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Was bis vor Kurzem noch wie Science-Fiction klang, kann der Baubranche ganz neue Möglichkeiten eröffnen: Das 3-D-Druckverfahren ist mittlerweile so weit entwickelt, dass damit bewohnbare Gebäude und begehbare Objekte gedruckt werden können. Noch befindet die Technologie sich in der Entwicklung, wurde aber bereits in verschiedenen Projekten erfolgreich angewendet. Wie ein Haus aus dem 3-D-Drucker entsteht und welche Chancen und Herausforderungen die Technologie bietet, erfahren Sie in diesem Artikel.

Unterschiede zwischen einem Haus aus dem 3-D-Drucker und konventioneller Bauweise

Ein gedrucktes Haus unterscheidet sich grundsätzlich von einem konventionell gebauten Gebäude.

  • Auf den ersten Blick erkennbar ist die besondere Ästhetik der Wände, denn der schichtweise Auftrag des Materials ist nicht nur während der Druckphase, sondern auch im Endergebnis zu sehen.
  • Charakteristisch können zudem die geschwungenen Formen der Wände sein, je nachdem, in welchem Stil das Gebäude errichtet wird.
  • Es gibt allerdings auch Besonderheiten eines im 3-D-Drucker entstandenen Gebäudes, die nicht sofort offensichtlich sind. Dazu gehört beispielsweise, dass ein Haus aus dem 3-D-Drucker schalungsfrei entsteht. Konventionelle Bauteile aus Beton werden in eine Schalung gegossen, die der flüssigen Masse Halt gibt, bis sie getrocknet und formstabil ist. Das ist beim 3-D-Betondruck nicht notwendig: Das Material härtet sehr schnell aus und weist gleichzeitig eine hohe Festigkeit auf, sodass keine Schalung verwendet werden muss.

Die Geschwindigkeit

Einer der größten Unterschiede zwischen konventioneller Bauweise und der 3-D-Drucktechnologie im Gebäudebau ist die Baugeschwindigkeit. Während im konventionellen Hausbau in der Regel mühsam Stein auf Stein von Menschenhand gesetzt wird, werden für ein Haus aus dem 3-D-Drucker lediglich zwei geschulte Mitarbeiter benötigt, um die Technik zu überwachen und Hilfestellung zu leisten. Die Druckgeschwindigkeit ist je nach Druckermodell unterschiedlich und reicht von etwa 25 Zentimetern bis zu einem Meter pro Sekunde. Das Bauverfahren wird zusätzlich dadurch beschleunigt, dass mehrere Arbeitsvorgänge bereits während des Drucks vorgenommen werden können. Nebengewerke, die normalerweise erst nach dem eigentlichen Bauvorgang tätig werden, können schon während des Druckprozesses zum Einsatz kommen. Dazu gehören beispielsweise folgende Tätigkeiten:

  • Luftschichtanker für die Dämmebene einsetzen
  • Lehrrohre ziehen und mit Dämmung beziehen
  • Elektroinstallationsdosen setzen

Zum Vergleich: Vier bis fünf Menschen benötigen normalerweise etwa eine Woche, um ein Stockwerk fertigzustellen. Ein 3-D-Drucker hingegen benötigt zwei Menschen zur Bedienung und etwa 20 Stunden reine Druckzeit für die Fertigstellung eines Stockwerks.

Der Kostenfaktor

Aufgrund der hohen Druckgeschwindigkeit ist ein Haus aus dem 3-D-Drucker kostengünstiger als ein herkömmlich gebautes Haus. Das liegt zum einen daran, dass weniger Arbeitskräfte benötigt werden, um den Bau zu beaufsichtigen. Zum anderen sind die Materialkosten etwas geringer als bei der herkömmlichen Bauweise, da vorab eine effiziente Planung der Ressourcen durchgeführt wird und beim Druckprozess weniger Abfälle entstehen. Die Kosten für technische Geräte sind dagegen höher als beim konventionellen Bau von Mauern. Insgesamt lassen sich derzeit mit einem Haus aus dem 3-D-Drucker im Vergleich zur konventionellen Bauweise etwa 25 %– 30 % Kosten sparen.

