Generative Fertigungsmethoden für die Architektur

Disruption aus dem Drucker

Das Bauen, eine der letzten Bastionen des Analogen, gerät in den Strudel der Digitalisierung. In China entsteht ein Dorf aus dem 3D-Drucker, in Amsterdam ein Grachtenhaus. Doch das ist erst der Anfang einer Entwicklung mit disruptivem Potenzial.

Text: Armin Scharf; Fotos: DUS Architekten; Arup; Armin Scharf; ESA; Voxeljet

Der Hype um 3D-Drucker ist immens, das Thema explodiert geradezu angesichts der vielen Maschinen, die momentan den Markt fluten und längst nicht mehr nur Bastlern oder Technikfreaks vorbehalten sind. Meist handelt es sich um FDM-Drucker, die mit Kunststoff-Filamenten von der Rolle gefüttert werden, diese im Druckkopf aufschmelzen und dann Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt aufbauen. Der Grund für diesen Angebotsschub mit kurzen Optimierungszyklen: Viele Patente der generativen Fertigung, so die exaktere Bezeichnung für 3D-Druck, liefen vor Kurzem aus, damit steht der Kern der verschiedenen Technologien – es gibt nicht nur das FDM-Verfahren – zur freien Verfügung.
FDM-Drucker sind meist preiswert und werden für die Produktion von Prototypen oder Ersatzteilen genutzt – soweit es die noch begrenzten Bauräume in den Druckern zulassen. Während Produktdesigner, Ingenieure und Bastler (neudeutsch: Maker) mit diesen Technologien fleißig arbeiten, ist die Architektur noch weitgehend Entwicklungsgebiet. Allenfalls für den Modellbau ließen sich die generativen Techniken nutzen – doch auch hier oft mit Abstrichen in Sachen Finish.
»Zementwurst« wird Haus
Derweil scheint der Traum, komplette Häuser auszudrucken, ein gutes Stück greifbarer. Das chinesische Unternehmen WinSun hat es bereits geschafft: Mit einem Portaldrucker, dessen Bauraum sagenhafte 150 x 10 x 6,6 m misst, produzierten sie nahe Shanghai bereits ein Dorf aus zehn Gebäuden, nach eigenen Angaben in nur 24 Stunden. Einfache Häuser wohlgemerkt, die auch nicht am Stück, sondern in Modulen erstellt und dann wieder manuell zusammengebaut werden. Insofern ist die Zeitangabe mit Vorsicht zu genießen. Als Material nutzt WinSun eine Mischung aus Zement, Bau- und Industrieabfällen sowie Glasfasern zur Verstärkung. Das Prinzip entspricht dem des FDM-Verfahrens: Die Bauelemente wachsen Schicht um Schicht heran. Auch ein fünfgeschossiges Gebäude mit 1 100 m² Wohnfläche hat WinSun bereits realisiert – und fast 80 Patente rund um das Verfahren angemeldet.
Weniger Nebenwirkungen
Die Vorteile: Erstens Tempo, zweitens weniger Bauabfälle, drittens Individualisierbarkeit. Letzteres dürfte bei WinSun weniger im Fokus stehen, dafür die Geschwindigkeit und die Ressourcenschonung. Denn Bauen gilt nach wie vor als energie- und extrem abfallintensiv. Bauen per 3D-Drucker spart Material, weil es die Teile exakt nach Plan additiv aufbaut und Verluste durch Einbau, Anpassung oder Bearbeitung kaum noch vorkommen. Damit verringert sich auch der Energieeinsatz: 60 % Energie gegenüber herkömmlichen Methoden will WinSun beim Bau des Wohnhauses gespart haben.
Das Unternehmen dürfte momentan zwar dem Ziel des gedruckten Hauses am nächsten sein, doch die Mitbewerber folgen zumindest technologisch auf dem Fuß. Die italienische Firma Wasp fördert beispielsweise eine Zement-Ton-Mischung aus dem Extruder mit rotierender Düse für den Schichtbau von Objekten. Momentan arbeitet das Projekt mit einem eigens entwickelten Drucker, der 4 m große Bauteile erstellt, plant aber eine um den Faktor drei größere Version. Interessant hierbei ist die Beigabe im Material: Pflanzensamen. Die sollen die Feuchte des Materials absorbieren und dann zu einer selbstwachsenden Armierung im Baustoff werden.
Grachtenhaus 2.0
Nicht mit zementösem Material, sondern mit einem neu entwickelten Bio-Kunststoff aus dem Hause Henkel experimentiert das Amsterdamer Architekturbüro DUS. Als Ziel steht der Bau eines typischen Grachtenhauses mit 13 Zimmern und dem charakteristischen Treppengiebel im Plan. Doch ›
