3D-Druck von Häusern

Marian Behaneck

Die additive Fertigung, auch „3D-Druck“ genannt, gehört zu den digitalen Schlüsseltechnologien. Im Flugzeug-, Fahrzeug- oder Maschinenbau sparen 3D-Druckbauteile schon seit Jahren Material, Gewicht und Kosten. Auch im Baubereich werden inzwischen Möbel, Fertigteile und sogar komplette Gebäude gedruckt – allerdings eher experimentell. Teilweise gibt es aber auch schon Pilotprojekte, wie etwa das Wohnhaus in Beckum oder ein Folgeprojekt in Wallenhausen bei Ulm, bei dem kürzlich ein Mehrfamilienhaus-Rohbau mit fünf Wohneinheiten innerhalb von 72 Stunden gedruckt wurde.

Ist Drucken das neue Bauen?

3D-Drucker sind von Programmen gesteuerte Roboter, die repetitive Arbeiten effizient erledigen können. Sie werden nie krank oder müde, arbeiten in stets gleichbleibender Qualität – sauber, exakt und schnell. Mit Programmen, CAD- oder BIM-Planungsdaten gefüttert, können sie Arbeiten fast völlig autonom erledigen. Sie brauchen keine Pläne, stattdessen übertragen sie Konstruktionsdaten quasi im Maßstab 1:1 direkt auf die Baustelle, digital und ohne Medienbrüche. Das verspricht rationellere und wirtschaftlichere Bauprozesse, mehr Präzision und weniger Fehler am Bau. Außerdem entlasten 3D-Drucker Bauarbeiter von monotonen, körperlich anstrengenden und teilweise gefährlichen Arbeiten. Planern und Kreativhandwerkern erschließt die additive Fertigung zudem neue Gestaltungsmöglichkeiten: So können mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht oder nur sehr aufwendig herzustellende Objekte mit weniger Personalaufwand realisiert werden. Mit 3D-Druckern lassen sich auch komplizierte Strukturen und Oberflächen wirtschaftlich herstellen.

Wie werden Häuser gedruckt?

Gebäude können sowohl in Einzelteilen in der Werkstatt gedruckt und anschließend nach dem Aushärten auf der Baustelle ähnlich wie ein Fertighaus zusammengesetzt werden. Oder der komplette Gebäude-Rohbau wird nach einem etwa einstündigen Aufbau der Anlage von zwei bis drei Bedienpersonen an Ort und Stelle in wenigen Wochen gedruckt. Dabei werden ein- oder mehrgeschossige Gebäude additiv aus fließfähigen, nach dem Erhärten statisch belastbaren Materialien Schicht für Schicht aufgebaut. Ist eine Schicht fertig, wird der Druckkopf angehoben, anschließend fährt er die Kontur erneut nach. Auf diese Weise entstehen schichtweise von unten nach oben alle Außen- und Innenwände inklusive aller Wandöffnungen.

Für den Hausdruck werden derzeit vor allem eigens dafür entwickelter Spezialbeton, aber auch Lehm und Schlamm, teilweise unter Zugabe von recycelten Materialien verwendet. Armieren lässt sich das Druckmaterial mit beigemengten Glasfasern, Strohhäckseln oder mit einer manuell eingebrachten Eisenbewehrung. Für die Wärmedämmung sorgt beispielsweise eine Dämmschüttung, die in eine zweischalige Außenwandkonstruktion nachträglich eingebracht wird und damit für eine Einhaltung von EnEV-, respektive GEG-Energiestandards sorgt. Die Wände können gleich geglättet und in einem nächsten, manuellen Arbeitsgang verputzt und gestrichen werden. Tragende horizontale Bauteile wie Decken oder Stürze können allerdings nicht oder nur sehr umständlich gedruckt werden. Deshalb kommen unterschiedliche Deckenkonstruktionen zum Einsatz, z. B. konventionelle Holzbalkendecken oder vorgefertigte, bewehrte Fertigbetonplatten mit bereits integrierten haustechnischen Installationen für Lüftung oder Elektro und einer Ortbetonschicht. Treppen werden entweder nachträglich aus Holz oder Stahl konventionell gefertigt und montiert oder als Betonfertigteile geliefert, weil der Druck und die Bewehrung der tragenden Treppenläufe zu aufwendig ist. Türen und Fenster werden konventionell eingebaut, wobei beim Einbau die drucker- und materialabhängigen Maßtoleranzen des Rohbaus berücksichtigt werden müssen.