 Sicherheit

Ein weiterer Unterschied zwischen einem gedruckten Haus und einem aus konventioneller Bauweise liegt in der Sicherheit der Mitarbeiter. Arbeitnehmer in der Baubranche sind üblicherweise einem erhöhten Sicherheitsrisiko ausgesetzt, Verletzungen und Berufskrankheiten wie beispielsweise Bandscheibenvorfälle sind bei Bauarbeitern weit verbreitet. Beim Bau eines Hauses aus dem 3-D-Drucker besteht ein geringeres Risiko, einen Arbeitsunfall zu erleiden oder an einer durch schwere körperliche Arbeit verursachten Berufskrankheit zu erkranken. Das wiederum senkt ebenfalls die Kosten: Dem Arbeitgeber entstehen weniger Ausgaben für Versicherungen und Lohnfortzahlungen im Krankheitsfall.

Das 3-D-Druckverfahren ist nicht nur für den Bau von Wohnhäusern geeignet. Auch andere Formen, Objekte und Strukturen können mit der Technologie hergestellt werden, z. B. Kaminöfen, Brücken oder ausgefallene architektonische Designs, die bisher nur sehr aufwendig und daher kostspielig produziert werden konnten.

Welche Verfahren gibt es, um ein Haus aus dem 3-D-Drucker herzustellen?

Es gibt verschiedene Verfahren, Werkstoffe und Drucker, um ein Haus aus dem 3-D-Drucker zu fertigen. Die Drucker können unterschiedlich groß sein, haben optisch Ähnlichkeit mit einem Kran und werden zumeist an dem Ort installiert, an dem das Haus entstehen soll. Der Druck kann auch an einer anderen Produktionsstätte erfolgen: Dann werden die einzelnen Elemente nach Aushärtung des Materials an den Entstehungsort transportiert und dort zusammengesetzt. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass der Drucker das Material schichtweise in langsamen drehenden Bewegungen aufträgt.

Extrusionsverfahren

Das Extrusionsverfahren oder auch Fused Layer Modeling ist derzeit am weitesten verbreitet. Hierfür wird ein spezieller Beton eingesetzt, der über andere Eigenschaften als herkömmlicher Beton verfügt und daher eine ganz andere Arbeitsweise ermöglicht.

ExtrusionsverfahrenEigenschaften
Merkmale– schalungsfreie Bauweise
– schichtweiser, dreidimensionaler Aufbau
– keine geometrischen Kanten und Formen, abgerundetes Design  
Vorteile– das Verfahren zeichnet sich durch seine Schnelligkeit aus
– kostengünstig
– Durchbrüche oder Veränderung der Dichteeigenschaften jederzeit möglich  
Schwachstellen– damit die einzelnen Schichten aneinanderhaften, müssen sie aufeinandergepresst werden
– das kann zu Schwierigkeiten bei der Biegezugfestigkeit führen  

Selektives Binden

Das selektive Binden wird durch zwei Unterverfahren unterschieden:

VerfahrenMerkmale
Nassdrucken / Paste Intrusion– unterschiedliche Komponenten werden schichtweise übereinander aufgetragen, z. B. Sandstein auf Zementleimein
– guter Verbund zwischen den Elementen muss gewährleistet sein, um eine hohe Stabilität zu erzielen  
Selektive Aktivierung– schichtweiser Auftrag von Zement-Sand-Gemisch
– dort, wo das Material sich verfestigen soll, wird Wasser aufgesprüht (auch Schicht für Schicht)
– überschüssiges Material wird entfernt und für eine neue Druckstruktur verwendet (Entfernung z. B. mithilfe eines Saugers)  

Mit diesen Verfahren lassen sich komplexe geometrische Elemente herstellen, somit können auch ausgefallene architektonische Ideen umgesetzt werden. Da das ungebundene Trockenmaterial eine hohe stützende Wirkung aufweist, können mit dem selektiven Binden einfache Konstruktionen mit Hohlräumen hergestellt werden. Das Verfahren ist jedoch kostenintensiver als das Extrusionsverfahren. Zudem ist derzeit nicht abschließend geklärt, wie anfällig es auf unterschiedliche Witterungseinflüsse reagiert.

Beispiele für Häuser aus dem 3-D-Drucker

In verschiedenen Projekten weltweit wurden bereits Gebäude gedruckt. In Calverton, New York, wurde ein ca. 177 Quadratmeter großes Einfamilienhaus in nur acht Tagen errichtet. 48 Stunden reine Druckzeit benötigte der 3-D-Drucker, die Materialkosten beliefen sich auf weniger als 6.000 Dollar. Zum Vergleich: Selbst Fertighäuser nehmen normalerweise mehrere Monate Bauzeit in Anspruch.

