Druckdominante Strukturen statt Stahlbewehrung
Statt konventioneller Stahlbewehrung und Portlandzement verfolgt das Konsortium einen werkstofflich anderen Ansatz. Als Bindemittel dient Stahlschlacke – ein Nebenprodukt der Stahlindustrie. „Zum einen nutzen wir digitale Fertigungsmethoden, um ressourcenschonend zu bauen. Zum anderen ersetzen wir herkömmlichen Zement durch Bindemittel mit geringerem CO₂-Fussabdruck“, sagt Empa-Forscher Moslem Shahverdi.
Die Tragwerkslogik orientiert sich an historischen Steinbogenbrücken: Das Konsortium entwickelt sogenannte „compression dominant structures“ – Geometrien, die Drucklasten gezielt ableiten und Zugbelastungen minimieren. „Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung“, erklärt Shahverdi. Digitale Fertigungsmethoden ermöglichen es, solche geometrisch optimierten Formen präzise zu planen und den Materialeinsatz deutlich zu reduzieren. Hohlräume entstehen gezielt dort, wo keine Verstärkung nötig ist. „Wir planen diese Öffnungen direkt im digitalen Modell, sodass der Roboter sie beim Drucken automatisch freilässt“, so Shahverdi.
Die reduzierten Bauteilmassen bringen einen weiteren konstruktiven Vorteil: Die seismische Belastung sinkt proportional zum Gewichtsverlust. „Selbst zehn Prozent weniger Gewicht bedeuten viel“, sagt Shahverdi – ein relevanter Faktor für den Einsatz in erdbebengefährdeten Regionen.
Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen als Bewehrungsalternative
Ganz ohne Bewehrung kommt das System nicht aus – aber die Empa bringt hier eine Materialspezialität ein: eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA). Diese vorgedehnten Metalle ziehen sich beim Erhitzen zusammen statt auszudehnen und versetzen Bauteile so nachträglich unter Vorspannung. „Wir arbeiten seit rund 20 Jahren mit solchen speziellen Legierungen“, sagt Shahverdi. Das Empa-Spin-off re-fer bringt ebenfalls Expertise im Bereich Formgedächtnislegierungen ins Konsortium ein.
Gegenüber klassischer Spannstahlbewehrung, die aufwändige Vorspannarbeiten erfordert, lassen sich Fe-SMA-Stäbe unkompliziert nach dem Druckvorgang in die Bauteile einbringen. Das hält den Druckprozess automatisiert und ungestört. Entscheidend für das Kreislaufkonzept: Die Stäbe lassen sich später wieder vom Beton trennen und ermöglichen so die Demontage ganzer Bauteile. Langfristig soll auch dieser Schritt robotergestützt ablaufen. „In Zukunft könnte ein zweiter Roboter die Fe-SMA-Bewehrungsstäbe direkt nach dem Druck einsetzen“, so Shahverdi.
CO₂ als Härtemittel
Nach dem 3D-Druck durchlaufen die Bauteile eine Karbonisierungskammer, in der CO₂ injiziert wird. Das Gas reagiert chemisch mit der schlackebasierten Betonmischung: „Dieses Verfahren härtet den Beton und bindet gleichzeitig CO₂“, erklärt Shahverdi. Sollte die Festigkeit für anspruchsvollere Anwendungen nicht ausreichen, liesse sich ein kleiner Zementanteil ergänzen. „Für normale Anwendungen im Tiefbau wäre dies bereits eine gute Ausgangsbasis“, ist Shahverdi überzeugt.
Digitale Plattform und Prototyp bis 2028
Parallel zur Materialentwicklung entsteht eine gemeinsame digitale Plattform, die den gesamten Prozess vom Entwurf bis zur Fertigung abdeckt – inklusive Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusanalysen. Architekturbüros wie Zaha Hadid Architects arbeiten dabei eng mit den am Projekt beteiligten Ingenieurinnen und Materialwissenschaftlern zusammen. Bis 2028 soll ein Prototyp eines vollständig 3D-gedruckten Gebäudemoduls die technische Machbarkeit des Ansatzes belegen. „Wir kombinieren hier einzigartige Expertise – 3D-Druck, strukturelle Performance und unsere Spezialität: eisenbasierte Formgedächtnislegierungen“, fasst Shahverdi zusammen. (mb)
Im EU-Projekt „CARBCOMN“ („Carbon-negative compression dominant structures for decarbonized and de-constructable concrete buildings“) wollen Empa-Forschende gemeinsam mit europäischen Partnern eine klimafreundliche und kreislauffähige Betonbauweise entwickeln. Der neuartige Baustoff bindet CO₂, besteht ausschliesslich aus rezyklierten Materialien und minimiert den Bedarf an herkömmlicher Stahlbewehrung. Dank digitaler Fertigung und 3D-Druck entstehen filigrane und dennoch stabile Strukturen. Dabei geht es weniger um spektakuläre Formen als um robuste Bauteile für den Wohnungsbau, die sich auch erdbebensicher verbinden und später wiederverwenden lassen. Das 2024 gestartete, vierjährige Projekt wird im Rahmen von „Horizon Europe“ gefördert und vereint elf führende Forschungseinrichtungen und Architekturbüros aus ganz Europa – darunter die Universität Gent, TU Darmstadt, Universität Patras, ETH Zürich und die Empa sowie „Zaha Hadid Architects“, „Mario Cucinella Architects“ und die Firmen Tesis, orbix, incremental 3D und re-fer. Das Gesamtbudget beträgt rund sechs Millionen Euro, wobei die Empa und ihr Spin-off mehr als eine Million davon erhalten.
