3D-Druck von Baukomponenten Vom Abfall zum Tragwerk: Häuser mit recyceltem Kunststoff

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Recycelter Kunststoff dient Forschenden des MIT dazu, Fachwerkträger per 3D-Druck herzustellen.

Die Plastikflasche, die Sie gerade in den Recyclingbehälter geworfen haben, könnte eines Tages die Struktur Ihres Hauses stützen. Forschende am MIT entwickeln Baukomponenten wie Träger, Binder und andere tragende Elemente aus recyceltem Kunststoff. Diese Komponenten sollen eine leichtere, modulare und nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Holzrahmen bieten. In einer Veröffentlichung im Solid FreeForm Fabrication Symposium Proceedings stellt das Team ein neuartiges Bodenfachwerkträgersystem aus recyceltem Kunststoff vor, das mittels 3D-Druck gefertigt wird.

3D-Druck für das Trägersystem

Traditionelle Bodenfachwerkträger bestehen aus Holzbalken, die mit Metallplatten verbunden sind und optisch an eine Leiter mit diagonalen Sprossen erinnern. Mehrere dieser Träger werden nebeneinander montiert und tragen Bodenplatten aus Sperrholz. Das MIT-Team druckte vier Modelle aus recyceltem Kunststoff, baute daraus einen konventionellen Bodenrahmen mit Sperrholzauflage und testete anschließend die Tragfähigkeit.

Das Ergebnis: Die Konstruktion hielt mehr als 1‘800 kg stand und übertraf damit wichtige Baustandards des US-Wohnungsbauministeriums (HUD).

Jedes Trägerelement wiegt nur etwa 6 Kilogramm, ist damit leichter als ein vergleichbares Holzelement und kann auf einem industriellen Großformat-3D-Drucker in weniger als 13 Minuten hergestellt werden.

Nachhaltiges Bauen gegen Wohnungs- und Holzknappheit

Abgesehen von den Fachwerkträgern arbeitet das Forschungsteam daran, weitere Bauelemente zu drucken und diese zu einem vollständigen Tragwerk für ein Einfamilienhaus zusammenzufügen.

Der Hintergrund ist ernst: Der weltweite Bedarf an Wohnraum steigt rasant, während Holz als Baustoff zunehmend knapp wird. Ein Großteil der heute verwendeten Einwegkunststoffe – etwa Wasserflaschen oder Lebensmittelverpackungen – könnte künftig eine zweite Nutzung als Baumaterial erhalten.

„Wir schätzen, dass bis 2050 rund eine Milliarde neue Wohnungen benötigt werden. Würden wir diese ausschließlich aus Holz bauen, müssten wir den Amazonasregenwald dreimal vollständig abholzen“, sagt AJ Perez vom MIT. „Der Schlüssel ist, verschmutzten Kunststoff zu recyceln und daraus leichtere, langlebige und nachhaltige Bauprodukte herzustellen.“

Bauen mit „schmutzigem“ Plastik

Bereits 2019 gründeten Perez und Professor David Hardt die Forschungsgruppe MIT HAUS, die sich mit dem Hausbau aus recycelten Polymeren mittels großskaliger additiver Fertigung beschäftigt.

Während andere 3D-Druck-Hausprojekte vor allem mit Beton oder Lehm arbeiten – Materialien mit hoher Umweltbelastung – konzentriert sich MIT HAUS auf tragende Strukturelemente wie Fundamente, Boden- und Dachbinder, Treppen, Ständer und Balken.

Ein besonderer Fokus liegt dabei auf sogenanntem „dirty plastic“: Kunststoffabfällen, die nicht vorher aufwändig gereinigt werden müssen. Langfristig sollen gebrauchte Flaschen und Verpackungen direkt geschreddert, pelletiert und anschließend gedruckt werden.

Mit 3D-Druck leicht, stabil und schnell produziert

Für die aktuelle Studie entwarf das Team ein Trägersystem mit einem besonders hohen Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis. In Simulationen wurden mehrere Designs getestet, bevor man sich für eine Variante entschied, die dem klassischen Holzdesign ähnelt – ergänzt durch zusätzliche Verstärkungen an den Knotenpunkten.

Gedruckt wurde auf einem raumgroßen Industrie-3D-Drucker am MIT, der bis zu 36 Kilogramm Material pro Stunde verarbeiten kann. Als Material diente ein Verbund aus recyceltem PET-Kunststoff und Glasfasern, der die Stabilität und Druckbarkeit erhöht.

Die vier Träger waren jeweils:

• 2,4 Meter lang;
• 30 cm hoch;
• etwa 2,5 cm breit.

Bei Belastungstests hielten sie problemlos 136 Kilo stand – deutlich über den zulässigen Durchbiegungswerten. Erst bei über 1‘800 Kilo versagte die Struktur.

Der Weg zur Serienproduktion

Die gedruckten Träger erfüllen bereits heute geltende US-Baunormen. Um sie breit einzusetzen, müssen jedoch die Produktionskosten weiter sinken. Das aktuell verwendete Recyclingmaterial gilt noch als besonders hochwertig. Der nächste Schritt ist die Verarbeitung stärker verschmutzter Kunststoffe, etwa gebrauchter Getränkeflaschen mit Flüssigkeitsresten.

Langfristig stellt sich Perez mobile Mikrofabriken vor, die nahe großer Plastikabfallquellen betrieben werden – zum Beispiel in Städten oder bei Großveranstaltungen. Dort könnten komplette Gebäudeteile gedruckt werden, leicht genug, um sie per Kleintransporter oder sogar Motorroller zur Baustelle zu bringen.

Fazit

Die Studie zeigt: Recycelter Kunststoff könnte als tragfähiges Baumaterial dienen. Wenn sich das Verfahren skalieren lässt, könnte es gleichzeitig die globale Wohnungsnot lindern, Plastikmüll reduzieren und den Druck auf Wälder weltweit senken.

Das Paper: “Design, Manufacture and Testing of Structural Trusses using Additively Manufactured Polymer Composites” finden Sie hier. 

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