Extreme verbinden: Betonzusatzmittel für den 3D-Druck 

Eine neue Technologie bewegt die Baubranche: Der 3D-Druck, aufgrund des schichtweisen Aufbaus der Objekte auch additive Fertigung genannt, hat das Potenzial, das Bauen zu revolutionieren. Im Schalungsbau eröffnet der 3D-Druck schon heute bislang ungeahnte Möglichkeiten, mit dem Drucken von Beton wagen nun auch in Europa einige Vorreiter den Schritt in die Praxis. Mit langjähriger globaler Expertise und Erfahrung mit dem Baumaterial Beton sowie einem starken Engagement für Innovation trägt Master Builders Solutions® in enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden dazu bei, diese Entwicklung voranzutreiben.  

Die allgemeine Automatisierung beim Bauen schreitet voran, und die Vorteile liegen auf der Hand: Es ist schneller, günstiger, sicherer, qualitativ konsistenter und ressourcenschonender. Eine der Schlüsseltechnologien in diesem Bereich ist der 3D-Druck. So gesehen kann man die traditionellen Bautechniken auch schon als additive Fertigungsverfahren bezeichnen: Man befestigt Stein auf Stein oder gießt immer mehr Beton in eine Schalung, bis sie voll ist. Vielleicht erschient es auch deshalb nur logisch, dass die Baubranche nun beginnt, mit dem 3D-Druck die moderne Variante additiver Fertigung für sich zu entdecken. Damit reagiert sie zudem auf den Trend der zunehmenden Automatisierung als Reaktion auf steigende Lohnkosten und zunehmende Personalknappheit.  

3D-Druck wird beim Bauen vor allem in zwei Bereichen eingesetzt: Bei der Herstellung von Schalungen, und in der Fertigung von Betonteilen. Die Herausforderung an den Beton sind jeweils unterschiedlich: „Wenn wir eine Betonrezeptur für eine filigran gedruckte Schalung entwickeln, geht es neben den üblichen Anforderungen an Verarbeitungszeit, Festigkeit, Oberflächenqualität und dergleichen in erster Linie darum, dass das Material fließfähig genug ist, die komplexe Form lückenlos auszufüllen", erklärt Oliver Mazanec, Head of Product Management Europe. „Mit extrem fließfähigen und gleichzeitig hochfesten Betonen haben wir langjährige Erfahrung, unter anderem aus dem Bau spektakulärer Wolkenkratzer auf der ganzen Welt. Die Anforderungen gleichen sich und die Herausforderungen liegen eigentlich fast ausschließlich in den spezifischen Umständen des Projekts. Zusammen mit unseren Kunden suchen wir nach der besten Technologie, um diese Herausforderungen gemeinsam zu bewältigen."

Widersprüchliche Anforderungen

Anders beim 3D-Druck von Betonteilen – hier ist die Herausforderung grundsätzlicher Natur: Bei der am weitesten verbreiteten 3D-Druckmethode, der Extrusion, muss der Beton flüssig genug sein, um die Düse einwandfrei zu passieren, dann jedoch sehr schnell eine ausreichende Festigkeit entwickeln, so dass er ohne Schalung die Form hält. Sandro Moro, Construction Materials Innovation Manager Europa bei Master Builders Solutions, beschreibt die widersprüchlichen Anforderungen: „Für die Verarbeitbarkeit soll der Beton vergleichsweise flüssig sein, wobei zu viel Wasser wiederum die Festigkeit kompromittiert. Außerdem soll der Beton im einen Moment noch fließen, im nächsten jedoch schon so stabil abgebunden haben, dass sich die Schicht selbst und nach kurzer Zeit auch weitere, darüberliegende hält – ohne Schalung. Er darf aber nur soweit aushärten, dass sich die einzelnen Schichten vollständig verbinden und nicht als lose Stränge aufeinander liegen." 

