Die Bauindustrie steht vor der dringenden Herausforderung, den Ressourcenverbrauch und die CO2-Emissionen signifikant zu reduzieren. Eine vielversprechende Lösung in diesem Kontext ist die Forschung am Institut für Partikeltechnik der Technischen Universität Braunschweig sowie an der Technischen Universität München. Hier liegt der Fokus auf der Entwicklung umweltfreundlicher Materialien, wobei besonders die 3D-Drucktechnologie „Selective Paste Intrusion“ (SPI) im Mittelpunkt steht. Diese innovative Methode zielt darauf ab, recycled Partikel aus wiederverwertetem Beton von Abbruchgebäuden zu gewinnen, was langfristig zu einem nachhaltigeren Bauwesen führen könnte.
Die SPI-Technologie revolutioniert den Betonbau, indem sie Gesteinskörnungen in dünnen Schichten verteilt und mit Zementleim verbindet. Ein tiefgehendes Verständnis der Partikeltechnologie ist hierbei von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit im Bauwesen. Frischer Beton besteht aus Wasser, Zement und Gesteinskörnungen wie Sand und Kies. Das Recycling von Beton stellt jedoch eine komplexe Aufgabe dar, da die Gesteinskörner durch die Zementmatrix verbunden sind.
Mechanische Zerkleinerung und Verwendung von recyceltem Beton
Zur Aufbereitung von Beton werden zwei Methoden zur mechanischen Zerkleinerung eingesetzt: Erstens das Aufprallen eines Partikels auf eine harte Oberfläche und zweitens die Druck- und Schubbeanspruchung zwischen zwei Oberflächen, wobei letztere bevorzugt wird. Die selektive Zerkleinerung ermöglicht eine kontrollierte Zerlegung des Materials, bei der die Gesteinskörner unversehrt bleiben. Nach dem Zerkleinern erfolgt eine Klassierung und Reinigung der Partikel, sodass grobe Gesteinskörnungen für die Herstellung neuer Baumaterialien wiederverwendet werden können. Feine Zementpartikel hingegen können als Zusatz im Zementleim genutzt werden. Dennoch stehen strenge Vorschriften der Wiederverwendung von recyceltem Beton häufig der effektiven Nutzung wertvoller Materialien im Weg.
Hier setzt die SPI-Technologie an, indem sie einen nachhaltigen Kreislauf schafft und es ermöglicht, ausrangierte Materialien eine zweite Chance zu geben. Diese Vorgehensweise könnte langfristig bedeutende Veränderungen für die Bauindustrie mit sich bringen.
SPI und seine Anwendung in der Praxis
Auf der BAU 2025 in München präsentierten die Unternehmen Scawo3D und Skeno die SPI-Technik. Ihre innovative 3D-Betondruckmethode nutzt einen neuartigen Inkjet-Druckkopf, der Zementpaste innerhalb von lockeren Aggregaten absetzt, um komplexe Strukturen effektiv zu realisieren. Die Integration von computergestützten Designtools wie Spherene für Rhino/Grasshopper ermöglicht das Erstellen filigraner Geometrien und optimierter struktureller Leistungen. Während der Messe diente der Ausstellungsstand nicht nur als Demonstration, sondern auch als Forschungsexemplar für SPI-Anwendungen in tragenden Strukturen.
Der Stand mit einer Fläche von 25 m² und 3 m hohen Rückwänden zeigte Spherene-Strukturen, die in sechs Module mit einem Gewicht zwischen 150 und 320 kg unterteilt waren. Eine zentrale Wand, die das Logo von Scawo3D trug, war für einen effizienten Transport segmentiert. Zudem wurde eine 3D-gedruckte Treppe in Zusammenarbeit mit Skeno und Timo Harboe vorgestellt, die die Fähigkeit von SPI zur Herstellung komplexer, tragender Strukturen demonstrierte. Das gesamte Verfahren umfasste ein großes Partikelbett (4 x 2,5 x 1,5 Meter) und folgte einer Schicht-für-Schicht-Technik für Präzision.
Die schnelle Fertigungsmethode der SPI-Technologie reduziert die Produktionszeit und minimiert die Materialverschwendung im Vergleich zu herkömmlichen Betonbauweisen. Für den BAU 2025 Stand wurden die Rückwände in einer einzigen Sitzung von nur sechs Stunden gedruckt, wobei leichtes expandiertes Tonmaterial verwendet wurde. Die verbleibenden Komponenten wurden innerhalb von vier Stunden mit quarzhaltigem Sandaggregate produziert. Solche fortschrittlichen Fertigungsmethoden zeigen eindrucksvoll das Potenzial von SPI und computergestützten Designwerkzeugen zur Neudefinition architektonischer Möglichkeiten und zur Förderung nachhaltiger Baupraktiken. Die Zusammenarbeit zwischen Scawo3D, Skeno und Spherene markiert einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der digitalen Fertigung in der Betonarchitektur.
