Eine der größten Herausforderungen für den Einsatz additiver Fertigung in der Baupraxis ist jedoch das Fehlen standardisierter Normen, Prüfverfahren und rechtlicher Rahmenbedingungen. Hier setzt das Projekt „Toplogieoptimierte Betondecke mit 3D gedruckter verlorener Schalung“ an, das im Sommersemester 2025 unter Leitung von Professor Stefan Schäfer und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Nikola Bisevac am Institut für Konstruktives Gestalten und Baukonstruktion (KGBauko) am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der TU Darmstadt gestartet wurde.

In enger Zusammenarbeit mit der Industrie wurde eine topologieoptimierte, freitragende Betondecke mit einer Spannweite von fünf Mal fünf Metern entwickelt und realisiert, die ähnlich wie ein Pilz mit einer zentralen Einzelstütze ausgeführt wurde. Eine Besonderheit lag in der vollständig 3D-gedruckten Betonschalung, die sowohl die komplexe Geometrie der Decke ermöglichte als auch eine präzise Umsetzung der topologieoptimierten Struktur sicher stellen konnte. Bei der Topologieoptimierung werden am Rechner – in diesem Fall unter Heranziehung topologieoptimierender Algorithmen – die optimale Gestalt (Topologie) und bestmögliche Materialverteilung eines Bauteils unter Belastung berechnet – ideale Voraussetzungen für ressourcenschonende und effiziente Konstruktion.

Für die Realisierung verfolgte das Projekt einen innovativen hybriden Ansatz: Eine 3D-gedruckte Schalung wird als verlorene Schalung – also als Form, die nach dem Betonieren nicht wieder entfernt wird – eingesetzt, zur Verstärkung mit konventionellem Bewehrungsstahl versehen und anschließend vor Ort mit Beton vergossen (Ortbeton). Dadurch entsteht ein tragfähiges Bauteil, das sowohl baurechtlich zulässig als auch technologisch innovativ ist. Die gedruckte Schalung erfüllt dabei mehrere Funktionen. Zum einen bildet sie die komplexe Rippengeometrie der Decke präzise ab und zeigte den inneren Kraftfluss der Struktur sichtbar auf. Zum anderen ermöglicht das additive Fertigungsverfahren die Realisierung von geometrisch anspruchsvollen Formen, die mit klassischen Schalungsmethoden weder wirtschaftlich noch technisch umsetzbar wären und damit in der gebauten Realität nicht vorkommen.

Durch den gezielten Materialeinsatz wird eine hohe Tragfähigkeit bei minimiertem Materialverbrauch und gleichzeitig geringstmöglichem Eigengewicht erreicht – ein Grundprinzip des topologieoptimierten Bauens. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung und Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks im Bauwesen.

Das Verfahren, das das Forschungsteam des KGBauko in dem kürzlich abgeschlossenen Projekt einsetzte, folgte einer digital durchgängigen Prozesskette von Entwurf und statischer Simulation bis zur Betonage und verzahnte Entwurf, Statik und Produktion. Begleitend fanden Belastungsversuche und Materialanalysen an der gegossenen Betondecke statt, um die Tragfähigkeit, das Verformungsverhalten und die Dauerhaftigkeit des Bauteils zu evaluieren. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen in zukünftige Forschungsprojekte sowie in mögliche Normungsprozesse für additive Bauverfahren einfließen. Die Forschungsergebnisse wirken mit bei der Entstehung einer neuen Generation von Betonstrukturen, die gestalterische Freiheit, technische Präzision und ökologische Verantwortung vereinen.

Das Projekt wurde unterstützt durch das Fachgebiet Stahlbau (Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der TU) und in enger Kooperation mit den Industriepartnern Sika Deutschland, Riedel Bau Gruppe und Staikos 3D durchgeführt.

Bisevac/Schäfer/sip