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2021 | OriginalPaper | Chapter

3. Additive Fertigungsverfahren im Bauwesen

Author : Martin Krause

Published in: Baubetriebliche Optimierung des vollwandigen Beton-3D-Drucks

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Aktuell gibt es verschiedenste Ansätze, additive Technologien für die Anwendung im Bauwesen zu entwickeln. In der Literatur wird häufig die Bezeichnung „digitales Bauen“ oder „Digital Fabrication“ im Zusammenhang mit der additiven Fertigung verwendet. Diese Bezeichnung ist weitreichender und schließt einige Entwicklungen, die sich im Zuge der Digitalisierung und Automatisierung im Bauwesen ergeben, mit ein.

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Footnotes
1
Weiterführende Informationen siehe fbr 2019.
 
2
Z. B. das Projekt “3D Print Canal House”, weiterführend 3dprintcanalhouse 2019.
 
3
Nähere Informationen sind z. B. 3d-grenzenlos (2019b) zu entnehmen. Das Verfahren wurde auch zur Erzeugung einer Schiffsschraube durch das Unternehmen RAMLAB verwendet. Weiterführende Informationen unter ramlab 2019.
 
4
Bilder der „Quake Column“ sind z. B. emergingobjects 2016b zu entnehmen.
 
5
Bilder der „Seed Stich“ sind z. B. 3ders 2018 zu entnehmen.
 
6
Schach et al. 2017, S. 356.
 
7
Otto und Krause, S. 573.
 
8
Schmitt 2001, S. 36.
 
9
Nerella et al. 2016, S. 238.
 
10
3ders 2014.
 
11
Schober K.-S. et al. 2016, S. 11.
 
12
Vergleiche Otto et al. 2020; Schach et al. 2017, S. 362; Kunze et al. 2017, S. 69.
 
13
Genauere Informationen sind Otto et al. 2020 zu entnehmen.
 
14
Otto et al. 2020, mit freundlicher Genehmigung von © John Wiley and Sons.
 
15
Haghsheno et al. 2016, S. 141.
 
16
Die Arbeitsproduktivität bezeichnet betriebswirtschaftlich den Quotienten aus dem Output und dem Input. Häufig werden branchenspezifische Vergleiche anhand des Quotienten aus dem realem Bruttoinlandsprodukt und der Anzahl der Erwerbstätigen gezogen.
 
17
Fromm 2014, S. 28.
 
18
Labonnote et al. 2016, S. 363.
 
19
Zeyn 2017, S. 18.
 
20
Weiterführend Herrmann 2015.
 
21
Lowke D. et al. 2015, S. 1.
 
22
Öffentlich gefördertes Forschungsprojekt der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ des Bundesministeriums für Bau, Stadt- und Raumforschung (BBSR), Titel: „CONPrint3D-Ultralight – Herstellung monolithischer, tragender Wandkonstruktionen mit sehr hoher Wärmedämmung durch schalungsfreie Formung von Schaumbeton“, Laufzeit 24 Monate: 06/2017 bis 05/2019, gefördert durch Mittel der Forschungsinitiative Zukunft Bau (BBSR), Aktenzeichen: SWD-10.08.18.7–17.07. Forschungsendbericht Mechtcherine et al. 2019a.
 
23
Mechtcherine et al. 2019b, S. 414.
 
24
Hier sind z. B. die Einführung der Baustellenverordnung im Jahr 1998 und weiterführend die Regeln zum Arbeitsschutz auf Baustellen (RAB) zu nennen.
 
25
DGUV 2018.
 
26
Bosscher et al. 2007, S. 54.
 
27
Mechtcherine et al. 2019b, S. 413.
 
28
Die Lehrlingsquote beschreibt den Anteil an Auszubildenden je 100 Baufacharbeiter.
 
29
bauindustrie 2018, S. 26.
 
