3D Druck in der Architektur

Nicht nur im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in der Medizin und in der Archäologie, sondern auch in der Architektur kommt der 3D Druck in immer stärkerem Maße zum Einsatz. Wir möchten in diesem Beitrag einmal genauer aufzeigen, wofür die additive Fertigung in der Architektur genutzt werden kann und welche Hauptanwendungen es gibt.

Anwendungen

Grundsätzlich unterscheidet man hier zwischen 3D Druckern, die

  • kostengünstige Architekturmodelle anfertigen, die während des späteren Fertigungsprozesses als Studienmodelle genutzt,
  • realistische und zugleich detaillierte Architekturmodelle anfertigen, die das Objekt visuell darstellen sollen und zur Förderung des Projekts verwendet und
  • selbst für die Anfertigung von 3D gedruckten Bauobjekten genutzt werden.

Welches Druckverfahren eignet sich am besten?

Für die Herstellung architektonischer Modelle greift man in der Regel auf die Fused Deposition Modeling (FDM) Technologie zurück. Bei den meisten Desktop 3D Druckern handelt es sich um FDM-Geräte, die mit dem sogenannten Filament arbeiten. Neben dem FDM Verfahren kommen in der Architektur auch die Stereolithographie (SLA) und die Digital Light Processing Technologie (DLP) beim 3D Druck in der Architektur zum Einsatz.

Vorteile des 3D Drucks im Bereich der Architektur

3D gedruckte Modelle sind als Ergänzung zu virtuellen 3D Modellen und Computersimulationen von nicht zu unterschätzender Bedeutung. Hier werden Objekte als Modell gefertigt und können dem Betrachter einen ersten visuellen Eindruck verschaffen. Diese Objekte lassen sich mit 3D Druckern kostengünstig und zugleich mit hoher Präzision herstellen. Sollen verschiedene Versionen eines Projekts dargestellt werden, so ist dies mit 3D gedruckten Modellen mühelos möglich. Diese Modelle können dem Kunden gezeigt werden, der sich so auch während verschiedener Bauphasen einen optischen Eindruck verschaffen kann.

Neben der Kostenersparnis ist auch die Zeitersparnis ein nicht zu unterschätzender Faktor. Mussten die Objekte früher maßstabsgetreu in mühevoller, teils tagelanger Handarbeit aus Holz oder Schaumstoff erstellt werden, so kann dies jetzt ein 3D Drucker übernehmen. Es müssen nur die entsprechenden Daten in eine entsprechende 3D-Software eingegeben und die Daten dann an den einsatzbereiten 3D Drucker via USB-Kabel oder SD-Karte übermittelt werden.  Während der 3D Drucker arbeitet, kann der Architekt einer anderen Tätigkeit nachgehen.

Sollen am späteren Objekt Änderungen vorgenommen werden, kann das 3D Modell am Rechner spezifiziert und dann neu gedruckt werden. Gerade für iteratives Design ist der 3D Druck ein nahezu ideales Werkzeug.

Der 3D Druck steht auch für einen hohen Detaillierungsgrad und ermöglicht die Nutzung vieler verschiedener Materialien und Oberflächen. Sehr oft muss allerdings eine Nachbearbeitung vorgenommen werden. Zu diesen Arbeiten gehören die Entfernung von Stützmaterialien, das Reinigen der Oberfläche bis hin zum Lackieren und Färben. In Malaysia hat man beispielsweise – anders als  in Hamburg – mit dem MinNature ein Miniatur-Wunderland erschaffen, in dem die meisten Gebäudemodelle mit 3D Druckern gefertigt wurden. Hier kann man unter anderem ganze Stadtteile von Kuala Lumpur im Miniaturformat betrachten.

Wird der 3D Druck mit großen Betondruckern vorgenommen, ist es möglich, sogar ganze Häuser, kleinere Messepavillons, Fahrrad- und Fußgängerbrücken mit dieser Technologie zu fertigen. Solche Häuser, Pavillons und Brücken wurden unter anderem in Dänemark, den Niederlanden, Russland und Spanien erbaut und ihrer Nutzung übergeben. Auf der Design Miami 2016 konnten Besucher einen 3D gedruckten Pavillon aus Bambus bewundern, der die Bezeichnung „Flotsam and Jetsam“ trug.

Die meisten Architekten werden den 3D Druck aber sicher hauptsächlich zur Visualisierung von Bauobjekten verschiedenster Art nutzen. Hierfür reicht ein 3D Drucker nach dem FDM-Verfahren in den meisten Fällen aus.

