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3D-Drucker sind mittlerweile bekannter, als die frühen Nadeldrucker. In Supermärkten, Souvenir- und Hobbyläden kann können alle von sich ein 3D-Model drucken lassen und als kleine Statuette verschenken. Viele besitzen schon kostengünstige 3D-Drucker und modellieren in Heimarbeit kleine selbst entwickelte Modelle und Kunstwerke. Doch vor allem in der Industrie, der Hochtechnologie und der Medizin sind 3D-Drucker inzwischen schon überall dort gebräuchlich, wo es auf Genauigkeit und Schnelligkeit geht. Im Bioprinting drucken Forscher Blutgefäße oder produzieren sogar 3D-Gerüste für besseres Zellwachstum. Sogar die Nahrungsindustrie erprobt die Herstellung eines 3D-gedruckten Käses. Nichts scheint also unmöglich zu sein.

Doch ganze Gebäude? Inzwischen gibt es viele Ideen und Erfindungen, wie nicht nur einzelne Elemente oder Wände in 3D-Druckern entstehen können, sondern tatsächlich ganze Gebäude. Von der CAD-Konstruktion bis zur Druckerdüse. Wenn äußerst komplizierte medizinische Prothesen so hergestellt werden können, selbst filigranste Bauteile für optische Geräte und feinmechanische Werkzeuge, warum dann nicht auch etwas gröberes und größeres, wie ein Einfamilienhaus?

Bisher standen Technik und Mechanik immer vor dem Problem, das, was im Großen funktioniert, auch im kleineren Bereich zu ermöglichen. Hier ist es einmal umgekehrt. Und die Ideen, wie diese Möglichkeiten effektiv eingesetzt werden können, sind mannigfaltig. Eine große Herausforderung liegt hier im Material. Eine überdimensionale Spritzdüse herzustellen, die an Kränen, Angeln und Laufbänder genau dort Beton ablaufen lässt, liegt nicht außerhalb unserer Vorstellungskraft. Ein Beton aber, der flüssig genug für die Düsen ist, dann aber schnell genug trocknet, um Türeingänge und Fenster freizulassen, ist etwas für Spezialisten. Denn auch kleine Durchlässe müssen möglich sein für Kabelschächte, Rohrleitungen, Lichtschalter und Steckdosen. Doch auch diese Anforderungen sind mittlerweile gelöst. Was fehlt, ist die Produktion der überdimensionalen Drucker und die Baufirmen die diese an geeigneten Plätzen einsetzen wollen. Hier hoffen die Entwickler auch auf das Militär, das vielerorts schnell Gebäude errichten muss. Was durch die US-Navy und die amerikanische National Science Foundation inzwischen gefördert wird, ist die Entwicklung eines druckbaren Betons für eine automatische Verarbeitung im Contour Crafting. Schnell ist diese Produktionsweise auf jeden Fall, so versprechen die Entwickler. Innerhalb von 24 Stunden sollen diese Gebäude errichtet werden können, sowie die Geräte aufgestellt und in Betrieb gesetzt wurden. Ein positiver Nebeneffekt dieser Bauweise ist dabei auch die Unfallverhütung. Kaum ein Maurer oder Dachdecker muss mehr über Leitern Gerüste besteigen und bei Wind und Wetter schwere Arbeit leisten.

Wie arbeiten 3D-Drucker für das Contour Crafting?

