Warum hat diese US-Universität 1,5 Millionen Dollar für einen Betondrucker ausgegeben?

Dr. Iris Rivero, zweite von links, mit dem kürzlich installierten COBD BOD3 3D-Betondrucker. (Bild: UF Herbert Wertheim College of Engineering)

Die große Einheit des in Dänemark ansässigen Unternehmens COBOD, einem Unternehmen für 3D-Baudrucktechnologie, kam letzten September aus Übersee an und die endgültige Installation sollte im Februar abgeschlossen sein.

Eine erste Demonstration des Portalsystems ist im Mai auf dem Campus geplant.

Die Technologie, die am Herbert Wertheim College of Engineering angesiedelt ist, soll Spitzenforschung in den Bereichen automatisierte Konstruktion, Materialwissenschaft und strukturelle Integrität ermöglichen.

Während die 3D-Drucktechnologie an amerikanischen Hochschulen ein weit verbreitetes Werkzeug ist, ist der Kauf der COBOD-Maschine durch die UF und die Pläne der Schule, groß angelegte Forschungsbauprojekte durchzuführen, aufgrund ihres Engagements und Ausmaßes einzigartig.

Construction Briefing traf sich mit Dr. Iris Rivero von der UF, die mehr über die Pläne der Schule für 3DCP erklärte.

Risikominimierung in der Branche für zukünftige Baufachleute

Der COBOD BOD3 wird an der University of Florida entladen. (Bild: UF Herbert Wertheim College of Engineering)

Dr. Rivero, Leiterin der Fakultät für Industrie- und Systemtechnik der University of California, sagte, der Drucker könne ein bahnbrechendes Werkzeug für die Branche sein. Sie sieht ihn als wichtigen Beitrag für Studierende, neue Technologien und die Branche insgesamt zu verstehen.

„Ich dachte immer, Universitäten seien der Ort, an dem man die Risiken seiner Technologie minimieren kann“, sagte Rivero. „Wir sind nicht hier, um Profit zu machen – wir wollen einen Prozess kennenlernen und ihn dann gemeinsam mit Unternehmen weiterentwickeln.“

Rivero verfügt über einen Hintergrund in intelligenter Fertigung und Qualitätskontrolle und entwickelt einen Forschungsansatz für den Einsatz von 3DCP in ihrer Abteilung. Eines der Hauptziele ihres Teams ist die Verbesserung der Qualitätssicherung im großformatigen additiven Bau.

„Mit diesem 3D-Drucker wollen wir zerstörungsfreie Methoden entwickeln, um die Qualität des Betons Schicht für Schicht oder alle paar Schichten zu beurteilen und so zu verstehen, wie sich die Struktur nach der Fertigstellung verhält“, erklärte Rivero. „Eine der größten Fragen beim 3D-Betondruck ist: Wie kann man sicherstellen, dass man etwas strukturell Solides gebaut hat, bevor es zu spät ist?“

„Wir müssen zerstörungsfreie Echtzeitmethoden entwickeln, um den Ablagerungsprozess zu beurteilen und etwaige Schwachstellen sofort und nicht erst im Nachhinein zu erkennen.“

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Durch die Einbettung von Sensoren und Echtzeit-Überwachungstools wollen die UF-Forscher laut Rivero das Verhalten des Materials während des Druckens verfolgen und potenzielle Fehler identifizieren, bevor diese die Struktur beeinträchtigen.

Die Aushärtezeit und die Ablagerungsrate von Beton stellen beim 3DCP eine Herausforderung dar, da Defekte möglicherweise erst Wochen nach dem Druck sichtbar werden. „Es dauert 28 bis 30 Tage, bis Beton vollständig ausgehärtet ist“, sagte Rivero. „Das ist ein großes Risiko für die Unternehmen und ein enormer Gewinnverlust, wenn die Parameter nach fünf Fuß Bauzeit nicht stimmen.“

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Materialformulierung und der Anpassungsfähigkeit an die Umwelt. Unterschiedliche Klimazonen, von feuchten Küstengebieten bis hin zu trockenen, ariden Regionen, erfordern unterschiedliche Betonzusammensetzungen. Laut Rivero arbeiten die interdisziplinären Teams der UF an regionalisierten Betonmischungen, die die Leistung je nach Standort optimieren.

„Hier arbeiten die Bauingenieurteams daran, Betonrezepturen an unterschiedliche Klimazonen anzupassen“, sagte sie. „In Florida braucht man etwas, das Feuchtigkeit und Hurrikanen standhält. In Arizona braucht man eine Mischung, die auch bei extremer Hitze mit minimalem Wasserverbrauch gut funktioniert.“

Bauanwendungen für den Klimawandel für 3DCP

Der COBOD BOD3 am Herbert Wertheim College of Engineering der University of Florida (Bild: University of Florida)

Rivero ist überzeugt, dass 3DCP nicht nur die vertikale Bauweise, sondern auch die horizontale Infrastruktur verändern kann, beispielsweise bei Straßenreparaturen und Küstenschutzprojekten. Die Technologie könnte Lösungen für den Wiederaufbau nach Hurrikans, den Erosionsschutz und die Reparatur abgelegener Infrastruktur bieten – Bereiche, in denen traditionelle Baumethoden an ihre Grenzen stoßen.

