftanlagen herzustellen.

Das Projekt ist eine Fortsetzung der Forschungen zum zementbasierten 3D-Druck von biologisch inspirierten Designs, wie Strukturen, die die Fähigkeit der Schalen von Arthropoden wie Hummern und Käfern nachahmen, unter Druck härter zu werden. Die Technik könnte auch zu widerstandsfähigeren Bauwerken führen. Diese Arbeit wird von der National Science Foundation finanziert.

Zur COBOD ist noch zu sagen, daß diese im Februar 2021 auch Floridas erstes Gebäude aus einem 3D-Drucker fertigstellt. Verantwortlich für den Bau in Tallahassee ist das US-Start-Up Printed Farms, welches mit 3D-Drucklösungen das Bauwesen nachhaltig verändern und hurrikan- und flutsichere Gebäude entwickeln möchte. Das 71 m2 große Gebäude wird schon während dem 3D-Druck-Prozess mit Stahl verstärkt. Als Nächstes sollen zwei weitere Villen in Florida gedruckt werden.

Außerdem wird Juli der erste BOD-Bau-3D-Drucker nach Japan an den Energiekonzern JGC Holdings ausliefert, der erst im April eine neue Einheit zur Förderung der Bauautomatisierung und 3D-Drucktechnologie gegründet hatte.


Das niederländische Start-Up MX3D Metal beginnt im Juni 2015 mit dem Druck einer Edelstahlbrücke, die bis März 2018 fertig gestellt und im Juni über einen Kanal in Amsterdam verlegt werden soll. MX3D wurde von dem Designer Joris Laarman ins Leben gerufen, um Möglichkeiten zum Drucken großer, anspruchsvoller Strukturen zu untersuchen, nachdem er eine 3D-Drucktechnik entwickelt hatte, die es einem Roboter ermöglicht, durch die gleichzeitige Zugabe kleiner Mengen geschmolzenen Metalls Linien mitten in der Luft zu drucken.

Die Methode kombiniert einen Roboterarm, wie er typischerweise in der Automobilherstellung verwendet wird, mit einer Schweißmaschine zum Schmelzen und anschließenden Auftragen von Metall, um Linien zu erstellen, die horizontal, vertikal oder in Kurven ohne Unterstützungsstrukturen gedruckt werden können. Die Technik kann verwendet werden, um mit Metallen wie Edelstahl, Aluminium, Bronze oder Kupfer zu drucken.

MX3D Edelstahlbrücke im Bau

MX3D Edelstahlbrücke
(im Bau)

Es ist geplant, daß die von Laarman entworfene Fußgängerbrücke vor Ort von zwei der vielseitigen 6-Achsen-Roboter 3D-gedruckt wird – in Form einer zunehmend wachsenden tragenden Struktur, die ihr eigenes Gewicht bei der Arbeit trägt. Auf diese Weise können sie an einem Ufer des Kanals beginnen und sich auf die andere Seite vorarbeiten.

Das Projekt, das vom Designsoftwareunternehmen Autodesk und dem Bauunternehmen Heijmans unterstützt wird, könnte schließlich den Druck ganzer Gebäude ermöglichen. Nach Laarman, der sich auch mit der Herstellung von Möbeln befaßt hat, die auf dem Wachstum von Knochen basieren, ist der Druck einer funktionalen Brücke in Lebensgröße der ideale Weg, um die endlosen Möglichkeiten der neuen Technik zu demonstrieren.

MX3D arbeitet dann jedoch sechs Jahre lang an dem Projekt der „weltweit ersten 3D-gedruckten Stahlbrücke“. Projektpartner sind Arup, ABB, Air Liquide, ArcelorMittal, Autodesk, das AMS Institute und Lenovo. Da es sich aufgrund von Sicherheitsproblemen und anderen Bedenken als unmöglich erweist, die Brücke an Ort und Stelle zu bauen, wird sie in einer Fabrik hergestellt.

Der eigentliche Druckprozeß durch vier Roboter dauert nur sechs Monate und wird schon 2018 abgeschlossen, doch unvorhergesehene Verzögerungen, einschließlich einer Wartezeit während der Sanierung der Kanalwände, verzögern die Installation der Fußgänger- und Fahrradbrücke. Erst im Juli 2021 kann sie mit einem Boot zur Baustelle transportiert und dann mit einem Kran über einen der ältesten Kanäle Amsterdams in De Wallen, dem Rotlichtviertel der Stadt, in Position gebracht werden – wo sie von Königin Máxima der Niederlande höchstpersönlich eröffnet wird.

Die fertiggestellte Brücke aus Edelstahl hat eine Spannweite von 12,2 m, eine Breite von 6,3 m und eine Endmasse von 4.500 kg (andere Quellen: 6.000 kg). Neben ihrem auffälligen Design verfügt sie über versteckte Sensoren, um strukturelle Messungen zu Dehnung, Rotation, Last, Verschiebung und Vibration zu sammeln, ebenso wie Daten zu Umweltfaktoren wie Luftqualität, Temperatur und mehr.


Im September 2015 beginnt das U.S. Army Corps of Engineers unter der Leitung des Construction Engineering Research Laboratory (ERDC-CERL) in Champaign, Illinois, mit der Erforschung der 3D-Druckertechnologie für den Bau. Das Pilotprojekt Automated Construction for Expeditionary Structures (ACES), das mit etwa 250.000 $ vom U.S. Marine Corps finanziert und von der Firma Caterpillar Inc. sowie dem Marshall Space Flight Center und dem Kennedy Space Center der NASA unterstützt wird, konzentriert sich auf den Beton-3D-Druck.

Fußgängerbrücke im Bau

Fußgängerbrücke
(im Bau)

ACES führte zu drei Umsetzungen: einem Eingangskontrollpunkt, der ersten verstärkten, additiv konstruierten Betonkaserne sowie dem Druck von ziviler und militärischer Infrastruktur (Trikotbarrieren, T-Wände, Durchlässe, Bunker und Kampfstellungen).

Im Jahr 2017 beginnt das ERDC-CERL mit dem U.S. Marine Corps zusammenzuarbeiten, was im Folgejahr zu einer strukturell verbesserten und bewehrten 3D-gedruckten Baracke, sowie im Januar 2019 zur ersten vor Ort 3D-gedruckten Fußgängerbrücke in Amerika führt – die trotz ihrer Länge von 9,75 m noch ziemlich klein und primitiv wirkt. Mitte 2018 meldet die U.S. Army zudem eine neuartige Betonmischung zum Patent an.

Für die 46,5 m2 große Baracke mit dem Namen B-Hut, die vor Ort im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Army in Champaign entsteht, benötigt der eingesetzte „weltweit größte 3D-Drucker für Beton“ 40 Stunden. Zum Vergleich: Normalerweise brauchen zehn Marines fünf Tage, um eine gleich große Baracke aus Holz zu bauen.


Auf der Beijing Design Week im Oktober 2015 wird die „größte 3D-gedruckte Architekturstruktur der Welt“ enthüllt, ein Pavillon, der von den Architekten Yu Lei und Xu Feng des lokalen Designbüros Laboratory for Creative Design (LCD) entworfen wurde. Aufgrund der Ähnlichkeit der gewölbten Struktur mit der Pilzwolke, die während eines Vulkanausbruchs gebildet wird, nennen die Designer ihr Konstrukt Vulcan, nach dem römischen Feuergott.