Diese gegensätzlichen Eigenschaften zu kombinieren und dabei für jeden individuelle Druckvorgang den ‚Sweet Spot' zu finden, ist hier die Herausforderung. „Die Strukturviskosität spielt eine entscheidende Rolle", so Moro. „Zementöse Materialien sind Bingham-Fluids, die eine jeweils bestimmte Scherkraft benötigen, um zu fließen – ohne diese Krafteinwirkung verändern sie ihre Form nicht. Die Fließgeschwindigkeit wiederum hängt von der plastischen Viskosität ab."

Zusatzmittel schaffen die gewünschten Eigenschaften

Hier kommen die Betonzusatzstoffe ins Spiel: Sie verstärken die natürlichen Eigenschaften des Betons und fügen weitere, sogar auf den ersten Blick widersprüchliche hinzu. Fließmittel, Stabilisierer, Beschleuniger, Fasern und Schwindreduzierer nennt Dr. Oliver Mazanec, Leiter Produktmanagement Europa im Betonzusatzmittelgeschäft von Master Builders Solutions, allgemein als wichtige Komponenten von Formulierungen für druckergeeigneten Beton. „Vor allem spezielle scherverdünnende Viskositätsmodifizierer in Kombination mit Beschleunigern ermöglichen die schnelle Entwicklung dieser quasi thixotropen Eigenschaften", so Mazanec. „Natürlich immer abgestimmt auf die Form, Größe und Funktion des Bauteils sowie die Art des 3D-Drucks." Hier arbeite man mit Forschungseinrichtungen wie etwa den Technischen Universitäten Braunschweig und München zusammen, aber auch direkt mit den Kunden – oft Startups, die als Vorreiter die innovative Technologie für die Baubranche weiterentwickeln. "Innovationen sind unser Antrieb," sagt Roland Nowicki, Vice President BASF Construction Chemicals Europe. "Unsere weltweiten Forschungsteams arbeiten kontinuierlich an Lösungen für die modernsten Bautechnologien. Für uns ist der 3-D-Druck eine vielversprechende Möglichkeit, um Zeit und Ressourcen zu sparen. Unsere Betonzusatzmittel können einen entscheidenden Beitrag leisten, um diese Technologie voranzutreiben und sie weiter im Markt zu etablieren."

Betonzusatzmittel für 3D-Druck 

Eines dieser jungen Unternehmen, mit denen Master Builders Solutions zusammenarbeitet, ist PrintStones in Wien. „Unser Ziel ist es, die neuen additiven Fertigungstechnologien baustellentauglich zu machen, so dass vor Ort vollständig automatisiert Betonobjekte hergestellt werden können", erklärt PrintStones-Gründer Dr. Herwig Hengl. Die Idee entstand während eines Forschungsprojekts zur Vorhersage des Strukturverhaltens von Betonpflasterbefestigungen am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der Technischen Universität Wien: „Nachdem wir viel Zeit in Computersimulationen der Flächen investiert hatten, mussten wir unsere Ergebnisse an realen Flächen überprüfen", berichtet Hengl. „Dabei kristallisierte sich immer mehr heraus, dass wir die Betonpflastersteine generativ fertigen wollen."

Der Vorteil gedruckter Steine

Begonnen hat PrintStones mit dem 3D-Druck von individuellen Steinen für den Außenbereich und im September 2019 wurde nun die erste größere Pflasterfläche quasi am Stück vor Ort am Hightech-Campus in Wien gedruckt. „Der Architekt erstellt ein 3D-Modell seines Entwurfs, dieses wird in unser System eingespielt, das dann auf der Baustelle einen Quadratmeter nach dem anderen druckt", beschreibt Hengl den Pflasterflächendruck von PrintStones. „Die Fläche am Hightech-Campus zum Beispiel ist so gestaltet, dass sie mit anderen Mitteln als dem 3D-Druck nicht hergestellt werden könnte."

