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Märkte | 13.12.2018

Aus IZ50/2018, S. 1

Von Justin Wolff

In diesem Artikel:
  • Unternehmen:
    Hochtief, Züblin AG, Strabag, Goldbeck, Arup, Max Bögl, Van Wijnen-Gruppe, Apis Cor, WinSun
  • Organisationen:
    TU Dresden, TU München, Informationszentrum Beton, Universität Eindhoven, Kölner Journalistenschule
  • Personen:
    Thomas Porten, Thomas Richter, Anette Dowideit, Viktor Mechtcherine, Klaudius Henke, Dimitrios Vassiliadis, Martin Dowideit, Nikita Chen-Iun-Tai, Guglielmo Carra
  • Immobilienart:
    Wohnen

Ein Haus auf Knopfdruck

Quelle: Houben / Van Mierlo architecten
Im niederländischen Eindhoven wird eine kleine Siedlung mit fünf Betonhäusern aus dem 3D-Drucker gebaut. Sie dienen nicht nur Demonstrationszwecken, sondern sollen ab dem nächsten Jahr bewohnt werden.

Quelle: Houben / Van Mierlo architecten

Einmal ausgereift, könnten 3D-Drucker in der Bauwirtschaft enormes wirtschaftliches und ökologisches Potenzial bieten. Die Baubranche zögert jedoch, groß in die Technologie zu investieren. Die Scheu könnte sich rächen.

Jede neue Technologie wird begleitet von Enthusiasten. So auch der 3D-Druck von Gebäuden mit Beton. Der 25-jährige Russe Nikita Chen-Iun-Tai schreibt auf Twitter: "In Zukunft wird ein Haus zu bauen so einfach sein, wie ein Bild auf Instagram zu teilen." Das mag nur ein Spruch sein. Doch Chen-Iun-Tai hat einen 3D-Betondrucker konstruiert und eine russische Venture-Capital-Gesellschaft überzeugt, sechs Millionen Dollar zu investieren. Ein Projekt seiner Firma Apis Cor: mit der Nasa Baupläne für Gebäude auf dem Mars zu entwickeln.

Es muss nicht immer gleich der Weltraum sein. Auch bei irdischen Vorhaben gibt es beinahe täglich Schlagzeilen zu Fortschritten mit der neuen Technologie, die im Fachjargon "additive Fertigung mit frei geformten Betonbauteilen" heißt. Die Hoffnung der Optimisten: Bezahlbarer Wohnraum, sogar sozialer Wohnungsbau könnte dank 3D-Druck wirtschaftlicher werden und sich endlich auch für Investoren lohnen. Nach Katastrophen könnten Ersatzunterkünfte schneller denn je zuvor gebaut werden. Elegant geschwungene Säulen aus dem 3D-Drucker und andere Bauelemente könnten zum Design-Trend werden. Die Skeptiker sagen: Die Technik des schichtweisen Auftragens von Beton ist nicht ausgereift und wird sich möglicherweise nie durchsetzen können.

Fest steht aber: Weltweit wollen junge Firmen sich als Vorreiter im Markt für gedruckte Gebäude etablieren. Das Marktforschungsinstitut Markets and Markets prognostiziert, dass die Betondruck-Branche von 2018 bis 2023 um 317% auf knapp 1,5 Mrd. US-Dollar wächst und sich damit industriellen Maßstäben annähert. Saudi-Arabien hat angekündigt, in den kommenden Jahren 1,5 Mio. Wohnungen mit Betondruckern bauen zu wollen. Die Vereinigten Arabischen Emirate haben einen Plan verabschiedet, nach dem bis zum Jahr 2030 jeder Neubau in Dubai zu einem Viertel auf 3D-Druck beruhen solle.

Doch in der Euphorie gehen oft wichtige Details unter. So hatte im März 2014 die chinesische Firma WinSun große Aufmerksamkeit erregt. Nach eigenen Angaben druckte sie zehn rudimentäre Häuser innerhalb von 24 Stunden - zu einem Stückpreis von knapp 4.000 Dollar. Es klang wie ein Durchbruch. Doch die gedruckten Häuser waren nicht bewohnbar, sondern lediglich zu Testzwecken auf dem Firmengelände gebaut worden - ohne Elektro- und Sanitäranschlüsse.