Anders als beim herkömmlichen 3D-Drucken, kommt beim Contour Crafting kein normales Filament zum Einsatz, sondern Beton, der entweder aus Bauschutt gemischt wird, oder speziell hergestellt werden muss. Contour Crafting ist also eine Technologie, die es möglich macht, Gebäude Schicht für Schicht aus Beton zu errichten. Dies ist nicht anders, als bei herkömmlichen 3D-Druckern. Für den Druck ist vorab ein CAD-Modell des kompletten Gebäudes notwendig. Anhand dieser technischen 3D-Zeichnungen wird das Haus dann von einem Konstruktionsroboter in Schichten erbaut. Nur die Vorarbeiten wie ein Fundament müssen auf die herkömmliche Weise erstellt werden. Daraufhin werden rechts und links des zu erstellenden Gebäudes Schienen installiert. Auf jeder dieser beiden Schienen wird daraufhin ein Contour Crafting Roboter gesetzt, die durch eine Traverse miteinander verbunden werden. Auf dieser befindet sich dann der eigentliche „Druckrüssel“. Der Druckroboter besitzt insgesamt 3 Bewegungsachsen: Vor und zurück, links und rechts sowie hoch und runter. Bisher können mit diesen Bewegungen Gebäude mit einer Höhe von bis zu 6 Metern aufgerichtet werden. Diesem Druckprozess müssen lediglich Bauteile wie Stahlträger oder Fenster- und Türstürze sowie der Beton zugeführt werden. Für jede Druckschicht fährt der Roboter zweimal. Bei der ersten Tour druckt er die äußeren Schichten einer Hohlwand. Beim zweiten Druckgang füllt er Beton in Schlangenlinien zwischen diese Schichten. Dieser Vorgang dient der Stabilität der Wände.

Daraufhin werden mit Hilfe eines Greifarms die Stürze für Türen und Fenster auf die gedruckten Wände gesetzt. Dies geschieht ebenso mit den Deckenstreben aus Stahlprofil. Die Türen und Fenster selbst werden später auf herkömmliche Weise eingebaut. Hohlräume wie Abflüsse und Kabelkanäle hingegen lassen sich problemlos errichten. Ebenso Dachschrägen und gewölbte Kuppeln. Die Baumaschine soll zudem so konzipiert worden zu sein, dass sie im gleichen Arbeitsgang Rohre und Kabel verlegen kann. Rohrleitungen, die während des Drucks selbst nicht berücksichtigt werden konnten, können später gebohrt werden. Insgesamt soll der Prozess des 3D-Drucks nur 24 Stunden dauern.

Welche Anforderungen gibt es an das Druckmaterial?

Nicht jeder Beton gleicht dem anderen. Beton kann in unterschiedlichsten Verarbeitungstechniken hergestellt und verschiedensten Materialzusammensetzungen verwendet werden. Zur Zeit arbeiten Wissenschaftler an einer bisher noch nie benötigten Anforderung – der Druckbarkeit. Deswegen muss nach der perfekten Materialzusammensetzung geforscht werden. Dies ist der Hintergrund, warum sich Industrieunternehmen aus den Bereichen Zementherstellung, Baumaschinen und Bauchemie mit Baufirmen und drei Instituten zusammengeschlossen haben. Gemeinsam möchten sie Werkstoffe und Verfahrenstechniken entwickeln, die den speziellen Anforderungen an Beton für Contour Crafting genügen. Mit dem Materialdesign befasst sich das Institut für Baustoffe. Es entwickelt eine geeignete Zusammensetzung für schnell erstarrenden Frischbeton, der für einen 3D-Druck anwendbar ist. Die Gemische müssen sich durch gute Pumpbarkeit, schnelle Erstarrung, lange Konsistenzerhaltung und hohe Thixotropie mit darauf folgender schneller Erstarrung ausweisen. Thixotropes Verhalten kennt man zum Beispiel von Knetmasse. Während der Bearbeitung besitzt sie eine hohe Viskosität und erstarrt später, wenn sie zur Ruhe kommt. Auch Ketchupflaschen müssen meistens geschüttelt werden, bevor das Gewürz heraustropfen kann und danach wieder eine festere Konsistenz einnimmt. Von einem Druckbaren Beton wird jedoch noch eine höhere Thixotropie gefordert, als von Knetmasse oder Ketchup. Dieses Material muss in allen Eigenschaften mit konventionellem Beton vergleichbar sein und dabei alle Möglichkeiten der Druckbarkeit aufweisen. Aus dem Bereich der Baumaschinen sind Wissenschaftler damit beschäftigt, einen geeigneten über Großraumrobotik automatisch geführten Druckkopf zu entwickeln. Die Laborversuche werden auf den Massivbaumaßstab und in realer Wandstärke übertragen. Ein Institut für Baubetriebswesen ist mit den wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen befasst, die beim Einsatz dieser neuen Technologie relevant werden. Die aktuellen Verfahren sind die auf Basis der Extrusion. Das bedeutete dass hierbei eine Betonschicht auf die andere gelegt wird. Im Prüfungsverfahren ist es besonders wichtig, Materialeigenschaften wie Druck-, Zug-, Stand- und Biegefestigkeit des Material zu prüfen. Die Ergebnisse stimmen die Wissenschaftler optimistisch. Das neue Material hält einem Vergleich mit dem in Schalung gegossenen Beton absolut stand. Nun soll zu dem aktuell verwendeten feinkörnigen Beton auch grobkörniges Material druckfähig gemacht werden. Selbst Schaum- oder Gradientenbeton wäre denkbar. Sogar die Integration von Dämmung oder Bewehrung ist nach Aussage der Wissenschaftler möglich. Es ist nur eine Frage der Zeit.