30
In Anlehnung an: bauindustrie 2018, Grafik 22; Wert für 2018 aus bauindustrie 2019.
 
31
National Aeronautics and Space Administration, Hauptsitz in Washington D.C. (USA).
 
32
European Space Agency, Hauptsitz in Paris (FRA).
 
33
Oberflächengestein des Mondes, wird gemeinhin als Mondstaub bezeichnet.
 
34
Cesaretti et al. 2014, S. 433.
 
35
Gibney 2018, S. 474.
 
36
Weitere Informationen unter: dezeen 2012 oder designboom 2012.
 
37
Koshnevis 2004, S. 13.
 
38
Le et al. 2012b, S. 558.
 
39
Weiterführend wird auf Flatt et al. 2017 verwiesen. Bilder sind dfab 2019 zu entnehmen.
 
40
Weiterführende Informationen zum „Digital Building Fabrication Laboratory“ und den Braunschweiger Forschungsaktivitäten siehe z. B. dbfl 2019.
 
41
Die Entwicklungsarbeiten werden u. a. auch vom deutschen Unternehmen Aeditive GmbH forciert.
 
42
Leitzbach 2017, S. B 4–12, mit freundlicher Genehmigung von Dr.-Ing. Olaf Leitzbach.
 
43
Leitzbach 2017.
 
44
Der Bauraum des VX2000 beträgt (L · B · H =) 2,0 m · 1,0 m · 1,0 m. Mittlerweile führt die Voxeljet AG den Drucker VX4000 im Programm mit einem Bauraum von (L · B · H =) 4,0 m · 2,0 m · 1,0 m.
 
45
Weiterführend wird hier auf Teizer et al. verwiesen.
 
46
Das Batiprint3D-Verfahren wurde in einer Kooperation zwischen der Universität von Nantes, Bouygues Construction, Lafarge Holcim, der Organisation Nantes Métropole Habitat und TICA architectes & urbanistes entwickelt.
 
47
Weiterführend wird auf Keating et al. 2017 verwiesen.
 
48
Hack 2018, Abb. 3.20, S. 68 und Abb. 5.49 b, S. 215, mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Norman Hack.
 
49
Peters 2015, S. 12.
 
50
Bilder und weitere Informationen sind dezeen 2011 oder solariglooproject 2012 zu entnehmen.
 
51
oder auch „Nassdrucken“.
 
52
oder auch „Selektives Aktivieren“.
 
53
Weger et al. 2016, S. 9.
 
54
In Anlehnung an Henke, S. 4.
 
55
Pegna 1995, S. 40.
 
56
Der Druckkopf überfährt das Pulverbett leicht versetzt drei bis vier Mal, da der Abstand der Düsen 20 mm beträgt. Siehe dazu auch Henke 2016, S. 25.
 
57
Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Enrico Dini, Monolite UK.
 
58
d-shape 2019.
 
59
inhabitat 2017.
 
60
Bilder der Brücke sind z. B. aus madridiario.​es 2016 zu entnehmen.
 
61
Projekttitel: „Additive Fertigung frei geformter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen“.
 
62
Lowke D. et al. 2015, S. 4.
 
63
Schach et al. 2017, S. 359.
 
64
Im Gegensatz dazu wird in einigen Forschungsprojekten Lehm als nachhaltiger Grundbaustoff verwendet. Beispielsweise betreibt das Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) umfangreiche Forschungsarbeiten unter der Bezeichnung „FabClay“ oder dem Forschungsprojekt „TerraPerforma“.
 
