Mit dem Stampflehm-Roboter auf die Baustelle

Er ist klimafreundlich, feuchteregulierend, wiederverwertbar, leicht
abbaubar und ein fast überall verfügbarer Rohstoff: Lehm. Als nachhaltig-
ökologischer Baustoff rückt er jetzt wieder in den Fokus. Wie
Stampflehmbauteile robotisch-gestützt hergestellt werden können,
untersucht die Technische Universität Braunschweig. In einem zuvor von der
Forschungsinitiative Zukunft Bau und nun von der Initiative GOLEHM
geförderten Projekt entwickeln die Braunschweiger Wissenschaftler*innen
diesen Prozess jetzt weiter, um die additive Fertigung direkt auf der
Baustelle einzusetzen.

Seit Jahrtausenden werden Gebäude aus Lehm errichtet. „Dennoch kommt uns
Lehm wie ein neuer Baustoff vor. Das Wissen um verschiedene Bauweisen und
auch die Bauten selbst ist leider zum Teil in Vergessenheit geraten“, sagt
Joschua Gosslar. Der wissenschaftliche Mitarbeiter des Instituts für
Tragwerksentwurf (ITE) der TU Braunschweig möchte das traditionelle Wissen
zu den Lehmbauweisen nutzen und auf heutige Fertigungsmethoden anwenden.
Im Lehm sieht Gosslar viele Antworten für das Bauwesen, das einen Großteil
der weltweiten CO2-Emissionen verursacht, etwa bei der Herstellung von
Zement, Ziegelsteinen und Stahl. „Lehm ist unglaublich reversibel. Aus
Lehm hergestellte Bauteile in einem ‚Lehmhaus‘ kann man nach 100 Jahren
abreißen und im Garten verteilen oder umformen und ein neues Haus daraus
bauen.“

Vom Handstampfer zur Additiven Fertigung

Von den Baustellen ist Lehm unter anderem auch wegen des hohen Aufwands
verschwunden. So werden für ein Stampflehm-Haus viele helfende Hände
benötigt. Die alte Bautechnik basiert auf der schichtweisen Verdichtung
des Lehms in einer Schalung mit Hilfe eines handgeführten Holzstampfers.
Die Schalungstechnik ist inzwischen verbessert worden und automatische
Stampfer haben die Handstampfer ersetzt. Das Verfahren ist jedoch nach wie
vor manuell und dadurch im Vergleich zu anderen Baumaterialien und
-techniken eher unwirtschaftlich.

Joschua Gosslar selbst hat vor Kurzem die handwerkliche Ausbildung
„Fachkraft Lehmbau“ vom Dachverband Lehm abgeschlossen und unter anderem
am Aufbau eines Hochregallagers aus Stampflehm mitgearbeitet. „Stampflehm
ist ein extremes Luxusmaterial, obwohl der Lehm quasi nichts kostet und
fast überall vorhanden ist. Allerdings ist die Verarbeitung teuer. Rund
zwei Drittel der Kosten werden durch die Schalung verursacht, die sehr
robust sein muss, damit sie dem Stampfdruck standhält.“

Ganze Fertigungsschritte entfallen

Die digital gesteuerte Technologie der Additiven Fertigung, die das ITE
auch mit den Werkstoffen Beton und Stahl im Sonderforschungsbereich
„Additive Manufacturing in Construction“ (AMC) von TU Braunschweig und TU
München erforscht, könnte hier nicht nur für eine höhere Präzision und
gleichbleibende Qualität sorgen, sondern auch produktiver und damit
wirtschaftlicher sein. „Bei der Additiven Fertigung wird das Material
schichtweise aufgebaut, ohne vorangehenden Formenbau oder nachlaufende
Umformprozesse. Dadurch können ganze Fertigungsschritte wie das Ein- und
Ausschalen im Betonbau entfallen. Zudem sind völlig neue Formen möglich,
die das Material effizienter ausnutzen. Automatisierung und individuelle
Formgebung stellen somit keinen Widerspruch mehr für das Bauwesen dar und
die Additive Fertigung hat das Potenzial, die Zielstellungen von Ökonomie
und Ökologie zusammenzuführen“, erklärt Professor Harald Kloft, Leiter des
ITE und Sprecher des Sonderforschungsbereichs AMC. „Damit erleichtern wir
es auch Planer*innen, sich für nachhaltige Materialien und innovative
Bauweisen zu entscheiden.“

Stampflehm verdichten mit Roboter und Gleitschalung

Die Forschenden haben deshalb eine mitlaufende Schalung und ein
Verdichtungswerkzeug entwickelt, das robotisch betrieben wird. Die
Verdichtungseinheit besteht aus einer Rüttelplatte und pneumatischen
Stampfern, die mit dem Schalungselement mitfahren und sich Lage für Lage
hocharbeiten. Dafür kommt das Digital Building Fabrication Laboratory
(DBFL), der große 3D-Drucker des Instituts, zum Einsatz. „Das Tolle am
Stampflehm ist, dass man die Schalung sofort nach dem Verdichten entfernen
kann. Das Material muss für eine Anfangsfestigkeit nicht aushärten, wie
beispielsweise Beton. Deshalb sitzt die Schalung in unserem Projekt nur
dort, wo auch verdichtet wird und dann wird sie weitergeführt. Es ist also
eine aktive Gleitschalung“, erläutert der Lehmexperte.