Auch in Deutschland wurde bereits ein Haus gedruckt. 2020 entstand im nordrhein-westfälischen Beckum das erste Haus aus dem 3-D-Drucker: ein zweigeschossiges Einfamilienhaus mit etwa 160 Quadratmetern Wohnfläche. Als Dämmstoffe wurden ausschließlich nachhaltige Materialien verwendet. Da es derzeit noch keine einheitlichen Richtlinien für das Genehmigungsverfahren gibt, erteilte die nordrhein-westfälische Baubehörde dem Pilotprojekt eine Baugenehmigung im Einzelfall. Zusätzlich wurde das Projekt mit 200.000 Euro Fördergeld bezuschusst.

Kann ein Haus aus dem 3-D-Drucker nachhaltig gebaut werden?

Beton gehört nicht unbedingt zu den nachhaltigsten Materialien, da die Produktion enorm viel CO2 freisetzt. Dennoch ist der Bauprozess mit dem üblicherweise verwendeten Spezialbeton weitaus effizienter und produziert weniger Materialabfall als beim konventionellen Hausbau. Das Pilotprojekt in Beckum zeigt, dass durch die Auswahl von Komponenten, Materialien und die effiziente Bauweise bis zu 50 % an CO2 eingespart werden kann im Vergleich zum herkömmlichen Bau.

Besonders nachhaltig gebaut wird ein Haus aus dem 3-D-Drucker, wenn statt Beton, Glas oder Kunststoff ressourcenschonende Materialien, wie zum Beispiel Holz oder Erde verwendet werden. Das italienische Unternehmen WASP demonstriert mit seinem Projekt „Tecla“, dass ein Gebäude ausschließlich aus lokal verfügbaren Ressourcen gedruckt werden kann. In der italienischen Stadt Ravenna wurde in 200 Stunden Druckzeit der Prototyp eines Hauses aus 60 Kubikmetern Erde gebaut – ganz ohne den Einsatz anderer Materialien.

Herausforderungen des 3-D-Drucks im Städtebau

Häuser aus dem 3-D-Drucker haben nicht nur Vorteile. Welche Herausforderungen bringt die Technologie mit sich?

  • Umgang mit Fachwissen: Architekten haben bei einem Haus aus dem 3-D-Drucker größere Gestaltungsfreiheiten bei der Umsetzung von ausgefallenen Designs als beim konventionellen Bauen. Sie stehen allerdings auch vor einer besonderen Herausforderung, denn die neuen Werkstoffe zeichnen sich durch andere Eigenschaften und eine andere Tragfähigkeit als herkömmlicher Beton aus. Das macht die Arbeit für Architekten und Bauherren aufwendiger, denn sie müssen mit anderen als den bisherigen Zahlen rechnen und sich dieses neue Wissen zunächst einmal aneignen.
  • Skepsis in der Branche: Zudem ist bereits in der Planungsphase die interdisziplinäre Arbeit im Team gefragt, da Entscheidungen frühzeitig getroffen und alle Gewerke aufeinander abgestimmt werden müssen. Derzeit herrscht noch eine gewisse Skepsis in der Baubranche, was die Verwendung der Technologie und den damit einhergehenden Umgang mit neuen Daten angeht. Sobald die 3-D-Druck Technologie für den Einsatz im Städtebau populärer wird, ist jedoch davon auszugehen, dass sich dieses Fachwissen in der Baubranche etabliert.
  • Aktuelle Gesetzeslage in Deutschland: Die Gesetzeslage zur 3-D-Drucktechnologie zum Bau von Gebäuden ist derzeit nicht einheitlich geregelt, denn noch gibt es keine standardisierten Genehmigungsverfahren in Deutschland. Die größte Herausforderung besteht für die Branche aktuell deshalb darin, Normen und Standards zu etablieren, die den Bauaufsichtsbehörden die Erteilung von Zertifikaten erleichtern. Es gibt allerdings schon Förderprogramme: Das Ministerium für Heimat, Kommunales, Bau und Gleichstellung in Nordrhein-Westfalen hat ein Förderprogramm für digitales Bauen ins Leben gerufen, mit dem innovative Bautechnologien wie der Hausbau aus dem 3-D-Drucker unterstützt werden sollen.

Welche Auswirkungen könnte die 3-D-Drucktechnologie auf die Baubranche haben?

Vorausgesetzt, dass die Technologie sich etabliert, könnte sie an Veränderungen in der Bau- und Immobilienbranche, im Umweltschutz und der gesamten Gesellschaft beteiligt sein. Häuser aus dem 3-D-Drucker haben das Potenzial, wegweisend für die Entstehung neuer Berufsbilder zu sein. Wie Gebäude entstehen und wie auf Baustellen gearbeitet wird, könnte sich grundlegend ändern. Bauprojekte, die viel Zeit und Personal in Anspruch nehmen, könnten bald der Vergangenheit angehören.