65
Mechtcherine et al. 2014, S. 312.
 
66
Alfani und Guerrini 2005, S. 240.
 
67
In der Baustofftechnologie wird hierfür die Bezeichnung „Grünstandfestigkeit“ verwendet.
 
68
Nerella et al. 2016, S. 238.
 
69
Hydratation und / oder thixotropischer Mikrostrukturaufbau.
 
70
Kunze et al. 2017; Nerella et al. 2019, S. 558.
 
71
Mechtcherine und Nerella 2018a, S. 282–283.
 
72
In Anlehnung an Wangler et al. 2016, S. 72.
 
73
Mechtcherine 2018, S. 277.
 
74
Labonnote et al. 2016, S. 349–350.
 
75
Kunze et al. 2017, S. 66–72.
 
76
Beispiele sind hier: BAM Infra in Zusammenarbeit mit der TU Eindhoven oder BAM Deutschland AG Niederlassung Dresden mit der TU Dresden (CONPrint3D®).
 
77
Kooperieren aktuell mit HeidelbergCement und Putzmeister.
 
78
FuE-Tochtergesellschaft Doka Ventures ist mit 30 % an der Entwicklung eines mobilen Bauroboters nach dem Prinzip des Contour Craftings beteiligt.
 
79
Die in Abbildung 3.11 verwendeten Abkürzungen und Verfahrensnamen werden in den nachfolgenden Abschnitten erläutert.
 
80
Weiterführend kann hier auf die Marktanalyse aus Mechtcherine et al. 2019b, S. 413–414 verwiesen werden.
 
81
In Anlehnung an Schach et al. 2017, S. 358.
 
82
Weiterführend Mechtcherine und Nerella 2018a, S. 281.
 
83
Hwang und Khoshnevis 2004, S. 3.
 
84
Abmessungen ca. (L · B · H =) 150 cm · 15 cm · 60 cm.
 
85
Hwang und Khoshnevis 2005, S. 6, mit freundlicher Genehmigung von © Elesevier AG.
 
86
Weiterführend siehe Khoshnevis et al. 2006, S. 307.
 
87
Khoshnevis bezeichnet diese Weiterentwicklung als „Contour Crafting Construction“ (CCC).
 
88
Khoshnevis 2003, S. 62–64.
 
89
In den einschlägigen Videos ist erkennbar, dass Randstreifen und Aussteifung zwei separate Arbeitsvorgänge sind. Die Druckrichtung ist dabei identisch. Daher muss eine Leerfahrt zwischen den Vorgängen erfolgt sein. Es ist anzunehmen, dass eine Weiterentwicklung des CC den Druck in einem Arbeitsgang vorsieht.
 
90
Zhang und Khoshnevis 2013, S. 52–53, mit freundlicher Genehmigung von © Elesevier AG.
 
91
Genaue Aussagen zur Maßgenauigkeit werden in der Literatur nicht genannt.
 
92
Hier nicht einkalkuliert sind die Kostenreduzierungen, die sich durch den neuen Bauprozess, z. B. durch Verbesserungen im Bereich Sicherheit und Gesundheitsschutz auf Baustellen, ergeben.
 
93
Bosscher et al. 2007, S. 54.
 
94
Evers 2004, S. 124.
 
95
Khoshnevis et al. 2006, S. 331.
 
96
Sand, oberer Abschluss mit Wachs überzogen.
 
97
Zhang und Khoshnevis 2013, S. 57 und S. 66, mit freundlicher Genehmigung von © Elesevier AG.
 
98
Bilder zum beschriebenen Konzept sind z. B. in contourcrafting 2018 enthalten.
 
99
Khoshnevis 2003, S. 64.
 
100
Laut einer Pressemitteilung im Juni 2017 hat Doka Ventures 30 % der Firmenanteile von Contour Crafting Corporation übernommen. Im März 2018 erhielt Contour Crafting Corporation die Auszeichnung des US-Biz-Awards 2018 in der Kategorie „Spectacular“. Der sogenannte „Wirtschafts-Oskar“ wurde zeitgleich mit den Oskar-Prämierungen verliehen.
 
101
Früher: Shanghai Win Sun Dekoration Design Engineering Co.
 
102
Keating et al. 2017; Liang und Liang 2014, S. 7.
 
103
Im Mai 2016 wurde beispielsweise in Dubai ein von Winsun gedrucktes Bürogebäude mit einer Grundfläche von ca. 250 m2 eröffnet.
 