„Bei der Straßenreparatur sieht man davon einiges, bei Beton jedoch weniger“, bemerkte Rivero. „Wir können in einer kontrollierten Laborumgebung mit verschiedenen Rissarten und Materialablagerungstechniken experimentieren und diese Technologie dann in der Praxis anwenden.“

Ein wesentlicher Vorteil der Forschungsumgebung der UF ist die Möglichkeit, extreme Bedingungen zu simulieren und so wichtige Daten darüber zu liefern, wie 3D-gedruckte Strukturen Umweltbelastungen standhalten. „Wir können Strukturen im Hurrikanzentrum der UF unter realen Umweltbedingungen testen“, erklärte Rivero. „Wenn wir Deiche und städtische Infrastruktur entwickeln können, die Funktionalität mit architektonischem Design vereinen, können wir die Klimaresilienz verbessern.“

Rivero sieht eine Zukunft, in der automatisierte Betonierverfahren – möglicherweise unter Einbeziehung mobiler Roboter und Drohnen – in schwer zugänglichen Bereichen wie Küstengebieten, Brücken oder Autobahnen helfen könnten. „Wie können wir beispielsweise bei einer Überführung, die für Reparaturen schwer zugänglich ist, das effizient durchführen?“, fragt sie. „Wir können im Labor beginnen, unsere Methoden verfeinern und die Technologie dann in der Praxis anwenden. Vielleicht werden wir nicht immer Portalkrane einsetzen – vielleicht beinhalten zukünftige Lösungen stattdessen Drohnen oder mobile Roboter.“

Schweres Wetter: Der Klimawandel treibt die Nachfrage nach sturmsicheren, kugelsicheren Hütten an. Das in Virginia ansässige Off-Site-Bauunternehmen VFP ist auf die Herstellung kugelsicherer Betonhütten spezialisiert, die Tornados mit einer Bewertung von EF5 standhalten können.

Durch die Weiterentwicklung automatisierter Reparaturtechniken hoffen die Forscher der UF, Störungen der Verkehrsinfrastruktur zu minimieren und gleichzeitig Kosten und Materialverschwendung zu reduzieren. Ein mögliches langfristiges Ziel sei laut Rivero die Entwicklung mobiler 3D-Drucklösungen vor Ort, mit denen Straßen und Brücken repariert werden könnten, ohne dass Fahrbahnen für längere Zeit gesperrt werden müssten.

Mit neuer Bautechnologie ein Werk der Liebe schaffen

Dr. Iris Rivero bei der Ankunft des COBD BOD3-Druckers an der University of Florida. (Bild: UF Herbert Wertheim College of Engineering)

Neben den technologischen Fortschritten nutzt die UF den Drucker auch zur Ausbildung der nächsten Generation von Baufachleuten. Der BOD3-Drucker wird mit Unterstützung von Industriepartnern wie Autodesk in die Lehrpläne von Ingenieur-, Bau- und Materialwissenschaftsprogrammen integriert.

„Autodesk ist ein großartiger Partner bei der Entwicklung der Ausbildung zukünftiger Bauarbeiter“, so Rivero. „Wir müssen die Baubranche für die nächste Generation attraktiver machen und Technologien einführen, die sie sicherer und effizienter machen.“

Rivero sagte, das 3DCP-Programm der UF könne ein entscheidender Schritt zur Lösung des Arbeitskräftemangels in der Baubranche sein, die Schwierigkeiten habe, jüngere Arbeitskräfte zu gewinnen.

Durch die Integration von Robotik, Automatisierung und KI-gesteuerten Arbeitsabläufen in die Bauausbildung möchte die UF traditionelle Bauberufe modernisieren und Studierenden praktische Erfahrungen mit neuen Technologien ermöglichen. „Es geht nicht nur darum, Studierende für das Bauwesen zu begeistern – es geht darum, ihnen eine andere Art der Arbeit mit der gebauten Umwelt zu zeigen“, erklärte Rivero.

Derzeit wird der Drucker für ein vollmaßstäbliches Testgebäude auf dem Campus vorbereitet. Das Forschungsteam arbeitet außerdem mit Architekten zusammen, um neue Strukturformen und Oberflächen zu erforschen, die Ästhetik und Funktionalität vereinen.

„Vielleicht können wir tatsächlich ein umweltfreundlicheres Gebäude bauen“, schlug Rivero vor. „Vielleicht können wir es sowohl strukturell belastbar als auch optisch dynamisch gestalten.“

Für Rivero stellt das Projekt mehr als nur einen Fortschritt im 3D-Druck dar, es ist eine Blaupause für die Zukunft der Infrastruktur.

„Das ist Infrastruktur 5.0, mit einem Hauch von Fertigung“, sagte sie. „Wir müssen KI, Robotik und Automatisierung in den Prozess integrieren – nicht nur aus Effizienzgründen, sondern um unsere Bauweise völlig neu zu überdenken.“

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