  • Der Hausdruck wird vom Laptop aus gesteuert und überwacht. Das macht die Baubranche auch für die jüngere Generation attraktiv. Während bisher Muskelkraft und körperliche Belastungsfähigkeit wichtige Voraussetzungen waren, um auf einer Baustelle zu arbeiten, stehen bei einem Haus aus dem 3-D-Drucker technisches Verständnis und eine hohe fachliche Expertise im Vordergrund. Neue Berufsprofile im Bereich des Ingenieurwesens und der Architektur entstehen, das Verletzungsrisiko beim Hausbau sinkt – das macht eine Tätigkeit in der Baubranche für heranwachsende Generationen wieder attraktiver.
  • Wohnraum kann schneller und günstiger gebaut werden.
  • So entstehender, bezahlbarer Wohnraum könnte zu mehr Gerechtigkeit auf dem Wohnungsmarkt beitragen.
  • Auch außergewöhnliche Formen und Designs im Städtebau sind nicht mehr zwangsläufig mit hohen Kosten verbunden, sondern können schnell und vergleichsweise günstig entstehen.
  • Durch die Nachhaltigkeit der Bauweise werden Ressourcen geschont und der CO2Ausstoß verringert.

FAQ zum Haus aus dem 3-D-Drucker

Wie entsteht ein Haus aus dem 3-D-Drucker

In der Planungsphase werden zunächst virtuelle 3-D-Objekte mit CAD-Software entwickelt. Die Daten werden in ein STL-Format übersetzt und für die Fertigung an den 3-D-Drucker übermittelt. Der Drucker kann vor Ort aufgestellt werden, er trägt das Material schichtweise auf und kann selbst komplizierte architektonische Formen herstellen.

Welches Material wird für ein Haus aus dem 3-D-Drucker verwendet?

Für den Hausbau im 3-D-Druckverfahren wird am häufigsten ein speziell entwickelter Beton eingesetzt, der aus Sand, Zement, Wasser und weiteren Bestandteilen besteht. Der Spezialbeton kann mit verschiedenen Zusatzstoffen wie z. B. Kunststoffe (Thermoplasten, Elastomere), Edelmetalle (Titan, Edelstahl, Werkzeugstahl, Legierungen), Holz und Fasern versetzt werden, diese unterstützen das Material mit ihren jeweiligen Eigenschaften. Auch der Einsatz von ressourcenschonenden Materialien wird derzeit erforscht und stetig weiterentwickelt.

Welche Eigenschaften muss der Spezialbeton haben?

Der Beton muss über ganz andere Eigenschaften verfügen als herkömmlicher Beton:
·         Er muss schnell abbinden und formstabil sein, damit die nachfolgende Schicht zügig aufgetragen werden kann.
·         Gleichzeitig muss das Material nachgiebig genug sein, sodass sich die oberste mit der untersten Schicht verbinden kann und eine stabile Mauer entsteht.
·         Der Spezialbeton darf die Düse am Druckerkopf nicht verstopfen.
·         Das Material muss auf das jeweilige Druckermodell angepasst werden, damit alles reibungslos funktioniert.

Welche Chancen bietet der 3-D-Hausdruck?

Das 3-D-Druckverfahren könnte zukünftig eingesetzt werden, um schnell und kostengünstig Wohnraum zu schaffen, die Wohnungsnot in Ballungszentren könnte reduziert werden. Eine Anwendung im sozialen Wohnungsbau könnte einkommensschwächeren Menschen eine Perspektive auf bezahlbaren Wohnraum ermöglichen und Obdachlosigkeit verringern. Architekten sind mit der Technologie dazu in der Lage, innovative Designs und ausgefallene architektonische Konstruktionen zu verwirklichen und dadurch das konventionelle Stadtbild aufzulockern und zu verändern.

Welche Schwierigkeiten und Herausforderungen gibt es?

Derzeit gibt es für ein Haus aus dem 3-D-Drucker noch keine einheitliche Gesetzeslage für Baugenehmigungen in Deutschland. Standards für Auflagen müssen noch etabliert werden. Noch herrscht Skepsis in der Baubranche, das erforderliche Fachwissen muss vielerorts erst erworben werden. Zudem wird die Technologie stetig weiterentwickelt, die Forschung zu Materialien und Prozessen ist dynamisch.

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