Auf Basis dieser Vorarbeiten wollen die Wissenschaftler*innen im neuen
Projekt die robotische Stampflehmfabrikation für die Baustellenfertigung
weiterentwickeln. „Wir wollen das ganze Setup so reduzieren, dass es in
einem mobilen, digitalen Fertigungsprozess benutzt werden kann“, erklärt
Joschua Gosslar.
Unterstützt wird das Forschungsvorhaben von GOLEHM, einer Vereinigung, die
den Lehmbau wieder attraktiv machen möchte, indem sie die alten Techniken
bewahrt und mit innovativen Konzepten dem (Massiv-) Lehmbau eine Zukunft
gibt.

Mobile Produktionseinheit

Gemeinsam mit dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
und dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) will
das Institut für Tragwerksentwurf die Lehmbautechniken optimieren und eine
Roboter-Einheit schaffen, die vor Ort auf der Baustelle eingesetzt werden
kann. „Anstatt den Lehm vorzufertigen, soll lokales Material verwendet und
ein automatisierter Misch-, Förder- und Beschickungsprozess entwickelt
werden“, so Joschua Gosslar. „Einer der reizvollen Aspekte des Lehmbaus
ist, dass Lehm als Baumaterial vielerorts verfügbar ist. Im Gegensatz zu
Beton erfordert dieser Baustoff keine aufwendige Infrastruktur und kann
lokal abgebaut werden, ohne ihn über weite Strecken zu transportieren.“

Zunächst müssen die Wissenschaftler*innen nun die bewegliche
Produktionseinheit konzeptionieren: Herzstück wird ein mobiler 3-Achs-
Portal-Roboter sein, der von Baustelle zu Baustelle bewegt werden kann.
Hinzu kommen die Endeffektoren, sozusagen die Hände des Roboters, und eine
Materialbeschickungseinheit, damit der Baustoff ganz präzise aufgetragen
wird. Vor Ort soll außerdem das lokale Rohmaterial überprüft und optimiert
werden, damit aus dem Erdaushub nutzbares Baumaterial wird.

Am Ende des auf zwei Jahre angelegten Projekts soll ein Demonstrator
stehen, mit dem die Forschenden auch einen Teil eines Gebäudes errichten
wollen.

Projektdaten

Am Projekt zum mobilen, robotischen Stampflehm sind neben dem Institut für
Tragwerksentwurf der TU Braunschweig das Institut für Baustoffe, Massivbau
und Brandschutz (iBMB) und das Institut für Werkzeugmaschinen und
Fertigungstechnik (IWF) beteiligt. Das Vorhaben wird für zwei Jahre bis
November 2024 mit rund 400.000 über die GOLEHM-Initiative gefördert.

GOLEHM – Initiative für Lehmbau und nachhaltige Kreislaufwirtschaft

Das GOLEHM-Bündnis vereint aktive Partner aus Wissenschaft, Bauwirtschaft,
kommunalen Trägern und Gesellschaft, die sich für klimafreundliches,
nachhaltiges Bauen mit Lehm engagieren. GOLEHM wurde 2020 durch das
Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt, die Martin-
Luther-Universität Halle-Wittenberg und das Berliner Ingenieurbüro ZRSI
ins Leben gerufen. Mittlerweile ist das Netzwerk auf eine Vielzahl von
regionalen und überregionalen Akteur*innen aus diversen Kompetenzbereichen
angewachsen, die den Lehmbau weiterentwickeln und als klimafreundlichen
Baustoff zur breiten Marktanwendung bringen möchten. Im Rahmen mehrerer
inzwischen initiierter Projekte werden wichtige Grundlagen erforscht, um
den Baustoff Lehm aus der Nische zu holen.

Weitere Informationen:
www.golehm.de

Additive Fertigung im Bauwesen

Der Sonderforschungsbereich Transregio 277 Additive Manufacturing in
Construction (AMC) hat das Ziel, die Digitalisierung des Bauwesens
wesentlich mitzugestalten. Innerhalb der Ebenen Werkstoffe und Prozesse,
Computergestützte Modellierung und Steuerung und Planung und Konstruktion
erforscht der AMC das ressourcen- und energieeffiziente sowie nachhaltige,
recyclebare und digitale Bauen. Durch innovative 3D-Druckverfahren werden
Materialien, Prozesse und optimiertes Design völlig neu gedacht.

Weitere Informationen:
https://amc-trr277.de/