Das Haus aus dem Drucker

 

DIE VORUND NACHTEILE DES 3D-VERFAHRENS


Eine Vielzahl von Forschern und Architekten geht zwischenzeitlich dazu über, durch das neue 3D-Druckverfahren nicht nur einzelne Bauteile, sondern ganze Gebäude anzufertigen. Der entscheidende Vorteil: Auf diese Weise lässt sich eine Menge an Material sparen, was im Gegenzug die Umwelt schont.

 

Bereits im Jahre 2016 entstand in Peking das weltweit erste Haus, das vollständig am Ort gedruckt wurde. Die Druckzeit für diese Villa betrug gerade einmal 45 Tage.

Ungeahnte Möglichkeiten


Das 3D-Druckverfahren stellt man sich vor wie eine Gebäckspritze, mit der man mit Kreiseln und „Würsten“ einen Kuchen verziert. Der Drucker selbst besitzt eine Düse, die eine Mischung aus Zement, Sand und Bauschutt ausspuckt. Diese Mischung bildet zunächst die verschiedenen Wände in einem Haus. Kurze Zeit später ist das graue Haus mit dem schwarzen Dach fertig.


Ein Vorteil des ca. 150 Meter langen Druckers: Bauherren müssen bei diesem Verfahren nicht mehr Monate lang auf ihr neues Heim warten. Beispiel: die chinesische Firma WinSun. Mit dem neuen Verfahren druckt sie zehn solcher 3D-Häuser innerhalb von 24 Stunden. Gleichzeitig handelt es sich hierbei um ein nachhaltiges und damit Umwelt schonendes Verfahren, weil der Drucker sich mit Bauschutt füllen lässt, der von Baustellen oder Steinbrüchen stammt. Auch der Preis für ein z.B. 200 Quadratmeter großes Haus kann sich sehen lassen. Er liegt bei gerade einmal 5.000 US-Dollar oder umgerechnet ca. 4.300 Euro. Hinzu kommt, dass durch den 3D-Druck schnell und preiswert Wohnraum für eine Vielzahl von Menschen geschaffen werden kann, die ihr Hab und Gut durch einen Krieg oder durch eine Naturkatastrophe verloren haben.


3D: Ein Verfahren für Deutschland?


Betrachtet man die Aussage des Architekten am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion an der Technischen Universität in München, Herrn Klaudius Henke, dann „wird es noch einige Jahre dauern, bis man hierzulande ein komplettes Haus aus einem Guss drucken kann.“ Gleichzeitig weist Henke aber auch die entscheidenden Vorteile des neuen Verfahrens nicht von der Hand: „Materialersparnis, Kostenersparnis, Schonung der Umwelt.“ Den entscheidenden Vorteil sieht Henke aber in der Tatsache, „dass man bereits während des Drucks Dämmmaterial sowie Schächte und Kanäle für Lüftung, Wasser und Strom einbauen kann. Zudem lassen sich alle Bauteile individuell gestalten.“


Probleme bei diesem neuen Verfahren sind jedoch nach wie vor die tragenden Elemente. Den Forschern an der Uni München ist es bislang nicht gelungen, über das 3D-Druckverfahren einen so stabilen Beton zu drucken, der auch entsprechend hohe Zugkräfte aushält. Geht man nämlich von der herkömmlichen Bauweise aus, dann verwendet man für tragende Elemente Stahlbeton. Hierzu werden in die tragenden


Wände aus Beton Stahlmatten (sog. Bewehrung) eingelassen, die für eine hohe Standfestigkeit sorgen.

 
Das Problem: Kein 3D-Drucker ist heute in der Lage, Stahlbeton zu drucken. Dies liegt an dem Gemisch aus Stahlpulver und Beton. Damit Stahlpulver verarbeitet werden kann, muss man dieses erst einmal stark erhitzen. Die Betonherstellung hingegen benötigt selbst keine Hitze. Werden in dem neuen Verfahren Beton und Stahlpulver zusammen erhitzt, kann dies wiederum zu Schäden am Beton führen.