Womit werden Häuser gedruckt?

Gebäudebauteile und erst recht komplette ein-, zwei- oder mehrstöckige Gebäude setzen große Bauräume voraus, die etwas größer sein müssen, als das zu fertigende Objekt. Deshalb ähneln für den Baubereich konzipierte 3D-Drucker häufig dreiachsigen Kran- oder Portalkran-Konstruktionen, mit einem an der „Laufkatze“ oder an Führungsstäben montierten Druckkopf. Daneben gibt es auch auf einer Autobetonpumpe basierende Konzepte, bei denen der Druckkopf mithilfe von Schrittmotoren und einer Steuerung möglichst präzise entlang einer vorgegebenen Kontur geführt wird.

Für den Fertigteil- oder Hausdruck eingesetzt werden auch Einarm-Roboter mit wenigen Metern Reichweite, die nur Teilbereiche drucken und anschließend versetzt werden müssen. Dafür können sie auch schräge Flächen drucken. Häufiger sind Krandrucker, die sich vor allem für runde Objekte mit einem Radius von etwa 7 m eignen sowie Portalkran-Konstruktionen mit Bauformaten von z. B. 15 x 10 m (B x H, bei beliebiger Länge). Gängige Druckgeschwindigkeiten liegen zwischen 25 und 100 cm pro Sekunde, die Druckkopf-Spurbreiten zwischen 3 bis 10 cm, die Schichtdicken betragen etwa 1 bis 3 cm. Die Oberflächenqualität hängt ab von den Fertigungstoleranzen des 3D-Druckers, der dreidimensionalen Druckerauflösung und vom Druckmaterial.

Was bedeutet das für Ausbaugewerke?

Die 3D-Drucktechnik bringt nicht nur für Rohbau-, sondern auch für Ausbaugewerke einige Änderungen mit sich. Einfacher wird es z. B. für das SHK- und Elektrohandwerk, weil nachträglich keine Wandschlitze oder Öffnungen mehr gestemmt werden müssen. Bereits während des Druckvorgangs können nicht nur Öffnungen für Fenster und Türen, sondern auch Durchbrüche, Aussparungen und Schlitze für später zu verlegende Leitungen und Anschlüsse für die Gebäudetechnik berücksichtigt werden. Auch Leerrohre können während des Druckvorgangs eingelegt und Kabelkanäle für die Elektrik mitgedruckt werden. Das gilt auch für den Innenausbau: So können etwa Unterkonstruktionen für Sanitärobjekte wie Badewannen mit dem Rohbau ebenso gedruckt werden wie alle Ausbauelemente: beispielsweise Tresen, Empfangstheken, Kücheninseln oder Wandregal-Wangen. Diese müssen anschließend nur noch mit einer Platte abgedeckt oder mit Fachböden versehen werden. Mindestdicken oder -stärken der Druckobjekte, Fertigungstoleranzen und Oberflächenqualitäten setzen dabei aber konstruktive Grenzen. Auch saubere Eckausbildungen sind fertigungsbedingt nicht möglich. Insbesondere Außenecken weisen stets einen Mindestradius auf, der etwa dem Radius der Druckkopfdüse entspricht.

Eine Bautechnik mit viel Potenzial

Der 3D-Druck von Gebäuden steht erst am Anfang. Das Potenzial und die Grenzen dieser Technik werden gerade erst ausgelotet. Welche Folgen der 3D-Druck für Bauprozesse, Baustellenabläufe und Berufsbilder haben wird, ist noch nicht absehbar. Die Fertigung eröffnet neue Kreativitätsfreiräume, minimiert den Personalaufwand und kann zur Ressourcenschonung beitragen, weil nur das für den Druck benötigte Material verbraucht wird. Außerdem können auch recycelte Baustoffe oder an Ort und Stelle vorhandene Materialien (z. B. Sand, Lehm oder Schlamm) verwendet werden. Der 3D-Hausdruck setzt allerdings eine ganzheitliche Betrachtung des Bauprozesses voraus sowie eine sorgfältige und kooperative Planung, die alle Gewerke früh einbindet.