3D Ein Haus aus dem Drucker

Unternehmen fertigen im neuen Verfahren Bauteile und sogar ganze Gebäude. Das spart Material und schont die Umwelt, sagen Wissenschaftler.

Von Felicitas Witte

Zickzackförmig spritzt die Düse graue Würste aus, so als würde ein Bäcker eine überdimensionale Torte mit Zuckerguss verzieren. Die grauen Würste bestehen aber nicht aus Zucker, sondern aus Zement, Sand und Bauschutt, und sie bilden die Wände eines Hauses. Zickzack-Wurst auf Zickzack-Wurst spuckt der 150-Meter lange Drucker aus, und kurze Zeit später ist das graue Häuschen mit dem schwarzen Dach fertig. Vorbei die Zeiten, in denen man monatelang auf ein neues Heim warten musste - der Drucker der chinesischen Firma WinSun druckt zehn solcher 3-D-Häuser innerhalb von 24 Stunden. Und das auch noch nachhaltig, weil der Drucker Bauschutt von Baustellen oder Steinbrüchen verwendet, außerdem preiswerter: Nur 5000 US Dollar - 4260 Euro - sollen die jeweils 200 Quadratmeter großen Häuser gekostet haben.

Ungeahnte Möglichkeiten seien das, schwärmt die Firma, man könne schnell und günstig Wohnraum für viele Menschen drucken, zum Beispiel wenn eine Gegend durch Naturkatastrophen oder einen Krieg zerstört wurde. So wie das Vorzeigemodell der Firma, ein fünfstöckiges Wohnhaus im "Terracotta-Look", was das derzeit größte 3-D-Haus der Welt sein soll. Oder für Leute, die eine Villa haben wollen, sich aber keine leisten können: Das dritte und spektakulärste Projekt der Firma ist ein 365 Quadratmeter großes Herrschaftshaus, das an Südstaaten-Villen der USA erinnert, für umgerechnet 136 400 Euro.

2016 entstand in Peking das weltweit erste Haus, das vollständig am Ort gedruckt wurde. Die Druckzeit für die Villa betrug 45 Tage. Foto:

(Foto: Bian Peng/Imaginechina/AP)

"Bis man hierzulande ein komplettes Haus aus einem Guss drucken kann, wird es noch einige Jahre dauern", sagt Klaudius Henke, Architekt am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion der Technischen Uni München. 3-D habe aber Zukunft, ist sich Henke sicher. "Man spart Material, das kostet weniger und schont die Umwelt", sagt er. "Außerdem können wir beim Druck schon Dämmmaterial einbauen oder Schächte und Kanäle für Lüftung, Wasser und Strom, und man kann die Bauteile individuell gestalten."

Henke und sein Team versuchen, die perfekte Zusammensetzung von Beton zu finden. Als erstes Projekt entwickelten die Forscher einen Drucker, der im additiven Schichtbauverfahren Wandelemente druckte. Auch die chinesischen Häuser wurden nach diesem Prinzip gedruckt: Von einem Extruder - gesteuert von einem Roboterarm - wird der Beton Schicht für Schicht in Form von Würsten aufgebracht. Die Wandelemente kann man später auf der Baustelle zusammenstecken. In Henkes Druckertinte ist neben Zement und Wasser noch Holz. "Holz macht die Teile leichter, außerdem dämmt es die Wand", erklärt der Architekt. Das Holz habe allerdings einen Nachteil: "Holz und Zement vertragen sich nicht so gut", sagt er. "Der Zucker im Holz wird vom Wasser im Zement gelöst und es dauert länger, bis das Material erhärtet."

"Die Wand enthält Luftkammern zur Wärmedämmung, wie eine Kassetten-Daunendecke."