Der Pavillon ist fast 3 m hoch, 8 m lang, hat eine Fläche von knapp 100 m2 wiegt 1,5 Tonnen und besteht aus 1.023 3D-gedruckten Teilen. Es dauert 30 Tage, um diese Komponenten zu produzieren, und weitere 20 Tage, um sie zusammenzubauen. Da sie auch in drei separate Module unterteilt werden können, läßt sich der Pavillon bei Bedarf zerlegen und wieder zusammenbauen. Für seine Premiere wird der Vulcan in Parkview Green aufgestellt, einem der neuesten Einkaufszentren Pekings und Sponsor des Projekts.


Das o.e. französische Start-Up XtreeE mit Hauptsitz in Rungis, das im Dezember 2015 aus dem Forschungsprojekts Democrite der Paris-Malaquais School of Architecture und der Ingenieurschule Arts et Métiers ParisTech entsteht, spezialisiert sich auf den großformatigen 3D-Druck für die Bauindustrie. Das von dem Architekten und XtreeE-Mitgründer Prof. Philippe Morel initiierte Forschungsprojekt hatte bereits ein erstes 3D-gedrucktes Objekt vorgestellt: ein Wandelement.

Regenwasserregler

Regenwasserregler

Bereits Anfang 2016 folgt eine 2,5 m lange und 2 m hohe Betonwand mit Doppelsinus-Innenstruktur, deren Druck fünfeinhalb Stunden dauert. Die erste praktische Umsetzung bildet im Juni 2017 ein im 3D-Betondruck vorgefertigter Regenwasserregler in der Stadt Lille, der in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber Point P Travaux Publics und der Tiefbaufirma SADE entwickelt wird. Die 230 x 270 x 155 cm große und 2,3 Tonnen schwere Struktur wird in den XtreeE-Werkstätten gedruckt und anschließend vor Ort installiert.

Die Firma ist auch einer der 18 Partner, die am Bau des YRYS Concept House in Alençon beteiligt sind, einem Projekt, das von Maisons France Confort, Frankreichs führendem Einfamilienhausbauer, unterstützt wird. XtreeE entwirft und druckt zwei Serien von Elementen: eine perforierte Wand sowie vier Säulen, die die Schlafzimmer im Obergeschoß tragen und im Juli 2017 vor Ort plaziert werden.

Besonders zu erwähnen ist, daß die Firma 2017 in den Gewässern des Calanques-Nationalparks im Süden Frankreichs das weltweit erste 3D-gedruckte Korallenriff installiert. Dieses große, fortlaufende Engineering-Projekt wird gemeinsam mit Seaboost (Egis Group) und Vicat umgesetzt, um eine neue Generation von Riffen zu schaffen, die unter Wasser gesetzt wurden und Lebensraum für Fische, Korallen und Algen bieten sollen. Schon Ende 2018 kann das Unternehmen über die ersten Bewohner des Riffs berichten.

Im Jahr 2018 werden in Roubaix drei unterirdische Inspektionskammern mit den Abmessungen 1424 x 1424 x 2369 mm und einem Gewicht von jeweils 4,77 Tonnen installiert – sowie in Rouen die 50 cm hohe Startglocke für eine Tunnelbohrmaschine, die Zusammenarbeit mit dem GTM Normandie Center realisiert wird. Traditionell besteht die Glocke aus Metall. Mitte 2019 sind es Masten für 5G-Funktürme für Guadeloupe, die nach dem Zusammenbau 12 m hoch sein werden und in der Form von Bäumen begrünt werden sollen.


Bereits im Januar 2019 enthüllt das Unternehmen für den Sozialen Wohnungsbau Plurial Novilia, eine Tochtergesellschaft der Action Logement-Gruppe, die architektonischen und technischen Konturen seines experimentellen Projekts Viliaprint, bei dem in der Nähe von Reims bis 2020 auf einem 1.000 m2 großen Grundstück fünf Sozialwohnungen sowohl im 3D-Betondruck als auch mit Offsite-Konstruktionen gebaut werden sollen. Plurial Novilia hatte im Juni zuvor die Ausschreibung Architecture de la Transformation 2018 gewonnen, die darauf abzielt, im Öko-Distrikt Rema’Vert entsprechende Einfamilienhäuser zu bauen.

Die 3D-Druck-Technologie von XtreeE wird zur Gestaltung der Wände des Wohnzimmers und der Schlafzimmer der fünf einstöckigen Reihenhäuser unterschiedlicher Größe eingesetzt (eines von 75 m2, drei von 92 m2 und ein letztes von 100 m2), deren Besonderheit in ihrer geschwungenen Form liegt. Hinzu kommen Off-Site gebaute Module für die Funktionsblöcke der Häuser. Diese Module entsprechen der Küche, der Speisekammer, den Toiletten und dem Duschraum.

Die 3D-gedruckten Wände und die Module werden durch Glastischlerei verbunden, um so mehr Licht in alle Räume zu bringen. Schließlich werden die von dem Architekten Emmanuel Coste entworfenen fünf Reihenhäuser von einem einzigen großen Gründach bedeckt.

Viliaprint im Bau

Viliaprint
(im Bau)

Im April präsentierten die Projektpartner, darunter die Vicat-Gruppe, die Baustoffe entwickelt, das Konstruktionsbüro SIXENSE Necs sowie Demathieu Bard Construction, ein unabhängiges Bauunternehmen, den ersten Prototypen einer 3D-gedruckten Betonwand. Der konkrete 3D-Druck der Wände erfolgt dann Off-Site an zwei verschiedenen Standorten: in den Räumlichkeiten von XtreeE und in denen des Lycée Arago in Reims. Dadurch werden die Kosten gespart, die damit verbunden sind, daß der Roboter ansonsten mit einem Zelt geschützt werden müßte. Nach Fertigstellung werden die Wände und die Module vor Ort montiert.

Die Arbeiten beginnen im Februar 2020, und Ende Juli werden zwei neue Prototypenwände mit Innenabdichtung gedruckt, die dann Anfang August auf der Baustelle unter realen Bedingungen bearbeitet und eingesetzt werden. Das Bauprojekt soll Ende 2021 abgeschlossen werden.

Den internationalen Export seiner Technologie beginnt XtreeE im Juni 2019, als in Dubai ein Additive Manufacturing Center eröffnet wird, das den Produktionsstandort in Rungis ergänzen soll. Die Anlage wird von dem lokalen Partner Concreative betrieben. Zwei weitere Installationen sind für Ende des Jahres in Asien geplant. Die Ambitionen von XtreeE sind, bis 2025 über 50 weltweit vernetzte 3D-Druckeinheiten zu verfügen.

