Weltweit werden inzwischen Gebäudeteile und ganze Gebäude mit 3D-Drucktechnologien hergestellt. Leider fast ausschließlich in Beton. In Jeddah, Saudi-Arabien, produzierten 2024 vier große 3D-Drucker nichttragende Elemente für eine große Moschee¹. In Kanada druckte Lafarge insgesamt sechzehn Wohneinheiten². Die “Genesis Collection” in Amerika soll auf 100 Häuser anwachsen³. Aber selbst, wenn Recyclingzuschläge verwendet werden, hat das Druckmaterial Beton eine weitaus schlechtere CO₂-Bilanz als Lehm. Immerhin wird mit Lehm geforscht und der Nachwuchs weitergebildet. Das IAAC in Katalonien (Spanien) bietet ein 6-monatiges Aufbaustudium im Bereich der additiven Fertigung nachhaltiger Architektur mit 3D-Druck an⁴. Dabei wird leistungsbasiert gestaltet. Um den klimatischen Komfort im Gebäude zu verbessern, kann eine Wand zugleich besonders gut kühlen, dämmen oder ist seismisch robust. Unterschiedliche Funktionen lassen sich direkt in die durch Sonne, Wind oder Erdbeben beanspruchte Wand integrieren.

Kreislaufgerechter Lehm

Mit Erdaushub zu arbeiten, ist äußerst nachhaltig. Für Lehmaushub gibt es noch keine validierten CO₂-Daten, allerdings für industriell hergestellte Lehmsteine. Das Treibhauspotential von Porenbeton ist acht mal so groß wie das von technisch (mit Biogas) getrockneten Lehmsteinen (siehe Grafik). Auch in Bezug auf Recycling ist Lehm einmalig – er ist kreislaufgerecht. Er kann wie kein anderes Baumaterial in kleinen, geschlossenen Kreisläufen genutzt werden – solange er nicht mit Zement oder Kalk stabilisiert wird.

Treibhauspotential GWP_Total (ohne Abfallverbrennung) verschiedener Baustoffe – Daten aus ÖKOBAUDAT, Muster-UPD für Lehmsteine. Das GWP von Erdaushub ist noch einmal deutlich besser.

Lehm aus Erdaushub hat noch weniger Treibhauspotential als Lehmsteine. Es liegt nahe, ihn für den 3D-Druck mit mobilen Robotern zu verwenden. Das senkt Energieeinsatz, Transportaufwand und Kosten. Wie die europäische Bildungsstätte für Lehmbau 2023 auf ihrem „Europäischen Lehmbautag“ in Wangelin zeigte, wird inzwischen mit lokalem Lehm digital gestaltet und es werden innovative Formen entwickelt (siehe Infokasten).

Drucker im Hausformat

Massimo Moretti ist Gründer und Geschäftsführer des Druckerherstellers WASP (World’s Advanced Saving Project) in Massa Lombardo, Italien. Diese Firma gestaltet und produziert große 3D-Drucker, die Häuser aus Lehm drucken können. Mit Musterhäusern beweist sie das. 2018 druckte die Firma ihren ersten Prototypen mit einem Druckersystem, das an Traversen und Metallständern geführt wurde und bis zu zwölf Meter hoch mit einem Radius von sieben Metern arbeitet. Das „Gaia“ genannte Haus wurde in der Lombardei mit Lehm aus dem Aushub in zehn Tagen gedruckt (reine Druckzeit etwa 100 Stunden). Es hat 40 cm dicke Außenwände und ist 30 Quadratmeter groß (Bild 1). Der Lehm wurde mit Naturfasern aus Reis armiert. Das Druckmaterial bestand zu 25 Volumenprozent aus zerkleinertem und gesiebtem Lehm von der Baustelle (30 % Ton, 30 % Sand, 40 % Schluff), zu 40 % aus klein geschnittenem Stroh, 25 % Spelzen und 10 % Kalk, der die Wand wetterfest macht. Gyan Schneider, Baubiologe IBN, Lehmbauer und Raumgestalter kritisiert: „Mit Kalk ist der Lehm nicht mehr recyclingfähig, auch wenn er ein super ökologischer Baustoff bleibt.“

Sogenannte „Enzyme“ machen die Mischung gut verarbeitbar. Welcher Art die Enzyme sind, wird nicht veröffentlicht. Baubiologisch betrachtet ist es wichtig, dass keine schädlichen Additive eingesetzt werden.

