3D-Druck von Betonschalungen

Von weitem wirkt er schlicht – doch seine Front hat es in sich. Das Logo des 3D-Druck-Spezialisten Voxeljet ragt mit deutlichen Hinterschneidungen aus einer Felsformation heraus. Man könnte meinen, dass mehrere Steinmetze diesen in monatelanger Feinarbeit aus massivem Stein geschlagen haben – doch dahinter steckt eine ganz andere Fertigungstechnik: hochmoderner 3D-Druck.

Statt von einem Festkörper Material abzutragen, werden komplexe Formen gedruckt und später mit flüssigem Beton gefüllt. Das Kunstwerk vereinigt also neueste Formgebungstechniken mit State-of-the-art Hightech-Beton und ist die Grundlage für noch nie da gewesene Anwendungen in Architektur und Bauwesen.

Der 3D-Druck als additives Fertigungsverfahren erobert beinahe täglich neue Einsatzfelder in den verschiedensten Industrien. Ganz vorne mit dabei: Voxeljet als ein führender Hersteller industrietauglicher 3D-Drucksysteme. Bei den von voxeljet angebotenen Prozessen waren bisher Metallgießereien Hauptanwender. Denn mithilfe des 3D-Drucks können hochkomplexe Formen und Kerne aus Sand in kürzester Zeit und hoher Präzision hergestellt werden. Anwender können ganze Arbeitsschritte wie etwa die Konstruktion von teuren Formwerkzeugen einsparen, da für die Herstellung von 3D-gedruckten Sandformen und -kernen lediglich eine CAD-Datei benötigt wird. Das Dienstleistungszentrum von Voxeljet stellt diese Formen dann on demand, also nach Bedarf, her.

Betonguss für Architektur und Bauindustrie mithilfe von 3D-Druck

Mit dem Firmenstein aus Beton zeigt voxeljet neue Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks in der Architektur und Bauindustrie auf. Genauso wie Metall lässt sich auch Beton in die sandgedruckten Formen gießen. Mit dem Druck von Sandformen entstehen dabei, je nach Anwendung und Komplexität, sowohl wiederverwendbare als auch verlorene Schalungen. Der Vorteil von 3D-Druck liegt im werkzeuglosen, kostenoptimierten Fertigungsprozess. Die Voxeljet-3D-Drucksysteme erlauben die Fertigung von Gussformen mit hochkomplexen Geometrien in kürzester Zeit und mit beeindruckender Präzision. Durch konventionelle Fertigungsmethoden wären derartig komplexe Formen nur mit viel Aufwand herzustellen oder sogar gänzlich unmöglich.

Voxeljet sieht zukünftige Anwendungsbereiche für den Betonguss in Architektur und Bauindustrie. Fassaden, Elemente der Interieurgestaltung oder sogar Möbel lassen sich mit den 3D-Druckssystemen von voxeljet einfach realisieren, ebenso wie Objekte in der Kunst- und Designbranche. Der Anbieter stellte in Zusammenarbeit mit Dade-Design.com, einem führenden Spezialisten für Highend-Betondesign und Formenbau, den Voxeljet-Firmenstein im ersten Versuch erfolgreich und problemlos her.

Der Druckprozess: von der CAD-Datei zum fertigen Real-Life-Objekt

Am Anfang steht das CAD-Designs. Um anschließend die Vorteile des 3D-Drucks vollkommen auszunutzen, entschied sich Voxeljet für eine Hybridschalung, eine Kombination aus gedruckten und herkömmlichen Schalungselementen. Die 3D-gedruckten Elemente beschränkten sich dabei lediglich auf den komplexen Teil, die Front des Firmensteins. Einfachere Geometrien, wie beispielsweise die geraden Flächen,  werden mit konventionellen Holzschalungen abgebildet.

Der komplexe Teil des Voxeljet-Firmensteins besteht im Wesentlichen aus der Gesteinsstruktur mit dem integrierten Logo, das aus der Hintergrundstruktur hervorragt. „Durch die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks lassen sich selbst hochkomplexe Geometrien mit Hinterschneidungen und gewollten Unebenheiten problemlos realisieren. Mit dem Abguss des Firmensteins konnten wir eine Geometrie produzieren, die auf konventionelle Weise schlichtweg nicht möglich gewesen wäre“, sagt Tobias King, Director Applications bei voxeljet.

Für den Druck wurde die fertige Datei auf ein 3D-Drucksystem von Voxeljet geladen. Das 3D-Drucksystem fertigte die Schalung dann in einem Arbeitsgang. Der Hersteller druckte die Form für den Firmenstein auf einer VX4000, dem größten industriellen 3D-Drucksystem mit einem zusammenhängenden Bauraum von 4 x 2 x 1 m (LxBxH), in nur einer Nacht.

Die VX4000 trägt im Schichtbauverfahren Sand in einer extrem dünnen Schicht von nur 300 Mikrometern auf die Baufläche auf. Im Anschluss verklebt der Druckkopf die Schichten selektiv mit einem Bindemittel. Ist die Form vollständig gedruckt, entfernen Voxeljet-Spezialisten den unverdruckten Sand und säubern die Form mit Druckluft. Um die Form für den Betonguss vorzubereiten, infiltrierten die 3D-Druck-Spezialisten die Form mit einer PU-Dispersion, um Poren zu schließen und gleichzeitig die Formenoberfläche zu versiegeln.

Das Gießen des Betonblocks

Voxeljet verschickte die nachbehandelte Form anschließend in die Schweiz zu Dade-Design.com, um sie dort von den Betonguss-Profis gießen zu lassen.

Damit sich die Sandform nach dem Guss leichter vom Beton entfernen lässt, bringt Dade-Design.com ein Trennmittel auf die Form auf. „Gerade bei den Buchstaben ist es wichtig, dass sich die Form so leicht wie möglich von dem Gussstück entfernen lässt, damit später keine Schäden am Beton entstehen“ sagt Andy Keel, Inhaber von Dade Design. Für Keel ist industrieller 3D-Druck „eine Innovation, die völlig neue Dimensionen im Beton-Formenbau eröffnet. Der 3D-Druck ermöglicht uns ein komplett digitales Produktionsverfahren, wodurch wir wertvolle Arbeitszeit und Mühen einsparen.“

Nach dem Aushärten des gedruckten Logos, goss Dade Design im zweiten Schritt den Rest des Firmensteins. Dafür verwendeten die Betongießer einen selbstverdichtenden Beton, UHPC (Ultra-High Performance Concrete). Bereits nach rund 20 Stunden war der Beton komplett ausgehärtet, und die Schalung konnte vorsichtig entfernt werden.

Schon nach dem Entfernen der Schalung war der Firmenstein so gut wie fertig. Für den finalen Schliff verliehen Mitarbeiter von Dade Design dem Stein eine sogenannte Betonkosmetik, wobei sie den Beton polierten, um eine gleichmäßige und glatte Oberfläche zu erhalten. Das Resultat der ersten Versuche im Betonguss kann sich sehen lassen. Durch moderne 3D-Druck-Technologie und hohe Handwerkskunst hat 3D-Druckerhersteller Voxeljet die Horizonte des traditionellen Gusses erweitert. „Was in der Architektur bis vor ein paar Jahren noch undenkbar gewesen wäre, ist nun durch eine Kombination von 3D-Druck und unserem eigens entwickelten UHPC-Beton möglich“, ergänzt Betonguss-Spezialist Keel. Der fertige Stein mit dem voxeljet-Logo schmückt nun den Eingang des Verwaltungsgebäudes in Friedberg.

Bild: Die Schalung für den 3D-gedruckten voxeljet Firmenstein aus Beton.