Erfolgreiche Forschung über mehrere Projektphasen


Von daher setzen die Forscher und Experten zwischenzeitlich auf transparentes Kunststoffgranulat als „Druckertinte“. Um gleichzeitig die perfekte Zusammensetzung von Beton zu finden,wurde ein Drucker entwickelt, der im „additiven Schichtbauverfahren“ Wandelemente druckt. Henke und sein Team erklären das dabei angewandte Verfahren: „Von einem so genannten Extruder, der von einem Roboterarm gesteuert wird, lässt man den Beton Schicht für Schicht in Form von "Würsten" aufbringen.“


Diese "Würste", die letztendlich die Wandelemente bilden, können dann im Anschluss auf der Baustelle zusammengesteckt werden. Die hierfür verwendete Druckertinte besteht dabei aus Zement, aus Wasser sowie aus Holz. Letzteres hat seinen Grund, wie Henke erläutert: „Holz macht die Teile leichter und sorgt gleichzeitig für Dämmung.“ Der Architekt sieht aber auch einen entscheidenden Nachteil bei der Verwendung von Holz:

„Holz und Zement vertragen sich nicht, da der Zucker im Holz vom Wasser im Zement gelöst wird. Dies führt dazu, dass es deutlich länger dauert, bis sich das Material erhärtet.“ Deshalb gingen Henke und sein Team dazu über, kleine Blähglaskügelchen

anstatt Holz zu verwenden. Den Vorteil sehen die Forscher darin, „dass die Wand auf diese Weise Luftkammern enthält, die der Wärmedämmung dienen sollen.“ Man erhält damit ein Material wie eine „Kassetten-Daunendecke“. Gleichzeitig testeten die Forscher ein anderes Druckverfahren für ihr drittes Projekt. Henke und sein Team nannten es „das

selektive Binden.“ Vereinfachte Erklärung der Experten: „Zunächst wird eine dünne Schicht Sand gedruckt, anschließend in den Sand Zement und Wasser eingebracht.“ Mit diesem selektiven Binden gelang es den Forschern an der Uni München, auch Bauteile mit frei überbrückten Öffnungen zu drucken (ähnlich wie bei einem Türsturz).


Eine weitere Projektforschung führten die Architekten in Kooperation mit einem Unternehmen aus Südtirol durch. Man setzte dabei auf die Entwicklung eines großen Druckers, der „Betonelemente in der Größe von vier mal zwei Meter drucken kann.“ Auf diese Weise näherten sich die Forscher mehr und mehr dem kompletten 3D-Haus. Die Forscher sind sich damit sicher und einig, dass die Zukunft in der Kombination von herkömmlichen Techniken und dem 3D-Druck bestehen wird. Henke: „Die Außenwände entstehen dann z.B. im "Würstchen"-Verfahren aus Leichtbeton, Treppenelemente

hingegen durch selektives Binden. Decken werden wie bisher weiter aus Stahlbeton oder Holz gefertigt.“


3D-Druck stößt zwischenzeitlich auf länderübergreifendes Interesse


Ein weiterer Forscher ist Benjamin Dillenburger, Assistenzprofessor für Digitale Bautechnologien an der ETH in Zürich. Ihn störte in der Vergangenheit, dass sich seine Hausentwürfe, die an ausladende Ornamente in einer Barockkirche erinnern, zwar am Computer schön gestalten ließen, eine Umsetzung in die Realität aber nicht möglich war. Selbst modernen Robotern war es nicht gelungen, derartige komplizierte Formen

auszuschneiden, so dass man die Teile weiterhin mit der Hand herstellen musste. Er kam jedoch seinem Traum näher, in dem er ein Unternehmenin Augsburg fand, das in der Lage war, solche Wände zu drucken.

