"Wir haben die Vision diskutiert,
das ganze Haus zu drucken."

Stefan Peters, Andreas Trummer, Georg Hansemann
und Robert Schmid (COEBRO)
im Gespräch mit Petra Eckhard (GAM)


Nach drei Jahren ist das Forschungsprojekt “Concrete Elements by Robots” (COEBRO), das vom Institut für Tragwerksentwurf in Kooperation mit dem Institut für Betonbau und dem Labor für Konstruktiven Ingenieurbau durchgeführt wurde, nun erfolgreich abgeschlossen. Das interdisziplinäre Forscherteam hat sich der Aufgabe gestellt, Strukturelemente in einem für das Bauwesen relevanten Maßstab zu drucken. Petra Eckhard (GAM) hat mit Stefan Peters (SP), Andreas Trummer (AT), Georg Hansemann (GH) und Robert Schmid (RS) über die Arbeit im Roboterlabor und die Ergebnisse der Studie gesprochen.

GAM: Was hat Euch dazu veranlasst, mit 3D-Betondruck zu experimentieren? Wer oder was gab den Anstoß für dieses Projekt?

AT: Seit rund sechs Jahren beschäftigen wir uns hier am Institut für Tragwerksenwurf verstärkt mit dem Werkstoff Beton. Das ist einerseits der exzellenten Expertise innerhalb der Betonforschung der TU Graz geschuldet und andererseits der Massenrelevanz des Werkstoffs für unsere alltäglichen Bauanwendungen. Gleichzeitig ermöglichen es unsere Roboterwerkstätten, alle Prozesse der digitalen Fertigung sofort abzubilden, von der Planung bis zum fertigen Werkstück. Ein erstes Projekt setzte sich mit Betonschalentragwerken auseinander. Es wurden elegante und höchst präzise Fertigteile produziert, um zu zeigen, dass man tragfähige Strukturen effizient auf diese Weise herstellen kann. Nach dieser Auseinandersetzung wurde das Thema Betondrucken immer wichtiger. Eine konkrete Fragestellung hat dazu die Masterarbeit von Jürgen Holl an unserem Institut geliefert. Er hat sich die Frage gestellt, wie 3D-Druck konstruktiv einsetzbar sein kann.

GH: Ich möchte hier noch etwas weiter ausholen, um den Entwicklungsprozess am Institut zu verdeutlichen. Während des Projektes „Schalentragwerke aus UHPC“ hat sich unser Institut darauf konzentriert, konventionelle Schalungen durch adaptive Schalungen zu ersetzen. Jürgen Holl überlegte in diesem Kontext, die Schalung überhaupt wegzulassen und dadurch wurden erstmals alle Potentiale des 3D-Drucks ersichtlich. Dadurch haben wir erkannt, dass eine Vertiefung des Projektes mit anschließenden Folgeprojekten sehr lohnenswert sein kann und man damit gewisse Abläufe von Bauprozessen revolutionieren könnte.

SP: Ein wichtiger Moment war auch, die These von Jürgen Holl ernst zu nehmen und die ersten Experimente passieren zu lassen: Als Jürgen am Anfang mit dem Gartenschlauch hantiert hat, aus dem Beton auf einen nicht sehr ansehnlichen Haufen geplumst ist, hätte man auch sagen können: „Ach, lassen wir das. Das führt zu nichts.“

RS: Heute ist man mit dem Thema „3D-Betondruck“ am Puls der Zeit. Viele internationale Forschungsgruppen beschäftigen sich mittlerweile damit. So sind wir heute ganz vorne dabei. Dass das Thema auf reges Interesse stößt, beweist die Konferenz „Digital Concrete“, die im letzten Herbst erstmals in Zürich veranstaltet wurde und die auch nächstes Jahr wieder stattfinden wird. Das Interesse seitens der Medien und der Industrie ist groß.

GAM: Warum habt Ihr Euch auf das Drucken von Fertigteilen spezialisiert?

