Der 3D-Druck im Hausbau: Eine zukunftsfähige Bauweise?
Der 3D-Druck findet in einer wachsenden Vielfalt an Sektoren und Bereichen immer häufiger Anwendung. Insbesondere im Bauwesen werden immer mehr die Vorteile der innovativen Technologie, auch additive Fertigung genannt, erkannt. So haben wir bereits etwa über Projekte wie das erste öffentlich geförderte Mehrfamilienhaus Deutschlands in Lünen, NRW, oder das größte 3D-gedruckte Gebäude Europas in Heidelberg berichtet. Doch trotz der Tatsache, dass die additive Fertigung zur Revolution herkömmlicher Bauweisen für viele Unternehmen eine vielversprechende Technologie zu sein scheint, steckt der 3D-Druck beim Hausbau noch in seinen Anfängen.
Wie werden Häuser 3D-gedruckt?
Die wohl bekannteste Vorgehensweise im 3D-Druck ist das Auftragen von Schichten übereinander bis man am Ende das gewünschte dreidimensionale Objekt erhält. Auch im 3D-Druck im Hausbau werden Gebäude üblicherweise auf diese Weise geschaffen. Dabei spritzt eine Druckdüse feine Betonlinien auf eine Bodenplatte, sodass schichtweise die Außen- und Innenwände entstehen. Folglich ist ein Großteil des Hauses mit Abschluss des Drucks bereits errichtet, wobei Fenster, Türen, Steckdosen und Hohlräume für Versorgungsleitungen oder Dämmmaterial erst nachträglich in das Bauwerk integriert werden. Die dafür nötigen Aussparungen werden vom 3D-Drucker auf Basis des zuvor erstellten Entwurfs berücksichtigt.
3D-Betondruck von PERI (Bild: PERI)
Material, Verfahren und Drucker
Die wohl am weitesten verbreitete Methode beim 3D-Druck im Hausbau ist das extrusionsbasierte Verfahren, auch Fused Deposition Modeling (FDM) genannt, welches sich insbesondere für den Bau größerer Häuser anbietet. Hierbei wird Baumaterial geschmolzen und durch Extrusion mit Hilfe einer Düse schichtweise aufgetragen. Üblicherweise werden hierfür Betonmischungen oder Mörtel verwendet. Dieses Verfahren zeichnet sich erstrangig durch seine geringen Kosten und Schnelligkeit aus. Eine weitere gängige Methode ist ein pulverbasiertes Verfahren, nämlich Binder Jetting. Hierbei wird Pulver, beispielsweise Betonpulver oder bestimmte Baustoffmischungen, als Baumaterial verwendet, das Schicht für Schicht aufgetragen und durch ein Bindemittel (Binder) verbunden wird. Nach Abschluss des Druckes wird das Objekt von überschüssigem Pulver befreit. Dieses Verfahren wird bei benötigter hoher Designfreiheit angewendet.
Des Weiteren ist das sogenannte Concrete Printing, auch unter dem Namen Gel-Extrusionsverfahren bekannt, eine weitere im Hausbau angewendete 3D-Druckmethode. Dabei wird eine dickflüssige Betonmischung mit Hilfe der Extrusion geschichtet, woraufhin das Objekt im Nachhinein aushärtet. Bei diesem Verfahren werden ebenfalls Betonmischungen angewendet, die sich jedoch von anderen dahingehend unterscheiden, dass sie oftmals zusätzlich mit Fasern zur Optimierung der Festigkeit versetzt werden. Dieses Verfahren hebt sich insbesondere durch die besonders hohe Kontrolle der Struktur von den anderen Methoden ab, aber auch die hohe Druckgeschwindigkeit und die hohe Präzision zeichnen diese Methode aus. Beim 3D-Druck im Hausbau können verschiedene Drucker verwendet werden, wie beispielsweise der Crane-Drucker des italienischen 3D-Druckherstellers WASP, welcher etwa mit Lehm oder Zement druckt sowie der BOD2 der Firma Cobod, welcher zur Einhaltung von Industriestandards in der Lage ist, mit einer Vielfalt an Materialien zu drucken. Obendrein lässt er sich für Projekte unterschiedlicher Größen und Formen konfigurieren.
