3D-Druck - Chance der Unmöglichkeit?

Wie kann man günstiger und schneller bauen?

Der Ingenieur Chuck Hull erfand 1984 den ersten 3D-Drucker.

3D-Drucker

Aber was ist 3D-Druck eigentlich?

Es ist ein additives Druckverfahren für dreidimensionale Produkte. In einem CAD-Programm wird das Bauteil geplant, dann werden die Informationen an den Drucker gesendet. Danach wird in einzelnen Schichten das Objekt gedruckt. Diese Methodik ist interessant für die Herstellung von Prototypen, Modellen, Werkzeuge und Fertigteilen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren benötigt man keine aufwendigen Formen und Formwechsel mehr. Viele Arbeitsschritte entfallen. Komplizierte Geometrien sind möglich und es kann in Serie produziert werden. Insgesamt führen diese Vorteile zu einer energetisch günstigeren Produktion.

Diese Innovation lässt viele interessante Ansätze zu. Neben der Arbeit mit Kunststoff und Metallen können auch Tone, Wachse oder Harze benutzt werden.

Ein gutes Beispiel ist das Flugzeug. Ein höheres Gewicht bedeutet mehr Kerosin. Mit dem 3D Druck können geschwungene Strukturen jedoch viel leichter produziert werden. In der Medizin ist auch einiges möglich, zum Beispiel bei individuellen Prothesen. Die Industrie geht sogar so weit, dass auch schon Fleisch aus pflanzlichen Proteinen mit der Bissfestigkeit von echtem Fleisch gedruckt werden kann.

Gedruckte Prothesen aus dem 3D-Drucker

Ein bedeutender Schritt beim 3D Druck ist die Produktion vor Ort. Dadurch können weite Strecken gespart werden, weil nur die digitalen Informationen weitergeleitet werden.

Kann der 3D-Druck auch in der Baubranche eingesetzt werden? Wird dies das Bauwesen revolutionieren?

Der 3D-Druck ist in der Baubranche noch am Anfang. Es kann noch nicht vorhergesagt werden, wie sich dieser Trend in der Zukunft entwickeln wird.

Es gibt schon nachhaltigere Alternativen zum Baustoff Beton, wie Ton oder Lehm. Beim 3D-Druck wird der meistens flüssige Beton in Lagen aufgeschichtet. Das kann man sich wie bei einer Sahnetorte vorstellen, mit dem Druckknopf als Spritzbeutel. Es gibt schon einige Projekte, die im Bauwesen mit dem 3D-Drucker entstanden sind. Vorreiterländer sind China, Dubai und USA.

In Deutschland gibt es noch keine Normen und Standards für den 3D-Druck und daher noch wenige gedruckte Gebäude. Die TU München forscht allerdings seit Jahren an dieser Innovation. Daher wurde in Deutschland eine Baugenehmigung für zwei gedruckte Gebäude mit mehreren Stockwerken ausgestellt wurde.

In Beckum in Nordrhein-Westfalen entsteht das erste Einfamilienhaus mit zwei Geschossen. Insgesamt braucht es 100 Stunden Druckzeit.

In Wallenhausen in Bayern entsteht das erste Mehrfamilienhaus mit drei Stockwerken und insgesamt 380 m² Wohnfläche. Experten entwickelten einen Beton ausschließlich für den 3D-Druck.

Eine große Herausforderung ist hierbei die Zusammensetzung. Die Unternehmen halten die Rezeptur noch geheim. Der Beton muss einige Voraussetzungen erfüllen: Als Frischbeton soll er zum einen pumpfähig sein. Er muss eine gute Formgebung haben, um durch die Düsenöffnung gefördert zu werden. Die Zusammensetzung soll schnell erhärten, damit die Konstruktion nicht versagt, wenn eine neue Schicht auf den Wulst aufgetragen wird. Im Gegenzug dazu darf der Beton aber auch nicht zu schnell hart werden, weil sonst kein Verbund zu den unteren Schichten entsteht.

Sobald für den Beton die richtige Zusammensetzung gefunden wurde, wird auf einem Fundament der 3D-Drucker aufgeschraubt. Die Firma Peri hat sich dieser Aufgabe gestellt und einen Drucker entwickelt. Es ist ein Portalsystem mit verschiedenen Modulen, die individuell einstellbar sind. Die schnellste Geschwindigkeit ist ein Meter pro Sekunde. Damit aber gleichzeitig manuelle Arbeiten durchgeführt werden können, wird nur mit 25 Zentimeter pro Sekunde gedruckt, weshalb für einen Quadratmeter ungefähr fünf Minuten benötigt werden.

Die zusätzlichen Arbeiten sind zum Beispiel Fensteröffnungen oder die Elektronik, wie Steckdosen. Es werden dann keine durchgehenden Wände gedruckt, die zum Beispiel einheitlich 24 Zentimeter breit sind, sondern zwei individuelle Wände mit einer Breite von drei bis zehn Zentimetern, die eine Hohlwand bilden. Die Innenseite wird nicht komplett mit Beton gefüllt, sondern mit einem Dämmmaterial ergänzt. Das ist leichter und verbraucht weniger Material.