Für die City of Dubai entwirft XtreeE zudem einen 100 m2 großen, verglasten Pavillon, der als Ausstellungsgalerie dienen soll und dessen Innenwände aus einzeln gedruckten Betonschalen bestehen, während das Dach eine perforierte Betonplatte ist, deren Muster vom traditionellen Mashrabieh-Designs inspiriert ist. Außerdem ist XtreeE Teil eines Konsortiums unter der Leitung von Freyssinet, an dem auch noch das Büro Lavigne & Cheron Architectes, sowie die Firmen Quadric und LafargeHolcim beteiligt sind, das im Vorgriff auf die Olympischen Spiele 2024 von der öffentlichen Behörde Plaine Commune mit der Planung und dem Bau einer 40 m langen Fußgängerbrücke in Aubervilliers beauftragt wird, der Pflaster komplett mit 3D-gedrucktem Strukturbeton hergestellt werden soll.

Im Jahr 2015 startet auch der NASA-Wettbewerb 3D-Printed Habitat Challenge, bei dem es um den 3D-Druck von Habitaten für den Mond und den Mars geht. Ich werde weiter unten noch ausführlich darauf zu sprechen kommen.

Imprimere 2156 Grafik

Imprimere 2156
(Grafik)


Ebenfalls 2015 erfolgt die Gründung des Schweizer 3D-Druck Unternehmens Imprimere AG in Altdorf, der ab 2010 Grundlagenforschung im Bereich von 3D-Druckverfahren, sowie ab 2013 die Prototypentwicklung  vorausgegangen waren, bei der in Zusammenarbeit mit der Niederberger Engineering AG ein großer 3D-Betondrucker entwickelt worden war. Ab 2019 folgt Entwicklung mobiler 3D-Betondrucker, die bis in eine Höhe von 8,2 m drucken können.

Aktuell bietet die Firma neben dem mobilen 3D-Drucker noch vier weitere Modelle an, darunter den Imprimere 2156 (o. BIG 3D Printer 2156), der bis zu 5,75 x 6,0 x 6,25 m große Objekte drucken kann und als der größte 3D-Drucker des Unternehmens gilt. Das Gerät produziert vollautomatisch Betonbauteile wie Skulpturen, Statuen oder komplexe Fassadenteile nach digitaler Vorlage. Für genaue Konturen und Details ist der Drucker mit Fräsern ausgestattet und kann auf Wunsch auch mit einen Scanner bestückt werden.


Über das Interesse der Siam Cement Group (SCG), dem größten Zement- und Baustoffunternehmen in Thailand, an den Möglichkeiten der 3D-Technologie wird erstmals im April 2016 berichtet.

Die SCG zeigt bei der entsprechenden Auftaktveranstaltung eine 3 m hohe Zementkonstruktion namens Y-BOX-Pavillon, die einer modernen Höhle mit sechs Säulen gleicht. Den von Pitupong Chaowakul, einem Architekten von Supermachine Studio, entworfenen Pavillon mittels einer Kombination aus Pulverbett-/Inkjet-3D-Druck und 3D-Extrusionsdruck zu realisieren, dauert drei Monate und kostet etwa 28.000 $.

Bis zu einer großformatigen Umsetzung dauert es aber. Erst im Februar 2021 wird in Saraburi ein 102 m2 großer Co-Working-Space, gezeigt, der durch eine Kombination verschiedener digitaler Programmiersoftware entworfen und teilweise mit recycelten Betonabfällen 3D-gedruckt worden ist. Die Gesamtdruckzeit betrug 169 Stunden, was 66 % schneller ist, als es mit herkömmlichen Methoden möglich gewesen wäre.

Das fertige Gebäude mißt 6 x 17 x 3,2 m und besteht aus drei Räumen – einem Besprechungsraum, einem Co-Working-Bereich und einem Café. Die Wände des Gebäudes sind mit einer maximalen Krümmung von 20° gedruckt.

Belgrad Tower Grafik

Belgrad Tower
(Grafik)


Ebenfalls im April 2016 kündigt die Stadt Dubai an, bis 2030 rund ein Viertel aller Gebäude mittels 3D-Druck herstellen zu wollen. In diesem Zusammenhang wird im Dezember das junge Tech-Startup Cazza Construction Technologies aus dem Silicon Valley damit beauftragt, in Dubai eine komplette Stadt per 3D-Druck zu errichten. Dies entspricht auch dem großen Ziel des jungen Unternehmens: Der Aufbau von 3D-gedruckten Smart Cities auf der ganzen Welt.

Über die von Cazza Construction verwendete Maschine ist bisher nicht viel bekannt, außer daß sie in der Lage ist, 100 m2 in unter 24 Stunden und 1.000 m2-Häuser in 10 Tagen zu errichten. Für größere Projekte, wie der kompletten Stadt, reicht die 3D-Drucktechnologie allein aber nicht aus, weshalb hier auf riesige Roboterarme gesetzt wird. Der Firma zufolge soll die Nutzung der Maschinen eine potentielle Reduzierung der Arbeitskosten um bis zu 90 % ermöglichen, während gleichzeitig die Bauzeit immens verringert wird.

Im März 2017 stellt Cazza Construction zudem Pläne zum Bau des weltweit ersten 3D-gedruckten Wolkenkratzers vor. Umgesetzt werden soll das Konzeptdesign Belgrad Tower von Aleksandar Grusanovic, das durch seine einzigartige Form heraussticht und Restaurants, Wohnungen und ein Hotel beherbergen soll. Hierbei will die Firma eine neue Konstruktionstechnik namens Krandruck (crane printing) einsetzen. Da das System mit allen Kränen kompatibel ist, müssen für dieses Projekt keine Spezialausführungen extra hergestellt werden.

Die Kräne werden bestimmte Gebäudeteile in 3D drucken, während der Rest der 80-stöckigen Konstruktion mit bestehenden Methoden durchgeführt wird. Das 420 m (andere Quellen: 750 m) hohe Gebäude soll sich zudem um einen Betonkern drehen. Konkrete Angaben zur Umsetzung gibt es bislang aber nicht.

Gegenwärtig nutzt das Unternehmen den Drucker Cazza X1 mit einem Bauraum von 4,7 m Länge und 5,5 m Höhe, der sich für Bauprojekte wie Häuser, Lager oder freistehende Strukturen bis zu einer Höhe von 5 m eignet.

Der Roboter ist auf einer mobilen Plattform montiert, die wendige Manöver erlaubt, und ein verstärkter Plastikschutz ermöglicht Drucke auch bei widrigen Wetterverhältnissen. Darüber hinaus ist der X1 mit Sensoren ausgestattet, welche die Arbeiter am Einsatzort erkennen, um Unfällen vorzubeugen.

HuaShang Tengda Villa

HuaShang Tengda Villa


Im Juni 2016 wird bekannt, daß die chinesische Architekturfirma HuaShang Tengda im Bezirk Tognzhou in Peking mit einem 3D-Drucker innerhalb von 45 Tagen eine zweistöckige Villa mit 400 m2 Wohnfläche errichtet hat, die als „das weltweit erste 3D-gedruckte zweistöckige Haus“ bezeichnet wird. Die Zeit bis zur vollständigen Fertigstellung der Villa belief sich auf 1,5 Monate.Der eingesetzte gigantische 3D-Drucker war nach mehrjähriger Entwicklung erst kurz zuvor getestet worden.

