Schaffe, schaffe, Häusle baue - aber ohne Stress: Einen Quadratmeter Mauer betoniert der 3-D-Drucker der Firma Peri innerhalb von fünf Minuten.
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Schaffe, schaffe, Häusle baue - aber ohne Stress: Einen Quadratmeter Mauer betoniert der 3-D-Drucker der Firma Peri innerhalb von fünf Minuten.

Bauen

Druckreife Architektur: Häuser aus dem 3D-Printer

  • Martin Brust
    vonMartin Brust
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Häuser, Brücken, Fassaden - die 3D-Technik digitalisiert die Baustellen: Statt mit Kelle und Mörtel entstehen Gebäude mit Laptop und Robotern. Die Frankfurter Rundschau stellt fünf Projekte vor.

Helm und Sicherheitsweste in grellen Leuchtfarben wird es wohl auch noch auf der Baustelle der Zukunft geben. Immer seltener aber möglicherweise Maurermeister mit Kelle und Wasserwaage. Statt dessen Ingenieure und Ingenieurinnen, die mit Laptops Roboter steuern. Zukunftsvision? Nein, schon Realität in Nordrhein-Westfalen und Bayern.

In Beckum, auf halber Strecke zwischen Ruhrgebiet und Bielefeld, ist im Oktober binnen weniger Tage der erste Rohbau aus dem 3D-Betondrucker entstanden. Im bayrischen Wallenhausen nahe Ulm ist seit Ende Oktober innerhalb von sieben Wochen ein Mehrfamilienhaus mit fünf Wohneinheiten gedruckt worden. Für das Erdgeschoss des dreistöckigen Gebäudes brauchte der knapp 20 Meter hohe 3D-Beton-Drucker knapp 24 Arbeitsstunden. Eine vier- bis fünfköpfige Maurerkolonne hätte vermutlich rund eine Woche geschafft.

Wenn die Technik sich durchsetzt, hat sie das Potenzial, im Bauwesen an die 200 Jahre Entwicklung aufzuholen. Diese Ansicht vertrat Harald Kloft, Professor am Institut für Tragwerksentwurf an der TU Braunschweig, Anfang Dezember auf einer Veranstaltung von Hessen Trade & Invest zum Thema 3D-Druck am Bau. Laut Kloft hat sich beim Rohbau in den vergangenen 100 bis 200 Jahren nur wenig grundlegend verändert. Maurer- oder Betonierkolonnen sind immer noch etwa so groß wie damals, Beton wird immer noch von oben in zuvor individuell hergestellte Formen aus Schalungswänden gekippt. Die 1912 erfundene Systemschalung wird in ihren Grundzügen noch heute unverändert verwendet.

3D-Druck ermöglicht neue Formen - und könnte ressourceneffizienter sein

Kloft zog den Vergleich zur Automobilproduktion, die von Robotern und hoher Automatisierung geprägt ist und sich nicht mehr vergleichen lässt mit der handwerklichen Herstellung zu Beginn des vorigen Jahrhunderts. „Digitalisierung am Bau gibt es nur in der Planung, sie endet auf der Baustelle“, so Kloft. Es sei eine der schlimmsten Aufgaben für Bauingenieure und Architekten, aus 3D-Modellen im Computer 2D-Pläne für die Baustelle zu erstellen.

Der Produktivitätsfortschritt, den die Autoindustrie erlebt hat, hat zu hohen Margen geführt und Mittel für Forschung und Entwicklung freigesetzt. Nicht so am Bau. Deshalb sieht Kloft im 3D-Druck „großes Potenzial zur Steigerung der Produktivität in der Bauwirtschaft“. Außerdem werden völlig neue architektonische Formen möglich, die derzeit nur mit hohem Aufwand, also unwirtschaftlich, gebaut werden können. Kloft nennt das „individualisiertes Bauen“. Zudem sieht er ein großes Potenzial für eine höhere Ressourceneffizienz, weil 3-D-Druck mit deutlich weniger Material auskomme als herkömmliche Bautechniken.

Macht der 3D-Druck von Häusern Arbeitsplätze überflüssig?

So könne etwa viel Stahl gespart werden, wenn die Armierung im Betoniervorgang direkt eingelegt werde – anstatt erst große selbsttragende Stahlarmierungen herzustellen, die dann mit Beton verfüllt werden. Im Braunschweiger Labor experimentieren Kloft und seine Studierenden auch schon mit Carbon als Armierungsmaterial oder mit robotisch verdichtetem Stampflehm. Aber das ist, im Gegensatz zu den 3D-Gebäuden in Beckum und Wallenhausen, nun wirklich noch Zukunftsmusik, zumindest in der praktischen Anwendung.