Verschiedene Architekturmodelle

Schon in der Entwurfsphase ist es möglich, verschiedene 3D Modelle anzufertigen, die beispielsweise verschiedenen Konzepten entsprechen. Gerade dann sollte man sich für einen 3D Drucker entscheiden, der sehr detailliert druckt. Auch die Auswahl des Filaments ist von nicht zu unterschätzender Bedeutung. Besonders bei städtebaulichen Modellen ist auch ein großes Bauvolumen wichtig.

Was spricht ebenfalls für den 3D Druck in der Architektur?

Ein weiteres wichtiges Kriterium, das für den 3D Druck spricht, sind die geringeren Produktionskosten. Viele Konzepte können jetzt nicht nur am Bildschirm via Computersimulation, sondern als reales Objekt getestet werden und so potenzielle Probleme aufzeigen. In der Regel reicht hier ein 3D Drucker mit einem Extruder vollkommen aus. Oft werden auch nur ein oder zwei Sorten von Material (vermutlich ABS und PLA) benötigt, die in einer geringen Anzahl an Farben vorrätig sein sollten. So können nach Angaben von Stratasys, einem der führenden 3D Drucker Hersteller, durch den Einsatz dieser Geräte die Modellierungskosten auf bis zu 75 Prozent reduziert werden.

Einen besonders hohen Detaillierungsgrad können Architekten erreichen, wenn sie zum Druck der Modelle auf das SLA oder das DLP Verfahren zurückgreifen. Diese 3D Druck Verfahren arbeiten teilweise mit einem Harz (Resin) und sind für ihre hohe Detailgenauigkeit bekannt. Gerade die Details wecken oft das Interesse von Investoren oder Kunden.

Neben dem 3D Druck selbst sind natürlich noch einige weitere Arbeiten notwendig. Dazu gehören die grafische Gestaltung der einzelnen Objekte am Rechner unter Zuhilfenahme einer 3D Druck Software in der Vorbereitungszeit. In der Nachbearbeitungszeit muss unter Umständen der 3D Drucker oder dessen Bauplatte gereinigt und das gedruckte Objekt poliert, gegebenenfalls montiert und lackiert werden.

Fertigung komplexer Strukturen

Architektonisch schwieriger Objekte lassen sich mit der additiven Fertigung realisieren. So können unter anderem Bögen und Kuppeln gedruckt werden, die sich manuell kaum realisieren lassen. Wer nun aber denkt, dass damit Arbeit von Designern oder Modellbauern obsolet würde, der dürfte sich täuschen. Diese werden mit dieser Technologie befähigt, auch kompliziertere Strukturen zu realisieren. Der 3D Druck ist also nur ein Teil im „Werkzeugkasten“ der Entwickler, Modellbauer und Designer.

Kosten

Die Fertigung von 3D gedruckten Architekturmodellen kann entweder selbst übernommen oder an einen 3D Druck Dienstleister ausgelagert werden, die Architekturmodelle anfertigen. Wer diese Dienstleistungen nicht auslagern möchte, sollte sich die verschiedenen Produktbewertungen anschauen, die zu vielen 3D Druckern – Fertigdrucker oder 3D Drucker Bausatz – mittlerweile veröffentlicht wurden. Generell hängt der Preis für ein 3D gedrucktes Objekt unter anderem von folgenden Parametern ab:

  • Größe des zu druckenden Modells,
  • Gewünschte Intensität der Details,
  • Materialqualität,
  • Auswahl an Filamenten,
  • Dauer des 3D Drucks (Stromverbrauch/Stromkosten),
  • Anteilige Anschaffungskosten für den 3D Drucker.

Größe des zu druckenden Modells und Dauer des 3D Drucks

Je größer das 3D gedruckte Modell ausfallen soll, desto mehr Material wird verbraucht und umso höher steigen die Filamentkosten. Auch auf die Druckzeit wirkt sich die Größe aus. Für den 3D Druck größerer Objekte wird in der Regel mehr Zeit benötigt, was die Stromkosten nach oben treibt.

Intensität der Details

Für die additive Fertigung eines komplexen und zugleich detaillierten Architekturmodells vergeht mehr Zeit als für ein einfaches Objekt, das nur wenige Details umfasst. Detaillierte Modelle benötigen des Weiteren oft mehr Vorbereitungszeit.

Materialqualität

Filamente sind in der Anschaffung durchaus teuer, vor allem wenn sie Eigenschaften wie UV-Beständigkeit und Flexibilität aufweisen sollen. Auf keinen Fall sollte an der Qualität des Materials gespart werden, sondern qualitativ hochwertige Ware erworben werden.