104
Dubai Future Foundation 2019.
 
105
Weiterführende Informationen unter specavia 2019.
 
106
Weiterführende Informationen unter icon 2019.
 
107
Weiterführende Informationen unter betabram 2019.
 
108
Mechtcherine und Nerella 2018a, S. 280.
 
109
Lim et al. 2011, S. 665, mit freundlicher Genehmigung von © Elsevier AG.
 
110
Bilder aus Lim et al. 2011, S. 667, und Lim et al. 2012, S. 265.
 
111
Nemathollahi et al., S. 3.
 
112
Lim et al. 2011, S. 667.
 
113
Bilder sind z. B. in totalkustom 2016 dargestellt.
 
114
Die neueste Entwicklung Rudenkos wird „Stroybot2“ genannt.
 
115
Hager et al. 2016, S. 295.
 
116
Institution: Unit Structural Design, Department of the Build Environment.
 
117
Bos et al. 2016, S. 213, mit freundlicher Genehmigung von © Taylor & Francis Ltd., www.​tandfonline.​com.
 
118
cobod 2019.
 
119
Gespräch mit Tilmann Auch, Development Engineer von COBOD, 08.04.2019, München, bauma 2019.
 
120
Bilder links und Mitte aus cobod 2019, mit freundlicher Genehmigung von Henrik Lund-Nielsen, Bild rechts: Krause, TU Dresden, 08.04.2019.
 
121
Weiterführende Informationen unter mudbots.​com 2019.
 
122
Weiterführende Informationen unter sq4d.​com 2019.
 
123
Knickarmroboter werden auch als Industrieroboter oder Universalroboter bezeichnet und warden branchenübergreifend in der stationären Industrie zur Umsetzung automatisierter Maschinenleistungen eingesetzt. Sie verfügen über eine serielle Anordnung mehrerer Achsen.
 
124
Grafik oben aus Gosselin et al. 2016, S. 104, mit freundlicher Genehmigung von © Elsevier; Bilder unten links und rechts aus xtreeE 2016, mit freundlicher Genehmigung von Romain Duballet, XtreeE, Fotografie von © Lisa Ricciotti.
 
125
cybe 2018.
 
126
Bilder sind 3dhousing05 2018 zu entnehmen.
 
127
Weiterführende Informationen unter equipmentjournal 2017 und constructions-3d 2019.
 
128
Amerikanisch-russisches Start-up-Unternehmen mit Firmensitzen in Moskau, Irkutsk und San Francisco.
 
129
Sakin und Kiroglu 2017 sowie aus Firmenvideo Apis Cor: youtube 2017.
 
130
welt 2017.
 
131
Aussagekräftige Bilder sind Apis Cor 2019 zu entnehmen.
 
132
Forschungsprojekt der IAAC, Barcelona. Der Fundament-Roboter erstellt die ersten Schichten. Die weiteren Schichten werden vom Grip-Roboter erzeugt, der an bereits gedruckten Schichten geführt wird. Abschließend glättet ein Vakuum-Roboter die Wandaußenseiten, um die erforderliche Endqualität zu erreichen.
 
133
iaac 2017.
 
134
Weiterführend wird hier auf Henke 2016 verwiesen. Die Entwicklungsarbeiten an der TU München werden in zwei Richtungen vorangetrieben. Einerseits wird die beschriebene Verfahrensweise mittels Extrusion untersucht, andererseits werden Verfahren selektiver Bindung fokussiert.
 