Alternativen und Ideen

In Amsterdam wird eine andere Idee des 3D-gedruckten Hauses umgesetzt. Schon im Jahr 2014 sorgte dort das sogenannte Kanalhaus für Aufsehen. Auch diese Häuser werden mit überdimensionalen Druckern produziert. Ein wesentlicher Unterschied ist hier jedoch, dass es nicht aus Beton entsteht, sondern aus einem PLA Filament wie es auch in herkömmlichen 3D-Druckern, wie dem Markerbot und dem Ultimaker, verwendet wird. Genau von dort kommt auch die Idee, Häuser aus diesem Material herstellen zu können. Die Technologie dieses 3D-Druckers basiert auf der Technik des Ultimaker, einem Standartdrucker für jedermann. Dem speziell entwickelten 3D-Drucker, der in der Lage ist ganze Gebäude zu drucken, wurde der Name KamerMaker gegeben. Auf Deutsch bedeutet dies „Zimmermacher“.Hier werden einzelne Bauteile Schicht für Schicht gedruckt und anschließend einzeln wie beim Fertighaus zusammengesetzt. Der KamerMaker hat eine Höhe von ungefähr 3,5 Meter und eine Breite von 2,2 x 2,2 Meter. Er ist damit also nur ein Winzling unter den Druckern für das Contour Crafting. Dieses Verfahren ähnelt also dem „Fused Deposition Modeling“ (Schmelzschichtung). Bei diesem Fertigungsverfahren des „Rapid Prototyping“ werden Einzelstücke schichtweise aus schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut. Die Materialien sind hier Form- und Thermoplaste wie Polypropylen, Polyethylen, Polylactid, und thermoplastische Elastomere, also Kunststoffe, die sich ab einer bestimmten Temperatur verformen lassen. Es handelt sich um sogenannte Filamente. Dabei handelt es sich um Netzartige Strukturen, die sich bei Wärme ausdehnen und somit verformbar werden. Bei der Abkühlung ziehen sie sich zusammen, wodurch eine sehr feste und strapazierfähige Masse entsteht. Auch hier entstehen durch die schichtweise Herstellung komplexe Formen. Da sie aber erst abkühlen müssen, benötigen ganze Wände eine Stützkonstruktion oder müssen in kleineren Einzelteilen in einer speziellen Werkhalle hergestellt werden. Neri Oxman, eine Professorin am MIT hat noch innovativere Ideen. Sie möchte nicht nur Gebäude drucken, sondern experimentiert zudem mit unterschiedlichen Materialien. Denn Mauern, die mit einem 3D-Drucker erzeugt werden, können auch unterschiedliche Porösität aufweisen. So kann es möglich sein, tragende Mauern besonders stabil zu produzieren und Trennwände oder Mauern, die lediglich dem Schutz vor der Natur dienen, wesentlich dünner. Neben einer Material- und somit auch Kostenersparnis sieht Neri Osman auch den Vorteil, Mauern mit bisher unbekannten Eigenschaften aufzurichten. So sei es auch möglich, Beton mit transparentem Material zu mischen. Das Ergebnis wäre dann ein lichtdurchlässiger Beton. Neben dem Vorteil, helle Räume zu erstellen, würde dies auch helfen, in der Zukunft Energie zu sparen. Zudem seien auch luftdurchlässige Wände herstellbar, die einem ständigen kontrollierten Luftaustausch ermöglichen. Dass dies mehr ist als nur Phantasie, beweisen die von Oxman hergestellten Ziegel. Diese sind auf einer Seite äußerst stabiler Beton und vermengen sich auf der anderen Seite zu einer immer leichteren Beton-Struktur.

