Aus dem Schweizer Forschungsgebäude NEST kommt mal wieder eine Innovation: eine Treppe, die mithilfe 3D-gedruckter Schalungen hergestellt wurde. Das Verfahren ermöglicht die Betonierung komplexer Formen mit hohem Detaillierungsgrad – bei erheblich verringertem Materialaufwand. Anwendungspotenzial sehen die Forschenden nicht nur für Treppen, sondern auch für andere Bauteile – nicht zuletzt bei der Restauration historischer Bauwerke.
Der Treppenentwurf erinnert an die menschliche Wirbelsäule, die ja ebenfalls über eine sehr filigrane Geometrie mit hoher Komplexität verfügt. Er stammt von der neuen NEST-Unit „ STEP2 “. In diesem Projektteam arbeitet BASF mit weiteren Partnern aus Forschung und Wirtschaft an marktreifen Lösungen unter anderem für die Bereiche Kreislaufwirtschaft, digitale Fabrikation und Gebäudehülle zusammen. Die Projektleitung liegt beim Züricher Architekturbüro ROK.
Mit der Realisierung der filigranen Betontreppe wollen die Forschenden demonstrieren, was mit computergestütztem Design und 3D-Druck-Technologien bereits heute im Betonbau möglich ist. Der Einsatz von Betonschalungen aus dem 3D-Drucker erlaubt komplexere Formen als bisherige Sonderschalungen. Gleichzeitig lässt sich mit den maßgeschneiderten Formen der Materialaufwand erheblich verringern.
Maßgeschneiderte Lösungen
Das Verfahren ermöglicht Betonlösungen, die optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar sind und einen hohen Detaillierungsgrad aufweisen. Bei STEP2 ist man überzeugt davon, dass es auch großes Potenzial für die Restauration historischer Bauwerke hat. Das Design der Treppe stammt vom Lehrstuhl „Digitale Bautechnologien“ an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) – einem der STEP2-Partner. Für die Berechnung und Beurteilung der Statik war das Züricher Ingenieursbüro Walt Galmarini zuständig.
Beim Schalungsmaterial entschied man sich für das Filament „Ultrafuse PET CF15“ von BASF Forward AM. Das BASF-Tochterunternehmen produziert 3D-Druckmaterialien und macht deshalb ebenfalls beim STEP2-Projekt mit. Als Filamente bezeichnet man fadenförmige Kunststoffstränge, aus denen ein 3D-Drucker das zu druckende Objekt schichtweise aufbaut. Das Filament, aus dem die Treppen-Schalungen gedruckt wurden, besteht aus carbonfaserverstärktem PET.
„Ein zentrales Kriterium für das System war die Wiederverwendbarkeit der Schalung für die Produktion mehrerer Stufen“, erläutert Benjamin Dillenburger, Leiter des Lehrstuhls Digitale Bautechnologien. „Damit die 3D-gedruckte Schalung für mehrere Stufen zum Einsatz kommen kann, haben wir eine geeignete Beschichtung verwendet“, ergänzt Jörg Petri von der Firma „New Digital Craft“, die ebenfalls bei STEP2 dabei ist. „Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit entschieden wir uns für ein Material, das wieder von der Schalung gelöst werden kann. Nur so können wir die sortenreine Materialtrennung sicherstellen.“
Der bereits produzierte Treppen-Prototyp besteht aus drei Stufen. Er wurde mithilfe der Schalungen im Werk des Partnerunternehmens SW Umwelttechnik hergestellt, das dafür einen ultrahochfesten, faserverstärkten Beton einsetzte. „Unser Beton ermöglicht sehr dünne, komplexe Formen, die mit normalem Stahlbeton nicht realisiert werden könnten“, erklärt Klaus Einfalt, CEO des österreichischen Betonfertigteile-Herstellers.
Innovative Vorspanntechnik
Zu den Besonderheiten der Treppenkonstruktion zählt nicht nur der 3D-Druck der Schalungen und der spezielle Faserbeton . Ein entscheidendes Detail besteht auch darin, dass die aufeinander gefädelten Treppenstufen mithilfe von so genanntem „Memory-Steel“ zusammengespannt werden. Diese innovative Vorspanntechnik zum Fixieren der Stufen stammt vom Unternehmen „ re-fer “, einem Spin-off der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa).
Das Verfahren funktioniert wie folgt: Eisenstäbe mit Formgedächtnislegierung werden in vordefinierte Hohlräume der Treppenstufen platziert und mechanisch verankert. Die Vorspannung erfolgt durch Hitzezufuhr. Dadurch zieht sich der Memory-Steel zusammen, was wiederum bewirkt, dass sich die Betonstruktur dauerhaft vorspannt. Auf hydraulische Spannpressen kann dadurch verzichtet werden – es genügt, den Stahl kurz zu erhitzen, je nach Anwendung etwa durch elektrischen Strom, mittels Gasbrenner oder Infrarotstrahler.
Erfolgreiche Belastungstests
Der dreistufige Prototyp wurde bereits verschiedenen Belastungstests unterzogen. Dies geschah an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa).
Zum Hintergrund: Die Empa ist auch Bauherr des 2016 errichteten Forschungsgebäudes NEST, über das wir bereits im BaustoffWissen-Beitrag „ Baustoffrecycling: Nachhaltiges Wohnmodul “ berichtet haben. Es steht auf dem Empa-Campus in Dübendorf. Im NEST werden neue Technologien und Produkte aus dem Bau- und Energiebereich unter realen Bedingungen getestet. Mittlerweile arbeiten dort mehr als 150 Partner aus Forschung, Wirtschaft und öffentlicher Hand in unterschiedlichen Units zusammen. Eine davon ist STEP2.
Doch zurück zu den Belastungstest durch die Empa-Experten. Es wurde überprüft, wie belastbar die Stufen einzeln und das System insgesamt ist. Das Ergebnis: Die Empa-Ingenieure erachteten das Gesamtsystem als zuverlässig. Im nächsten Schritt wollen die Partner nun konsequent die Marktreife ansteuern, denn STEP2 hat das Selbstverständnis, nur zu bauen, was in der Baubranche tatsächlich eine Zukunft hat.