Natürlich stellt sich dabei auch die Frage nach den Arbeitsplätzen. Wenn für die Bedienung eines 3D-Betondruckers nur noch zwei Leute nötig sind – einer steuert das Gerät, der andere sorgt für den Materialfluss – sind das viel weniger als eine herkömmliche Betonierer-Kolonne. Aber: Gerade körperlich sehr anstrengende Berufe wie Maurer finden sowieso kaum noch Nachwuchs. Und: 3D-Drucker auf Baustellen sind so konstruiert, dass sie Menschen auf der Baustelle nicht in die Quere kommen. Die Spritzdüsen folgen festen Bahnen auf Schienen, vollführen also keine freien Bewegungen im Raum wie etwa die Roboterarme, die wir aus Automobilwerken kennen. Deshalb ist eine Kooperation mit Menschen, die einfache Tätigkeiten verrichten, wie etwa das Einlegen von Stahlbewehrungen in Beton, unproblematisch. Zudem eröffnen, so Kloft, die neuen Produktionsformen am Bau perspektivisch auch Chancen für neue Facharbeitsprofile.

Museumsfassade.

BASF: Fassade

Noch nicht ganz in trockenen Tüchern ist ein Projekt, das BASF 3D Printing Solutions am Deutschen Museum München plant. Bei dessen laufendem Umbau wird bis Ende 2021 ein Interimseingang geschaffen. Dort soll eine multifunktionale und lichtdurchlässige, drei Stockwerke hohe Fassade aus recycelbarem Plastik zum Einsatz kommen, für Material und Umsetzungen wäre die 2017 in Heidelberg gegründete BASF-Tochter zuständig. Die Fassade soll spektakuläres Gestaltungselement sein und zugleich Wärmedämmung, zudem durch ihre Wellenform selbsttätig für Verschattung sorgen und mit Luftkanälen die Ventilation sicherstellen. Selbst elektronische Elemente können integriert werden. Die geplante Fassade könnte eine Fläche von 600 bis 700 Quadratmetern haben, wäre 45 Meter lang und 15 Meter hoch.

Die BASF-3D-Tochter kooperiert auch mit Fensterhersteller Okalux, um individuell designte, 3D-gedruckte Kunststoffteile als Lamellen in Doppelglasfenster zu integrieren. Dort steuern sie Transparenz, Verschattung und Beleuchtung. Ein erstes Projekt soll im ersten Quartal 2021 realisiert werden.

TU Darmstadt: Brücke aus Stahl

„Die Pausen waren entscheidend für das Gelingen des Projektes“, so Thilo Feucht vom Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik an der TU Darmstadt über die „AM Bridge 2019“. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde dort eine Stahlbrücke von zwei Schweißrobotern gedruckt. Das ist technisch in der Senkrechten keine allzu große Sache, aber eine Brücke muss auch die horizontale Ebene überspannen. Die Schwierigkeit: Das verflüssigte Metall tropft nach unten weg, anstatt sich an die bereits gedruckte Struktur anzulagern. Das Darmstädter Forscherteam hat das Problem eben durch Pausen gelöst – anstatt eines anhaltenden Schweißvorgangs wurden ganz viele einzelne Schweißpunkte hintereinander gesetzt, mit kurzen Pausen. So konnte das Material aushärten und tropfte nicht. Es gelang, die Demonstrationsbrücke tatsächlich über Wasser aus Stahl zu drucken – das Forschungsobjekt war allerdings nur gut kniehoch, das überspannte Wasser ein gerade mal knapp zwei Meter breiter Graben. Aber die Brücke trug zwei Menschen zugleich. Auch beim Unternehmen MX3D in den Niederlanden wurde bereits eine ganze Brücke aus Stahl gedruckt, dort sogar in Dimensionen für einen realen Einsatz. Im Unterschied zum Forschungsprojekt an der TU Darmstadt besteht diese Brücke aus Einzelteilen, in der Werkhalle gedruckt und dann montiert. Sie hat 2019 einen Lasttest von 20 Tonnen bestanden und soll einmal einen der berühmten Amsterdamer Kanäle überspannen

Aus Sand gedruckt.

Sandhelden: Waschbecken

Ein Waschbecken aus Sand im 3D-Druckverfahren? Das Start-up Sandhelden aus Gersthofen bei Augsburg verkauft das als Luxusprodukt für mehr als 1300 Euro. Auch Badewannen, Kunstprojekte, Modelle oder Möbel stellt das Startup per 3D-Druck her. Das besondere neben dem Werkstoff Sand ist das Herstellungsverfahren. Beim normalen 3D-Druck wird das Druckmaterial per Düse in Strängen gespritzt. Die Sandhelden lassen ihre Objekte bei einen Dienstleister per Binder-Jetting-Verfahren im Sandbett drucken. Die rechteckige Druckkammer wird vollflächig mit Quarzsand gefüllt, dabei werden zwei Körner pro Schicht exakt aufeinander gelegt. Damit diese in der gewünschten Form zusammenhalten, wird ein Binder als Verklebung aufgetragen, dann der Druckrohling freigelegt und mit Luftdruck gesäubert. Waschbecken, Badewannen und andere Objekte, die mit Nässe in Berührung kommen, erhalten noch eine Beschichtung.

