3D-Druck im Bauwesen: Nachhaltigkeit durch digitale Fabrikation

Das DFAB House: Pionierarbeit in Dübendorf

In Dübendorf steht mit dem DFAB House das weltweit erste Gebäude, das nahezu ausschliesslich mit digitalen Prozessen entworfen, geplant und gebaut wurde. Das dreistöckige Forschungsgebäude auf dem «Nest» der Forschungsanstalten Empa und Eawag wurde im Beisein von Bundesrat Guy Parmelin eröffnet und dient als Versuchslabor für Bautechnologien der Zukunft. Mit einem Budget von 2,4 Millionen Franken realisierten acht Professuren der ETH Zürich zusammen mit Industriepartnern wie ABB dieses Pilotprojekt, das für «Digitale Fabrikation» steht. Die Photovoltaikanlagen auf dem Dach produzieren im Jahresdurchschnitt mehr Energie als das Gebäude verbraucht, was es zu einem Plus-Energie-Haus macht.

Robotik und additive Fertigung

Die Besonderheit des DFAB House liegt in der nahtlosen Integration von Robotik und 3D-Druck. Ein ABB-Roboter setzte ein geschwungenes Stahlgitter zusammen, während zwei weitere Roboter komplexe Holzmodule fertigten und montierten. Ein 3D-Drucker übernahm die Herstellung der Schalung für eine Geschossdecke. Diese Technologien ermöglichen nicht nur filigrane Formen, sondern reduzieren gegenüber herkömmlichen Betondecken den Materialverbrauch erheblich. Blick berichtete über die Eröffnung dieses Meilensteins.

Materialinnovationen für den klimafreundlichen Hausbau

Die Nachhaltigkeit von 3D-gedruckten Häusern hängt entscheidend von den verwendeten Materialien ab. Während Beton aufgrund seiner Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit derzeit das meistgenutzte Material ist, arbeiten Forscher intensiv an umweltfreundlichen Alternativen und optimierten Mischungen.

Beton mit reduziertem CO₂-Fußabdruck

Heidelberg Materials entwickelte für den 3D-Druck den Hochleistungsbeton i.tech 3D, der im sogenannten Wavehouse – dem bisher grössten 3D-gedruckten Haus Europas – zum Einsatz kam. Die Mischung weist laut Hersteller 55 Prozent weniger CO₂-Belastung auf als reiner Portlandzement und ist zu 100 Prozent recycelbar. Durch eine erhöhte Kornstärke von 4 Millimetern konnte der Bindemittelgehalt reduziert werden. Das Wavehouse wurde in rund 170 Druckstunden errichtet und beeindruckt durch vertikale wellenförmige Strukturen. Heidelberg Materials beschreibt die Technologie als entscheidenden Schritt zur Dekarbonisierung der Bauindustrie.

Bio-basierte und recycelbare Alternativen

Das BioHome3D der University of Maine stellt einen Gegenentwurf zum Beton dar. Das 600 Quadratfuß grosse Haus besteht aus Nanocellulose – zerkleinerten Holzfasern aus lokalen Sägewerksabfällen – und natürlichen Harzen als Bindemittel. Das Material ist vollständig recycelbar und speichert pro Einheit 46 Tonnen CO₂. Nach einem Jahr extremen Wetters mit Temperaturen zwischen -17 und +41 Grad Celsius erfüllte das Haus alle Anforderungen der US-Bauvorschriften. In Schweden forscht die Chalmers University of Technology an einer Mischung aus Nanocellulose und Alginat (einem Algenstoff), die im getrockneten Zustand die nötige Flexibilität für Bauelemente bietet. Auch das portugiesische Unternehmen Havelar experimentiert mit Erdmischungen, Recyclingmaterialien und Stroh, um bis 2030 CO₂-neutral zu bauen. Reasons to be Cheerful dokumentiert das BioHome3D-Projekt als Lösung für die globale Wohnungskrise.