 

 

Auf diese Weise gelang es ihm, für die Ausstellung „Printing the world“ am Pariser Centre Pampidou einen Raum zu entwerfen, dessen Wände so aussahen wie eine Hochzeitstorte

mit weißem Zuckerguss. Die Elemente wurden dabei aus Sandstein gedruckt und das Ganze in Weiß gestrichen. Den Fortschritt erklärt Dillenburger mit folgenden Worten:
„Mithilfe der neuen Technik besteht nunmehr die Möglichkeit, erstmals auch tragende Bauteile in Kombination mit Beton zu drucken. Dabei lassen sich die Teile derart optimieren, dass das Material nur an der Stelle gedruckt wird, wo dieses statisch erforderlich ist.“


Der Erfolg des Forscherteams spricht für sich: In einem dreistöckigen 200 Quadratmeter großen Testhaus im Schweizerischen Dübendorf wurde eine Form für eine Betondecke gedruckt, bei der aufgrund der optimierten Formgestaltung über 50 % an Material eingespart wurden.


Der Wettlauf um das perfekte 3D-Haus

 

Insgesamt sind sich die Forscher ihres Erfolges sicher und sehen die Gesamtaspekte in einer Art Mischung, sprich das zukünftige Hybrid-Haus. Dabei sollte jedoch stets bedacht

werden, sich zu überlegen, ob es letztlich Sinn macht, eine gesamte Immobilie aus dem Drucker zu produzieren. Die Experten schildern hierfür einleuchtende Gründe: „Eine

Gebäudehülle ist schichtweise aufgebaut, bestehend aus Beton oder Mauerwerk, aus Dämmmaterial und Putz. Dabei hat jede Schicht ihre eigene Funktion.“

 
Mit Kunststoffgranulat als „Druckertinte“ lassen sich somit alle Funktionen in einem Fassadenelement verbinden. Hinzu kommt, dass sich auch weitere Elemente problemlos integrieren lassen (Beispiel: feststehender Sonnenschutz). Die Experten: „Zwischenzeitlich lassen sich Kunststoffwände drucken, die wie eine Art Milchglaswand Licht in die Räumlichkeiten lassen, bei denen man aber von außen nicht ins Innere sehen kann.“

 

Der Vorteil: Auch im Winter kommt hier die Sonne durch, ohne die Bewohner ständig zu blenden. Da die Wand durch ihre gewellte Oberfläche Luftkammern zur Wärmedämmung enthält, können die Forscher die Wellen so drucken, dass diese im Winter die Sonne reinlassen, im Sommer hingegen nur indirekt. Dies führt zu einer Hitzereduzierung im gesamten Haus. Die Wände im Schlafzimmer bestehen dagegen aus Kunststoff, um weniger Licht durchzulassen. Die Tests sprechen für sich: Ein Wandelement mit einer Höhe von 2,80 Meter und einer Breite von 1,60 Meter. Hierbei handelt es sich um eine Standardgröße, die die meisten Bürogebäude besitzen.

 

Geprüft wurde dabei, ob das Element die Sonne tatsächlich abhält, andererseits ob die Temperatur in den Innenräumen passt. Gleichzeitig wurde mit einer simulierten Außentemperatur von minus fünf Grad der Dämmeffekt untersucht. Moritz Mungenast, Professor für Entwerfen und Gebäudehülle an der TU München: „Die Testwand bestand aus PET-G. Das ist ein mit Glycol modifiziertes Polyethylenterephtalat.“ Die nächsten Wände will Mungenast allerdings mit Polycarbonat drucken. Den Grund dafür erklärt der Experte: „Polycarbonat gibt es bereits als Fassadenmaterial, besitzt bereits die bauliche

Zulassung und führt den Brandschutz-Nachweis.“


Gleichzeitig lässt sich auf diese Weise an den Umweltaspekt knüpfen. Denn Wände aus Kunststoff lassen sich für den Fall eines Umzuges schreddern, da sie lediglich aus einem Material bestehen. Das geschredderte Material lässt sich wieder verwenden: der Drucker kann damit wieder neue Wände drucken. Zusätzlicher Vorteil: Geschäftsraumbüros, die einen speziellen Zuschnitt für eine Branche haben, lassen sich schnell wieder in andere Bereiche umfunktionalisieren. Der Wettlauf hat begonnen.

 

(c) Autor Dietmar Kern

 

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