Nachhaltige Materialien für den 3D-Druck

Eine große 3D-Druckmaschine im Freien, die an einem Bauprojekt arbeitet, um Wände zu drucken.

Foto: COBOD

Kommt das Haus der Zukunft aus dem Drucker? 3D-Druck gilt als zukunftsweisende Technologien des Bauens. Bewohnbare Häuser aus dem Drucker sind bereits Realität. Schnelle Bauzeit und effizienter Materialeinsatz sprechen für die Hightech-Bauweise, doch wie steht es um die Ökobilanz? Industrie und Forscher beschäftigen sich mit der Entwicklung von nachhaltigen Materialien für den 3D-Druck im Bauwesen. Wir geben einen Überblick zum aktuellen Stand der Forschung.

Christian Mascheck
Fachautor CRADLE

Welche Materialien sind für 3D-Druck geeignet?

Von Auto-, Maschinen und Flugzeugteilen über Medizintechnik bis hin zu Lebensmitteln: In den verschiedensten Branchen und Bereichen werden bereits 3-D-Druckverfahren professionell eingesetzt. Zahlreich und vielfältig sind auch die verwendeten Materialien für 3-D-Druck, es dürfte Tausende davon geben.

Grundsätzlich ist fast jedes Material für 3-D-Druckverfahren geeignet, das formbar ist, wenn auch nicht in jeder Form für jedes Verfahren. Verschiedenste Kunststoffe sind ganz vorn dabei, aber auch Harz, Wachs, Metalle, Keramik oder Ton.

Beton: Meistverwendetes Material für den 3D-Druck im Bauwesen

Im Architektur- und Baubereich fand der 3D-Druck zunächst in der Erstellung von Modellen Anwendung. Mittlerweile werden ganze Häuser mit 3D-Druckverfahren erstellt, in China, den USA oder in den Vereinigten arabischen Emeriten sind auf diese Weise Bürogebäude und Wohnkomplexe entstanden. Auch in Deutschland und anderen europäischen Ländern gibt es bereits 3D-Druckhäuser zum Wohnen oder zu Demonstrationszwecken.

Bisher wird meist Beton für den 3D-Druck von Häusern verwendet. Die Betonmischungen für den Druck unterscheiden sich etwas von denen, die im herkömmlichen Betonbau eingesetzt werden. Es handelt sich in der Regel um zementbasierte Mischungen mit Zusätzen wie Weichmachern, die das Trocknen beschleunigen oder Faserstoffe für mehr Festigkeit.

Wegen des hohen CO₂-Ausstoßes bei der Zementherstellung und Umweltschäden durch den Abbau von Sand steht Beton als Baumaterial generell in der Kritik. Das auch für 3D-Druck-Verfahren, auch wenn sie effizienter und sparsamer im Materialverbrauch sind. Deshalb wird nach nachhaltigeren Alternativen für den 3D-Druck-Hausbau gesucht.

So lässt sich Beton für den 3D-Druck nachhaltiger machen

Eine Nahaufnahme eines Gebäudes mit geschwungenen, schichtweise aufgetragenen Wänden, das mit 3D-Drucktechnologie gebaut wurde. — Wie eine Skulptur: Das Wavehouse ist das größte 3-D-gedruckte Haus in Europa.

In rund 170 Druckstunden hat die Firma Heidelberg Materials (ehemals HeidelbergCement) 2023 das bisher größte, im 3-D-Druckverfahren hergestellte Haus Europas errichtet: das Wavehouse. Äußerlich beeindruckt das Gebäude durch vertikale wellenförmige Strukturen.

Innovativ ist nicht nur die Architektur, sondern auch das Material. Es handelt sich um eine weiterentwickelte Betonmischung mit einem Bindemittel, das laut Hersteller 55 Prozent weniger CO₂-Belastung im Vergleich mit einem reinen Portlandzement aufweist. Mit einer Kornstärke von 4 statt üblicherweise 2 Millimeter verringert sich der Bindemittelgehalt in der Trockenmischung. „i.tech 3D“, so der Name des Hightech-Betons für den 3D-Druck, ist zudem zu 100 Prozent recycelbar.

Vom Beton zu neuen Materialien für den 3-D-Druck

Das portugiesische Unternehmen Havelar hat ein 3-D-Haus entwickelt, das in nur 18 Stunden gedruckt werden kann. Das 80 Quadratmeter große Haus ist eine Art Einsteigermodell zum sehr günstigen Preis. Mit 150.000 Euro liegt es mindestens 50 Prozent unter dem Durchschnittspreis am Standort Porto. Hergestellt ist es aus dem üblichen zementhaltigen Beton. Havelar hat sich aber vorgenommen, bis 2030 CO2-neutral zu werden. Deshalb experimentiert das Unternehmen jetzt mit alternativen Materialien für den 3-D-Druck wie Erdmischungen, Recyclingmaterial oder Stroh.

