„Die Zukunft bauen: Das Potenzial des 3D-Drucks im Bauwesen erkunden“
Die Herstellung von dreidimensionalen, festen Produkten aus einer computergestützten digitalen Datei wird als 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, bezeichnet.
Anfangs bezog sich der Begriff „3D-Druck“ auf das Verfahren, bei dem mit Tintenstrahldruckköpfen Schichten eines Bindematerials auf ein Pulverbett aufgetragen werden. Die Definition umfasst jedoch mittlerweile ein breiteres Spektrum an additiven Fertigungsverfahren, darunter selektives Laserschmelzen und Elektronenstrahl-basierte additive Fertigung.
Bereits in den 1980er Jahren entwickelte der japanische Erfinder Hideo Kodama zwei additive Techniken zur Herstellung von dreidimensionalen Kunststoffmodellen, die die Idee der additiven Fertigung hervorbrachten. Er schuf 3D-gedruckte Strukturen aus einem photo-härtenden Duroplast.
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Was sind 3D-Drucker?
Einfach ausgedrückt verwenden 3D-Drucker CAD (Computer Aided Design), das von 3D-Technologie angetrieben wird, um 3D-Objekte aus einer Vielzahl von Materialien herzustellen, darunter geschmolzener Kunststoff, Pulver und Beton. Ein 3D-gedrucktes Haus kann mit einer Vielzahl von 3D-Druckern erstellt werden, die in Größe und Design von kleinen Gebäudemodellen, die auf eine Tischplatte passen, reichen. 3D-Drucker gibt es in drei Grundkategorien, und sie alle funktionieren etwas anders.
Arten von 3D-Druckern
· Stereolithografische Drucker (SLA-Drucker) – 3D-Drucker, die Stereolithografie (SLA)-Technologie verwenden, können flüssiges Harz in Kunststoff verwandeln.
· Selektives Lasersintern (SLS-Drucker) – SLS-Drucker (selektives Lasersintern): Diese Drucker sintern Polymerpulverpartikel mithilfe eines Lasers zu festen Strukturen.
· Schmelzschichtmodellierung (FDM-Drucker) – Diese Drucker erstellen Schichtobjekte, indem sie geschmolzene thermoplastische Filamente durch eine beheizte Düse freisetzen. Der 3D-Bauansatz ist der, bei dem diese Drucker am häufigsten eingesetzt werden.
Wie lässt sich der 3D-Druck auf die Baubranche anwenden?
Seit den 1980er Jahren wurden verschiedene Fragen zur 3D-Drucktechnologie aufgeworfen. Der Fortschritt der Methode selbst, die den Bau von dreidimensionalen Objekten durch Übereinanderlegen aufeinanderfolgender Materialschichten ermöglicht, hat ihr jedoch eine größere Bedeutung verliehen. Diese Baumethode ist sehr anpassungsfähig und kann zum Bau spezifischer Projektelemente sowie einer Vielzahl komplexer Strukturen in ihrer Gesamtheit verwendet werden, darunter Häuser oder Wohnräume, Büros, Brücken, Mauern, modulare Strukturen, Verstärkungsformen, Säulen, Stadtmobiliar und sogar dekorative Elemente.
Ein wesentlicher Teil des Wissens, das zur Implementierung dieser Technologie im Bauwesen erforderlich ist, stammt aus der Entwurfsphase. Die Integration der 3D-Drucktechnologie ist weniger schwierig, da die Branche bereits über Fachwissen in der computergestützten Fertigung verfügt und BIM (Building Information Modeling) im Baugewerbe floriert. Ein 3D-Drucker bezieht die notwendigen Informationen aus einem CAD- oder BIM-Programm, und die Maschinen beginnen, Materialebenen gemäß den Signalen zu überlagern. Dies kann mit einer Vielzahl von Materialien erfolgen, von denen die beliebteste eine Mischung aus Sand, Fasern, Geopolymeren und Beton ist.
Laut einer Umfrage von Research and Markets hat sich der 3D-Druck in den letzten zehn Jahren so positiv entwickelt, dass sein Marktwert in der Bauindustrie bis 2028 voraussichtlich bis zu 1.034.096,7 Tausend USD erreichen wird. Dies erhöht die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 2021 bis 2028 um 91,5 %.