AT: Wir haben schon zu einem frühen Zeitpunkt des Projekts auf Fertigteile gesetzt, also auf Elemente, die in alltäglichen Architekturaufgaben benötigt werden: Deckenplatten, Stützen, Wände, etc. Wir haben auch die Vision diskutiert, gleich das ganze Haus zu drucken, haben uns aber dagegen entschieden. Viele Kollegen drucken Wände, also zweischalige, dünne Betonwände, aber ich habe noch nicht gesehen, wie diese danach bewehrt und vergossen werden. Es gibt auch ganz wenige, die den Versuch wagen, eine Decke zu drucken und das bis jetzt auch nicht in Ortbetonbauweise. Wir haben uns nicht an dieser Diskussion beteiligt und sind nach wie vor überzeugt, dass unsere Entscheidung, Fertigteile zu drucken, richtig war. Wir bringen diese dann auf die Baustelle und fügen sie richtig zusammen. Die Form dieser Fertigteile belegt auch unseren differenzierten Zugang zum Bauen mit Beton und das ist etwas, das uns in unserer Diskussion deutlich weitergebracht hat. Es ist uns also nicht um geometrische Komplexität für einzelne Strukturen gegangen, sondern darum, Alltags-Architekturelemente zu drucken und gleichzeitig CO2-optimiert zu arbeiten. Dadurch muss man sich aber genauer überlegen, wo zum Beispiel die Tragwerksachsen verlaufen, oder wie sich die Reduktion des Materials auf den Skelettbau auswirkt.

SP: Deshalb ist es auch kein reines Betondruckthema. Es gibt doch ganz klare Absichtserklärungen darüber, was wir im Bereich des Klimaschutzes tun wollen. Damit es auch noch in 30 oder 100 Jahren gut funktioniert, hat die Reduktion der durch Menschen verursachten CO2-Emmissionen oberste Priorität. Der Herstellung von Tragstrukturen für eine Vielzahl an Bauanwendungen wird in diesem Zusammenhang noch nicht ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt bzw. eingefordert.

AT: Das ist auch eine Entwicklung der aktuellen Debatte über digitale Fabrikation, die uns in den letzten zehn Jahren an den Universitäten und speziell an den Architekturfakultäten stark beschäftigt hat. In den ersten Jahren ging es vielfach um das Beherrschen geometrischer Komplexität, und es wurden vorwiegend Unikate angefertigt. Jetzt erleben wir ein Umdenken, denn wenn wir die Technologie wirklich nutzen wollen, gehört sie in unsere tagtägliche Arbeit. Die Reduktion von Material verleiht den 80 – 90% der Alltagsstrukturen eine neue Wertigkeit. Also es tut ihnen, glaube ich, verdammt gut.

© Schmid, TU Graz

GAM: Mit welchen Fragen habt Ihr Euch im Laufe des Forschungsprojektes auseinandergesetzt?

SP: Das Forschungsziel hatten wir schon sehr früh definiert. Dafür hatten wir anfänglich zwei Case-Studies geplant, für welche wir großformatige Prototypen herstellen wollten, als eine Art Beweis. In der einen Fallstudie beschäftigten wir uns mit einem Deckenbauwerk und der Frage nach Ressourceneffizienz, in der anderen ging es um ein Fassadenbauteil und der Frage nach den technischen und gestalterischen Möglichkeiten. Wir haben Fragen des Tragwerksentwurfes, mit Fragen nach dem “Structural Design” mit Fragen nach der digitalen Produktion verbunden. Dadurch war die Forschung sehr anwendungsbezogen und hatte einen deutlichen Bezug zur Realität. Wir ließen nicht locker, bevor wir nicht etwas gedruckt oder gebaut hatten, das als lastabtragende Struktur verwendbar war.

RS: Unser Ziel war es, eine eigene Druckanlage bestehend aus mechanischen Komponenten wie etwa Förderanlage und Printdrüse sowie einer speziellen Materialmischung zu entwickeln. Gleichzeitig war es auch wesentlich, Anwendungen für diese neuartige Technologie mitzudenken.

AT: Unsere Vorgehensweise war sehr vielschichtig: vom Entwurf über eine vertiefte Planung mit einer guten Ingenieursleistung, bis in die Bereiche Fertigungstechnologie und Materialtechnologie. Das ist ein umfassendes, großes Paket. Das gibt es nur dann, wenn man mit anderen Forschungseinrichtungen kooperiert. Das heißt nicht, dass wir z.B. nur Material und Technologie entwickeln und dann sagen, dass Andere sich überlegen sollen, was man damit tun kann, sondern, dass wir alles gemeinsam in einer interdisziplinären Forschungsgruppe entwickeln.

GAM: Wie kann man sich die Forschungsarbeit bei Euch im Roboter-Labor vorstellen? Wie sahen die ersten Druckversuche bzw. Prototypen aus?

RS: Unsere ersten Versuche im kleinen Roboterlabor haben wir mit herkömmlichen Materialien wie Gartenschläuchen, Rohrstücken als Düsen sowie primitiven Baustellenbetonmischungen durchgeführt, um Tischmodelle zu produzieren. Die daraus gewonnen Erkenntnisse dienten wiederum der Entwicklung der Druckanlage. Die Umsetzung war dabei nicht immer leicht. Manchmal hatten wir Erfolg, häufig weniger...