Wird der 3D-Druck die Baubranche revolutionieren?

In der Theorie gibt es viele Vorteile, weshalb sich der 3D-Druck in der Baubranche durchsetzen könnte.

Der 3D-Druck würde dem Fachkräftemangel entgegenwirken, weil viel weniger Fachkräfte gebraucht werden. Es gibt weniger Abfall, weil nur das wirklich benötigte Material verwendet wird. Jede Aussparung ist schon von Anfang an mit eingeplant.

Interessant dabei ist, dass auch recycelte Produkte verwendet werden können. In Italien gibt es das Unternehmen WASP. Anstelle von Beton arbeitet man hier mit natürlichem Schlamm. Als Beimischung werden Abfallprodukte aus der Reisherstellung genutzt. In Amsterdam gibt es die Idee, ein Grachtenhaus aus Biokunststoff zu drucken. Allgemein ist durch den 3D-Druck der Energieverbrauch auch geringer, weil zahlreiche Transportwege wegfallen, zum Beispiel der Rohstoffe und der Arbeiter.

Es sind individuelle Geometrien möglich. Herkömmliche Technologien können nicht so programmiert werden, denn es wird keine Schalung benötigt. Architekten können sich dadurch mehr ausleben.

Ist der 3D-Druck aber überhaupt möglich?

Die Hürden dieser Technologie überwiegen jedoch noch. Die Menschen müssen die 3D gedruckten Häuser erst noch akzeptieren. Sie sehen sehr speziell aus, mit den Wülsten an den Wänden. Dies wird wahrscheinlich noch dauern, wenn man andere Trends wie den Fertigteilbau betrachtet.

Die Technologie kommt teilweise an ihre Grenzen, weil nur bestimmte Materialien verwendet werden können. In den USA wird damit geworben, die Häuser in 24 Stunden herzustellen. Das betrifft allerdings nur die Wände und nicht die weiteren Installationen, wie z. B. den Innenausbau. Es dauert auch einige Zeit, bis der Drucker überhaupt aufgebaut und kalibriert ist.

In Krisengebieten wären 3D-Drucker vorteilhaft. Nach Naturkatastrophen könnte der Wiederaufbau schneller und kostengünstiger sein. Die Idee ist auch, dass in Entwicklungsländern mit Materialien vor Ort schneller und kostengünstiger gebaut werden könnte. In Ländern mit Krieg in der Nähe könnten schnell neue Gebäude erbaut werden, damit die Menschen nicht weit flüchten müssen und in ihrer Heimat bleiben können.

Allerdings kommen auch andere Hürden hinzu. Wie soll der 3D-Drucker transportiert werden? Gibt es überhaupt die richtigen Materialien vor Ort?

Ein weiteres Problem ist, dass bis jetzt nur vertikale Bauteile bzw. auf Druck beanspruchte Tragglieder erstellt werden können. Überall, wo Biege- oder Zugkräfte auftreten, wird es schwierig, die Bauteile zu drucken.

Ist der 3D-Druck auch wirklich so nachhaltig, wie die Unterstützer meinen? Während des Druckens werden die Abfälle minimiert, weil genau berechnet werden kann, was gebraucht wird. Allerdings benötigt man für den speziellen Druck auch viel mehr Zement, bei dessen Herstellung sehr viele Emissionen entstehen. Als Vergleich sind die schädlichen Emissionen sogar schlimmer als beim Flugverkehr. Beim 3D Beton wird ungefähr doppelt so viel Zement wie bei einem herkömmlichen Verbau aufgewendet.

Ergebnis

In der Zukunft kann nicht auf Beton verzichtet werden. Große Fundamente und Brücken beispielsweise werden noch länger auf diesen starken Baustoff zurückgreifen müssen. Die Vorteile des 3D Drucks sind in der Theorie nachvollziehbar, aber nicht ausreichend bewiesen.

Die Digitalisierung im Bauwesen kann natürlich damit vorangetrieben werden. Doch betrachtet man die Herausforderungen, zeigt sich bald, dass diese Arbeitsweise weiterhin kritisch betrachtet werden muss. In der Zukunft werden sich die Materialien im Bau verändern. Nachhaltigere Produkte, wie Lehm und Holz, müssen eingesetzt werden, damit die Klimakrise noch vermieden werden kann.

Fraglich ist auch das Aussehen des 3D Drucks. Natürlich ist es Ansichtssache, doch es ist nicht klar, wie ästhetisch die Konstruktion in zehn Jahren noch aussehen wird.

Es ist schwierig verlässliche Aussagen zu treffen, weil immer noch alles in den Kinderschuhen steckt und die Kostenrechnungen noch nicht veröffentlicht werden. Es gibt einfach noch nicht genug Erfahrung über gedruckte Häuser.

Trotzdem geht die Entwicklung immer weiter und es bleibt spannend. Vielleicht werden in der Zukunft auch nur einzelne Teile für die Baustelle in einem Werk gedruckt. Eine besonders spannende Innovation ist das Drucken auf dem Mars. Forscher haben dort Ton gefunden, mit dem man auch in den 3D-Druck gehen könnte.

3D-Druck auf dem Mars