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Einsatz des 3D-Drucks im Bauwesen für die humanitäre Hilfe

Auf 10. Juni 2021 von Regina P. veröffentlicht

Die additive Fertigung kann im Bauwesen nicht nur mit wirtschaftlicher Rentabilität punkten, sondern hat auch das Potenzial, einen gemeinschaftlichen Mehrwert zu erzielen. So sind im Laufe der letzten Jahre immer mehr Initiativen entstanden, welche den 3D-Druck für soziale Projekte nutzen. Die Vorteile für diese liegen in der Effizienz, den vergleichsweise geringen Kosten und der nachhaltigen Bauweise, welche der 3D-Druck für die Konstruktion von Bauten bietet. Die additive Fertigung ist deshalb auch zu einem Element für die humanitäre Hilfe geworden, mit welcher versucht wird, globale Probleme bzw. Ungerechtigkeiten zu bekämpfen – von Wohnungsnot und Obdachlosigkeit bis hin zur Bildungskrise.

In den letzten Jahrzehnten sind weltweit immer mehr 3D-gedruckte Bauwerke entstanden. Die additive Fertigung ermöglicht Bauunternehmen eine nie dagewesene Geschwindigkeit und sorgt dafür, dass Abfälle sowie der Arbeitsaufwand minimiert werden können. Außerdem können mit Hilfe des 3D-Drucks die Baukosten im Vergleich zu traditionellen Methoden erheblich reduziert werden. Die Technologie ermöglicht es den Konstrukteuren, beeindruckende, geometrisch komplexe sowie architektonisch außergewöhnliche Designs zu erschaffen, welche sonst unmöglich realisiert werden könnten. Daher ist es wenig überraschend, dass für den 3D-Druck im Bauwesen ein massives Wachstum prognostiziert wird. Es wird erwartet, dass der globale Markt für den Bau mittels 3D-Druck im Jahr 2023 114,4 Millionen US-Dollar erreichen wird.

Der 3D-Druck und die Wohnungskrise

Laut dem „State of the Nation’s Housing Report„, welcher vom Joint Center for Housing Studies (JCHS) der Harvard Universität veröffentlicht wurde, war das Angebot an zum Verkauf stehenden Häusern im vergangenen Jahr auf dem niedrigsten Stand seit 1982. Diese Statistik wurde durch die globale Pandemie sogar noch verschlimmert. Die USA haben jedoch nicht nur mit einem Mangel an Wohnraum zu kämpfen, sondern auch mit einem Mangel an Fachkräften, was den Bau neuer Häuser erschwert. JCHS berichtete, dass die durchschnittliche Anzahl an offenen Stellen für Bauarbeiter den höchsten Stand seit mindestens 2001 erreicht hat, mit etwa 321.000 Stellen, die 2019 besetzt werden hätten sollen. Darüber hinaus ist verfügbarer Wohnraum für viele Einwohner nicht erschwinglich. Laut Forbes sind die Hauspreise trotz des allgemeinen wirtschaftlichen Abschwungs im letzten Jahr in die Höhe geschnellt, weshalb Amerikaner im ganzen Land Mühe haben, sich ein Haus zu finanzieren. Aber auch in Deutschland können die Städte den Bedarf an neuem Wohnraum nicht decken. So hat eine Studie des Instituts der deutschen Wirtschaft (IW) festgestellt, dass jährlich rund 341.700 Wohnungen gebaut werden müssten, um die Wohnungsnachfrage decken zu können. Insbesondere in den größten Städten Deutschlands werden jedoch nur bis zu 71 Prozent der nachgefragten Bauten fertiggestellt. Der anhaltende Zuzug in die Städte sei der Hauptgrund für die Wohnungsknappheit, vor allem in der Bundeshauptstadt, wo seit einigen Jahren die Mietpreise entsprechend angestiegen sind.

Unternehmen wie ICON, ein 3D-Druck-Bauunternehmen, haben dieses Problem erkannt und versuchen innovative Lösungen mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologien zu finden. Der 3D-Druck hat demnach nicht nur das Potenzial für schnelleres und billigeres Bauen, sondern reduziert auch die Anzahl der notwendigen Arbeitskräfte. Für Jason Ballard, Mitbegründer von ICON, wird das Potenzial der additiven Fertigungsmethoden in diesem Bereich oft übersehen: „Traditionelle Baumethoden kommen mit vielen Nachteilen und Problemen, die wir so lange hingenommen haben, dass wir dabei vergessen haben, uns eine Alternative vorzustellen.“ Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel, erklärt Ballard: „Der 3D-Druck eröffnet die Möglichkeit mit einer durchgängigen thermischen Hülle, einer hohen thermischen Masse und nahezu Null-Abfall zu bauen. Zudem punktet die Technologie bei der Geschwindigkeit, komplexeren Designs, eine größere Widerstandsfähigkeit und der Chance einen Quantensprung in der Erschwinglichkeit zu erzielen. Damit ist diese Art des Bauens nicht nur um 10 % besser, sonder 10-mal besser“. Und damit könnte er sogar Recht haben!