AT: Es ist nicht selbstverständlich, dass Beton aus der Düse rinnt. Wir haben eine Vorrichtung für unsere Zwecke adaptiert, die aus der Spritzbetontechnologie kommt und die das Material, sobald es auf die Druckplatte kommt, fest werden lässt. Genau in dem Moment. Also nicht zu früh und nicht zu spät. Auch die Fördermengen und -geschwindigkeiten sind neu und kommen im konventionellen Betonbau nicht zur Anwendung. Diese Technik stellt die Betontechnologie und ihre Prozesse völlig auf den Kopf und wir können hier schon von einer kleinen Revolution sprechen.

GH: Jeder einzelne Druckversuch ergab neue Parameter und Aufschlüsse über die Betonmischung - dabei setzen wir uns konstant mit der Weiterentwicklung des Materials auseinander. Im Labor stehen wir in engem Kontakt mit Materialtechnologen vom Institut für Betonbau und Maschinenbauern vom Labor für Konstruktiven Ingenieurbau, wo eben auch Bauteile der Anlage gefertigt werden und wir immer wieder gemeinsam an Lösungen tüfteln und je nach Problemstellung auch weitere Experten einladen, wie zum Beispiel für das homogene Einmischen des Beschleunigers an der Düse. Als interdisziplinäres Team können wir an einer für den Prozess ideal abgestimmten Lösung forschen.

RS: Im letzten Projektdrittel wurde der Prozess in einem größeren Roboterlabor ausprobiert und wir konnten ihn somit in einen Maßstab bringen, der von baulicher Relevanz ist. Wir sind jetzt in der Lage, komplexe Printgeometrien zu generieren und haben das Wissen und die Logistik, diese an der Anlage umzusetzen.

© Hansemann/Schmid/Schraml, TU Graz

GAM: Welche Hürden galt es zu überwinden? Mit welchen Komplikationen hattet Ihr zu kämpfen?

RS: Wir dachten nicht, dass es so schwierig sein würde, das passende Material zu entwickeln. Vor allem die Feinabstimmung von Druckanlage und Material war eine große Herausforderung und hat uns viel Zeit gekostet.

GH: Oft blieb das Material einfach im Förderschlauch stecken, und dann hieß es wieder Putzen und von Neuem beginnen, also „trial and error“. Dem ging natürlich eine Grundlagenforschung voraus, bei der wir Düsen- und Fördertechnologien sowie den Baustoff Beton selbst studiert haben, um dann in weiterer Folge ins Labor wechseln zu können, um unsere Theorien auszuprobieren und über Verbesserungen nachzudenken. Fehler sind normale Begleiterscheinungen jeder innovatioven Entwicklung.

SP: Teilweise war es schon auch ziemlich frustrierend. Es gab wirklich eine Phase im Projekt, in der ich mir nicht sicher war, wohin es geht. Es ist dauernd etwas kaputtgegangen, dauernd hat irgendetwas nicht funktioniert, und wir waren lange damit beschäftigt, die Kinderkrankheiten des Prozesses zu bekämpfen, anstatt das tun zu können, was wir eigentlich wollten. Das war eine harte Phase, vor allem wenn man merkt, dass die Zeit und das Geld ausgehen. Und man fragt sich, ob man das Ziel noch erreichen wird oder nicht. Aber dann, durch diese Zuspitzung, haben wir irgendwann die richtige Betonmischung gefunden. Dann ist es noch ein bisschen hektisch geworden, auch mit Firmenpartnern, das war aber auch genau das Momentum, das notwendig war um es letztendlich erfolgreich abzuschließen.

GH: Im letzten Drittel haben wir unser Projektziel schließlich erreicht. Die Vorarbeit hat sich ausgezahlt und wir haben nun eine funtkionierende Anlage mit der es Spaß macht, unserere Anwendungen im Labor zu testen und neue Ideen auszuprobieren.

GAM: Was unterscheidet Euch von anderen internationalen Forschungsteams, die zu ähnlichen Themen arbeiten?

RS: Anfangs versuchten wir, auf den Einsatz eines Erstarrungsbeschleunigers zu verzichten, da dieser den gesamten Prozess - insbesondere die Printdüse - komplizierter macht. Ziel war es demnach, einen robusten und simplen Prozess anzubieten, der nicht bloß unter Laborbedingungen funktioniert. Damit wollten wir uns auch von anderen Forschungsteams abheben. Dieser Ansatz wirkte vielversprechend, schlussendlich mussten wir jedoch davon absehen, da das Material nicht ausreichend förderbar war und die Förderpumpe immer heißgelaufen ist. Relativ spät im Projekt stellten wir den Prozess um, wodurch es gegen Ende hin noch einmal richtig eng wurde. Mit der letztlich entwickelten Printanlage brachten wir eine konkrete Anwendung hervor, die wir bei anderen Projekten so noch nicht gesehen haben.