Die direkt vor Ort gedruckte Villa, die mit ihren beiden Türmen an eine mittelalterliche Burg erinnert, besitzt 25 cm dicke Wände, für deren Druck 20 Tonnen Beton verwendet werden, und soll den Architekten und Bauherren zufolge Erdbeben der Stärke 8.0 auf der Richterskala standhalten können.

Das zur Umsetzung gewählte Verfahren unterscheidet sich deutlich von den anderen bekannten 3D-Druck-Bautechniken. Zunächst wird auf dem Fundament der Rahmen des Hauses mit den Bewehrungsträgern inklusive der Rohre für Gas, Frischwasser und Abwasser errichtet. Anschließend kommt der mit zwei Druckköpfen ausgerüstete 3D-Drucker zum Einsatz, dessen Druckköpfe ihre Betonspuren links und rechts vom Betonstahl ziehen, um die Mauern Schicht für Schicht aufzubauen. Durch die Schichtbauweise entsteht ein charakteristisches Muster an den Mauern.

Ongoing Project Haus

Ongoing Project Haus


Im September 2016 wird in der Stadt Binzhou in der chinesischen Provinz Shangdong ein Haus vorgestellt, das innerhalb von zwei Monaten mit einem 3D-Drucker aus Beton gefertigt wurde. Das Bauwerk ist die erste Phase des 3D-Druck-Konstruktionsprojekts Ongoing Project. Es wartet mit einem Grundriß auf, der dem Jiangnan Fengyayuan-Teehaus entspricht – ergänzt um zwei Innenhöfe, um frische Luft schnappen zu können. Bei der Herstellung wird ein 3D-Drucker von 20 m Breite und 6 m Höhe verwendet.

Das fertige Haus verfügt über den herkömmlichen Komfort, beispielsweise eine Klimaanlage, hat die erforderliche Isolierung und ist nun bereit für den Einzug seiner künftigen Bewohner. Die Gesamtkosten für das Haus belaufen sich auf umgerechnet etwa 660 €/m2. Auch die anderen Gebäude des Projekts werden ein vergleichbares Design aufweisen. Die Häuser werden als ein Trend für die Zukunft betrachtet, nicht nur weil sie in so kurzer Zeit gebaut werden, sondern auch weil die Hausbesitzer ihren zukünftigen Wohnort eigenen Bedürfnissen anpassen können.


Ebenfalls im März 2017 berichtet die Fachpresse, daß die Universität Nantes zusammen mit dem Nantes Digital Sciences Laboratory (LS2N) ein 3D-gedrucktes Hausprojekt namens YHNOVA entwickelt. Das Projekt wird ein von der Universität patentiertes Verfahren namens Batiprint3D nutzen, das den 3D-Betondruck mit traditionelleren Techniken kombiniert, um ein bewohnbares Haus zu schaffen.

YHNOVA

YHNOVA

Der 4 m lange Roboterarm des mobilen Batiprint3D kann bis zu 7 m hohe Strukturen drucken, wobei er technisch betrachtet drei Materialschichten auf einmal abscheidet: zwei Lagen Quellschaum aus einem speziellen Polymermaterial, die als Schalung für eine dritte Betonschicht dienen.

Das erste französische Gebäude, das in Zusammenarbeit mit Bouygues Entreprises France Europe direkt vor Ort 3D-gedruckt wird, ist eine 95 m2 große 5-Zimmer-Sozialwohnung mit runden Wänden, die vom französischen Architekturbüro TICA entworfen wurde. Baubeginn in der Rue du Croissant im Stadtteil La Bottière ist im September während der Nantes Digital Week 2017, und die erste Hülle des Anwesens entsteht in nur 18 Tagen. Nach Fertigstellung des Rohbaus werden die Hohlwände mit Zement für eine Isolierung gefüllt, die ein ganzes Jahrhundert halten soll.

Das Y-förmige Haus mit geschwungenen Wänden und abgerundeten Ecken verfügt zudem über mehrere Sensoren, die Luftqualität, Luftfeuchtigkeit und Temperatur überwachen, sowie Geräte, die die thermischen und akustischen Eigenschaften des Hauses bewerten und analysieren. Auf diese Weise erfahren die Mieter, wann sie zu viel Energie verbrauchen. Das Haus wird im März 2018 eingeweiht, und im Juni erhält die Familie, die es bewohnen wird, die Schlüssel für den Einzug.


Das von Nikita Chen-yun-tai (auch: Cheniuntai) gegründete Moskauer Start-Up Apis Cor baut in Zusammenarbeit mit dem dem Immobilienentwicklungsunternehmen PIK im März 2017 innerhalb von 24 Stunden ein ganzes Haus in der russischen Stadt Stupino. Die Betonwände, Trennwände und die Gebäudehülle werden mit einem mobilen 3D-Drucker hergestellt. Von Hand müssen nur das Dachmaterial, die Verkabelung und die Wärmedämmung installiert werden, was aber nicht viel Zeit in Anspruch nimmt.

Der zwei Tonnen schwere, polare Großraum-3D-Drucker wird per Kran an den jeweiligen Einsatzort transportiert und dort innerhalb von 30 Minuten eingerichtet werden. Die Maschine ist 1,5 m hoch, 4,5 m lang, und kann bis zu einer Länge von 8,5 m ausgefahren werden, wodurch sie eine Fläche von 132 m2 abzudecken vermag.

Gedruckt wird zur kältesten Jahreszeit, was die Fähigkeit der Maschine belegt, auch mit widrigen Wetterbedingungen zurechtzukommen. Das Gerät kann zwar bei Temperaturen von bis zu -35°C betrieben werden, doch die verwendete Betonmischung erfordert eine Temperatur von mindestens 5°C, weshalb um die Baustelle herum ein Schutzzelt errichtet wird. Als Baumaterial wird eine eher konventionelle Sand- und Zementbasis verwendet, der einige Additive hinzugefügt werden, um die Festigkeit und Viskosität des endgültigen Materials zu beschleunigen. Daneben wird auch eine Mischung aus Gips und Geopolymer verwendet.

Apis Cor Haus

Apis Cor Haus

Das Ergebnis ist ein 38 m2 großes, geschwungenes einstöckiges Haus, das möglicherweise attraktiv ist für die wachsende Zahl von Menschen, welche die sogenannten Tiny Houses bevorzugen. Laut Apis Cor hat das Häuschen einschließlich Fenster, Türen, Innen- und Außenverkleidung, Dach, Böden und Elektrokabel exakt 10.134 $ gekostet, wobei die Tür und die Fenster den größten Teil des Budgets verschlungen haben.

Um dem Haus Struktur zu verleihen, werden in den Wänden horizontale Glasfaserverstärkungen plaziert. In Verbindung mit einer speziellen Flachdachkonstruktion kann das Haus auch starkem Schneefall standhalten. Aufgrund der hohen Oberflächenqualität der 3D-gedruckten Wände können Endbearbeitungen wie Malerarbeiten sofort ausgeführt werden. Mit der Technologie sollen sich 25 – 40 % der Baukosten im Vergleich zu einem konventionellen Ansatz einsparen lassen.