Dutzende Unternehmen arbeiten weltweit an 3D-Druckern für Gebäude oder Teile davon und beanspruchen jeweils Meilensteine für sich. Wer die technologischen Entwicklungen zuerst angestoßen hat, lässt sich im Nachhinein kaum zurückverfolgen. Das liegt auch daran, dass die verschiedenen Methoden des 3D-Drucks schwer zu vergleichen sind (siehe "Die Verfahren der additiven Fertigung").

Viktor Mechtcherine vom Institut für Baustoffe der TU Dresden ist einer der Experten auf dem Gebiet. Seiner Meinung nach bietet der Druck mit Beton enorme Vorteile, sobald die Technik ausgereift ist. "Da die Schalen, in die der Beton normalerweise hineingegossen wird, bei der additiven Fertigung wegfallen, sparen wir nicht nur viel Material, sondern haben auch ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten", sagt Mechtcherine. Häuser könnten damit direkt vor Ort nicht nur schneller und kostengünstiger, sondern auch umweltfreundlicher gebaut werden.

Allein die Schalungen beim herkömmlichen Bau verschlingen je Quadratmeter Mauerwerk ein bis zwei Stunden Arbeitszeit.

Die Technologie gilt zudem als Eintrittskarte in die "Industrie 4.0", in der nicht nur digital geplant, sondern auch digital gebaut wird. Elektronische Planungssysteme wie CAD und BIM, mit denen unter anderem dreidimensionale Modelle von Gebäuden erstellt werden, kommen immer stärker auf Baustellen zum Einsatz. Der nächste Schritt wäre es, die benötigten Informationen aus den Systemen direkt an einen Betondrucker zu übertragen.

Quelle: Arup Italia Srl
Gemeinsam mit CLS Architects entwarf das Architekturbüro Arup ein Haus, das in Mailand von einem 3D-Roboter für eine temporäre Ausstellung gebaut wurde.

Quelle: Arup Italia Srl

Obwohl sich die einzelnen Verfahren stark unterscheiden, sehen sich die Betondrucker sehr ähnlich. Eine typische Zukunftsmaschine besteht aus einem Roboterarm und einer Druckdüse. Der Betondrucker fährt an einem Gestell exakt entlang der eingespeisten Koordinaten und presst den Beton Schicht für Schicht aufeinander, als würde ein Metzger lange Bratwürste aufeinanderschichten.

Wie ein Kran an einem Hochhaus wächst der Drucker während des Baus immer weiter in die Höhe. Je nach Verfahren und Dimension können die Maschinen zwischen vier und 40 Meter lang sein. Um beweglich zu bleiben, sind sie meist auf Schienen befestigt oder können sich um die eigene Achse drehen. Der Beton wird häufig direkt aus dem Mischer in den Drucker gepumpt (siehe "Die Verfahren der additiven Fertigung").

Nicht alle Drucker kommen jedoch direkt auf der Baustelle zum Einsatz. Manche produzieren die Bauteile in Lagerhallen vor, die später vor Ort noch zusammengebaut werden. "Das große Ziel ist es, die bestehenden Werkzeuge der digitalen Planung mit den bisher fehlenden Werkzeugen der digitalen Produktion zu verbinden", sagt Mechtcherine. Ob nun auf der Baustelle oder in einem Fertigteilwerk gedruckt werde, sei dabei zweitrangig. Wichtiger sei es, dass die Produktion weitgehend automatisch abläuft.

Doch warum werden dann in Deutschland noch keine Wohnblöcke zumindest testweise gedruckt? Das hängt damit zusammen, was in vielen euphorischen Videos von 3D-gedruckten Gebäuden nicht erwähnt wird: Es gibt erhebliche Probleme mit dem Baustoff.

"Beton muss für den Druck flüssig genug sein, um sich fördern zu lassen, aber schnell genug Festigkeit entwickeln, damit er sich im Bauprozess nicht weiter verformt", sagt Klaudius Henke vom Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion an der TU München. Wenn eine Schicht nach der anderen aufgetragen wird, dann laste auch immer mehr Gewicht auf den unteren Schichten. Außerdem sei noch kaum erforscht, wie sich 3D-gedruckter Beton langfristig verhalte, ob er mit der Zeit brüchig werde oder ob der Verbund der einzelnen Schichten sich auflöse. Es müssten langfristige Lösungen für diese Herausforderungen gefunden werden, bevor die Technik im industriellen Maßstab zum Einsatz kommen könne.

