Das Konzept des Bauens durch 3D-Druck-Verfahren erobert nun sogar die Luft: Nach dem Vorbild von Biene, Schwalbe und Co haben Forscher fliegende 3D-Drucker entwickelt, die auf raffinierte Weise Strukturen errichten oder reparieren können. Die 3D-Druck-Drohnen könnten zukünftig an schwer zugänglichen oder gefährlichen Orten zum Einsatz kommen – etwa an hohen Gebäuden oder in Katastrophengebieten, sagen die Wissenschaftler.
Statt aus Ziegelsteinen werden Strukturen nach und nach aus Zement-Schichten hergestellt: Der 3D-Druck gewinnt auch in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl vor Ort als auch in der Fabrik drucken dabei stationäre oder mobile Robotersysteme bereits Elemente für den Einsatz in Bauprojekten. Mit speziellen Maschinen können mittlerweile sogar ganze Häuser im 3D-Druck-Verfahren aufgebaut werden. Diese Systeme müssen allerdings größer sein als die zu errichtende Struktur, wodurch ihre Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt sind. Die 3D-Druck-Baumeister der Natur sind hingegen deutlich flexibler: Biene, Schwalbe und Co können zu ihren Baustellen fliegen, um dort nach und nach komplexe Strukturen aus aufgetragenen Material-Schichten zu errichten.
Nach dem Vorbild von Biene und Co
Von diesen natürlichen Vorbildern ließen sich die Wissenschaftler um Ketao Zhang vom Imperial College London bei ihrer Entwicklung inspirieren: Sie haben ein Konzept aus kooperativ arbeitenden Flugrobotern entwickelt, das einen Einsatz der 3D-Druck-Technik über die Luft ermöglicht. Das „Aerial Additive Manufacturing“ (Aerial-AM) genannte System umfasst dabei zwei Einheiten: „BuilDrones“, die während des Fluges Baumaterial an den vorgesehenen Stellen auftragen, und „ScanDrones“, die der Kontrolle des Ablaufs dienen. Sie erfassen kontinuierlich den Fortschritt der BuilDrones und geben ihnen die weiteren Fertigungsschritte vor. Beide Einheiten agieren autonom, zusätzlich überwacht aber auch ein Mensch den Prozess und kann auf der Grundlage der von den Drohnen gelieferten Informationen bei Bedarf Anpassungen vornehmen.
3D-Druck-Technik mit einem fliegenden Roboter zu verbinden, war allerdings eine knifflige Aufgabe. Eine der größten Herausforderungen war es, Präzision beim Druck im Schwebemodus zu erreichen. Denn um eine stabile Struktur aufzubauen, müssen die Zementlagen genau übereinander aufgetragen werden. Doch Drohnen verdriften im Schwebeflug leicht – vor allem bei den Luftbewegungen im Freiland. Die Forscher entwickelten deshalb einen Druckkopf, der durch eine raffinierte Aufhängung unter der Drohne angebracht ist. Das System kann dabei die leichten Störbewegungen des Fluggeräts während des Druckvorgangs kompensieren.
Präzise Bauarbeiten im Schwebeflug
Auf diese Weise kann eine millimetergenaue Applikation des Druckmaterials gewährleistet werden, berichten die Wissenschaftler. Es wird dabei in Form einer Wurst aufgetragen und härtet anschließend aus. Nachdem die BuilDrones ihren Speicherinhalt aufgetragen haben, fliegen sie zu einem Vorrat, um für Nachschub zu sorgen – ähnlich wie eine Biene, die sich neues Baumaterial für den Wabenbau besorgt. Das Team entwickelte auch spezielle Baumaterialien, die für ihr Konzept besonders gut geeignet erscheinen. Zu Demonstrationszwecken errichteten die Wissenschaftler mit ihren 3D-Druck-Drohnen erfolgreich einen rund zwei Meter hohen Zylinder aus 72 Schichten eines Schaumstoffs und einen 18 Zentimeter hohen Zylinder aus 28 Schichten eines eigens entwickelten Zement-artigen Materials.
„Zumindest im Labor haben wir bereits gezeigt, dass unsere Drohnen autonom arbeiten können, um Gebäude zu errichten und zu reparieren“, sagt Seniorautor Mirko Kovac vom Imperial College und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf . Die Ergebnisse erscheinen dabei vielversprechend im Hinblick auf einen Einsatz in der Baupraxis. Der besondere Vorteil des Konzepts ist dabei die Mobilität. “Diese skalierbare Lösung könnte das Bauen und Reparieren in schwer zugänglichen Bereichen erleichtern“, so Kovac. So ließen sich die Drohnen etwa in Katastrophengebieten oder Bergformationen einsetzen. Auch Gebäudestrukturen könnten in luftiger Höhe ohne Baugerüste erstellt oder repariert werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre Technologie in einigen Fällen Kosteneinsparungen und geringere Risiken im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ermöglichen kann. Gemeinsam mit Bauunternehmen wollen sie die Anwendungsmöglichkeiten des Systems nun weiter ausloten und die Verfahren weiterentwickeln.
Quelle: Imperial College London, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05247-2
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