Forschung Multifunktionale Hauswand aus dem 3D-Drucker

Geht es in der Architektur um additive Fertigung, denkt jeder sofort an Betondrucker – doch die sind bei komplexen Bauteilen schnell überfordert. Wie sich zwei schwedische Architekten jetzt das Binder-Jetting-Verfahren zunutze gemacht haben.

Ausgefallenes ist man ja gewohnt auf der Architekturbiennale in Venedig. Doch was im November 2021 hier steht, im Vorhof einer typischen venezianischen Villa, zieht trotzdem einige Blicke auf sich: Knapp 1,3 × 2,1 × 0,7 m misst das Objekt und besitzt eine Korallen-artige Struktur. Auf der einen Seite ist eine kleine Leselampe angebracht – handelt es sich hier vielleicht um ein reines Kunstobjekt?

Weit gefehlt! Was die Besucher hier bestaunen, ist die „Meristem Wall“, ein Architekturprojekt der schwedischen Universität Lund. Dabei handelt es sich um eine additiv gefertigte Hauswand, die nicht nur funktionale Teile wie Rohrleitungen und Stromkabel enthält, sondern auch eine Außenfläche, die als Habitat für Flora und Fauna dient. Zusätzlich integriert ist ein Belüftungssystem, das Feuchtigkeit und Wärme kontrollieren kann und die Luftzirkulation antreibt. Erdacht und konstruiert haben es zwei Jahre lang die beiden Architekten David Andreen und Ana Goidea.

Herkömmliche Software für das neue Vorhaben unbrauchbar

Angefangen hat für das Team alles mit der Erstellung eines digitalen Modells für die 3D-Drucker. Das Problem: Üblicherweise braucht man für architektonische Projekte in dieser Phase lediglich einen einzigen Algorithmus – für die komplexe Multifunktionswand hätte diese Lösung allerdings nicht ausgereicht. Eine Zusammenarbeit mit den Lund'schen Biodigital Matter Labs, die spezialisiert sind auf die Verzahnung von IT, Design und Biologie, bringt schließlich die Lösung: eine neue, selbst programmierte Modellierungssoftware auf Basis einer Vielzahl von Algorithmen, die miteinander verbunden sind und so Information austauschen können.

Doch als die CAD-Daten bereit für den Druck sind, wartet bereits die nächste Herausforderung auf das Team: Mit den umfangreichen Abmessungen von 1,3 × 2,1 × 0,7 m ist die Wand zu groß für die meisten additiven Fertigungssysteme. Andreen und Goidea entscheiden sich deshalb für die VX 4000 des Anbieters Voxeljet: einen 3D-Drucker mit einem Bauraum von 4 × 2 × 1 m. Er wurde ursprünglich für den Metallguss entwickelt und funktioniert nach dem Binder-Jetting-Verfahren. Dabei wird pulverförmiges Ausgangsmaterial mit einem Kleber zu einem neuen Werkstück verbunden.

Epoxidharz liefert die nötige Festigkeit

„Besonders knifflig für uns war die hohe Komplexität der feinen inneren Strukturen und Leitungen“, erinnert sich Tobias Grün, Produktmanager bei Voxeljet. „Dazu kommt: Weil wir in einem Sandbett drucken, müssen wir nach dem Druckprozess das gesamte unverdruckte Material aus den verklebten Strukturen entfernen.“ Das Team entscheidet sich deshalb für eine ebenso einfache wie geniale Lösung: „Also haben wir das Objekt in 21 Einzelstücke aufgeteilt – das sparte uns Zeit und erleichterte uns die Arbeit enorm.“

Fertig gereinigt sind die Einzelteile aber immer noch nicht bereit für den Zusammenbau: Mit filigranen Wandstärken von 0,5 mm würden sie sich bei Belastung stark verformen oder einfach zerbrechen. Um der Meristem Wall die nötige Stabilität zu verleihen, wenden sich Andreen und Goidea an das Augsburger Unternehmen Sandhelden. Das Team hat sich auf die Überführung von 3D-Sanddruckteilen zu Endprodukten spezialisiert. Über drei Tage hinweg infiltrieren die Mitarbeiter die Einzelteile der Hauswand jetzt mit Epoxidharz. Danach ist die Struktur so stabil, dass sie den Transport nach Venedig schadenfrei übersteht.

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Heute, wenige Monate nach Abschluss des Projekts, ziehen die beiden schwedischen Architekten ein positives Fazit: „Unsere Arbeit hat gezeigt: Es ist möglich, Gebäudehüllen mit dem Binder-Jetting-Verfahren herzustellen. Und: Es ist möglich, Strukturen zu schaffen, die gegenüber herkömmlichen Objekten und Verfahren deutlich mehr Funktionen vereinen“, fasst David Andreen zusammen. „Der 3D-Druck kann der Bauindustrie einen Weg in die Zukunft weisen und Marktchancen schaffen“, ergänzt Goidea. „Für Gebäude, die reich sind an Ausdruck sowie Funktion – und obendrein ökologisch nachhaltig.“

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