3D-Druck im Bauwesen weltweit
Bauwesen und eine bessere Infrastruktur werden immer stärker nachgefragt, insbesondere in Großstädten. Verglichen mit 1800, als nur 3 % der Bevölkerung in Städten lebten, lebten bis 1900 15 % mehr Menschen in Städten. Bis 2050 prognostiziert das Weltwirtschaftsforum, dass zwei Drittel der Weltbevölkerung in Großstädten leben werden, gegenüber dem derzeitigen Anteil von 55 %.
Zahlreiche Regierungsinitiativen, die den Einsatz des 3D-Drucks unterstützen, werden derzeit weltweit aufgebaut. Dubai, wo bis 2030 25 % der Gebäude mit 3D-Drucktechnologie erstellt werden müssen, ist eine der Städte, die in diesem Rennen die Führung übernehmen möchte.
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Verfügbare Technologien für den 3D-Druck im Bauwesen
Robotische Armextruder
Robotische Armextruder sind beliebt unter den 3D-Drucktechnologien, die derzeit auf dem Markt sind. Diese Technik wird als Contour Crafting bezeichnet. Sie funktioniert ähnlich wie ein Desktop-FDM-3D-Drucker. Die Schienen sind in einem Muster angeordnet, das es dem Roboterarm ermöglicht, sich Schicht für Schicht durch sie hindurchzubewegen, während er Beton extrudiert, der aus der Düse kommt. Diese Methode des 3D-Drucks von XL-Gebäuden ist die beliebteste.
3D-Druck mit Sand
Die industriellen 3D-Druckverfahren wie SLS (Selective Laser Sintering) und Jet Fusion sind vergleichbar mit dem hier erläuterten 3D-Verfahren. Der italienische Architekt Enrico Dini war der Erste, der es mit seinem D-Shape 3D-Drucker testete. Bevor die Form des Bauwerks mit einem Bindemittel zementiert wird, beschichtet die Maschine die Oberfläche mit Sandpulver. Dies ist vergleichbar mit der Funktionsweise eines Metall-3D-Druckers.
Metalltechnologie
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) wurde von dem niederländischen Startup MX3D für stärker beanspruchte Strukturen wie Brücken entwickelt. Ein Industrieroboter und eine Schweißmaschine wurden von dem Unternehmen kombiniert, und das Ergebnis war ein 3D-Drucker, der mit einer Software betrieben wurde, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Der Roboter hat eine 6-Achsen-Konfiguration für den 3D-Druck von Metallstrukturen.
Vorteile des 3D-Drucks für das Bauen
· Erhöhte Designflexibilität – Die Erstellung komplexer Designs ist eine große architektonische Herausforderung, die der 3D-Druck lösen kann. Computerprogramme, die so programmiert werden können, dass sie komplexe und schwierige Designs ausführen, werden von Bau-3D-Druckern verwendet.
· Anpassung an BIM – BIM Durch den Einsatz von 3D-Technologie hat die Gebäudeinformationsmodellierung das Gebäudedesign verändert. Sie zeigt Bilder von riesigen Gebäuden und Strukturen, bevor sie tatsächlich gebaut werden. Dieser Durchbruch kann durch den Bau-3D-Druck vorangetrieben werden, indem er mit BIM integriert wird und komplexe Designs mit nahezu perfekter Genauigkeit ausführt.
· Reduzierung menschlicher Fehler – Die Grundlage des 3D-Drucks ist der vorprogrammierte automatisierte Betrieb ohne menschlichen Einfluss. Dies eliminiert im Wesentlichen Fehler, die von Menschen verursacht werden. Darüber hinaus benötigen 3D-Drucker nicht viel menschliche Aufsicht.
· Hilfe für den Bau von umweltfreundlichen Gebäuden – Die beliebteste Art des Bauens verlagert sich schnell in Richtung umweltfreundlich. Bauunternehmen haben als Folge des wachsenden Bewusstseins für den Klimawandel begonnen, umweltfreundliche Baumethoden anzuwenden. Durch die Verwendung von verworfenen und wiederverwendeten Baumaterialien zur Herstellung von 3D-gedruckten Strukturen können 3D-Drucker eine wichtige Rolle bei diesem Unterfangen spielen.