Er tut es wirklich schon. Enrico Dini druckt reihenweise Häuser. Aber bisher macht er dies nicht für Menschen, sondern für Fische. Weltweit werden zur Zeit natürliche Riffe zerstört und somit auch der Lebensraum für Millionen von Fischen. Und genau diesen Lebensraum möchte Enrico Dini mit seinen ideal geformten Gebilden wie Korallen, kleinen Höhlen und Verstecken den Fischen zurückgeben und erhalten. Einen der weltweit größten 3D-Plotter hat Dini schon seit einiger Zeit in Betrieb. Und doch hat er noch größere Pläne. Dazu gehört das Drucken von Häusern für Menschen.

Behrokh Khoshnevis ist Katastrophenhelfer

An der University of Southern California ist der Wissenschaftler Behrokh Khoshnevis mit der Entwicklung eines 3D-Druckers beschäftigt, der ganze Häuser drucken soll – und das schließt für den Professor konsequenterweise auch alle Leitungen mit ein. Khoshnevis hofft so nach Naturkatastrophen schnell wieder neuen Wohnraum zu erschaffen. Oft sogar noch bessere Gebäude, als die ursprünglichen, da alle Leitungen und Rohre gleichzeitig mit verlegt werden. Auch glaubt er, so schnell und günstig neuen menschenwürdigen Wohnraum besonders für Obdachlose in den Slums der Millionenstädte errichten zu können. Aber auch die NASA ist an seinen Entwicklungen interessiert, da mit seinen Maschinen auch auf dem Mond oder auf Planeten kostengünstig gebaut werden können.

Andrey Rudenko ersinnt Märchenwelten

Andrey Rudenko hat schon einige Schlagzeilen geschrieben. So zum Beispiel durch den Druck eines kleinen Märchenschlosses, das er sich in den Garten seines Hauses im US-Bundesstaat Minnesota aufstellte. Nun arbeitet der erfolgreiche Bauunternehmer gemeinsam mit Lewis Yakich, dem Eigentümer des Lewis Grand Hotels auf den Philippinen daran, die erste Hotel-Suite aus dem 3D-Drucker zu errichten. Diese Suite wird eine Wohnfläche von 130 m² haben und aus einem Wohnzimmer, zwei Schlafzimmern sowie einem Whirlpool bestehen. Alles gedruckt in 3D. Zusätzlich entstehen 20 3D-gedruckte Wohnhäuser auf den Philippinen. Hiermit möchte Rudenko einen weiteren Grundstein für die Entwicklung und den Bau kostengünstiger und dabei qualitativ hochwertiger Wohnmöglichkeiten legen.

Ioan Florea definiert Kunst am Bau neu

Der rumänisch-amerikanische Künstler Ioan Florea erregte schon Aufsehen durch seinen Druck eines Ford Torino, dem er ein sehr groteskes Aussehen gab. Aus dem einen Blickwinkel sieht die Oberfläche dieses Coupes aus, wie das Relief eines Gebirges, aus einem anderen, wie ein zerknülltes Bettlaken und aus einem wieder anderen, wie ein chinesischer Faltenhund. Nachdem Ioan Florea von dem Performancekünstler Mike Kelly erfuhr, der das Haus seiner Kindheit künstlerisch nachbaute, machte er sich gleich an die Arbeit und tat es Kelly gleich. Nur das Florea dafür seinen 3D-Drucker benutzte.