Bei der Einrichtung tut sich Apis Cor mit Samsung zusammen. Das Elektronikunternehmen stellt alle erforderlichen Geräte zur Verfügung, darunter Kühlschrank, Backofen, Geschirrspüler, Herd und Mikrowelle. Sowie einen geschwungenen Fernseher, welcher der Wölbung der Wände entspricht.

Apis Cor entwickelt zudem eine eigene Software für den Drucker sowie ein Steuerprogramm, um die Bauarbeiten zu erleichtern. Die Mission des Unternehmen ist es, vollständig autonome 3D-Drucker zu entwickeln, die Häuser auf der Erde und darüber hinaus drucken können: „Wir wollen die erste Firma sein, die Häuser auf dem Mars baut“. Dafür nimmt das Unternehmen, das seinen Sitz inzwischen in Boston hat, an der 3D Printed Habitat Challenge der NASA für Wohnen auf dem Mars teil und gewinnt dort in einer der Phasen sogar den ersten Platz (s.u.).

Apis Cor Gebäude in Dubai

Apis Cor Gebäude
in Dubai

Im Oktober 2019 – und nach einer einjährigen Testphase – enthüllt die Stadtverwaltung von Dubai im Viertel Warsan das „weltweit erste zweistöckige Gebäude aus dem 3D-Drucker“. Das 644 m2 große Gebäude in Dubai ist in nur zwei Wochen von Apis Cor gedruckt worden. Dabei stellte das strenge Klima Dubais, bei dem die Temperaturen plötzlich steigen und fallen und die Luftfeuchtigkeit sich sogar innerhalb eines Tages erheblich ändert, das Standarddruckverfahren auf eine harte Probe.

Die Materialien, die beim Druckprozeß für dieses besondere Gebäude verwendet wurden, müssen auch weiterhin extremer Hitze und Kälte standhalten. Das lokale Start-Up Renca arbeitet daher seit 2017 an einer Art Öko-Zement, der laut Angaben des Unternehmens widerstandsfähig, besonders umweltfreundlich und leicht zu verarbeiten sei. Nun wurde die Innovation erstmals für das im 3D-Druck entstandene Haus genutzt.

An der Errichtung des 9,5 m hohen zweigeschossigen Anwesens, dessen weiße Fassade die Sonnenstrahlen reflektiert, sind nur 15 Personen beteiligt – und bei der Herstellung fallen 60 % weniger Abfälle an als bei konventionellen Baumethoden. Das Gebäude soll das Kernstück des neuen Innovationszentrums von Dubai werden.

Das Unternehmen plant außerdem, bereits 2020 bezahlbare Wohnprojekte in Kalifornien, Louisiana und Florida zu bauen. Außerdem präsentiert es mit der Apis Cor University spannende und interaktive Weiterbildungskurse zu den Grundlagen des Konstruktions-3D-Drucks.

Flotsam & Jetsam

Flotsam & Jetsam


Für die Design Miami im November und Dezember 2016 entwerfen die Ingenieure des Büros SHoP Architects in New York einen biologisch inspirierten Eingangspavillon, der als die „größte 3D-gedruckte Struktur der Welt“ bezeichnet wird und vom Aufbau her ein wenig an den o.a. Trabeculae Pavillon erinnert. Das von Branch Technology (s.u.) gefertigte Objekt zeugt von der Verwendung von Fertigungstechniken der nächsten Generation und veranschaulicht eine Möglichkeit, wie der 3D-Druck für das Bauwesen verwendet werden kann.

An dem Projekt beteiligt ist auch das ebenfalls in Tennessee beheimatete Oak Ridge National Laboratory (ORNL), welches das biologisch abbaubare Bambusfilament für den Druck liefert.

Der Pavillon mit dem Namen Flotsam & Jetsam hat eine Gesamtfläche von 253 m2. Nach der Design Miami wird er in Zusammenarbeit mit dem Miami Institute of Contemporary Art und im Rahmen eines ‚Kulturprogramms im Freien‘ in das Jungle Plaza des Miami Design District verlegt. Ein ähnlich aufgebauter Pavillon (One City Pavilion) wird auch in Nashville aufgestellt.


Das 2014 gegründete Bautechnologie-Unternehmen Branch Technology Inc. in Chattanooga, Tennessee, das hauptsächlich dafür bekannt ist, daß es Fassaden für Geschäftsgebäude in 3D druckt, hatte bereits im Juli des Vorjahres den weltweit ersten Designwettbewerb gesponsert, bei dem es um die architektonischen Möglichkeiten geht, wenn ein Haus mit 3D-Druck hergestellt wird.

Bei der Freeform Home Design Challenge wird ein zwischen 56 und 74 m2 (andere Quellen: 92 m2) großes Einfamilienhaus mit Küche, Bad, Wohnbereich und einem Schlafzimmer verlangt, die Berücksichtigung von mechanischen, elektrischen, Sanitär- und Beleuchtungsdienstleistungen sowie passive Solardesignstrategien – und daß zur Errichtung die patentierte Cellular Fabrication (C-FAB)-Technologie von Branch Technology verwendet wird.

Diese Freiform-3D-Drucktechnologie nutzt einen großen KUKA-Roboterarm auf Schienen, um Objekte im offenen Raum zu drucken. Sie ermöglicht es, Wände zellenweise zu bauen, was bedeutet, daß diese den Formen der Vorstellung des Architekten folgen können und nicht der Geradlinigkeit der Baumaterialien. Darüber hinaus fallen durch diese neue Art der Wandherstellung ungewöhnliche und frei geformte Formen für weit mehr Menschen in den Bereich des wirtschaftlich Machbaren.

Curve Appeal

Curve Appeal (Grafik)

An dem Wettbewerb, dessen Gewinner mit einem Preisgeld von 10.000 $ und dem Bau des Hauses in Chattanooga belohnt wird, beteiligen sich 1.300 Teams aus 97 Ländern. Sieger ist im Juni 2016 schließlich der Entwurf Curve Appeal (o. 3D House) des seit 1945 bestehenden Design- und Architekturbüros WATG Urban Architecture Studio (WATG = Wimberly, Allison, Tong und Goo) aus Chicago, Illinois.

Das Haus, das wie ein glatter Flußkiesel aussieht, besteht aus einer geschwungenen, bogenförmigen Struktur aus Paneelen, die eine Außenhaut und einen inneren Kern bilden. Kombiniert bilden sie das Dach und große Teile der Fassade. Die Verbindung zur Natur zeigt sich nicht nur in der Form und der Verglasung mit ihrem weiten, offenen Panoramablick sondern auch in den passiven Systemen, die das Gebäude zu einem ,net zero energy-Haus’ machen.

Branch Technology nutzt einen selbst entwickelten Mix aus Kunststoff und Kohlefaser, der zu einer selbsttragenden Zellmatrix gedruckt werden kann. Das Material ist drei- bis viermal stärker als herkömmliche Holzkonstruktionen. Die Drucktechnik wird verwendet, um die Paneele zu erstellen, die zusammengeschweißt werden, um durchgehende Oberflächen zu erzeugen. Der Struktur werden dann expandierender Sprühschaum und Beton hinzugefügt, sowohl für die Festigkeit als auch zur Bildung einer Wetterbarriere. Abschließend werden Elemente wie Verglasung und Innenausbau hinzugefügt.