Preislich ist Drucken mit lokalem Lehm unschlagbar. Insgesamt kosteten die Materialien für die Wände von Gaia 900 Euro. Im Inneren wurde die Wand bis zu den Fensterbrüstungen mit Lehm verputzt, der mit Leinöl eingelassen wurde. Das Dach benötigte eine zusätzliche Tragstruktur. Die Wände konnten die Last des Daches noch nicht tragen und auf Windsog sichern. Mit solchen vertikalen Wandgeometrien, in die ein separates Dachtragwerk integriert ist, werden inzwischen kleine Gebäude gedruckt, wie etwa ein 2021 in Nammos/Dubai realisierter Showroom von Dior (Bild 2 – 4).

Überwiegend auf Druck belastete Wände hat der bewohnbare Prototyp „Tecla“. Die zwei modularen, miteinander verschnittenen Kuppeln (Bild 5) mit insgesamt etwa 60 Quadratmetern wurden von dem Architekten Mario Cucinella entworfen. Die Wandelemente sind vertikal und horizontal geschwungen, tragen sich selbst einschl. Dachkuppel und bilden einen organischen Raum (Bild 6). Auch hier sind die Wände mit Kalk stabilisiert.

1 Erster Prototyp gedruckter Lehmarchitektur 2012: Der Einraum – Gaia genannt – hat gerade Wände und ist innen bis Brüstungshöhe mit Lehm verputzt.
2 Die beiden ovalen Showrooms von Dior in Dubai wurden 2021 gedruckt (Abbildungen 2 bis 4). Außen sind sie plastisch gestaltet, inspiriert durch gewebte Stoffe.
3 Die Leichtkonstruktion kann je nach Bedarf noch mehr oder weniger gedämmt werden.
4 In die Innenwände sind Möbel und die Tragstruktur für das Dach integriert.
5 Gänzlich aus kreislaufgerechten Baustoffen gedruckt: Tecla fokussiert auf die Ästhetik von horizontalen Lagen. Es gibt keinen Innenputz mehr, sondern nur noch sehr raue Oberflächen.
6 Die organische geformten Wände sind mit Reisspelzen gedämmt, der Lehm ist von der Baustelle. Er wird durch Reisstroh armiert. So genannte „Enzyme“ machen die Mischung gut verarbeitbar.

Monolithisch, klimagestaltend

Nestor Beguin, 3DPA Experte vom IAAC stellte auf dem Lehmbautag neue Gestaltungsoptionen monolithischer Lehmwände vor. Er forscht systematisch, um Wände zu drucken, die gleichermaßen natürlich belüften und Wärme-, Hitze-und Schallschutz sowie statische Anforderungen erfüllen. Ziel ist ein gänzlich passiv temperiertes Gebäude aus Aushub mit einem angenehmen Innenraumklima.

Dazu entwirft und baut Beguin mit Studierenden unterschiedliche Außen- und Innenwände, angepasst an das Außenklima und die speziellen Anforderungen. Sie können adiabat kühlen bzw. unterschiedlich dämmen (Bild 7). Die Eigenschaften verschiedener Wandgeometrien hat Beguin in der Klimakammer getestet. Es gibt Versuchsreihen, die Einbaumöbel integrieren, sowie solche mit Auflagern, die Stützen aus Holz oder Treppen aufnehmen. In „Design built“-Projekten – von Studierenden entworfene und tatsächlich gebaute Einheiten – werden die Prototypen erprobt. Vor Ort wird mit einer kleinen mobilen Einheit von Drucker und modularer Tragstruktur mit Solarstrom „off the grid“ gedruckt.

