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Der Häuserbau der Zukunft kommt ohne Bagger, Kran, Gerüst und Maurer aus. Große 3D-Drucker fertigen direkt an Ort und Stelle – das spart Zeit und Ressourcen. Ein Blick ins Ausland zeigt beeindruckende Beispiele.

 

Schicht für Schicht hatte der lange Roboterarm eines 3D-Druckers Spezialbeton übereinander gegossen, bis die fünf Vorzeigehäuschen im niederländischen Eindhoven ihre wohnliche Form angenommen hatten. Das Projekt „Milestone“ haben Forscher und Ingenieure des über 100-jährigen Familienunternehmens Van Wijnen, einer der größten Bau- und Projektentwicklungsfirmen der Niederlande, zusammen mit der Technischen Universität Eindhoven in Angriff genommen, um den künftigen Häuserbau ökonomischer und ökologischer zu gestalten.

Dabei unterliegt jedes der rundlichen Druckhäuschen den bestehenden Bauvorschriften und soll in Sachen Qualität, Gestaltung und Komfort, aber vor allem beim Preis, allen Anforderungen seiner neuen Bewohner gerecht werden. „Der Beton-3D-Druck ist in der Baubranche eine bahnbrechende Veränderung. Vor allem wegen seiner Nachhaltigkeit“, sagt Rudy van Gurp, Projektmanager bei Van Wijnen. „Es wird weniger Beton als sonst für den Bau von Häusern benötigt, wenn der 3D-Druck eingesetzt wird.“

Und das bedeutet am Ende auch weniger Zement und weniger CO2-Emissionen, die bei der Zementherstellung entstehen.

Weltweit werden digitale Bautechniken getestet, um das Bauen schneller und günstiger zu machen. Im Fokus stehen dabei riesige 3D-Druckroboter, die Schicht für Schicht Bauten in die Höhe wachsen lassen. Seit 2018 sind die ersten mobilen 3D-Baudrucker auf dem Markt, die direkt an Ort und Stelle ein Gebäude hochziehen.

Die neue Art des Bauens stellt auch neue Anforderungen an das Baumaterial: Universitäten testen rund um den Globus, wie Beton oder andere Mischmaterialien in der richtigen Zeit aushärten, um die nächsten Schichten des Druckers tragen zu können. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf recycelten und recyclingfähigen Baustoffen.

 

Digital gebaut geht’s schneller

„Beim 3D-Druck im Bau hinkt Deutschland hinterher“, erklärt Bruno Knychalla, 3D-Druck-Experte für Architektur bei der FIT Additive Manufacturing Group im oberpfälzischen Lupburg. Als Spezialist für Additive Fertigung sieht das Unternehmen enormes Potenzial für den 3D-Druck im Bereich der Architektur und arbeitet deshalb an speziellen Lösungen für die Bauindustrie.

Teils liege die Zurückhaltung hierzulande an der Vielfalt der unterschiedlichen Bauvorschriften, teils aber auch an der behäbigen Branche, die sich angesichts voller Auftragsbücher noch keinem Veränderungsdruck ausgesetzt sehe. Die Branche müsse dringend umdenken und sich die digitalen Möglichkeiten zunutze machen.

„Allerdings muss man diese Technologien gezielt in die Praxis pushen, wie es auch in anderen Ländern der Fall ist“, betont Knychalla, „andernfalls verlieren wir in Deutschland nicht nur ganz schnell den Anschluss, wir lassen uns auch eine Chance entgehen, jetzt und in kurzer Zeit einen großen Schritt in eine nachhaltige Zukunft zu gehen.“

Sogar das Bau-Planungstool BIM (Building Information Modeling), weltweiter Stand der Technik, bei dem alle am Bau Beteiligten ihre Daten in ein per 3D visualisiertes Modell in einer Cloud eingeben und gemeinsam daran arbeiten können, hat sich im deutschen Bausektor noch nicht vollständig etabliert. „Wir brauchen den 3D-Druck für Effizienz- und Produktivitätssteigungen der Baubranche, die sich derzeit noch auf dem Niveau der 70er-Jahre befindet“, sagt auch Viktor Mechtcherine, promovierter Ingenieur und Professor am Institut für Baustoffe der Technischen Universität Dresden.

Nicht nur, dass mit dieser Methode schneller gebaut werden kann, auch der zunehmende Mangel an qualifizierten Arbeitskräften auf den Baustellen ist damit kein Thema mehr, denn Druckroboter übernehmen die Arbeit.

 

Was kommt nach Pavillons und Prototypen?

Bei den meisten Gebäuden, die per 3D-Druck entstehen, handelt es sich noch um Pavillons oder Prototypen, „in den meisten Fällen aus Beton, aber auch aus anderen Werkstoffen wie Kunststoff, Stahl und Lehm“, erklärt Klaudius Henke, promovierter Ingenieur und Akademischer Rat am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion der Technischen Universität München (TUM).