135
Weiterführende Informationen unter 3druck.​com 2019.
 
136
Bild: TUD-IfB, mit freundlicher Genehmigung von Dr.-Ing. Venkatesh Naidu Nerella.
 
137
Mechtcherine und Nerella 2018a, S. 279.
 
138
Teilweise sind Überstände an den Schichtenrändern von über 1,0 cm sichtbar. Die Ebenheit von Wänden ist in Deutschland bei einem vergleichbaren Messpunktabstand von 0,1 m auf 5,0 mm begrenzt (vergleiche Abschnitt 5.​2.​2).
 
139
Der Druckkopf und die vormontierte Mattenbewehrung werden z. B. in Mechtcherine und Nerella 2018a, S. 279 gezeigt.
 
140
3dwasp 2018.
 
141
Schach et al. 2017, S. 361.
 
142
Niederländisches Tochterunternehmen der Royal BAM Group.
 
143
Bilder sind z. B. in phys 2017 und itc 2017 dargestellt.
 
144
Weiterführend wird hier auf Hambach und Volkmer 2017 verwiesen.
 
145
Der Einbau könnte nach dem Druckvorgang mittels Anpressen und Laminieren erfolgen.
 
146
Mechtcherine und Nerella 2018b, S. 1–8.
 
147
Erste Untersuchungen zur Fertigung der Bewehrung mittels Gas-Metall-Lichtbogenschweißverfahren laufen aktuell an der TU Dresden seitens des Instituts für Baustoffe und des Instituts für Fertigungstechnik. Weiterführend Mechtcherine et al. 2018.
 
148
Mechtcherine und Nerella 2018b, S. 8.
 
149
Öffentlich gefördertes Forschungsprojekt der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ des Bundesministeriums für Bau, Stadt- und Raumforschung (BBSR). Titel: „Machbarkeitsuntersuchungen zu kontinuierlichen und schalungsfreien Bauverfahren durch 3D-Formung von Frischbeton“, Laufzeit 24 Monate: 10/2014 bis 09/2016, Aktenzeichen: SWD-10.08.18.7–14.07, Endbericht Kunze et al. 2017.
 
150
Die maschinellen Untersuchungen werden von der Stiftungsprofessur für Baumaschinen (TUD-BM) durchgeführt, die betontechnologischen Aspekte fokussiert das Institut für Baustoffe (TUD-IfB) und die wirtschaftlichen Aspekte untersucht das Institut für Baubetriebswesen. Das Team der TU Dresden erhielt für die Forschungsarbeiten im April 2016 den internationalen bauma-Innovationspreis in der Kategorie Forschung.
 
151
Bild: TUD-BM.
 
152
Schach et al. 2017, S. 359.
 
153
Gebäude (vor allem im Wohnungsbau) bis maximal 5-geschossig.
 
154
Z. B. Putzmeister M20-4.
 
155
Z. B. Putzmeister M63-5.
 
156
Weiterführend Kunze et al. 2017, S. 34 ff. und S. 69.
 
157
Vergleiche Kunze et al. 2017.
 
158
Vergleiche Abschnitt 3.2.4, Forschungsendbericht Mechtcherine et al. 2019a.
 
159
Öffentlich gefördertes Forschungsprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Titel: „digiCON2 – digital concrete construction“, Laufzeit 27 Monate: 01/2018 bis 03/2020, Förderkennzeichen: 01IS17100B.
 
160
Bild: TUD-BM.
 
161
Bild: TUD-IfB.
 
162
Weiterführend Mechtcherine et al. 2020.
 
163
Weiterführend Nerella 2019.
 
164
Die Modellierung erfolgte mit der BIM-Software Autodesk Revit.
 
165
Anlage 1 enthält den formellen Grundrissplan des digiCON2-Beispielgebäudes.
 
Metadata
Title
Additive Fertigungsverfahren im Bauwesen
Author
Martin Krause
Copyright Year
2021
Book
Baubetriebliche Optimierung des vollwandigen Beton-3D-Drucks

Print ISBN: 978-3-658-33416-1

Electronic ISBN: 978-3-658-33417-8

Copyright Year: 2021

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-33417-8_3