Digitaler Leichtbau

Anders als beim Drucken mit Beton, Kunststoffen oder stabilisiertem Lehm wird der Lehm für die Prototypen des IAAC regelmäßig wieder verwendet. In dem Prototyp „Tova“ etwa sind die Wände in Abhängigkeit von der Himmelsrichtung aus mehr oder weniger wärmeleitfähigem Lehm aufgebaut (Bilder 8, 9). Der Prototyp ist einer der Gewinner des „New European Bauhaus“-Preis 2023 in der Kategorie „Shaping a circular industrial ecosystem and supporting life-cycle thinking“⁵.

Bei einem anderen, mehrgeschossigen Prototypen haben die von unten nach oben durchgängigen Kammern Lufteinlässe im Sockel (Bild 10), ähnlich wie bei einer vorgeblendeten Klinkerfassade. So entsteht im Sommer eine Thermik in den äußeren Kammern, welche kühle Luft ansaugt und thermische Last ablüftet. Im Winter werden die Luftöffnungen geschlossen. Die Geometrie der Oberfläche ist so gestaltet, dass sie sich im Sommer selbst beschattet und im Winter von der tiefer stehenden Sonne beschienen wird.

7 Eine Konzeptstudie des spanischen Iaac im Horizontalschnitt: In dem Wandelement sind die Anteile der Dämmung kontinuierlich verändert.
8 Prototyp „Tova“: Je nach Himmelsrichtung sind die Wände aus mehr oder weniger wärmeleitfähigem Lehm aufgebaut. So kann die Wand auf das Außenklima reagieren.
9 „Tova“ – von Studierenden innovativ geplant und gebaut – ist einer der Gewinner des „New European Bauhaus“-Preis 2023.
10 Prototyp Klimawand, 2 x 5 Meter, nach Süden ausgerichtet: Im Sockel und oben gibt es verschließbare Lufteinlässe. Die entstehende Thermik in den äußeren Kammern kühlt.
11 Dreidimensionales Experiment, um eine Form zu finden, welche dem plastischen und nur auf Druck belastbaren Material entspricht.
12 Der nur langsam trocknende Lehm wird auf Holzschalungen gedruckt, die von gedruckten Fundamenten gehalten werden.
13 Mit der neuen Technik werden auch die Länder wie Marokko anvisiert, die traditionell viel mit Lehm gebaut haben. Hoffentlich dann auch mit der Hilfe von Handwerkern.

Plastische Formen

Mit seinen Studierenden machte sich Beguin auch auf, um schwungvoll alle drei Dimensionen zu gestalten und Formen zu finden, welche dem plastischen Lehm entsprechen (Bild 11, 12). Und er geht gleichzeitig das Problem an, dass Lehm keine Zugkräfte aufnehmen kann und sich mit dem puren Material somit auch keine horizontalen Abschlüsse für Wandöffnungen wie Fenster oder Türen herstellen lassen. Eine Lösung ist ausschließlich auf Druck belastete Formen, wie sie auch von Antoni Gaudi entwickelt wurden. Beguins Studierende denken auch daran, das Drucken mit Lehm in seine Ursprungsländer zurückzubringen (Bild 13). Besonders dort sollte heute die handwerkliche Ausführung gefördert werden. „Ich möchte stellvertretend für alle Handwerker Position ergreifen“, unterstreicht Gyan Schneider. „Bei maschinellen Arbeiten wie bei Dior in Dubai und der Genesis Collection geht auch das lokale Handwerkskunst zu Grunde. Baubiolog*innen sollten die Frage stellen: wollen wir das? Projekte, wie die von Manfred Fahnert und Anna Heringer integrieren die Menschen und bilden Handwerker weiter. Das Gelernte können sie dann weitertragen.“ Diesen Aspekt kann man auch zusammenfassen: Lokale Handwerker brauchen ein Auskommen. Dieser soziale Aspekt der Nachhaltigkeit sollte beim 3D-Druck mit entwickelt werden.