Drucker von Cobod (Bild: Build-Ing)
Vorteile und Potentiale für die Zukunft
Der 3D-Druck im Hausbau birgt vielversprechende Vorteile im Vergleich zum herkömmlichen Gebäudebau. Die additive Fertigung im Bauwesen, die für gewöhnlich Häuser mit grauen Betonwänden und einer futuristischen Optik zum Ergebnis hat, zeichnet sich durch ihre Fülle an Freiheiten bezüglich der realisierbaren Formen und Gestaltungen aus. 3D-gedruckte Häuser können so etwa geschwungene Flächen, Kurven und abgerundete Ecken und Kanten aufweisen, die mit konventionellen Baumethoden nicht umsetzbar wären. Die Fassade bei Häusern dieser Bauart ist außerdem dafür bekannt, dass die einzeln gedruckten Betonlinien im fertigen Bauwerk deutlich erkennbar sind, wobei auch die Möglichkeit besteht, verschiedene Arten der Fassadengestaltung vorzunehmen, um etwa mit Holzverkleidungen eine ebenmäßigere Optik zu erreichen. Zudem lassen sich die 3D-gedruckten Bauten flexibel um Etagen erweitern und auch der Raumaufteilung sind keine Grenzen gesetzt. Über die gestalterischen Freiheiten hinaus lässt sich durch den 3D-Druck im Hausbau die Bauzeit enorm verringern, wie etwa bei dem ersten 3D-gedruckten Familienhaus Deutschlands in Beckum, wo der Druck lediglich eineinhalb Wochen in Anspruch nahm, während der Bau mit herkömmlichen Methoden doppelt so lange gedauert hätte.
Außerdem stellt diese Art des Hausbaus eine Lösung für den Fachkräftemangel dar, der in vielen Branchen vorhanden ist. Auf der Baustelle sind nämlich nur etwa drei bis vier Personen erforderlich, um zum Beispiel den Roboterarm des 3D-Druckers zu unterstützen und zu beaufsichtigen. Jedoch verändern sich Berufsbilder und -anforderungen in der Bauindustrie durch den 3D-Druck dahingehend, dass Mitarbeiter auf der Baustelle beispielsweise zunehmend mit Computern arbeiten. Wenn der 3D-Druck im Bauwesen in der Breite angewendet und 3D-gedruckte Gebäude in Serie entstehen würden, könnte dies obendrein einen kostensenkenden Effekt mit sich bringen durch die Reduktion von Arbeitern und verwendeten Materialien. Der 3D-Druck im Hausbau hat folglich das Potential, in Zukunft kostengünstiger als andere Methoden zu werden und zudem sogar für private Bauherren in Frage zu kommen.
Deutschlands erstes Haus aus dem 3D-Drucker in Beckum (Bild: Robert Szkudlarek)
Nachhaltigkeit der Bauweise mit 3D-Druck
Bezüglich des Nachhaltigkeitsaspekts lässt sich festhalten, dass der 3D-Druck im Hausbau zu einem effizienteren Einsatz der verwendeten Ressourcen beiträgt, da durch die computergesteuerte Planung und Umsetzung auf der Baustelle lediglich die Materialmenge verwendet wird, die tatsächlich benötigt wird. Dies führt zu einem geringeren Materialeinsatz als bei traditionellen Bauweisen, wo oftmals mehr Bauabfall anfällt aufgrund des Formens und Zusammenschneidens von Baumaterial. Auch die verwendeten Materialien selbst können umweltfreundlicher sein als herkömmlich verwendete Betonarten, wie beispielsweise beim Bau des größten 3D-gedruckten Gebäudes Europas in Heidelberg. Bei dem Projekt lieferte Heidelberg Materials mineralischen 3D-Druckbeton, der vollständig recycelbar ist und einen kleineren CO2-Fußabdruck hat.