Lehm, Hanf und Biokohle

US-Forscher entwickelten einen neuartigen Baustoff auf Basis von Lehm, Hanffasern, Sand und Biokohle, der durch ein spezielles Bindemittel mittels Frontalpolymerisation bereits während des Druckvorgangs aushärtet. Dies verkürzt die Bauzeit von Wochen auf wenige Tage und eliminiert den energieintensiven Zementbrennprozess. Auch Gips wird als recycelbarer und kompostierbarer Baustoff getestet, wobei hier die zukünftige Verfügbarkeit von Industriegips nach dem Kohleausstieg fraglich ist. HW Hauswartungen berichten über diese grüne Alternative.

Praxiserprobung und wirtschaftliche Vorteile

Jenseits des experimentellen Stadiums beweisen erste Wohngebäude die Alltagstauglichkeit der Technologie. Das Einfamilienhaus in Beckum (Deutschland) bietet 160 Quadratmeter Wohnfläche auf zwei Etagen und wurde im KfW-55-Energiestandard errichtet. Die Bewohner bestätigen, dass sich das Leben nicht wesentlich von dem in konventionellen Häusern unterscheidet, wobei die abgerundeten Ecken und flexible Formgebung als ästhetische Vorteile gelten. Das Gebäude verzichtet auf Polystyrol-Dämmung und nutzt stattdessen Perlite und Schaumglas, die absaugbar und wiederverwendbar sind.

Effizienzgewinne im Bauprozess

Der 3D-Druck reduziert den Personalbedarf drastisch: Für die Bedienung des Druckers sind nur zwei bis drei Personen nötig. Durch Topologie-Optimierung wird nur das Material gedruckt, das statisch erforderlich ist, was den Verbrauch gegenüber konventionellem Betonbau senkt. Die Bauzeit verkürzt sich von üblichen sechs Monaten auf etwa anderthalb Monate. Diese Effizienz adressiert zudem den Fachkräftemangel in der Baubranche, da die körperlich schonende Bauweise junge Fachkräfte anziehen soll. COBOD hebt hervor, dass dezentrale Fertigung Transportwege und damit CO₂-Emissionen reduziert.

Herausforderungen und Forschungsperspektiven

Trotz der Vorteile bleiben Hürden zu überwinden. Die Ökobilanz hängt stark von der Transparenz der Materialzusammensetzung ab, da viele Hersteller die exakte Mischung ihrer Mörtel geheim halten. Zement und Sand bleiben ökologisch problematisch: Die Zementherstellung verursacht pro Tonne 600 kg CO₂-Emissionen, während Sandabbau Küstenökosysteme zerstört. Zudem fehlen häufig anerkannte Regeln der Technik und Baurechtsvorschriften für den 3D-Druck, was die Zulassung erschwert.

Das CARBCOMN-Projekt

Ein europäisches Forschungskonsortium unter Beteiligung der Empa und ETH Zürich arbeitet im EU-Projekt CARBCOMN an einer klimafreundlichen und kreislauffähigen Betonbauweise. Statt Zement kommt Stahlschlacke, ein Industrieabfallprodukt, zum Einsatz. Die Strukturen werden als «compression dominant» ausgelegt, wodurch auf konventionelle Stahlbewehrung verzichtet werden kann. Stattdessen werden eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA) punktuell eingesetzt und durch CO₂-Injektion gehärtet, wodurch der Beton gleichzeitig CO₂ bindet. Das bis 2028 laufende Projekt mit einem Budget von sechs Millionen Euro zielt auf demontierbare, wiederverwendbare Bauteile ab. admin.ch informiert über die Details dieser Forschung.

Kreislaufwirtschaft und Recycling

Die Recyclingfähigkeit gedruckter Gebäude ist ein zentraler Faktor für die Nachhaltigkeit. Während das Material bei konventionellem Bau oft verloren geht, lässt sich der Druckmörtel brechen und wiederverwenden. Filament-Recycling und Upcycling von Kunststoffabfällen zu neuen Druckmaterialien sind weitere Ansätze. Cradle Mag betont, dass die Wahl des Materials die Umweltfreundlichkeit entscheidend beeinflusst, wobei biologisch abbaubare Kunststoffe wie PLA und bio-basierte Materialien vielversprechende Alternativen darstellen.