› eigentlich geht es den Initiatoren um Hedwig Heinsman um einen neuen Bauprozess, gar um die Revolution der Bauindustrie. So soll das Grachtenhaus nicht mehr per Stein auf Stein entstehen, sondern aus 130 gedruckten Teilen. Die doppelwandigen Elemente werden vor Ort in einem containergroßen FDM-Drucker erstellt, der zusammen mit Druckerentwicklern von Ultimakern auf die Anforderungen des Bauens skaliert wurde. Auch hier trägt der Drucker das Baumaterial schichtweise auf, allerdings handelt es sich um geschmolzenes Granulat, das laut DUS zu 80 % aus Pflanzenöl besteht und mit Holzfasern verstärkt werden kann. Im Bauraum von 2 x 2 x 3,5 m entstehen ausgesteifte Hohlkörper, die nach der Montage beispielsweise mit Beton auszugießen sind.
Inzwischen ist die zweite Version des KamerMaker genannten Druckers installiert, der doppelt so große Teile in kürzerer Zeit automatisch erstellen soll. Die Baustelle im Amsterdamer Norden und die Drucker sind öffentlich zugänglich – rund 1 800 Besucher nutzten die Gelegenheit, darunter auch Barack Obama, der sich der Legende nach sogar ein »cool« entlocken ließ.
Basis des Grachtenhauses ist die parametrische Konstruktion des Gebäudes: Wir liefern die DNA des Gebäudes, das sich dann individuell an Kunden oder Orte anpassen lässt, so Hedwig Hansman. Sprich: Das Gebäude lässt sich am Rechner einfach variieren, passt sich in seiner Grundstruktur Skalierungen und selektiven Modifizierungen automatisch an. Das betrifft auch Oberflächentexturen, Ornamente oder Formvariationen – all dies wird dann im digitalen Workflow ohne analoge Brüche realisiert. So der Plan. Parametrische Konzepte sind nicht neu, im Industriedesign und Engineering hat sich die Methode schon etabliert, während sie in der Architektur-Planung noch die Ausnahme sind. Allenfalls skulptural arbeitende Planungsteams wie das um Zaha Hadid arbeiten parametrisch. ›
Optimierung von Komponenten
Natürlich muss nicht gleich ein ganzes Haus gedruckt werden – auch für einzelne Komponenten stellt die generative Fertigung eine mehr als interessante Option dar. Arup lässt per Metal-Laser-Sinter-Methode Strukturelemente anfertigen, die sich äußerlich völlig von konventionellen Bauteilen unterscheiden. Mit einer speziellen Software wird die Bauteilgeometrie so optimiert und minimiert, dass bei reduziertem Materialeinsatz bessere Belastungswerte erreicht werden. Diese »Soft-Kill-Option« nutzen bislang primär Fahrzeughersteller oder Industriedesigner. Die meist organischen Formen mit feinen Verästelungen lassen sich nur mit generativen Methoden produzieren – in Metall, Keramik oder Kunststoff. Und weil in Losgröße 1 herstellbar, reagiert jedes Bauteil auf die spezifischen Anforderungen bei minimiertem Materialeinsatz und geringeren Kosten.
Von der Individualisierbarkeit der Gestaltung profitieren auch Interiordesigner. Bereits vor zwei Jahren zeigte François Brument während der Mailänder Möbelmesse sein »Habitat imprimé«, ein Schlafzimmer mit begehbarem Kleiderschrank. In Segmenten mittels eines Großdruckers des Herstellers Voxeljet erstellt. Und auch die Mondphantasien erhalten durch den 3D-Druck neue Impulse: Für die ESA entwarfen Foster + Partners das Konzept eines lunaren Habitats, das vor Ort aus dem massenweise vorhandenen Mondmaterial Regolith mittels Bindemittel und mobilem Drucker kuppelförmige Behausungen erstellt. Baumaterial müsste nicht mehr von der Erde teuer ins All geschossen werden.
Konfrontation mit dem digitalen Tempo
Noch stellt der Hausbau per Drucker zweifellos eine technologische Herausforderung dar, v. a., wenn es um die Integration von Versorgungsleitungen oder anderen Installationen geht. Aber angesichts des rasanten Entwicklungstempos dürften diese Probleme in wenigen Jahren überwunden sein. Spätestens dann steht die Bauindustrie mit all ihren Verzweigungen und Gewerkegrenzen vor einer echten Disruption. Althergebrachte Strukturen werden kippen, die traditionell bedächtig agierende Baubranche steht dann einem enorm beschleunigten Wandel gegenüber. An dessen Ende stehen digitale Prozessketten, eine neue Industrialisierung und Standardisierung, die aber nicht Gleichförmigkeit, sondern mehr Vielfalt bedeuten kann – sofern man als Planer versteht, die Klaviatur des Digitalen zu spielen. Und damit sollte man heute bereits beginnen. •
Weitere Informationen: Die Baustelle des Grachtenhauses steht Besuchern täglich außer Montag von 11 bis 17 Uhr offen. Das Gebäude befindet sich in der Badhuiskade 11 im Amsterdamer Norden. www.3dprintcanalhouse.com www.arup.com www.wasproject.it

Technik aktuell (S. 82)
Armin Scharf
s. db 5/2015, S. 88