Auswahl an Filamenten

3D Drucker, die mit dem Extrusionsverfahren – also der FDM-Technologie – können mit unterschiedlichsten Filamenten wie PLA, ABS, PET-G, PVA, Wood Filamente etc. arbeiten. Gerade ABS und PLA eignen sich hervorragend für die Herstellung von Architekturmodellen.

Soll der Druck mit vielen Details versehen sein, ist es unter Umständen sinnvoll, mit einem SLA oder DLP 3D Drucker zu arbeiten.

Dauer des 3D Drucks

Zu den weiteren Kostenfaktoren gehört zweifelsohne die Dauer des 3D Drucks. Soll ein größeres oder ein detailliertes Objekt 3D gedruckt werden, muss der 3D Drucker unter Umständen mehrere Stunden am Stück arbeiten. Dies wirkt sich natürlich auf den Filament- und vor allem den Stromverbrauch aus. Kommt es im Übrigen zu einem zwischenzeitlichen Stromausfall oder ist das Filament zu Ende, sind immer mehr 3D Drucker in der Lage, später an gleicher Stelle weiterzudrucken.

Anteilige Anschaffungskosten für den 3D Drucker

Genau wie bei Fahrzeugen (Stichwort Kilometerpauschale in der Steuererklärung) sollte man auch die Anschaffungskosten für den 3D Drucker bei der Kostenberechnung berücksichtigen. Schließlich amortisiert sich zumindest der Kauf eines höherpreisigen Geräts erst nach einem längeren Zeitraum und auch nur dann, wenn es regelmäßig genutzt wird.

Die Preise für Desktop 3D Drucker mit Funktionen für die Architekturindustrie differieren erheblich. Bei herkömmlichen Bausatz 3D Druckern, die hauptsächlich für den privaten Gebrauch genutzt werden und die sich sicher auch für die Fertigung einzelner einfacher Gebäudemodelle eignen könnten, beginnen bei etwa 150 Euro. Wer allerdings nicht lange am Aufbau basteln und zugleich einen werthaltigen 3D Drucker nutzen möchte, sollte in Fertigdrucker investieren. Professionelle Geräte mit großem Bauraum können auch über 10.000 Euro kosten. Letztere Geräte werden beispielsweise zur Fertigung größerer Mengen eingesetzt.

3D Scanner in der Architektur

Beim 3D Druck in der Architektur und im Bauwesen liegt das Hauptaugenmerk wie auch sonst auf der Drucktechnologie. Mit dem 3D Scanning gibt es aber ein weiteres interessantes Verfahren, das auch den Architekten gute Dienste leisten kann. Darauf möchten wir hier noch kurz eingehen.

3D Scanner werden beispielsweise für die Erfassung von Innenräumen in Wohnungen und Geschäftsgebäuden verwendet. Die so erzeugten Daten werden an einen Computer übertragen und mit entsprechenden CAD-Programmen (zum Beispiel Autocad, Fusion 360 etc.) bearbeitet. Solch ein Verfahren nutzen einige Immobilienmakler, um potenziellen Kunden einen virtuellen Besuch von Wohneinheiten oder -häusern zu ermöglichen.

Auch für historische Gebäude kann der 3D-Scan von Vorteil sein. Sind beispielsweise die Bauzeichnungen und weitere Bauunterlagen nur noch unvollständig oder gar nicht vorhanden, lässt sich mit einem 3D Scanner eine detailgenaue Darstellung anfertigen und zumindest ein Teil der Maße ermitteln.

Als bekanntestes Beispiel für den Einsatz der 3D Scanner in der Architektur kann sicher die Kathedrale Sagrada Familia in Barcelona gelten, die mehr als 130 Jahre nach Baubeginn endlich fertiggestellt werden soll. Von diesem sakralen Bauwerk wurden mithilfe von 3D Scannern Modelle einzelner Bereiche erstellt, die nun eine Grundlage für die weitere Vervollständigung des Bauwerks bieten. Bis zur Jahrtausendwende hatte man die einzelnen Modelle in mühevoller Handarbeit gefertigt. 

Weiterführende Literatur/Quellen:

  • https://minnature.com/
  • https://www.miamidesigndistrict.net/blog/entries/579/flotsam–jetsam-brings-one-of-the-worlds-largest-3d-printed-objects-to-miami/
  • https://i.materialise.com/blog/en/how-3d-printing-is-changing-architecture-learning-from-the-sagrada-familia-team-in-barcelona/