So verwendete das Team in einem nächsten Projekt kleine Blähglaskügelchen statt Holz. In einem dritten Projekt testeten die Forscher ein anderes Druckverfahren, das selektive Binden. Vereinfacht gesagt, wird zunächst eine dünne Schicht Sand gedruckt, dann wird in den Sand Zement und Wasser eingebracht. "Mit dem selektiven Binden gelingt es uns, auch Bauteile mit frei überbrückten Öffnungen zu drucken wie einen Türsturz", erklärt Henke. Mit einem vierten Projekt, eine Kooperation mit einer Firma aus Südtirol, wollen die Forscher im Oktober starten: Die Firma entwickelt einen großen Drucker, der Betonelemente in der Größe von vier mal zwei mal einen Meter drucken kann. "Wir nähern uns immer mehr dem kompletten 3-D-Haus", sagt er. "Ich glaube aber, es wird auch in Zukunft so sein, dass wir herkömmliche Techniken mit 3-D-Druck kombinieren, also zum Beispiel Außenwände im Würstchen-Verfahren aus Leichtbeton, Treppenelemente durch selektives Binden und die Decken wie bisher aus Stahlbeton oder Holz."

Schnell gebaut: Mit 3D-Druckern lassen sich in nur 24 Stunden einfache Behausungen bauen, wie zum Beispiel hier in Shanghai.

(Foto: Zuo An/Imaginechina)

Die tragenden Elemente seien nach wie vor ein Problem, sagt sein Kollege Moritz Mungenast von der Professur für Entwerfen und Gebäudehülle an der TU München. "Mit 3-D-Druck ist es bisher nicht gelungen, einen so stabilen Beton zu drucken, dass er auch hohe Zugkräfte aushält." In herkömmliche tragende Wände werden in den Beton daher Stahlmatten eingelassen, die sogenannte Bewehrung, das fertige Material heißt dann Stahlbeton.

Mungenast bezweifelt, dass ein 3-D-Drucker jemals Stahlbeton drucken könnte. "Das Stahlpulver muss man sehr stark erhitzen, für die Betonherstellung braucht man dagegen keine Hitze", sagt er. "Wenn man jetzt im Drucker das Stahlpulver stark erhitzt, wissen wir nicht, was das mit dem Beton macht." Er setzt stattdessen auf transparentes Kunststoffgranulat als Druckertinte.

"Heute ist eine Gebäudehülle meist schichtweise aufgebaut, etwa aus Beton oder Mauerwerk, Dämmmaterial, und Putz", sagt er. "Jede Schicht hat ihre Funktion. Mit Kunststoff kann ich aber alle Funktionen in einem Fassadenelement verbinden und weitere integrieren, zum Beispiel einen feststehenden Sonnenschutz." Sein Drucker druckt Kunststoffwände, die Licht hineinlassen wie eine Milchglaswand, bei denen man aber von außen nicht ins Innere schauen kann. So kommt im Winter Sonne durch, ohne dass man ständig geblendet wird. "Die Wand enthält auch Luftkammern zur Wärmedämmung", erklärt Mungenast. Die Oberfläche der Wand ist gewellt. "Ich kann die Wellen so drucken lassen, dass sie im Winter die Sonne reinlassen, aber im Sommer nur indirekt - damit es nicht total heiß wird." Die Wand lässt sich individuell gestalten. "Mancher möchte vielleicht schon ab Mai die Sonne raushaben, manche erst ab Juni. Und für Wände im Schlafzimmer würden wir Kunststoff nehmen, der nicht so viel Licht durchlässt."

Der Wettlaut hat begonnen: In vielen Ländern arbeiten Experten an neuen Druckverfahren

Auf dem Dach der TU steht ein Container als simuliertes Haus, in dem in Kürze Mungenasts erste Kunststoffwand getestet werden soll. Das Wandelement ist 2,80 Meter hoch und 1,60 breit - eine Standardgröße vieler Bürogebäude. Die Elemente bräuchte man später nur zusammenstecken. Geprüft werden soll, ob das Element die Sonne tatsächlich abhält wie programmiert und ob die Temperatur drinnen passt. In einer anderen Teststation mit einer simulierten Außentemperatur von minus fünf Grad wird der Dämmeffekt untersucht. Mungenasts Testwand besteht aus PET-G, das ist ein mit Glycol modifiziertes Polyethylenterephthalat, aber die nächsten Wände will er mit Polycarbonat drucken. "Das gibt es schon als Fassadenmaterial - das spart uns Arbeit", sagt er. "Es hat schon eine bauliche Zulassung und zum Beispiel schon den Brandschutz-Nachweis." Die Wände aus Kunststoff könnte man schreddern, wenn man umziehen möchte, weil sie nur aus einem Material bestehen. Aus dem geschredderten Granulat könnte man dann neue Wände drucken.