Community First! Village (Bild: ICON)

Denn der “Quantensprung” der Erschwinglichkeit den Ballard beschreibt ist  nicht übertrieben. Der bekannte digitale Wohnungsmarktplatz HomeAdvisor schätzt, dass die Kosten für den Bau eines Hauses in den USA (mit herkömmlichen Methoden) im Durchschnitt zwischen 154.273 und 478.200 $ liegen. ICON hingegen rechnet damit, dies für nur $4000 zu tun, mehr als hundertmal weniger als das obere Ende der Schätzungen von HomeAdvisor. Anstatt also mehr Kapital zu erwirtschaften, nutzen einige Unternehmen die additive Fertigung zur Umsetzung von humanitären Projekten. 

Im Falle von ICON trägt das Projekt den Namen Community First! Village, wobei es sich um eine Siedlung von erschwinglichen, dauerhaften Wohnungen handelt, welche für Menschen nach jahrelanger Obdachlosigkeit ein Zuhause bilden sollen. Die Gemeinde besteht aus einem 3D-gedruckten, 500 m² großen „Welcome Center“ und drei 400 m² großen Häusern, die jeweils einzeln 3D-gedruckt werden und so eine Reihe von sechs Häusern für die Bewohner der Gemeinschaft bilden. Jedes Haus verfügt über ein Schlafzimmer, ein Bad, ein Wohnzimmer, ein Badezimmer und eine Veranda mit weitreichendem Blick auf die Sonnenuntergänge in Texas. Laut ICON ist die Lavacrete 3D-Drucktechnologie in der Lage, Strukturen zu bauen, die Feuer, Überschwemmungen und anderen Naturkatastrophen aushalten kann. Diese waren in der Vergangenheit in vielen Gebieten der USA für die Zerstörung von Häusern verantwortlich.

Somit sind diese Häuser nicht nur eine Lösung für den schnellen Wiederaufbau von Wohnraum nach Naturkatastrophen, sondern stellen außerdem eine Präventivmaßnahme dar. Das Community First! Village ist derzeit das einzige seiner Art in den USA und wird von der gemeinnützigen Organisation Mobile Loaves & Fishes betrieben. Doch allein mit der erfolgreichen Existenz ebnet das Projekt den Weg für mehr. Erst im vergangenen Jahr haben die US-Betonspezialisten QUIKRETE und Contour Crafting Corporation bekannt gegeben, dass sie gemeinsam Häuser für Obdachlose in L.A. bauen wollen.

Laut ICON ist die Lavacrete 3D-Drucktechnologie in der Lage, Strukturen zu bauen, die Feuer, Überschwemmungen und anderen Naturkatastrophen standhält. (Bild: ICON)

Die Aktivitäten von ICON beschränken sich aber nicht nur auf die USA und es wäre auch nicht sinnvoll, dies zu tun. Wie das Unternehmen selbst feststellt, gibt es drei kritische Herausforderungen, denen der globale Wohnungsbau derzeit gegenübersteht: Erstens kann sich die Durchschnittsperson kein Haus leisten; zweitens ist der Hausbau nicht nachhaltig und sowohl ineffizient als auch verschwenderisch; und schließlich gibt es über eine Milliarde Menschen auf der Welt, denen es an angemessenem Wohnraum fehlt. 2019 enthüllten ICON, New Story und ÉCHALE die erste 3D-gedruckte Gemeinschaft in Tabasco, Mexiko. Die Gemeinschaft besteht aus fünfzig Häusern, von denen jedes an eine lokale Familie vergeben wurde, die zuvor in extremer Armut und unsicheren Unterkünften lebte. Jedes der Häuser bietet mit 500 m² genügen Platz und wurde mithilfe von ICONs Robotik, Software sowie fortschrittlichem Material in etwa 24 Stunden über mehrere Tage hinweg gefertigt.

