Wie wirkt sich der 3D-Druck auf Design und Architektur aus?

Architektur ist sowohl der Prozess als auch das Produkt der Planung, des Entwurfs und der Konstruktion physischer Strukturen. Ein guter Architekt kann oft einen durchschnittlichen Raum in ein ästhetisch hochwertiges und praktisches Design verwandeln. Vor einigen Jahren begann die Architektur- und Designbranche mit 3D-Drucktechnologien zu experimentieren. Vor fünf Jahren beispielsweise wurde der größte 3D gedruckte Architekturpavillon für die Beijing Design Week eröffnet. Heute sind additiv hergestellte Strukturen kein großer Schock mehr. Es ist fast schon üblich geworden, dass innovative Design- und Konstruktionsstudios eine Desktop-Lösung besitzen, um 3D-Modelle ihrer Projekte zu erstellen. Darüber hinaus entscheidet sich eine rasch wachsende Zahl von Unternehmen auf der ganzen Welt dafür, die additive Fertigung ebenfalls in ihre Produktionsprozesse zu integrieren und damit ihr Geschäftsmodell rund um den 3D-Druck neu zu definieren.

Welchen Nutzen hat der 3D-Druck also genau für Architektur- und Designfirmen? Was sind die verschiedenen Anwendungen dieser fortschrittlichen Technologie innerhalb des Sektors? Wir haben beschlossen, uns die derzeitige Einführung genauer anzusehen, um zu verstehen, warum sich Unternehmen für die Integration des 3D-Drucks in die Architektur entscheiden und wie sie damit umgehen.

VULCAN, Architekturpavillon, 3D-Druck für die Beijing Design Week im Jahr 2015 | Bildnachweis: Laboratorium für kreatives Design

Was sind die Vorteile der Einführung des 3D-Drucks in der Architektur?

Wenn diese neuen Techniken keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden bieten würden, gäbe es wahrscheinlich keinen Grund, die Technologie in die Architektur zu integrieren. Tatsächlich sind die Vorteile des 3D-Drucks in der Architektur und im Design zahlreich und ähneln in gewisser Weise auch denen im Bausektor. Jose Aguilar, Mitbegründer und CEO des in Texas ansässigen Studios māk, erzählte uns mehr über die Nützlichkeit von additiven Technologien:

„Ich benutze den 3D-Druck seit 2008 und habe die Vorteile dieser Technologie in den architektonischen Bereichen Design und Konstruktion ziemlich schnell erkannt. Die Software-Entwicklung für die Architektur-, Bau- und Möbelindustrie war der tatsächlichen Fähigkeit der Fertigungsindustrie, sehr komplexe geometrische Designs zu erzeugen, schon immer weit voraus. Das liegt vor allem daran, dass die traditionellen Herstellungsmethoden auf der Übersetzung von dreidimensionalen Objekten in zweidimensionale Zeichnungen beruhen, die für die Herstellung verwendet werden, und dann sind da noch die Arbeitskosten, die mit dem Zusammenbau dieser Teile verbunden sind. Das 3D-Drucken umgeht diesen aufwendigen Prozess, und da die aktuelle Technologie das ist, was sie ist, können Sie fast direkt von einem 3D-dimensionalen Objekt drucken. Dies bringt enorme Vorteile mit sich, wie z. B. eine kürzere Zeit für das CAM-Design, eine genauere Druckzeit für die Fertigungssimulation, und das gedruckte Objekt und alle seine anderen Komponenten sind letztendlich solider und weisen eine größere strukturelle Integrität auf“, so Jose Aguilar.

Designfreiheit und komplexe Geometrien

Unbestreitbar ist der größte Vorteil der Anwendung des 3D-Drucks bei Architekturprojekten die Gestaltungsfreiheit, da Formen, die früher unvorstellbar waren, jetzt möglich und sogar leicht herstellbar sind. Mit anderen Worten, mit mehr Designfreiheit ergibt sich die Möglichkeit, neue komplexe Geometrien zu erstellen. Darüber hinaus können Unternehmen jetzt auch Designstudien durchführen: „Durch den Einsatz eines 3D-Druckers können wir viele verschiedene Designoptionen ausdrucken“, kommentiert das US-amerikanische Architekturbüro Bercy Chen Studio. „Anstatt den Entwurf nur auf dem Bildschirm zu haben, helfen uns die 3D-Modelle, einen besseren Überblick über unseren Entwurf zu erhalten, und geben uns die Möglichkeit, die besten Optionen zu erkunden„, außerdem ist die Durchführung mehrerer Iterationen kostengünstig.