Nachteile von 3D-gedruckten Konstruktionen
· Hoher Stromverbrauch – 3D-Drucker verbrauchen mehr Strom als jede andere traditionelle Bautechnik. Neben den Umweltkosten der Stromerzeugung mit einer so hohen Kapazität ist es teuer, einen so großen Strombedarf zu decken.
· 3D-Drucker sind teuer – Der Einsatz des 3D-Drucks ist derzeit wirtschaftlich nicht rentabel, da sich die Technologie noch in den Kinderschuhen befindet. Die anfängliche Investition, die erforderlich ist, um eine 3D-Druckanlage für den Bau von Strukturen einzurichten, ist erheblich, und in ihrer derzeitigen Konfiguration ist sie zu teuer, um sie im primären Bausektor zu implementieren.
· Materialknappheit – Normale Baumaterialien können nicht mit 3D-Druckern verwendet werden. Für einen 3D-Drucker werden spezielle Materialien benötigt, die noch nicht weit verbreitet sind. Aufgrund der erheblichen Kostensteigerung des Materials aufgrund von Knappheit und des teuren Druckers ist es nicht möglich, es für den großflächigen Bau einzusetzen.
Marktgröße für den 3D-Druck im Bauwesen
1. 3D-gedrucktes Einfamilienhaus in Moskau
Ein 3D-gedrucktes Haus wurde in Moskau von dem amerikanischen Technologieunternehmen Apis Cor gebaut. Das Haus ist das erste seiner Art, das Automatisierung im Hausbau einsetzt, und ist identisch mit jeder anderen Betonkonstruktion. Die Gesamtkosten des Baus betrugen weniger als 10.000 US-Dollar.
2. Das größte 3D-gedruckte Gebäude der Welt in Dubai
In letzter Zeit gab es neue technologische Fortschritte im Nahen Osten, insbesondere in den VAE. Das Guinness-Buch der Rekorde hat bereits die Behauptung des Emirates Tower Complex bestätigt, dass es sich um das größte 3D-gedruckte Gebäude der Welt handelt, was diesen Trend im 3D-Druck fortsetzt. Das zweistöckige Gebäude, das von Apis Cor gebaut wurde, hat eine Fläche von 640 m2 und eine Höhe von 9,5 m.
3. 3D-gedruckte Häuser in Nordamerika und der Karibik
Weltweite Gemeinschaften und gemeinnützige Organisationen setzen die 3D-Betondrucktechnologie ein, um die Krise des bezahlbaren Wohnraums zu lösen. So baute beispielsweise New Story, eine gemeinnützige Organisation, in rekordverdächtigen 24 Stunden Mexikos erstes 3D-gedrucktes Haus. Seitdem hat das Unternehmen Stadtteile mit 2.000 Häusern gebaut, die alle mit der 3D-Druckbautechnik errichtet wurden.
Die Zukunft
Eine wachsende Anzahl von Projekten auf der ganzen Welt zeigt, dass der 3D-Druck von Strukturen das Potenzial hat, eine revolutionäre, branchenverändernde Technologie zu sein, die mehrere Probleme angehen wird, die den Bausektor derzeit plagen. Das Ambitionsniveau ist enorm; so sollen beispielsweise bis 2030 25 % der neuen Strukturen in Dubai 3D-gedruckt sein. Um es milde auszudrücken, hat der Einsatz des 3D-Drucks im Bausektor eine vielversprechende Zukunft.
Fazit
Die Baubranche ist bereit für Innovationen, obwohl der 3D-Druck noch viele seit langem bestehende Probleme hat. Traditionelle Baumethoden können ineffizient, kostspielig, zeitaufwändig und umweltschädlich sein. Dank der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des 3D-Drucks haben Bauingenieure zahlreiche Möglichkeiten, diese Herausforderungen anzugehen und es möglicherweise einfacher und erschwinglicher zu machen, bewohnbare Strukturen zu entwerfen und zu bauen.
Autor: Sonu Kumar Sah
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