GAM: Auf welche Weise trägt COEBRO zu einem effektiveren, ressourcenschonenden Bauen bei?

SP: Durch einen sparsamen und effizienten Umgang mit dem Material für ein vermeintlich untergeordnetes Massenbauteil wie eine Flachdecke. Man kann beobachten, dass in den letzten Dekaden im Stahl- oder Betonbau das Einsparen von Arbeitszeit bei gleichzeitig erhöhtem Materialverbrauch die Oberhand gewonnen hat. Beispielsweise werden im Betonbau häufig Rechteckquerschnitte vorgesehen, weil es in unserer termin- und kostenoptimierten Welt scheinbar einfacher ist. Vor allem im Massivbau ist Ressourcenoptimierung häufig noch kein Thema, das planerische Entscheidungen maßgeblich beeinflusst. Und das hat uns, vor allem in den letzten eineinhalb Jahren des Projekts, extrem motivert. Als wir bemerkt haben, dass die digitalen Fertigungsmethoden möglicherweise ein Schlüssel zu einer neuen Art von Ressourcenoptimierung sind. Und zwar nicht nur für vereinzelte High-End Gebäude, sondern für eine breite Masse an Bauprojekten

AT: Wir versuchen differenzierter und damit ressourcenschonender zu arbeiten, also Material rauszunehmen. Das hat auch für die Architekturentwurfsausbildung eine große Relevanz, deshalb geht es bei uns auch in der Lehre am Institut auch um CO2-optimiertes Tragwerksentwerfen.

GAM: Wenn man an konventionell gefertigte Betonstrukturen denkt, assoziiert man diese oft mit Monumentalität, Massivität oder Brutalismus. Diese neue Technik ermöglicht im Unterschied zur etablierten Gusstechnik neuen gestalterischen Spielraum, da damit nun auch fragile und organischere Formen relativ einfach produziert werden können. Auf welche Weise verändern sich dadurch die Einsatzmöglichkeiten von Beton?

GH: Man verändert mit dieser Technologie den Charakter von Beton. Man ist nicht mehr auf monolitische, totale Formen beschränkt und es können auch filigranere, organischere Formen aus Beton „natürlich wachsen“. Mit der Anlage, die wir entwickelt haben, geben wir den BauingenieurInnen und ArchitektInnen ein neues Werkzeug. Das befreit von dem Zwang, im orthogonalen Raster zu denken. Der Architekt bzw. die Architektin hat beispielsweise im Fassadenbereich neue Gestaltungsmöglichkeiten. Man kann nun Formen umsetzen, die durch den Schalungsaufwand in der Produktion viel zu teuer wären. Auch für BauingenieurInnen wird es interessant, denn es werden dadurch effiziente lastabtragende Strukturen möglich, die zudem differenzierte Betongüten in einem Bauteil aufweisen können.

RS: Dem möchte ich hinzufügen, dass das Verfahren nicht als Lösung aller Probleme, sondern vielmehr als Ergänzung bestehender Systeme zu sehen ist. Das Gussverfahren wird im Betonbau weiterhin bestehen bleiben. Welche Formen, Pattern und Texturen mit dem 3D-Drucker in unserem Fertigungsverfahren, dem Extrusionsverfahren, tatsächlich generiert werden können, wird sich in den nächsten Jahren noch herausstellen. Wir wollen mit unseren Studierenden daran weiterarbeiten…

© Schmid, TU Graz

GAM: Inwiefern erfordert das digitale Bauen auch neue Kompetenzen oder Veränderungen in der Architekturausbildung bzw. Eurer Arbeit mit Studierenden?

SP: Es gibt im Studium diesbezüglich zwei Sichtweisen: die technische Sichtweise, das heißt, dass sich die Studierenden mit der Technik auseinandersetzen, um das Verfahren und die Programme zu kennen, da lernt man dann zum Beispiel wie man 3D-druckfähige Bauteile entwirft. Und die zweite Sichtweise ist die ethische, sie hat mit einer Haltung zu den Dingen zu tun. Das hier besprochene Fertigteil spart ca. 30 - 40% an Ressourcen bei gleicher Bauhöhe und gleicher Nutzlast. Das kommt ja nicht einfach so. Das muss im Architekturentwurf bereits zu einer Selbstverständlichkeit werden. Dieser ethische Ansatz ist etwas, das über die Architekturschulen gut verbreitet werden kann.