Die Rolle des 3D-Drucks beim Bau von Schulen und sozialer Infrastruktur

Auch andere Unternehmen wie Thinking Huts und 14Trees nutzen den 3D-Druck im Bauwesen für humanitäre Zwecke, indem sie die Technologie zum Bau von sozialer Infrastruktur nutzen, in denen die Mittel und Ressourcen für traditionelle Methoden fehlen. Diese Projekte widmen sich insbesondere der Errichtung von Schulen. Für 14Trees hat die additive Fertigung eingesetzt, um den Bedarf von mehr als 36.000 Klassenzimmern in Malawi zu decken, was mit alternativen Baumethoden mehr als 70 Jahre dauern würde. Das Unternehmen sagt dazu: „Wir mussten die Art und Weise, wie wir bauen, überdenken, damit jedes Kind der heutigen Generation zur Schule gehen kann.  Den 3D-Druck für den Bau zu nutzen ist eine fantastische Möglichkeit, die Bauzeit zu verkürzen, die Gesamtkosten der Gebäude zu senken und gleichzeitig den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Dies gilt für Schulen, aber auch für Wohnhäuser und andere soziale Infrastruktur (z. B. Kliniken). In Malawi haben wir bewiesen, dass es möglich ist, die Wände eines Hauses in weniger als 12 Stunden zu ‚drucken‘ und gleichzeitig den CO2-Fußabdruck des Hauses um bis zu 70 % zu reduzieren, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.“

Brett Hagler, CEO von New Story, erklärte dies auf ähnliche Weise: „Wir sehen es als unsere Aufgabe an, traditionelle Methoden in Frage zu stellen. Lineare Methoden werden den über eine Milliarde Menschen, die ein sicheres Zuhause brauchen, niemals eines geben können. Indem wir unsere Annahmen in Frage stellen, auf der Grundlage von Daten iterieren und kalkulierte Risiken bei innovativen Ideen eingehen, können wir mehr Familien ein Zuhause bieten, und das exponentiell schneller.“ Der 3D-Druck ist als Bauverfahren somit einzigartig, wenn es darum geht eine soziale Infrastruktur zu realisieren, die so viele Menschen weltweit benötigen.

3d construction printing humanitarian

Ein zukünftiges Klassenzimmer (Bild: Thinking Huts)

Auf welche Herausforderungen stößt die Technologie?

Da es sich bei der Wohnungskrise aber vor allem um ein strukturelles Problem handelt, kann diese nicht allein durch alternative Bauweisen gelöst werden, weder additiv noch mit einer anderen Methode. Laut der Gründerin von Thinking Huts, Maggie Grout, „liegt die größte Herausforderung in der Finanzierung, vor allem, wenn das Potenzial der Technologie für humanitäre Zwecke eingesetzt werden soll.“ Dieser Einschätzung folgt auch Alexandria Lafci, COO von New Story, indem, diese hinzufügt: „Es hat lange gedauert, bis mobile Geräte nach Afrika durchgedrungen sind, weil sich Unternehmen auf die lukrativsten Märkte konzentrierten. Aber jetzt sehen wir, welchen Einfluss beispielsweise Mobiltelefone auf die Veränderung ganzer Volkswirtschaften und Lebensgrundlagen auf dem Kontinent genommen haben. Anstatt also darauf zu warten, dass der Fortschritt im Bauwesen aus Profitgründen in den Globalen Süden gebracht wird, sollten wir Innovationen wie den 3D-Druck von Häusern vorantreiben, weil es ein mächtiges Werkzeug zur Bekämpfung der Obdachlosigkeit sein kann“.

Der 3D-Druck im Bauwesen stellt zwar sicherlich eine innovative und effiziente Methode dar, um Probleme im Zusammenhang mit fehlender sozialer Infrastruktur und insbesondere der Wohnungs- und Bildungskrise zu bekämpfen, aber erfordert in erster Instanz auch Kapital zur Umsetzung. Dies umso mehr, da die aktuellen Methoden der additiven Fertigung im Bauwesen noch nicht so weit fortgeschritten sind, als dass diese den Bau eines gesamten Hauses bewerkstelligen können. Denn einige Teile der Schule können nicht in 3D gedruckt werden. Zu diesen Teilen gehören das Dach, die Türen und Fenster, welche Thinking Huts komplett aus lokal beschafften Materialien herstellen will. Doch mit der Unterstützung humanitär ausgerichteter Bauvorhaben hat der 3D-Druck das Potenzial, das tägliche Leben von Gemeinschaften auf der ganzen Welt komplett zu verändern.

Momentan gibt es mehr als 260 Millionen Kinder die keinen Zugang zu Bildung haben. Diese Zahl ist seit Beginn der Pandemie, welche unter anderem für die Vertreibung von über einer Milliarde Kinder weltweit verantwortlich war, nur noch gestiegen. Wir haben Maggie Grout gebeten, das von ihr gegründete Unternehmen zu beschreiben und sie erklärte uns, dass Thinking Huts „eine Non-Profit-Organisation ist, die mit innovativen, humanitär orientierten Technologielösungen den weltweiten Zugang zu Bildung verbessern will. Wir versuchen, die additive Fertigung zu nutzen, um 3D-gedruckte Schulen dort zu bauen, wo sie am meisten gebraucht werden“.