Robert Grosse druckt Boutiquen

Wer etwas von Design, Mode und Luxus versteht, kennt Louis Vuitton. Dieser Modekonzern ist nun um eine Innovation reicher: Dem Shop aus dem 3D-Drucker. Die Boutique selbst ist 9 Meter breit, 10 Meter lang und hat eine Höhe von 2,7 Metern. Der Druck dieser hochwertig gestalteten Struktur dauerte zwar noch 18 Tage, besitzt aber auch eine sehr komplexe Struktur. Die von der von Robert Grosse geleitete 3D-Druck Dienstleistung arbeitete eng mit der Designagentur Gold Coast Displays von Louis Vuitton zusammen. Gemeinsam vertreten sie die Ansicht, dass im Contour Crafting auch die Zukunft des Messe- und Shopbaus liegt.

Der KamerMaker baut Oasen

Der „Zimmermacher“ von DUS in Amsterdam hat schon Barack Obama in die Gummistiefel und auf die Baustelle gelockt. Mittlerweile stellen die Amsterdamer Entwickler und Architekten ihre in 3D-Druck entstandene Urban Cabin vor. Es handelt sich hierbei um eine kleine Oase von 8 Quadratmetern mit kleinem Garten und einer Outdoor-Badewanne. Dieses kleine Haus, das mitten in einem stillgelegten Industriegebiet steht, darf man nicht nur betreten, an darf es auch bewohnen und somit das Leben in einem Contour Crafting Haus testen.

Neri Oxman lässt Licht durch

Die Künstlerin und Wissenschaftlerin des Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeitet seit langem mit additiven Technologien sowie in der Forschung mit Glas. Bekannt sind ihre Kunstobjekte aus Glas, die in einem 3D-Druck entstanden. Wie schon erwähnt, spezialisiert sich Neri Oxman überwiegend auf die Druckmaterialien, um auch transparente und lichtdurchlässige Wände und Wandteile im Contour Crafting zu ermöglichen.

Viele Wissenschaftler, Architekten und Bauunternehmer sehen in dem Contour Crafting die Zukunft der Bauindustrie. Aber auch Stadtplaner, Umweltschützer sowie Entwicklungshilfe und Armee sind an diesem Verfahren interessiert und betrachten es als große Chance.

Die Gebäude selbst werden schnell aufzubauen sein. Oftmals schon mit den nötigen Leitungen und Rohren. Der Bau selbst soll dabei sehr viel kostengünstiger sein, als der herkömmliche. Sowie es möglich ist, auch transparente, oder lichtdurchlässige Materialien und Konstruktionen, die einen Luftaustausch begünstigen, herzustellen, bedeutet diese Bauweise auch einen großen Fortschritt im Umweltschutz und in der Nachhaltigkeit. Vor allem in Notstandsgebieten, nach Naturkatastrophen, in Kriegsgebieten aber auch in Slums bietet Contour Crafting eine große Chance, um das Leben der Menschen zu verbessern.

Die Baustellen selbst sind dabei schneller auf- wie auch abgebaut. Sie verursachen weitaus weniger Lärm und kaum noch An- und Abtransporte von schwerem Baugerät und Baumaterialien. Einen großen Einfluss wird Contour Crafting aber auch auf die Arbeitswelt haben. Zum einen wird die Arbeit am Bau sehr viel sicherer. Kaum ein Maurer, Dachdecker oder Zimmermann wird mehr über Gerüste klettern müssen. Arbeitsunfälle werden vermieden und arbeitsbedingte Krankheiten verringern sich in ihrer Anzahl. Für das Contour Crafting entworfene Grundrisse können der Kreativität sehr viel mehr Spielraum geben. So wäre es ohne großen Kostenaufwand möglich, halbrunde Wände einzuplanen und sich in unterschiedlichsten Spielereien zu versuchen. Einem Einheitsbau wäre somit Einhalt gegeben und die Häuser werden wieder individueller und authentischer.

edoch wird diese Entwicklung auch Konsequenzen auf den Arbeitsmarkt haben. Es werden weniger Handwerker benötigt. Vor vorher vier oder fünf Maurer tätig waren, wird dann nur noch eine ausgebildete Fachkraft eine hochtechnisierte Maschine bedienen. Die jedoch ist eine Entwicklung, die sich in der kompletten Arbeitswelt bereits so weit entwickelt hat, dass sie sich nicht mehr zurückdrehen lässt. Hier ist die Politik gefragt, eine Lösung zu finden.