Curve Appeal

Curve Appeal

Nachdem Mitte 2016 mit der Planung begonnen wird, startet der 3D-Druck des 240 m2 großen Bauwerks im Jahr 2017. Das Haus, das als das „weltweit erste Freiform-3D-gedruckte Haus“ bezeichnet wird, ist eine Art Puzzle aus insgesamt 130 seltsam geformten Teilen mit einer Länge von 2,4 m bis 8,2 m, deren Druck Stunden bis Tage dauerte. 2018 schätzt die Firma, daß die Produktionskosten für den Druck zwischen 300.000 und 400.000 $ betragen werden, ohne den letzten Schliff. Fertiggestellt und eröffnet wird das Curve Appeal im Jahr 2020.

Zu den weiteren Designs von Branch Technology gehört ein 6 m hoher und 12 m breiter Pavillon, der im Juli 2018 für Nashvilles neues technologieorientiertes Viertel OneC1TY geschaffen wurde und als „die größte 3D-gedruckte Struktur der Welt“ bezeichnet wird, sowie der Entwurf eines Gebäudes der Tennessee Valley Federal Credit Union (TVFCU) in Chattanooga, das ebenfalls bis 2020 realisiert werden soll. Außerdem nutzt die Firma ihre Technologie, um für das Chicagoer Field Museum of Natural History 3D-gedruckte hängende Garten-Installation zu schaffen, die Nature Clouds genannt werden.

Im Dezember 2020 erhält das Unternehmen in einer von EquipmentShare geleiteten Finanzierungsrunde 11 Mio. $ für die Weiterentwicklung ihres Cellular Fabrication-3D-Konstruktionsdrucksystems (C-Fab). Die patentierte, firmeneigene Methode eignet sich für den 3D-Druck von Polymergitterstrukturen, die im Anschluß mit Isolierung und Beton besprüht werden. Dabei entstehen extrem leichte und strukturell stabile Fertigkomponenten.

Die Freiformfunktion von C-Fab, bei der sich das Material im offenen Raum verfestigen läßt und eine Polymermatrix in praktisch jeder gewünschten Form entsteht, ermöglicht zudem volumetrische Geometrien mit 20-mal weniger Material als herkömmliche Schichtabscheidungstechniken.

Anfang 2021 wird das C-Fab-Druckverfahren zur Fassadenherstellung der neuen TVFCU-Filiale eingesetzt, wofür Branch Technology ein Design entwirft, das das Wellenbranding des Unternehmens mit einbezieht. Ebenso erhält das Center of Engineering, Technology, Art and Science (CETAS) am Chattanooga State Community College neue Außenwandpaneele, die mit dem C-Fab-System hergestellt werden und eine ganz eigene Attraktivität ausstrahlen.

BADGER-Konzept Grafik

BADGER-Konzept
(Grafik)


Im Januar  2017 startet ein sehr interessantes Forschungsprojekt, bei dem es um die Schaffung eines autonom arbeitenden Tunnelbauroboters geht, der als Beton-3D-Drucker auch gleichzeitig die Tunnelwände produziert. Der Name BADGER ist ein Apronym für ‚roBot for Autonomous unDerGround trenchless opERations, mapping and navigation‘ – was bedeutet, er soll Tunnel völlig autonom erstellen, den Untergrund kartieren und dabei von selbst navigieren – und zugleich das englische Wort für Dachs.

Baufirmen nutzen bereits eine Reihe von Maschinen für Tunnelgrabungen zur Verlegung von Rohren, Schläuchen und Kabeln, aber diese stoßen an ihre Grenzen, wenn es um die Bohrung von Kurven und Windungen geht. Konventionelle Tunnelbohrer sind dafür ausgelegt, in einer geraden Linie zu graben, außerdem sind diese Maschinen teuer in der Verwendung, weshalb die Firmen einfach einen Graben buddeln, die Rohre etc. verlegen und dann alles wieder zuschütten.

Der Roboter soll all diese Probleme von alleine lösen. Neben dem Dreh- und Schlagbohrkopf gibt es ein innovatives Ultraschall-Bohrwerkzeug zum Zermahlen des Materials, das über ein Rohr nach hinten ausgetragen wird. Die Besonderheit kommt dann mit dem 3D-Druck: Nachdem der Tunnel einmal gegraben ist, werden im hinteren Bereich des Roboters automatisch die Wände zur Abstützung gedruckt.

An dem Projekt arbeiten sieben Europäische Universitäten sowie verschiedene Forschungs- und Entwicklungszentren unter der Leitung von Prof. Carlos Balaguer von der Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). Die EU finanziert die Arbeiten im Rahmen des Programms Horizont 2020 für drei Jahre mit 3,7 Mio. €.

Die ersten Feldversuche finden im Oktober 2019 im Tracto-Technik Technologiezentrum in Lennenstadt in Nordrhein-Westfalens statt – sowie in den ersten Monaten des Jahres 2020 im Wissenschaftspark in der Madrider Vorstadt Leganés. Das Untertage-Robotersystem wird dabei unter verschiedenen Klima- und Bodenbedingungen getestet.


Berichten vom März 2017 zufolge forscht  die Technische Universität Dresden im Rahmen des Projektes CONPrint3D zusammen mit Baufirmen und Industrieunternehmen aus der Bauchemie an der perfekten Materialzusammensetzung von Beton für den 3D-Druck. Unter Projektleitung von  Prof. Viktor Mechtcherine befindet sich auch ein passender Druckkopf in der Entwicklung. Das Forschungsprojekt wurde bereits mit dem bauma Innovationspreis 2016 ausgezeichnet.

Fluid Morphology Detail

Fluid Morphology
(Detail)


Im Juni wird über die Herstellung einer lichtdurchlässigen und multifunktionalen Fassade berichtet, die ein Architektenteam der Technischen Universität München (TUM) unter der Leitung von Moritz Mungenast per 3D-Drucker durchgeführt hat und nun auf dem Kongreß des Zukunftsrates der Vereinigung der Bayerischen Wirtschaft ausstellt. Möglich wird die Herstellung mittels einer innovativen Technologie namens Fluid Morphology.

ie einzelnen Bauteile aus Kunststoff haben eine Breite von 60 cm und sind 1 m hoch. Die Oberfläche ist gewellt, wobei die Wellen so angeordnet werden können, daß im Sommer die Fassade vor Hitze geschützt und in der Winterzeit möglichst viel Licht durchgelassen wird. Wölbungen im Material dienen der Schattenbildung, und für eine optimale natürliche Belüftung sorgen eingelagerte dünne Röhren.

Für einem Langzeittest unter realen Bedingungen, um zu ermitteln, wie gut die Fassadenelemente Wind, Regen und Schnee aushalten, und wie hoch die Lichtdurchlässigkeit und wie effizient die Dämmung ist, wird ein 1,6 x 2,8 m großes Fassadenelement für ein Jahr auf der Solarstation installiert, einem Versuchsstand auf dem Dach des Hauptgebäudes der TU München. Anschließend wird ein weiterer Prototyp aus Polycarbonat gefertigt. Die Forscher werden dabei von dem 3D-Drucker-Hersteller Delta Tower und dem Shop Picco’s 3D World unterstützt.