Was mit einem Standort in Madagaskar begonnen hat, soll noch in diesem Jahr um weitere drei Schulen erweitert werden. Thinking Huts hofft sogar, die Tätigkeit eines Tages auf Simbabwe, Malawi, Pakistan, Indien und Südafrika auszuweiten. Während das Hauptaugenmerk des Projekts von Thinking Huts darauf liegt, den Zugang zu Bildung zu erweitern, versucht das Unternehmen auch, „Wege zu finden, um eine Synergie zwischen Technologie und lokalen Gemeinden zu schaffen“. Grout möchte einheimische Arbeitskräfte beschäftigen, um die Wirtschaft der entwickelnden Gemeinden anzukurubeln sowie den Technologietransfer zu unterstützen, was den Kommentar von Lafci, COO von New Story, zu den Auswirkungen von Mobiltelefonen auf die afrikanischen Volkswirtschaften aufgreift.

(Bild: 14Trees)

Wir haben auch mit Francois Perrot, Geschäftsführer von 14Trees, über die mögliche Rolle des 3D-Drucks im Bauwesen bei der Bekämpfung der Wohnungs- und Bildungskrise gesprochen, woraufhin er festhält: „Der 3D-Druck im Bauwesen stellt eine großartige Möglichkeit dar die Wohnungs- und Bildungskrise zu lösen. Wichtig ist, dass alle Komponenten, die zum Druck benötigt werden, von der verwendeten Tinte bis hin zu den Teams, die den Roboter steuern, aus den Ländern stammen, in denen wir versuchen, diese Krisen zu lösen. Mit diesem Ansatz haben wir begonnen, indem wir mit LafargeHolcim-Ländern zusammenarbeiten, um die 3D-Druck-Tinte so nah wie möglich an dem Ort zu produzieren, an dem sie später zum Einsatz kommt, um Arbeitsplätze für die gesamte Wertschöpfungskette zu schaffen und die Menschen vor Ort mit der Technologie vertraut zu machen. Bisher erhalten wir extrem positive Reaktionen!“.

Eine weitere, von den Organisationen festgestellte Herausforderung, ist der Mangel an Wissen und Bewusstsein, wenn es um 3D-Drucktechnologien im Bauwesen geht. Grout stellt fest, „dass der 3D-Druck im Bausektor noch relativ unbekannt ist. Oft denken die Leute, dass der 3D-Druck nur im Desktop-Maßstab eingesetzt wird und Objekte aus Kunststoff herstellt. Für einige kann es schwierig sein, sich den 3D-Druck im architektonischen Maßstab vorzustellen“. Perrot kommentiert dazu: „Der 3D-Druck im Bauwesen ist immer noch eine aufstrebende Technologie und es gibt viele Herausforderungen, denen wir uns stellen mussten, etwa bei der Einrichtung der Baustelle, der Aufbereitung der Farbe und dem Design des Hauses, damit es leicht ‚druckbar‘ ist.“

In Zusammenarbeit mit dem LafargeHolcim Innovation Center und dem Technologiepartner COBOD konnte 14Trees diese Herausforderungen individuell angehen. Laut Perrot „erfordert der 3D-Druck Exzellenz vom Entwurf des Gebäudes bis zur Fertigstellung, und genau diese Exzellenz in der Ausführung wollen wir mit unseren Projekten aufzeigen“.  Offensichtlich gibt es zwar bereits ein gewisses Maß an Erfolg im Einsatz der Technologie, es besteht aber sicherlich noch Bedarf an weiterer Forschung und Entwicklung, damit der 3D-Druck im Bauwesen erfolgreich für humanitäre Hilfsprojekte genutzt werden kann.

(Bild: 14Trees)

Der Einsatz des 3D-Drucks im Bauwesen bietet ein enormes Potenzial für humanitäre Hilfsmaßnahmen, insbesondere wenn es um die Wohnungs- und Bildungskrise geht. Die Technologie bietet den Vorteil Bauten kostengünstiger, nachhaltiger und langlebiger zu konstruieren. Damit sich der Einsatz des 3D-Drucks im Bauwesen weiter etabliert, müssen noch weitere Schritte folgen. Wenn die Technologie einen wirklich bedeutenden Einfluss haben soll, bedarf es finanzieller Mittel, Förderung, Forschung und Entwicklung und Zeit. Mehrere Regierungsinstitutionen in den USA setzen den 3D-Druck bereits zunehmend ein, vor allem bei der Navy, beim Militär und der NASA. Schließlich stellt sich die Frage, was die Städte davon abhält, die Vorteile der Technologie für die Stadtplanung zu nutzen?

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*Titelbildnachweis: ThinkingHuts

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