Die korngenaue Lagerung des Sandes erlaubt nach Unternehmensangaben sehr dünne und dennoch stabile Schichtstärken von 0,28 bis 0,38 Millimeter, je nach verwendeter Korngröße und Einsatzzweck. Sandhelden haben seit 2018 rund 800 Waschbecken verkauft. Die Technik erlaube komplexe Formen mit einer exklusiven Haptik, Kund:innen können sich ihre eigenen Waschbecken per Konfigurator in Stückzahl 1 produzieren lassen. Über eine Partnerschaft sind die Sandhelden in mehreren hundert Badausstellungen vertreten.

Peri GmbH: Ein- und Mehrfamilienhäuser

Das Wohnhaus in Beckum und das Mehrfamilienhaus in Wallenhausen wurden mit einem 3-D-Beton-Drucker der Peri-Tochter Cobod aus Dänemark hergestellt. Die Peri GmbH aus Weißenhorn bei Ulm zählt sich selbst zu den international größten Herstellern und Anbietern von Schalungs- und Gerüstsystemen. 9500 Beschäftigte in 60 Tochtergesellschaften und 160 Betriebsstätten erzielten 2019 einen Umsatz von fast 1,7 Milliarden Euro. Peri hat sich 2018 an der dänische Firma Cobod beteiligt. Peri macht sich mit der 3D-Technik keineswegs selbst Konkurrenz, sondern erweitert sein Angebot und erschließt sich neue Marktsegmente, so Unternehmenssprecher Markus Woehl. Auch mittels 3D-Drucker gebaute Gebäude brauchen beispielsweise fürs Verputzen und für Malerarbeiten noch Gerüste. Relativ kleine Gebäude wie das Einfamilienhaus in Beckum mit 80 Quadratmetern Grund- und 160 Quadratmetern Wohnfläche oder auch das Mehrfamilienhaus mit 380 Quadratmetern auf drei Etagen sind Marktsegmente, die bisher von Peri nicht bedient wurden, weil sie klassischerweise aus Ziegeln und Holz, nicht aus Beton hergestellt werden.

Mit Verkauf und Vermietung der 3D-Drucker erschließt sich das Unternehmen also neue Märkte, und die Nachfrage sei gut, so Woehl. Es gebe viele Anfragen und auch konkrete Gespräche über neue Projekte im kommenden Jahr. Mit den beiden jetzt gedruckten Gebäuden sammeln alle Beteiligten noch ihre Erfahrungen, weshalb Peri keine Angaben zu Kosten und Ressourceneffizienz macht. In Beckum wurde das Erdgeschoss in 50 Stunden binnen 15 Tagen gedruckt, beim ersten Stock ging es dann viel schneller: 40 Stunden in fünf Tagen. Mit herkömmlicher Maurertechnik hätte man einen vergleichbar großen Rohbau in ähnlicher Zeit schaffen können, dann aber nicht mit den auffällig gerundeten Ecken. Zudem gibt Peri an, der Drucker sei noch nicht mit Höchsttempo gelaufen.

Wohnzellen in China.

Winsun: Isolierzimmer für Coronapatient:innen

Das 2003 gegründete chinesische Unternehmen Winsun 3D ist weltweiter Vorreiter beim Einsatz der Drucktechnik für Häuser und hat seit 2008 etliche Projekte umgesetzt. Zu Beginn waren das produktionstechnisch und ästhetisch eher schlichte Objekte aus im Werk hergestellten Einzelteilen, die vor Ort montiert wurden. Diese Anfänge unterscheiden sich wenig von herkömmlichen Beton-Fertigteilen. 2014 druckte Winsun dann direkt auf der Baustelle zehn Häuser binnen 24 Stunden, nach eigenen Angaben aus recyceltem Material und zu weniger als 5000 Dollar je Haus. Auch eine 500 Meter lange Lärmschutzwand mit integrierten Pflanzkübeln kam aus Winsun-Druckern. Bei einer 1100 Quadratmeter großen Villa, die teilweise aus gedruckten Bauteilen gefertigt wurde, sollen die Einsparungen gegenüber herkömmlicher Bautechnik bei 30 Prozent Bauzeit, 40 Prozent Material und 80 Prozent Arbeitskosten gelegen haben.

Im Corona-Jahr hat Winsun seine Technologie genutzt, um mit zehn Quadratmeter großen Isolierzimmern inklusive Waschbereich auf sich aufmerksam zu machen, Dutzende dieser kleinen Beton-Container wurden in China, aber auch in Pakistan aufgestellt.