Als XtreeE drei einzigartige Betonbänke mit einem gewebten Muster in 3D druckte, verwendete das Unternehmen einen sechs-achsigen Roboterarm, um das komplexe Design zu erstellen. Der Roboter konnte Materialschichten ablegen und sich dabei in einer definierten Bewegung bewegen, um das gewebte Muster zu erstellen. Es handelt sich um eine sehr komplexe Geometrie, die in klassischer Form erheblich teurer gewesen wäre. Daher bot die 3D-Drucktechnologie den Herstellern mehr Freiheit, dem Modell Komplexität hinzuzufügen.

Die Betonbank von XtreeE ist ein Beispiel für komplexe Geometrien, die dank des 3D-Drucks realisiert wurden.

Nachhaltigkeit

Es gab einige Debatten darüber, ob die additive Herstellung wirklich umweltfreundlicher ist als andere Produktionsmethoden. Aber selbst wenn einige 3D-Druckmaterialien tatsächlich nicht „grün“ sind, gibt es immer noch mehrere Möglichkeiten, wie sich der 3D-Druck als nachhaltiger erweist als die meisten anderen traditionellen Bauverfahren. Laut XTreeE manifestiert sich die Nachhaltigkeit im reduzierten Materialverbrauch, der entweder im Produkt selbst berücksichtigt wird dank der geometrischen Optimierung, oder in den verschiedenen Abfällen, die mit der Herstellung wie Schalungen verbunden sind. „Wir glauben an ein externes robotergestütztes Vorfertigungsparadigma, das die Herstellung von High-End-Elementen mit neuartigen Leistungen und geringerer Auswirkung ermöglicht. Ein wichtiger zu erwähnender Vorteil ist die enorme Reduzierung von Vor-Ort-Einsätzen, was Effizienz und Nachhaltigkeit bringt.“

Laut Studio RAP ist der Beitrag des 3D-Drucks zur Nachhaltigkeit offensichtlich, da er den Einsatz knapper Ressourcen deutlich minimiert. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie eine bedarfsgerechte, dezentralisierte Fertigung ohne Lagerhaltung und (interkontinentalen) Transport, wodurch der Kohlenstoff-Fußabdruck minimiert wird.

Forust Corp. 3D druckt Innenausstattungsteile aus Holz aus recyceltem Sägemehl. | Bildnachweis: Forust Corp.

Anpassung

Die Fähigkeit, hochgradig anpassbare Produkte anzubieten, ist zum Schlüssel geworden, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Auch hier ist die Anpassung an Kundenwünsche mit traditionellen Techniken schwer zu erreichen, da jede Form eine große Anzahl von Produkten herstellen muss, um die anfänglichen Investitionskosten zu rechtfertigen. Jose Aguilar erklärt: „Ein wichtiger Faktor für uns, um in dieser Branche wettbewerbsfähig zu bleiben, ist das Geschenk der Anpassung, welches wir unseren Kunden machen können. Unsere Kunden sind immer auf der Suche nach Produkten „von der Stange“, aber sie wollen und brauchen sie natürlich individuell auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten. Dies ist mit den traditionellen Herstellungsmethoden nur schwer zu erreichen, aber mit dem 3D-Druck können wir eine kundenspezifische Anpassung anbieten und müssen nicht jedes Mal, wenn ein Kunde eine Änderung wünscht, Forschung und Entwicklung betreiben.“

3D-Druck Anwendungen in der Architektur

Verbunden mit den Vorteilen der additiven Technologien sind die Anwendungen  das Faszinierende. Der 3D-Druck in der Architektur umfasst eine Vielzahl von Projekten und Anwendungen, die von der Stadtplanung bis zur Innenarchitektur reichen. Wenn es um den Entstehungsprozess geht, sind hier einige der Hauptanwendungen aufgeführt, bei denen 3D-Technologien zum Einsatz kommen:

Digitale 3D-Modellierung

Die 3D-Modellierung ist ein wichtiger Schritt im Workflow des 3D-Drucks, und die Vielfalt der auf dem Markt erhältlichen 3D-Modellierungssoftware ist in den letzten Jahren weiter gewachsen. Die Modellierung kann verwendet werden, um Prototypen eines Teils, tatsächliche Strukturen oder maßstabsgetreue Modelle eines Projekts zu entwerfen. Einige Unternehmen ziehen es vor, mehrere verschiedene Softwareprogramme zu verwenden, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Romain Duballet, Mitbegründer des französischen AM-Bauunternehmens XtreeE, sagte: „Wir verwenden verschiedene Software, natürlich Rhino und Grasshopper, einige Autodesk-Software und einige physikalische Analyse- und Optimierungssoftware. Für spezifische Anwendungen programmieren wir unsere eigenen Programme, was uns einerseits hilft, komplexere Geometrien zu erzeugen und andererseits die Produktion einfach zu verwalten.“ Sobald die digitale Datei gerendert ist, delegieren die Designer normalerweise an die Ingenieure, um mit dem 3D-Druck des Prototyps zu beginnen.

Bildnachweis: Studio One Eleven

Prototyping

Das Prototyping ist in der Architektur äußerst wichtig, und es ist die Phase, die am stärksten von den 3D-Drucktechnologien beeinflusst wird. Früher dauerte die Erstellung von 3D-Modellen  lange und war zudem arbeitsintensiv, während 2D-Versionen nicht annähernd so hilfreich waren. Heute ermöglicht der 3D-Druck die Erstellung qualitativ hochwertiger 3-dimensionaler Prototypen, was den Zeit- und Arbeitsaufwand erheblich reduziert. Aufgrund der flexiblen Natur von 3D-Druckern können Sie einfache und komplexe Gebäude- oder Strukturmodelle in Stunden statt in Wochen oder sogar Monaten erstellen! Sobald Sie Ihr Modell haben, können Sie mit Kundengesprächen beginnen, was wiederum Zeit und Geld spart, da das Risiko kostspieliger Fehler verringert und der gesamten Design-to-Agreement-Prozess beschleunigt wird.

Das in den Vereinigten Staaten ansässige Studio māk ist auf die Entwicklung und Herstellung komplexer architektonischer Elemente und kommerzieller Innenmöbel für die Design- und Bauindustrie spezialisiert. Das in Texas ansässige Architekturstudio erkannte schnell, dass sich der 3D-Druck ideal für das Prototyping und Testen von Konzeptmodellen eignet. Heute verwendet das Unternehmen seinen Gigabot-3D-Drucker, um die Anfangsphasen fast aller seiner Projekte als Prototypen zu erstellen.

Städtische Infrastruktur

Der 3D-Druck revolutioniert die Stadtplanung in mehr als einer Hinsicht. Zum einen haben Architekten die Möglichkeit, ein Modell einer ganzen Stadt in 3D zu drucken. Dies ist etwas, das mit der richtigen Ausrüstung und den richtigen Druckmaterialien innerhalb weniger Stunden möglich ist. Aber noch interessanter sind die tatsächlichen Projekte, die entweder bereits abgeschlossen oder im Gange sind. Der 3D-Druck für die städtische Infrastruktur ist oft eine Zusammenarbeit zwischen einem 3D-Druck-Architekturbüro und der Stadt oder der Regierung, obwohl es sich auch um ein kommerzielles Projekt handeln kann. Die Strukturen reichen in der Regel von 3D-gedruckten Brücken über dekorative Gebäudefassaden bis hin zu Verkehrshaltestellen.