Aus diesem Projekt geht 2018 das Münchener Start-Up 3F Studio hervor, das die 750 m2 große provisorische Fassade des Deutschen Museums München entwirft, die im Zuge einer Generalsanierung installiert werden soll, wie das Museum im Januar 2019 mitteilt.

Demnach wird der temporäre Haupteingang am Isarufer mit der weltweit ersten 3D-gedruckten Fassade aus dem wiederverwendbaren und lichtdurchlässigen Kunststoff PETG umhüllt, die 4,5 Jahre stehen bleiben soll. Bis es so weit ist und gedruckt wird, muß das Projekt allerdings noch genehmigt und Sponsoren gefunden werden.

Ein anderes Forscherteam der TUM experimentiert derweil mit verschiedenen Verfahren, um enorm belastbare Betonteile herzustellen, darunter das selektive Binden, dessen Entwicklung drei Jahre gekostet hat. Dank dieser Technik können sie mit einem 3D-Drucker erstmals filigrane und bionische  Strukturen aus Beton herstellen. Hierbei werden dünne Sandschichten Lage für Lage genau an den Punkten, wo eine massive Struktur entstehen soll, mit einem Zement-Wasser-Gemisch getränkt. Wenn alle Schichten abgebunden und der überschüssige Sand entfernt ist, bleibt einzig die gewünschte Betonstruktur übrig.

Der Prototyp eines bionischen Bauteils aus dem 3D-Drucker ist z.B. eine 20 cm hohe, dünnwandige Betonröhre, die im Innenbereich filigrane Verstrebungen aufweist, die für eine Stabilisierung des Objekts sorgen. Das Vorbild für den Entwurf sind Vogelknochen, die sehr dünn und leicht, doch zugleich äußerst stabil sind. Das gedruckte Material erweist sich als ebenso stabil wie klassisch gegossener Beton.

Zudem arbeiten die Forscher zusammen mit Industriepartnern an einem völlig neuartigen 3D-Drucker, dessen Druckkopf mit mehreren tausend Düsen ausgestattet ist. Dieser Drucker soll in der Lage sein, Bauteile von 10 m3 Größe herzustellen, was ausreicht, um freigeformte, geschoßhohe Bauteile zu fertigen. Im Jahr 2018 sollen die ersten Probeläufe durchgeführt werden.

Außerdem wird von den Wissenschaftlern eine neue Extrusions-Anlage gebaut, die speziell für einem neuen Holz-Leichtbeton gedacht ist, der ebenfalls an der TUM entwickelt wird. Die Zugabe von Holzspänen, die einen hohen Luftanteil haben, sorgt für eine integrierte Wärmedämmung, die ein Gebäude im Winter vor dem Auskühlen und im Sommer vor einem Aufheizen schützt. Das Forscherteam stellt einen 1,5 m breiten und 1 m hohen Prototypen aus dem Holz-Leichtbeton her, der die gleiche Belastbarkeit und Wärmedämmung aufweist wie traditioneller Gas-Beton. Der Holz-Leichtbeon kann leicht bearbeitet werden und läßt sich sägen, bohren und fräsen.


Im August 2017 stellen die Blogs den BauMinator der österreichischen Firma Baumit GmbH aus Waldegg an der Piesting vor, an dem die Mitarbeiter gemeinsam mit dem Projektpartner ABB drei Jahre lang gearbeitet hatten. Die Maschine wiegt rund 500 kg und besteht aus einem Roboterarm mit einer speziellen Druckdüse und einer Mörtelpumpe.

Das Drucksystem vereint das 3D-Druck-Verfahren mit einem Spezialmörtel, mit dem hochkomplexe Bauteile, Objekte und Formen zwischen 50 cm und 5 m Größe aus Beton einfach und kostengünstig gedruckt werden können. Zum ersten Mal live präsentiert wird das 3D-Drucksystem im Oktober in Wien, über praktische Einsätze im Architekturbereich ist bislang aber nichts berichtet worden.


Im September 2017 veröffentlichen Studenten der Fakultät für Architektur an der University of Hong Kong (HKU) ein YouTube-Video, in welchem sie die Errichtung des „weltweit ersten Pavillons aus 3D-gedruckten Terrakotta-Ziegeln“ dokumentieren. Der Turm mit einer Grundfläche von 2,5 m2 wird über einen Zeitraum von drei Wochen während eines Workshops gebaut. Für den Druck wird ein Industrieroboter verwendet. Der Pavillon ist das erste Ergebnis einer neuen Zusammenarbeit zwischen der Fakultät und der Sino Group.

Die 3,8 m hohe Struktur trägt den Namen Ceramic Constellation Pavilion und besteht aus fast 2.000 Ziegeln, die alles Einzelstücke sind, um Luftzirkulation, unterschiedliche Transparenzgrade, morphologische Verschiebungen und neue Erfahrungen zu ermöglichen. Für die Herstellung werden rund 700 kg Terrakotta-Ton benötigt, wobei die Druckzeit des einzelnen Ziegels jeweils 2 – 3 Minuten beträgt, bevor er bei 1.025°C gebrannt wird. Anstatt mit herkömmlichem Mörtel zusammengehalten zu werden, verwendet die Struktur ein Holzgerüst, um die Ziegel zu halten.

Das Projekt wird anfänglich im North Atrium der Olympian City, West Kowloon, gezeigt und findet schließlich sein neues Zuhause auf dem Campus der Universität von Hongkong.


Im gleichen Monat berichten Wissenschaftler der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur um Ming Jen Tan, daß sie den Kohle-Rückstand Flugasche nutzen, um daraus einen 3D-druckbaren Geopolymer-Mörtel herzustellen, der zudem Stahlschlacke und weitere Chemikalien enthält. Das Rückstand der Kohle entsteht überall dort, wo diese verbrannt wird, um Strom und Wärme zu erzeugen, und muß durch Entstauber aus den Rauchgasen abgeschieden werden.

Im Laufe der etwa zwei Jahre andauernden Forschung gelingt es den Forschern, einen Mörtel herzustellen, welcher zur 3D-Fertigung großer fester Strukturen wie Gebäude eingesetzt werden kann. Um das Material genauso stark zu machen wie Stahlbeton, gleichzeitig aber auch die Kosten zu reduzieren, wird die Studie fortgesetzt.

Im Oktober 2018 folgt die Meldung, daß ein weiteres Forscherteam der NTU ein Verfahren entwickelt hat, mit der zwei Roboter gleichzeitig und aufeinander abgestimmt eine Betonstruktur im 3D-Druck aufbauen können.

3D-Brücke in Gemert

3D-Brücke in Gemert


In der niederländischen Kleinstadt Gemert wird im Oktober 2017 die „weltweit erste Brücke aus dem 3D-Drucker“ eröffnet, die sich über einen Wassergraben erstreckt und vor allem für Radfahrer gedacht ist. Gefertigt werden die einzelnen Beton-3D-Elemente der Brücke an der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) – gemäß des Entwurfs des Ingenieurbüros Witteveen + Bos und in Kooperation mit der Baufirma BAM Infrastructure (Royal BAM Group), die das Projekt leitet.