„Der 3D-Druck hat vor allem dort Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungstechniken, wo es um individuell geformte Bauteile in kleinen Stückzahlen geht – im Bauwesen also, wo durch die Formfreiheit des 3D-Drucks Optimierung, Multifunktionalität und Anpassung an den Bestand erreicht werden können“, sagt er.

„Für die Technologie spricht nicht nur die Präzision und Flexibilität, vor allem die Zeit- und Materialersparnis macht die Verfahren lohnenswert“, ergänzt Viktor Mechtcherine. So könne auf die teure und materialintensive Schalung weitgehend verzichtet werden. Und auch fürs Bauen an entlegenen oder für den Menschen gefährlichen Orte eigne sich das Verfahren.

Nach Plänen der ESA sollen Roboter in naher Zukunft aus Mondsand Gebäude auf dem Erdtrabanten errichten. Für die Umwandlung des Sandes in eine gesteinsartige Materie sorgt die Beimischung eines Bindemittels auf der Basis von Magnesiumoxid.

 

24 Häuser in zehn Stunden

Ganz weit vorne in der neuen Art des Bauens ist die chinesische Baufirma Win Sun. Sie druckte schon vor fünf Jahren einzelne Teile und fügte diese dann zusammen. Mit der neuen Technik war es möglich, innerhalb von 24 Stunden gleich zehn Häuser zu bauen.

Nach dem gleichen Prinzip sind in den vergangenen Jahren mehrstöckige Wohnhäuser und individuelle Luxusvillen entstanden, wie auch das erste voll funktionsfähige Bürogebäude der Welt in Dubai. Im französischen Nantes zog im vergangenen Jahr erstmals eine Familie in  ein gedrucktes Haus ein. Der gesamte Bau dauerte 54 Stunden.

Für das Pilotprojekt „Yhnova“ mussten Architekten und Wissenschaftler des Institute of Technology der Universität Nantes zunächst ein Design erstellen und den Drucker entsprechend programmieren. Die Wände des Bungalows erstellte der Drucker Batiprint 3D dann direkt auf der Baustelle an den vorgesehenen Stellen.

Das funktionierte so: Ein Roboterarm fuhr die gespeicherten Koordinaten ab und presste über Düsen eine erhitzte Füllmasse Schicht für Schicht übereinander. So entstanden die Innen- und Außenseiten der Wände.

Der Hohlraum wurde anschließend mit Zement gefüllt. Lediglich Fenster, Türen und das Dach mussten noch von Handwerkern montiert werden.

Wie bereits in anderen Branchen bringt die Digitalisierung auch in der Baubranche neue Player ins Spiel. Hier gilt es für die etablierten Unternehmen, nicht ins Hintertreffen zu geraten. „Eine enge Einbindung der Maschinen- und Werkstoffentwicklung in die Bauplanung und -realisierung scheint mir für einen Erfolg unerlässlich“, erklärt Klaudius Henke von der TUM.

Aufstrebende Jungunternehmen wie die US-amerikanisch-russische Apis Cor oder das US-Startup ICON nutzen bereits die Chancen des digitalen Bauens: Apis Cor etwa fertigt mit einem selbst entwickelten 3D-Gebäudedrucker einen kompletten Rohbau an einem Tag. Das rund 38 Quadratmeter große Häuschen soll weniger als 10.000 Euro kosten.

Mit dem Baudrucker Vulcan II von ICON soll es ebenso schnell gehen. Kostenpunkt: 4.000 US-Dollar. Diese günstige Bauart eignet sich auch für den guten Zweck: Zusammen mit dem Designstudio Fuseproject aus San Francisco und der gemeinnützigen Organisation New Story will ICON damit die Obdachlosigkeit bekämpfen.

3D-Bauverfahren mit Beton

Extrusion: Ein vorgemischtes Material wird bei vorgegebenen Druckraten an spezifizierten Koordinaten durch eine Düse gepresst – möglichst kontinuierlich und mit nur wenigen Unterbrechungen. So werden scharfe Ecken und Kanten vermieden.

 

Selektive Bindung: Trockene Materialien wie Sand werden als dünne Schicht auf einer Plattform angeordnet und es wird ein Bindemittel oder Aktivator zugeführt. Dies wiederholt sich, das Druckelement wächst nach oben und wird von dem ungebundenen, trockenen Material getragen. Das Trockenmaterial wird später entfernt.

 

Alternative schichtweise Betonablage: Anders als beim Extrusionsverfahren findet bereits beim Düsenaustritt eine energiereiche Verdichtung durch Vibration oder Spritzen statt. So können Betonzusammensetzungen genutzt werden, die sich nicht für das Extrusionsverfahren eignen und die einen guten Verbund zwischen aufeinanderfolgenden Schichten sicherstellen.

 

Adaptive Gleitschalung: Die Schalung ist schmaler als bei der herkömmlichen Gleitschalung und während des Gleitvorgangs geometrisch anpassbar. Sie wird durch einen mehrachsigen Industrieroboter geführt und verändert. So werden material­optimierte, tragende Betonstrukturen hergestellt.