RS: Man wird sich auch in der Lehre mit den neuen Verfahren und Tools auseinandersetzen. Zur Zeit ist die Nutzung von „Slicer-Tools“ gängig, die als Vorbereitung für den 3D-Druck die gewünschte Geometrie in einen druckbaren Printpfad übersetzen. Das gedruckte Objekt kommt dabei der gewünschten Geometrie möglichst nahe. Durch den Maßstabssprung im Betondruck werden diese Abweichungen jedoch stark wahrnehmbar. Die Notwendigkeit der „Slicer“ als Übersetzungstools sehe ich als Beweis dafür, dass wir die Sprache des neuen Produktionsverfahrens noch nicht gänzlich beherrschen. Man wird zukünftig vermehrt in diesen Verfahren denken und lehren müssen. Zurzeit ist man eher der Auffassung, 3D Druck ermögliche die Umsetzung jeglicher Geometrien, aber das stimmt nicht.

GAM: Wie kann man sich die digitale Baustelle der Zukunft vorstellen?

SP: Relativ unspektakulär. Der Roboter muss ja nicht auf die Baustelle. Es kann eine drei- oder fünf-achsgesteuerte Anlage sein, die in einem Fertigteilwerk steht, sozusagen als Fertigungsstraße. Darüberhinaus bedarf es Planer und Techniker, die in der Lage sind die Geometrien zu erzeugen und zu beherrschen und IngenieurInnen, die das entsprechende Engineering beisteuern.

AT: Es wird viel im unsichtbaren, digitalen Bereich passieren. Es geht um Daten, die erstellt werden müssen und dann übergeben werden. Das heißt, es wird neue Datenmodelle geben. Der Architekt bzw. die Architektin liefert viele Daten aus der Planung und aus den Architekturdaten werden Fertigungsdaten. Und hier an der Universität ist das sehr praktisch, denn wir haben hier alles unter einem Dach, das ist in einem Werk natürlich nicht so. Wenn die Fertigung komplexer wird, dann wird man sich fragen, wie die digitalen Informationen auf die Baustelle kommen. Ich denke, dass ist aber besser als die Schlange an Betonwägen auf den Baustellen.

SP: Um in die breite Anwendung zu kommen, gilt es noch ein paar Hürden zu überwinden. Zum Einen braucht es BauherrInnen und PlanerInnen, die das Potenzial dieser Bauweise erkennen. Zum anderen muss es Firmen geben, die auf diese Technologie setzen und sich aus ihrem tradierten Geschäft nach draussen bewegen und etwas neues probieren möchten. Und es braucht einen Gesetzgeber, der die Randbedingungen schafft, die es leichter machen diese Dinge anzufordern und umzusetzen.

GAM: Welche Positionen werden derzeit von Bauwirtschaft und Gesetzgeber diesbezüglich vertreten?

SP: Beim Gesetzgeber taucht es langsam auf, dass wenn die ausgehandelten CO²-Emissionswerte nicht erreicht werden, Alternativen diskutiert werden müssen. In der Industrie bedarf es Überzeugungsarbeit. Aktuell reden wir mit vielen Firmen, wir wollen ja mit dem Projekt weiterarbeiten, und viele sehen zu diesem Zeitpunkt die kommerzielle Erfolgschance noch nicht. Das gilt es zu ändern.

GAM: Nun habt Ihr das Forschungsziel erreicht und der erste Prototyp einer Leichtbaudecke, der auf 3D-Druck beruht ist gefertig worden. Wie geht es für Euch weiter?

AT: Das Projekt wird sicherlich nicht in einer Schublade verschwinden. Die Technische Universität Graz bietet die ideale Infrastruktur, um etwas zu erfinden bzw. weiterzuentwickeln. Wir machen in jedem Fall damit weiter, weil wir glauben, dass es einen Impact hat und Nutzen stiftet.

SP: Das stimmt. Man kann hier an der TU Graz ganz andere Fragen stellen, unterschiedliche Methoden und Entwicklungen anbieten, und es braucht eine gut funktionierende Universität wie unsere im Hintergrund, sonst wären diese Ergebnisse nicht möglich.

AT: Den Prototyp, den wir gebaut haben, könnte man sofort auf der Baustelle einbauen. Es ist also nicht utopisch was wir tun. Wenn Georg von einer Revolution spricht, dann stimmt das.

GAM: Danke für das Gespräch!