Betonzusatzmittel für 3D-Druck

Als Vorteile des 3D-Drucks nennt Hengl neben der enormen Gestaltungsfreiheit vor allem die Reduktion von Lärm und Feinstaub auf der Baustelle, Kosten- und CO2-Einsparungen sowie eine größere Flexibilität: „Die Steine müssen nicht mehr vor Ort geschnitten werden und es wird keine menschliche Arbeitskraft benötigt. Außerdem entsteht kein Abfall und man kann auch hohle Steine drucken, so dass in nennenswertem Umfang Zement und damit CO2-Emissionen reduziert werden können. Darüber hinaus muss man keine feste Anzahl von Steinen bestellen und benötigt folglich auch keine Lagerfläche dafür."   

Pflasterbefestigungen eignen sich vor allem auch deshalb besonders als Start für die Entwicklung des Vor-Ort-3D-Drucks von Betonobjekten auf der Baustelle, weil sie keine Bewehrung benötigen und kaum rechtlichen Einschränkungen unterliegen. Aber weitere Schritte sind bereits geplant: „Als nächstes haben wir uns so etwas wie zum Beispiel Abwasserrinnen vorgenommen, von da aus arbeiten wir uns weiter voran", sagt Hengl. Das System sei zwar heute schon extrem beweglich, es könne sogar Schwellen und Stufen bewältigen, aber bis zum vollautomatischen Funktionieren auf einer handelsüblichen Baustelle sei noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. „Letztlich wollen wir ein Komplettpaket aus Hardware, Software und Druckmaterial anbieten, und das können wir nur mit einem kompetenten, engagierten Partner in Sachen Beton. Wir sind froh, diesen in Master Builders Solutions gefunden zu haben."

Komplexe Formeln für konkrete Anwendungen

Der Beton für PrintStones stellte die erfahrenen Master-Builders-Solutions-Experten aus dem Betonlabor im österreichischen Krieglach vor eine spannende neue Aufgabe: „Die Zusammensetzung des Betons an sich mit einem hohen Gehalt an Weißzement und kleinen Korngrößen bei der Gesteinskörnung spielt eine große Rolle, dazu kommen die sehr speziellen Anforderungen an Fließfähigkeit, Konsistenzhaltung und Abbindeverhalten für den 3D-Druck", berichtet Betonexperte Harald Kahr von Master Builders Solutions in Krieglach. Nach intensiven Tests hatte man schließlich die optimale Mischung gefunden. „Aber auch diese Mischung muss immer wieder den konkreten Umständen vor Ort angepasst werden", betont Kahr. Denn so gut wie jedes Detail hat Auswirkungen auf die Betoneigenschaften: Die Temperatur beeinflusst die Abbindezeit, auch Luftfeuchtigkeit spielt eine Rolle, die Rohstoffqualität kann schwanken und je nach Mischer und dessen Mischwirkung muss länger oder kürzer gemischt werden, um die Bestandteile des Betons ebenso wie die Zusatzmittel homogen zu verteilen und letztere zu aktivieren – wobei längere Mischzeiten den Beton zusätzliche erwärmen und deshalb möglichst vermieden werden sollten. „Außerdem müssen wir Pumpweg, Pumpendruck und Düse kennen, denn die Durchflussgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor für die notwendige Menge an Beschleuniger", so Kahr.  

„Als globaler Technologieführer im Bereich Betonzusatzmittel mit jahrzehntelanger Innovationserfahrung und weltweiter Projektexpertise freuen wir uns über die Möglichkeiten, die der 3D-Druck als neue Technologie der Baubranche eröffnet", so Roland Nowicki. „Einige unserer Produkte eignen sich bereits jetzt ganz hervorragend für den 3D-Druck, unter anderem unsere bewährten Fließmittel der MasterGlenium- und MasterEase Reihe, MasterX-Seed Erhärtungsbeschleuniger, MasterFiber Fasern, MasterLife Schwindreduzierer sowie Stabilisierer der MasterMatrix-Reihe. Darüber hinaus sind wir dabei, gemeinsam mit Kunden und Partnern maßgeschneiderte Lösungen für ihre individuellen Anforderungen beim 3D-Druck von Beton zu entwickeln."