Eine noch größere Hürde ist laut Henke das europäische Baurecht, dem 3D-gedruckter Beton noch nicht gerecht wird. Zum Beispiel sind dort Stahlbewehrungen in Beton festgeschrieben, um Wände stabiler zu machen. "Die Frage, wie wir Stahlbewehrungen in die Druckverfahren integrieren können, muss noch im Detail erforscht werden", sagt Henke. Hier erwarte er in den nächsten zwei Jahren erste Ergebnisse.

Die starke Regulierung in der EU ist auch ein Grund dafür, wieso die großen Pilotprojekte meist aus dem asiatischen und amerikanischen Raum kommen. Das erste 3D-gedruckte Haus auf europäischem Boden - inklusive Stahlbewehrungen - kommt vier Jahre, nachdem WinSun die ersten Häuser baute. Für die Milan Design Week im Frühjahr 2018 hat Guglielmo Carra vom Architektenbüro Arup ein 100-Quadratmeter-Haus entworfen. Reine Druckzeit: 48 Stunden.

Für ihn sind die wirtschaftlichen Vorteile des additiven Verfahrens aber nur ein Teilaspekt: "Wir müssen die Art und Weise, wie die Bauindustrie arbeitet, verändern. Derzeit produzieren wir etwas, nur um es danach direkt wieder wegzuwerfen", sagt Carra mit Blick auf die Schalungen, die derzeit beim Betonbau eingesetzt werden. Für ihn sind es auch die strengen rechtlichen Vorgaben, die den Prozess verlangsamen. Statt darauf zu warten, bis die Technologie alle bestehenden Normen erfülle, sollten lieber angepasste oder neue Regeln entworfen werden.

Forscher an der TU Dresden entwickeln eine Maschine, mit der sie in Deutschland schon regelkonform drucken könnten. CONPrint3D heißt das Projekt, an dem die Forscher unter der Leitung von Mechtcherine seit 2014 arbeiten. Das Besondere: Einfache Betonpumpen sollen zu 3D-Druckern aufgerüstet werden. Dadurch könnten Unternehmen später auf ihren Maschinenpark zurückgreifen und müssten sich keine teure Spezialmaschine kaufen. Außerdem soll eine spezielle Düse auch klare Kanten formen können - die eigenwillige Würstchenoptik mit den gerundeten Bauteilen wäre Geschichte. Die Düse sei allerdings noch in der Entwicklung, sagt Mechtcherine.

Quelle: Technical University Eindhoven (TU/e)
Schicht um Schicht wird der Beton aus der Druckerdüse aufgetragen, es bildet sich die typische "Würstchenoptik".

Quelle: Technical University Eindhoven (TU/e)

Doch es lohnt, die Entwicklung im Blick zu halten. Denn ersten Berechnungen zufolge könne ein Mauerwerk bis zu 25% günstiger gebaut werden als mit herkömmlichen Methoden - und das trotz der höheren Anschaffungskosten für den Drucker, erhöhter Transportkosten wegen des Spezialbetons sowie längerer Wartezeiten für den Mischfahrer. Die größten Einsparungen entstünden bei den Lohnkosten, gefolgt von Einsparungen bei den Materialkosten.

Die Bauindustrie ist sich jedoch nicht einig, ob es sich lohnt, angesichts dieses Einsparpotenzials zu Vorreitern gehören zu müssen. So wollen sich Hochtief und Goldbeck derzeit gar nicht zu dem Thema äußern. Ein Baumanager ordnet den 3D-Druck mit Beton als Zukunftsmusik ein. Unternehmen wie Strabag und Max Bögl haben zumindest vereinzelt Forschungsprojekte angestoßen. Und Züblin beteiligt sich an einem EU-Konsortium zu dem Thema.