Das in den Niederlanden ansässige Studio RAP arbeitet an mehreren 3D-gedruckten Architekturprojekten, darunter eine Wassertaxi-Haltestelle in Rotterdam, die sich derzeit im Bau befindet und mit Beton in 3D gedruckt werden soll. Mit der Stadtverwaltung von Rotterdam als Auftraggeber hat das Unternehmen eine parametrisch gestaltete Wassertaxi-Haltestelle entwickelt, bei der modernste Betondrucktechnologie zum Einsatz kommt. Mitbegründer, Wessel van Beerendonk, erklärt: „Der Entwurf besteht aus zwei sich kreuzenden (geflochtenen) Flächen, die die Vorspannseile entlang des Bauwerks führen. Sechs Betondruckstücke werden übereinander gestapelt, um eine Auskragung von 3,5 Metern zu gewährleisten.“

Parametrisch gestaltete Wassertaxi-Haltestelle für die Stadt Rotterdam setzt konkrete 3D-Drucktechnologie ein | Bildnachweis: Atelier RAP

3D-Scannen in der Architektur

Stadtplaner kommunizieren oft mit anderen Fachleuten wie Ingenieuren und Architekten, um Städte zu schaffen oder zu verbessern. Dabei liefern sie oft Messungen von physischen Objekten, wie z.B. Ergänzungen zu einem Gebäude. Ungenaue Messungen können jedoch den Bau verlangsamen, was zu Fehlern führt, die das Budget von Projekten überschreiten. Glücklicherweise ist das Laser-3D-Scannen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine schnellere und genauere Methode zur Messung von Dimensionen. Ein gutes Beispiel wäre der Wiederaufbau der Michigan Central Station durch Ford Motor Co. Mit dem Ziel, die historische Designgenauigkeit des ikonenhaften Gebäudes zu gewährleisten, setzte der Fertigungsriese die Laser-3D-Scanner von Creaform ein, um präzise 3D-Modelle der verschiedenen Elemente der Station zu erstellen und den Auftragnehmern die Reparatur oder Nachbildung der komplizierten Strukturen zu ermöglichen.

Der Creaform 3D-Scanner verwendet 15 Laserkreuze, die die Form jedes physischen Objekts erfassen. Er misst feine Details bis hinunter zur Dicke eines menschlichen Haares und erfasst Freiformen, um digitale Netzdateien zu erzeugen. Diese Art des Scannens ist für konturierte Oberflächen und komplexe Geometrien gedacht, die für eine präzise Verarbeitung große Datenmengen erfordern. Insgesamt macht das 3D-Scannen Restaurierungsprojekte präziser, spart Zeit und ermöglicht Messungen, die sonst nicht möglich gewesen wären.

Ford verwendet einen 3D-Scanner von Creaform, um die ursprüngliche Architektur des Hauptbahnhofs von Michigan wiederherzustellen.

Materialien

Welches sind die beliebtesten Materialwahlen für die innovativen Architekten und Designer, die ihre Stücke mit 3D-Druck erstellen? Das erste, was einem in den Sinn kommt, ist Beton, da es in der Tat die am häufigsten verwendete Bausubstanz ist, sowohl für die konventionelle als auch für die additive Fertigung. Natürlich wird das Material von fast jedem AM-Bauunternehmen ständig modifiziert oder verstärkt, so dass es selten vorkommt, dass zwei Hersteller mit ihren Maschinen genau die gleiche Art von Beton extrudieren. Ein weiteres beliebtes Material für den 3D-Druck in der Architektur ist Keramik. Bei einem ihrer Projekte druckt Studio RAP beispielsweise 4.000 Keramikfliesen zur Dekoration eines Wohngebäudes in 3D. Die Keramikfliesen interpretieren die weltberühmten dekorativen Qualitäten des niederländischen Delfter Blau-Porzellans neu.

Für Inneneinrichtungsgegenstände gibt es natürlich auch Kunststoffe. Zu den weniger beliebten, aber vielleicht einzigartigeren 3D-Druckmaterialien gehört jedoch Holz. Es kommt nicht oft vor, dass wir einer Firma begegnen, die Holz als ihr Haupt-3D-Druckmaterial verwendet, aber Forust Corp. ist eine davon. Dieses amerikanische Unternehmen erstellt 3D-Drucke mit Sägemehl, das ein Abfallprodukt der Möbelherstellung ist, um schöne funktionelle Objekte für die Inneneinrichtung von Gebäuden herzustellen. Sie haben den 3D-Druck mit einem Proof-of-Concept für Holz demonstriert und sind seit kurzem in der Lage, Textur- und Farbzuordnungen zu verwenden, um auf Objekten aus Sägemehl ein realistisches Aussehen von Holz nachzubilden.