Das Haus ließe sich in Zukunft folglich abreißen, schreddern und recyceln, sodass das Material wieder erneut für den 3D-Druck im Hausbau oder als Füllmaterial für Straßen genutzt werden könnte. Zudem besteht die Möglichkeit, mit recycelten oder recycelbaren natürlichen Dämmstoffen zu bauen, wie etwa beim 3D-gedruckten Haus in Beckum, wo Granulat aus Vulkangestein und zudem recyceltes Schaumglas zur Abdeckung verwendet wurde. Auch Voxeljet und Parastruct testen im Rahmen ihrer Partnerschaft den 3D-Druck mit Reststoffen aus der Bauindustrie, um Erkenntnisse für eine kreislauffähige Bauindustrie zu gewinnen. Mit Hilfe von Produktionsresten aus der Bauindustrie und einem mineralischen Binder gelang es ihnen, Formteile im 3D-Drucker zu produzieren. Diese lassen sich für Laminierverfahren und den Kaltguss von Beton und Keramik verwenden.
Europas größtes gedrucktes Wohnhaus (Bild: Heidelberg Materials)
Allerdings müssen die verwendeten Materialien so beschaffen sein, dass sie sich gut pumpen lassen. Es handelt sich bei diesen nicht um Standardmaterialien, die weiträumig verfügbar sind, weshalb die an sich nachhaltigen Materialien oftmals längere Transportwege zurücklegen müssen, bevor sie im 3D-Druck für den Hausbau auf der Baustelle eingesetzt werden können. In der Hinsicht tragen sie wiederum zu einer höheren CO2-Bilanz bei. Mit Sicherheit werden in den nächsten Jahren noch einige Anstrengungen seitens der Materialhersteller vorgenommen, um Materialien im Bau nachhaltiger zu gestalten und definierte Standards für nachhaltige Praktiken im 3D-Druck von Häusern festzusetzen. Jedoch müssten auch die Bedingungen geschaffen werden, die Produktion und den Verkauf umweltfreundlicher Materialien flächendeckend zu ermöglichen.
Um zur Nachhaltigkeit in der Bauindustrie beizutragen, muss außerdem dafür gesorgt werden, dass der 3D-Druck im Hausbau zur Errichtung standfester Gebäude beiträgt, die unterschiedlichen Witterungsbedingungen standhalten. Die bisherigen Projekte der deutschen Firma PERI zusammen mit Cobod beispielsweise deuten auf eine stabile und haltbare Bauweise hin, wobei sich handfeste Schlussfolgerungen zur Standfestigkeit 3D-gedruckter Häuser vermutlich erst in der Zukunft ziehen lassen. Eines lässt sich zumindest jetzt schon sagen, nämlich dass die Resistenz der Häuser gegenüber Umweltbedingungen von der Auswahl und Qualität des Baumaterials sowie der Einhaltung von Baustandards und der Konstruktionsweise abhängt.
Herausforderungen der Zertifizierung
Trotz der Vorteile des Einsatzes von 3D-Druck im Hausbau gibt es noch Herausforderungen, die es zu überkommen gilt, insbesondere in Bezug auf Zertifizierungen. Oftmals sind die bestehenden Vorschriften vieler Regionen nicht auf die additive Fertigungsbauweise zugeschnitten, weshalb es noch Bedarf bei der Entwicklung neuer Standards oder der Anpassung alter Standards gibt. Aufgrund der fehlenden einheitlichen Normen für den 3D-Druck von Gebäuden stellt sich die Zertifizierung 3D-gedruckter Bauprodukte- und Prozesse demnach als herausfordernd dar. Beispielsweise muss die Zulassung des Druckbetons für die Druckdüse zum Durchpressen häufig noch für jedes Haus neu beantragt werden, weil noch keine Standardzulassung vorliegt. Dies war beispielsweise beim Flüssigbeton des größten 3D-gedruckten Hauses in Europa in Heidelberg der Fall. Darüber hinaus müssen Fachleute geschult werden, um auf die sich verändernden Anforderungen durch den 3D-Druck im Bauwesen vorbereitet zu werden und die notwendigen Fähigkeiten zu erlangen. Hierzu müssten Fachkräfte wie Architekten und Bauingenieure anerkannte und zertifizierte Schulungen angeboten bekommen.
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*Titelbildnachweis: Land NRW