Thomas Richter vom Informationszentrum Beton spricht von rund einem Jahrzehnt, bis mehrgeschossige Wohnhäuser mit dem heute üblichen Wohn- und Qualitätsniveau gedruckt werden könnten. Dimitrios Vassiliadis, Projektmanager bei Züblin, ist ähnlicher Meinung: "Bis zur erfolgreichen Einführung in den Massenmarkt müssen grundsätzliche Probleme gelöst werden und überhaupt das Bewusstsein für die Arbeitsweise von morgen geschaffen werden. Ich denke, das ist ein schleichender Prozess, der in den nächsten vier bis sieben Jahren richtig Fahrt aufnehmen wird."

Dass aber auch jetzt schon Häuser nach europäischem Standard gedruckt werden können, versucht derzeit ein Forscherteam der Universität Eindhoven zu beweisen. Gemeinsam mit dem Bauunternehmen van Wijnen drucken die Forscher fünf futuristisch anmutende Gebäude, die später als Luxus-Appartements verkauft werden sollen. Die erste Wohnung soll 2019 bezugsfertig sein. Zwar wird hier noch nicht innerhalb von 24 Stunden ein fertiges Haus gebaut, das Projekt zeigt aber: Der 3D-Druck kommt nach Europa.

Mutige Pilotprojekte in Asien oder besonnene Forschung in Deutschland: Welche der beiden Herangehensweisen die Entwicklung des 3D-Drucks mit Beton besser vorantreibt, ist schwierig zu sagen - wahrscheinlich befindet sich die Lösung irgendwo in der Mitte. Wird es denn irgendwann nur noch Häuser aus dem 3D-Drucker geben? "Nein", sagt Forscher Henke. Aber natürlich werde die additive Fertigung das Bauwesen verändern. Man werde sie dort einsetzen, wo der klassische Bauprozess zu komplex oder zu teuer ist. "Die Zukunft liegt im Hybrid-Haus, wo additiv gefertigte Bauteile und konventionell gefertigte Bauteile zusammenspielen."

Der Autor: Justin Wolff ist Journalist in der Lehrredaktion der Kölner Journalistenschule für Politik und Wirtschaft.

Die Verfahren der additiven Fertigung

Quelle: Technical University Eindhoven (TU/e)
Die Bauteile des ersten Hauses des Projekts Milestone werden direkt an der Technischen Universität Eindhoven gedruckt. Das letzte Haus soll von einem Drucker direkt vor Ort erstellt werden.

Quelle: Technical University Eindhoven (TU/e)

  • Das Extrusionsverfahren: Die Extrusion ist das wohl populärste Verfahren zum 3D-Druck mit Beton. Hierbei wird ein Betongemisch durch eine Düse gepresst, die möglichst kontinuierlich den Beton in Schichten ablegt. Der Beton muss flüssig genug sein, um sich pumpen zu lassen, aber fest genug, damit er sich nach der Ablage nicht weiter verformt.
  • Verfahren mit selektiver Bindung: Bei der selektiven Bindung werden zwei Schichten aus Trockenmaterialien mit einer Schicht aus Bindemitteln verfestigt. Das Verfahren ist aufwendig und kostenintensiv, bietet aber ein Höchstmaß an geometrischer Freiheit.
  • Alternatives schichtweises Betonablageverfahren: Bei diesem Verfahren erfolgt der schichtweise Aufbau auch durch eine Düse, zusätzlich wird das Material mit Bindemittel angespritzt. Die Methode verspricht mehr bauliche Freiheit und eine höhere Stabilität, ist aber noch Gegenstand von Laborversuchen.
  • Adaptives Gleitschalungsverfahren: Während sich die anderen Verfahren besonders zur Herstellung von Wandelementen eignen, wird das adaptive Gleitschalungsverfahren bei Stützen und Säulen verwendet, die einen kleineren Querschnitt haben. Auch hier ist die Schwierigkeit, ein ausreichend flüssiges, aber festes Material zu finden.


Ein Beitrag aus dem RECHERCHE-NETZWERK DER IZ

Im Rahmen eines Kooperationsprojekts arbeiten die Immobilien Zeitung und die Kölner Journalistenschule für Politik und Wirtschaft zusammen. Autor dieses Beitrags ist Justin Wolff. Betreut wurde er von Martin Dowideit (Handelsblatt), Anette Dowideit (Welt) sowie Thomas Porten (Immobilien Zeitung).

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