3D-Drucktechnologie auf der Baustelle

War das Schlagwort „Digitalisierung“ für das Bauwesen lange schwammig, zeigen sich immer mehr ganz konkrete und wegweisende Anwendungen. Der 3D-Druck und die Robotik in der Vorfertigung gehören zweifelsohne dazu. Was genau steckt hinter diesen Technologien?

Wie funktioniert 3D-Druck im Bauwesen genau?

Das dreidimensionale Drucken findet beim Bau von Gebäuden in zwei Bereichen bereits Anwendung. Spektakulär – und mit ersten Beispielen in Deutschland auch dokumentiert – ist die komplette Fertigung eines Gebäudes auf der Baustelle. Dabei fahren auf langen, in der Höhe verfahrbaren Schienen befestigte Druckköpfe auf der vorbereiteten Bodenplatte den Grundriss des Gebäudes ab und bringen über eine spezielle Düse das Material auf. Durch das wiederholte Abfahren des Grundrisses wachsen die Wände automatisch in die Höhe. Je nach 3D-Druck-Anbieter können die Druckköpfe auch an großen Roboterarmen montiert sein. Als Material im Bauwesen kommt naturgemäß Beton zum Einsatz, der abgebunden die nötige Druckfestigkeit mitbringt.

Je schmaler der aufgebrachte Betonstrang (auch Filament genannt), desto feingliedriger das Bauteil und feinkörniger der Beton. Dabei lassen sich drei Kategorien unterscheiden:

• Feinfilamentablage: Filamentbreite bis 10 Millimeter
• Mittelfilamentablage: Filamentbreite bis 50 Millimeter
• Grobfilamentablage: Filamentbreite über 100 Millimeter

Bisher problemlos möglich ist das Drucken der Wände inklusive aller Versprünge und Aussparungen. Die nötigen Decken- und Dachelemente werden konventionell vorgefertigt und als Ganzes montiert. Für einen solchen 3D-Druck auf der Baustelle kommen die nötigen Daten und Anweisungen aus einem CAD- oder BIM-Programm, mit dem der Planer respektive Architekt das Objekt geplant hat.

Vorfertigung im Werk

Die zweite Möglichkeit, mit Hilfe des 3D-Drucks Gebäude zu errichten, ist die vollautomatisierte Produktion von Betonfertigteilen im Werk. Dabei drucken Industrieroboter in einer stationären Fertigungsanlage Fertigteile aus Beton, die dann per Tieflader auf die Baustelle transportiert und dort montiert werden können. Der Druckbereich ist vom jeweiligen Anbieter abhängig, hier sind zum Beispiel Größen von 10,0 x 10,0 x 3,0 m durchaus möglich. Interessant sind solche Fertigteil-Betondrucke vor allem für sehr komplexe Formen, für die eine konventionelle Schalung viel zu aufwändig und teuer wäre.

Die für 3D-Druck charakteristische Oberflächenstruktur, die an übereinandergeschichtete Knetmasse erinnert, können als gestalterisches Detail am Objekt sichtbar bleiben oder als mineralischer Untergrund für den abschließenden Putz dienen. Während der „Baustellendruck“ für jedes Objekt jeweils den Auf- und Abbau der Druckplattform erfordert, ist das Drucken im Werk logistisch natürlich einfacher. Allerdings kommen hier die Transportkosten für die Fertigelemente in die Kalkulation.

Wie sieht es mit der Statik aus?

Gedruckte Wände können sowohl als Massiv- als auch als unbewehrte Hohlwände hergestellt werden. Hohlwände wiederum lassen sich in den Varianten mit inneren Strukturen (wellenförmig) als Aussteifung oder als sogenannte „verlorene Schalung“ erstellen, die dann nachträglich bewehrt sowie wahlweise mit einer Schüttdämmung oder mit Beton verfüllt wird. Damit ist dann auch die Statik zu bewältigen: An belasteten oder hochbelasteten Bauteilen lässt sich durch eingebrachten Ortbeton die Tragfähigkeit als auch die Aussteifung des Bauteils auf die statischen Vorgaben erhöhen.

Einsparpotentiale überall

Experten versprechen sich vom 3D-Druck vor allem Einsparungen, und das auf fast allen Ebenen:

• Angesichts des Fachkräftemangels sind Techniken und Verfahren gefragt, die weniger personalintensiv sind und den Fachkräften die körperliche Arbeit abnimmt.
• Der gesamte Bauprozess wird automatisiert und optimiert. Das reduziert den Koordinationsaufwand, die Fehlerquote und damit teure Nacharbeiten.
• Durch die hohe Präzision der Filamentablage lassen sich hoch tragfähige Strukturen mit einem geringeren Materialeinsatz erstellen.
• Durch ebenjene Materialersparnis wird letztlich auch der Treibhausgasausstoß reduziert, denn letztlich wird immer noch Beton verbaut. Es laufen aber schon Versuche, den Einsatz von Zement im Allgemeinen durch andere Rohstoffe zu substituieren.
• 3D-Druck im Bauwesen reduziert den Abfall drastisch. Weltweit wird fast ein Drittel des anfallenden Abfalls von der Bauindustrie erzeugt. Nicht alles davon stammt aus Abrissen, auch laufende Baustellen sind in der Regel verschwenderisch. So ist es nicht unüblich, mehr Materialien als benötigt zu bestellen, was teuer und ineffizient ist. Im Gegensatz dazu kann der 3D-Druck den Abfall auf nahezu Null reduzieren, weil er nur das zum Drucken der Struktur erforderliche Material verwendet.

Weiterer, wesentlicher Vorteil ist die enorme Gestaltungsfreiheit für die Architekten. Die Realisierung von noch nie dagewesenen Formen, Oberflächen und Farben im Wohnungsbau ist nun ohne weiteres möglich.

Wo liegen die Chancen des 3D-Drucks?

Wie weit sich der 3D-Druck von Wohngebäuden durchsetzen wird, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. In vielen Ländern der Welt (etwa UK, USA, China) ist diese Art des Bauens schon viel weiter verbreitet, was vor allem an den nicht ganz so strengen Vorgaben und Regelungen dieser Länder zurück zu führen ist. China ist bei der Technik der absolute Vorreiter, vor drei Jahren gelang es, eine über 26 m lange und knapp 3 m breite Fußgängerbrücke als 3D-Druck herzustellen und in Betrieb zu nehmen.

In Mitteleuropa ist 3D-Gebäudedruck noch ein kleiner Nischenmarkt. Zwar sind dreidimensional gedruckte Häuser nicht minderwertig, sie können aber teilweise die Vorschriften der lokalen Gesetzgebungen noch nicht erfüllen. Ferner können 3D-Drucker zwar einzigartige und interessante Designs erzeugen, sofern dafür ein geeignetes Material verwendet wird. Bei Gebäuden, die im Materialmix entstehen sollen oder Elemente beinhalten, die im 3D-Druck nicht erzeugt werden können, stößt die Technologie an ihre Grenzen. Aber diese Grenzen sind schon in den letzten Jahren immer wieder überwunden worden. Gerade in Hinsicht auf die Umweltverträglichkeit und die steigenden Immobilienpreise ist davon auszugehen, dass sich die Gesetze auch im DACH-Raum Schritt für Schritt an diese neuartigen Lösungsansätze der Bauindustrie anpassen werden.