Gips: Nachhaltiges Material für den 3-D-Druck

Der brasilianische Architekt Guto Requena hat für Nestlé einen Pavillon aus dem 3D-Drucker entworfen, in dem das Unternehmen ein System mit biologisch abbaubaren Kaffeekapseln präsentiert. Die Konstruktion in Form einer Kaffeepflanzenblüte steht auf einem Unterbau aus Brettschichtholz. Für den 3D-Druck wurde Gips statt Beton verwendet, der gesamte Pavillon kann recycelt und kompostiert werden. In diesem Beitrag stellen wir den Pavillon näher vor »

Ein moderner Pavillon mit Holzstruktur und Pflanzen, der als Kaffeestand dient, mit einem großen runden Oberlicht in der Mitte. — Der Concept-Store von Guto Requena wurde im 3D-Druckverfahren hergestellt. Obwohl der Pavillon wie aus Beton wirkt, besteht er tatsächlich aus kompostierbarem Material.

Allerdings ist auch Gips keine Universallösung: Durch den Abbau des mineralischen Gesteins Gips können Landschaften gefährdet sein. Industriegips dagegen ist ein Nebenprodukt der Entschwefelung von Rauchgasen in Kohlekraftwerken. In Deutschland wird davon nach dem Kohleausstieg deutlich weniger anfallen. Soll Gips als Material für 3D-Druck auf Dauer nachhaltig sein, ist Gips-zu-Gips-Recycling notwendig.

3D-Druck-Möbel aus Kaffeesatz

Noch eine gute Idee: In Barcelona hat ein Café eröffnet, dessen Möbel und Tresen aus einem Filament 3D-gedruckt wurde, das zu großen Teilen aus Kaffeesatz besteht. Dieses außergewöhnliche Projekt stellen wir Ihnen in diesem Artikel vor »

Holz für den 3D-Druck

Holz wird im 3D-Druck schon länger eingesetzt, zum Beispiel für Möbel, Alltags- oder Kunstgegenstände. Im Oktober 2022 hat das Advanced Structures and Composites Center (ASCC) der Universität von Maine (USA) mit dem BioHome3D ein Holzhaus aus dem 3-D-Drucker vorgestellt, dass sich vollständig recyceln lässt.

Als Material für den 3D-Druck wurde Nanocellulose, das heißt, auf Nanogröße zerkleinerte Holzfaser, eingesetzt. Ausgangsmaterial sind Holzabfälle aus den Wäldern des Bundesstaates Maine. Als Bindemittel wurden Naturharze verwendet. Zusätzlich wurde die Konstruktion aus dem 3-D-Drucker noch mit Nanocellulose und Holzfaser gedämmt. Damit ist der nachwachsende Rohstoff Holz auch im 3-D-Druck als nachhaltiger Baustoff angekommen.

Ein modernes Haus mit geschwungenem Dach und einer Veranda, das teilweise mit 3D-Drucktechnologie gebaut wurde. — Ein Holzhaus aus dem 3-D-Drucker: das BioHome3D.

Eine riesige 3D-Druckmaschine in einer Fabrikhalle, beobachtet von einer Gruppe von Menschen hinter Glas. — Neugierige Zuschauer beobachten den mächtigen 3-D-Drucker bei der Erstellung des BioHome3D.

Das BioHome3D will nicht nur ein Vorbild in ökologischer Bauweise sein, sondern dient auch Prototyp für die einfache und schnelle Herstellung von günstigen Häusern, um die in vielen US-Städten verbreitete Wohnungsnot zu lindern. Das fertige Haus wird nun auf seine Witterungsbeständigkeit geprüft. Eine Auswertung ergab, dass das BioHome3D sich im ersten Jahr mit durchaus harschen Wetterbedingungen sehr gut bewährt hat. Weder Regen noch Schnee, tiefe Temperaturen und extreme Stürme führten zu Schäden.

Mehr Experimente mit Holz für 3-D-Druck

Auch an der Technischen Hochschule Chalmers im schwedischen Göteborg wird an neuen Materialien auf Basis von Holz für den 3D-Druck geforscht. Erneut ist Nanocellulose das Ausgangsmaterial. Zur ursprünglichen Mischung mit Wasser wurde als dritte Komponente Alginat, ein aus Algen gewonnener Stoff zugesetzt. Letzteres verlieh der Mischung im getrockneten Zustand die notwendige Flexibilität für den Einsatz als Baumaterial im 3D-Druck-Verfahren.