Die Brücke ist 8 m lang, 3,5 m breit und wurde mit einer Belastung von zwei Tonnen getestet (andere Quellen: fünf Tonnen), kann laut der BAM aber das Gewicht von 40 Lastwagen tragen. Der Universität zufolge soll sie mehr als 30 Jahre lang halten. Der Druck der 800 Schichten der Brücke dauert nach dem Start im Juni rund drei Monate und besteht aus bewehrtem Spannbeton. Die Schichtdicke des Betons liegt bei einem Zentimeter. Ein besonderer Vorteil des 3D-Druckverfahrens für den Bau ist, daß hierbei deutlich weniger Beton benötigt wird als bei den herkömmlichen Verfahren.

Die Gemert-Brücke wird mit einem speziellen Verfahren gebaut, das ein Forscherteam um Prof. Teho Salet entwickelt hat. Diese Technik, bei der die Betonschichten beim Formen der Betonblöcke mit Stahlseilen verstärkt werden, sorgt dafür, daß der Beton der Brücke ‚vorgespannt‘ wird, um die im Betonbau häufig auftretenden Zugspannungen zu vermeiden.

Laut einer Meldung vom Februar 2018 entwickelt ein Team um Prof. Akke Suiker an der TU/e zudem ein mathematisches Modell zur Optimierung des 3D-Drucks von Bauwerken aus Beton. Damit können Ingenieure die optimalen Abmessungen und Druckgeschwindigkeiten festlegen, bei denen gedruckte Wände mit so geringen Materialeinsatz wie möglich noch stabil bleiben.

MAXI PRINTER

MAXI PRINTER


Im November 2017 wird erstmals ausführlich über das junge französische Start-Up Constructions-3D aus Valenciennes berichtet, einem Kooperationsprojekt zwischen dem 3D-Drucker-Anbieter Machines-3D und dem belgischen Architekten Gaël Collaro. Ziel dies Projekts ist es, aus recycelbaren Materialien, die lokal bezogen werden, individuell gestaltbare Häuser zu bauen.

Nach dreijähriger Entwicklungszeit startet Constructions-3D die Vermarktung eines selbst entwickelten mobilen Druckers mit einem fast 10 m langen Arm, der aussieht wie eine riesige Spinne. Der ferngesteuerte Beton-3D-Drucker namens MAXI PRINTER, der 400.000 € kostet (später: 495.000 €), kann Häuser und komplexe Strukturen errichten. Während des Drucks steht er in der Mitte des zu errichtenden Gebäudes, und wenn die Arbeit erledigt ist, klappt er sich zusammen und rollt durch die Tür heraus. Nach dem Zusammenklappen paßt das Gerät in einen 20-Fuß-Container.

Daneben wird auch noch ein Mini-3D-Betondrucker für 70.000 € angeboten, der sowohl für die Produktion als auch für die Forschung bestimmt ist.

Obwohl sich der 2,4 Tonnen schwere MAXI PRINTER, dessen Bauvolumen mit 12 × 12 × 7 m angegeben wird, noch in der Experimentierphase befindet, wird das Construction 3D-Team im folgenden Monat ein erstes Projekt in Angriff nehmen, um ihr Know-how unter Beweis zu stellen, eine 3 m hohe Bushaltestelle, entworfen von Collaro. Zudem will die Firma Ende 2018 die Empfangshalle ihres neuen Gebäudes in Bruay-sur-l’Escaut, einem Vorort von Valenciennes, drucken.

Tatsächlich wird aber erst im Oktober 2019 über die Premiere berichtet, bei welcher der Drucker die Mörtelrollen formt, die die Wände des zukünftigen Messepavillons des Unternehmens bilden. Der Drucker benötigt insgesamt 28 Stunden, um die vier geschwungenen Wände von je sieben Tonnen (2,50 m Höhe und 5 m Breite) zu errichten, aus denen das Gebäude besteht. Es ist das erste Gebäude der künftigen Construction-3D-Zentrale, die innerhalb von zwei Jahren ausgedruckt werden und 2.500 m2 Büros umfassen soll.

Fertig wird der 54 m2 große Le pavillon im September 2020. Die Wände bestehen aus Materialien auf der Basis von Leinen und Kalk. Die Innendämmung der Wände besteht aus Leinenstroh.

ARCS

ARCS


Ebenfalls im Jahr 2017 startet die Firma S-Squared 3D Printers Inc. mit Sitz in Long Island, New York, die seit ihrer Gründung 2014 verschiedene 3D-Drucker für Bastler, Bibliotheken und MINT-Programme herstellt, eine neue Abteilung namens S-Squared 4D Commercial (SQ4D), um mit dem selbst entwickelten, patentierten Autonomous Robotic Construction System (ARCS) Häuser, Geschäftsgebäude und sogar Brücken vor Ort zu bauen – und dies bis zu 70 % schneller und billiger als bei herkömmlichen Konstruktionen.

SQ3D entwickelt zudem eine eigene Zementmischung – ebenso wie eine eigene Slicing-Software, mit der ein 3D-Modell in druckbaren Werkzeugwegcode umgewandelt wird.

ARCS ist ein umweltfreundlicher Betondrucker von 6 x12 m Größe, der ein 134 m2-Haus in 36 Stunden bauen kann. Die aktuelle Iteration der ARC-Maschine, die über eine Schnecke verfügt, um mehr kundenspezifische Designs zu ermöglichen, verwendet Fasergewebe anstelle von Bewehrungsstäben, was bedeutet, daß niemand vor Ort sein muß, um Materialien zu den maschinell verlegten Betonwänden hinzuzufügen. Der „weltweit größte Drucker“ wird Ende 2018 erstmals öffentlich vorgestellt.

Um seine Funktionalität zu demonstrieren, druckt die S-Squared an ihrem Hauptsitz bis Mitte 2019 ein 46 m2 großes Demonstrationshaus. Die Struktur als ein ‚Zuhause‘ zu bezeichnen, wäre allerdings ein wenig übertrieben, da dort niemand wirklich leben wird.

S-Squared Haus in Calverton

S-Squared Haus
in Calverton

Tatsächlich baut die Firma das Gebäude umgehend wieder ab, da es nur ein Testfall war, um zu sehen, wie gut sich die Schichten stapeln und die Struktur zusammenhalten würde.

Im Januar 2020 folgt in Calverton die Errichtung des „weltweit größten zugelassenen 3D-gedruckten Hauses“, das vollständig vor Ort gedruckt wird. Die Druckzeit des 176 m2 großen Hauses mit drei Schlafzimmern und zwei Bädern beträgt nur 48 Stunden, über einen Zeitraum von acht Tagen. Die reinen Materialkosten des Drucks betragen weniger als 6.000 $.

Im Februar 2021 wird das inzwischen fertiggestellte und komplett ausgestattete Haus zum Verkauf angeboten – für 299.999 $. Die SQ4D bietet eine beschränkte Garantie von 50 Jahren auf die Struktur.

 

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