Bauteile aus dem 3D-Drucker: Die tragenden Elemente sind nach wie vor ein Problem.

(Foto: imago/Xinhua)

Langfristig möchte Mungenast aber statt dem ölbasierten Kunststoff biologische Reststoffe nützen, zum Beispiel aus Lignin, einem Abfallprodukt bei der Papierherstellung, oder Chitin vom Panzer von Meeresfrüchten. "Die Hersteller von Tiefkühl-Shrimps wissen nicht wohin mit dem Abfall", sagt er, "wir könnten die Panzer gut gebrauchen."

Im Vergleich zu anderen Industrien wird in der Bauwirtschaft noch vergleichsweise wenig mit in Serie hergestellten Teilen gearbeitet. "Häuser sind ja auch keine Massenware wie zum Beispiel Autos, bei denen ein Modell immer gleich aussieht", sagt Benjamin Dillenburger, Assistenzprofessor für Digitale Bautechnologien an der ETH Zürich. "Da ist es einfach, den Roboter zu programmieren." Dillenburger hat bei seinen Hausentwürfen seit Jahren gestört, dass er zwar am Computer schöne, verzierte Außenwände gestalten, die aber nie in die Realität umsetzen konnte. Seine Entwürfe, die an ausladende Ornamente in einer Barockkirche erinnern, hätte man mühsam mit der Hand herstellen müssen, und auch Robotern wäre es nicht gelungen, die komplizierten Formen auszuschneiden.

Als er vor einigen Jahren eine Firma in Augsburg fand, die ihm solche Wände druckt, kam Dillenburger seinem Traum näher. Für die Ausstellung "Printing the world" im Pariser Centre Pampidou entwarf er einen Raum, dessen Wände so aussehen wie eine Hochzeitstorte mit weißem Zuckerguss; die Elemente wurden aus Sandstein gedruckt und das Ganze weiß gestrichen. "Mit der Technik können wir jetzt zum ersten Mal auch tragende Bauteile drucken, und zwar in Kombination mit Beton", sagt er. "Dabei können wir die Teile so optimieren, dass Material nur dort gedruckt wird, wo es statisch erforderlich ist." In einem dreistöckigen 200 Quadratmeter großen Testhaus im Schweizerischen Dübendorf hat das Team eine Form für eine Betondecke gedruckt, die durch ihre optimierte Formgestaltung mehr als 50 Prozent Material spart.

Es mutet wie ein Wettlauf an, viele tüfteln am perfekten 3-D-Haus. So die Architekten mit dem Haus in Amsterdam mit 13 Zimmern, das genauso aussehen soll wie ein typisches Kanal-Haus. Oder der Amie-Pavillon in den USA mit Solarzellen im Dach, oder das "Büro der Zukunft", gedruckt in Shanghai und transportiert nach Dubai. Die Arbeitskosten hierfür sollen halb so hoch gewesen sein wie normalerweise, zudem soll ein Drittel weniger Werkstoffe verbraucht worden sein.

Das knallgelbe Apis-Cor-Haus südlich von Moskau soll dem "kompletten 3-D-Haus" bisher am nächsten kommen. Die Teile wurden komplett an Ort und Stelle gedruckt, im strengen Winter. In Dubai soll jetzt der erste 3-D-Wolkenkratzer gedruckt werden, und Saudi-Arabien soll für die nächsten fünf Jahre 1,5 Millionen 3-D-Häuser bestellt haben. "Man muss sich gut überlegen, ob es Sinn hat, alles zu drucken", sagt Dillenburger von der ETH Zürich. Aber die Mischung macht's - die Zukunft liegt für ihn im Hybrid-Haus.