Ein Kuka-Industrieroboter druckt ein großes Betonteil. | Bildnachweis: Hyperion Robotics

Wie einfach ist es für Unternehmen, den 3D-Druck in ihren Workflow zu integrieren?

„Es war einfach“, behauptet Jessie Ho vom Bercy Chen Studio. Das Architekturbüro mit Hauptsitz in Austin, Texas, und Büros in Taipeh und Mexiko-City verwendet die Ultimaker 2 & 3 seit 5 Jahren für den 3D-Druck von Modellen für seine Projekte. „Wir können die uns vertraute Software (Sketchup, Rhino, Revit) verwenden, um das Projekt zu modellieren und es dann einfach für den 3D-Druck zum Cura exportieren. Es gibt einige Tipps zu Einstellungen beim Exportieren der Dateien, die wir lernen mussten, aber alle Informationen sind im Internet leicht zu finden!“

Manche Firmen bilden einige Mitarbeiter für den Umgang mit 3D-Druckern aus, während andere jedes Teammitglied ermutigen, den Umgang mit den AM-Geräten zu erlernen. „Wir haben ein Team von Designern und Herstellern, so dass so ziemlich jeder weiß, wie man den 3D-Drucker bedient, was eine Notwendigkeit ist, da wir ständig Prototypen herstellen, und je mehr Teammitglieder dabei mithelfen können, desto besser funktioniert es“, sagt der Geschäftsführer des Studios māk.

Die beiden größten Herausforderungen bei der Einführung des 3D-Drucks für ein Architekturbüro sind die technische Seite des Betriebs eines AM-Gerätes sowie die Optimierung der Parameter für bestimmte Materialien. Auf die Frage nach den Herausforderungen, die sich bei der Einführung der Technologie stellten, antwortete Bercy Chen Studio, dass sie mit der Zeit gelernt haben, wie sie diese Herausforderungen lösen können, und zwar „hauptsächlich technische Probleme, wie z.B. Verstopfung des Düsenkopfes, Nivellierung der Platte, Parametereinstellung verschiedener Materialien“. Aguilar berichtete uns über ähnliche Probleme: „Am Anfang hatten wir einige Fehler, aber es hatte mehr mit den technischen Problemen des Druckers zu tun, die wir zu der Zeit hatten, als mit den Personen, die die Maschine programmierten und betrieben. Mit unserem heutigen 3D-Drucker (Gigabot) erhalten wir viel genauere Ausdrucke.“

Für die einzigartige Form des Arrowhead-Hauses wurde 3D-Druck verwendet. | Bildnachweis: Bercy Chen Studio

Ist der 3D-Druck die Zukunft von Architektur und Design?

Der Mitbegründer von Studio RAP, Wessel van Beerendonk, glaubt, dass der 3D-Druck zu einer Revolution in der Art und Weise beitragen wird, wie Gebäude entworfen, gebaut, gewartet und wiederverwendet werden. „Diese Technologie ist eines der letzten fehlenden Glieder, um eine vollständige digitale Lieferkette innerhalb der Bauindustrie zu ermöglichen. Neben Effizienz und Designfreiheit gibt es auch soziale Vorteile, die zu gleichen Wettbewerbsbedingungen beitragen, zu denen Unternehmen und Einzelpersonen auf der ganzen Welt beim Entwurf und der Erstellung von Gebäuden, die lokal hergestellt werden, beitragen können und werden. Dies bietet Chancen für nachhaltiges und integratives Wachstum auf der ganzen Welt. Es fördert eine neue Ästhetik, lassen Sie uns den Architektenberuf, die Position, die wir innerhalb des Bauprozesses einnehmen, und unsere Geschäftsmodelle neu überdenken.“ Die Vorteile dieser Technologie sind sehr vielfältig, eines ist klar: sie hat das Zeug dazu, unsere Lebensweise zu zu  verändern!

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