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Robotisch gewickeltes Naturfaser-Gebäude

Modell für nachhaltiges Bauen
Robotisch gewickeltes Naturfaser-Gebäude

Als Modell für nachhaltiges Bauen haben Forschende der Universitäten Freiburg und Stuttgart im Botanischen Garten der Uni Freiburg den »livMats Pavillon« realisiert. Die tragende Struktur des Pavillons besteht aus robotisch gewickelten Flachsfasern – einem von Natur aus nachwachsenden und biologisch abbaubaren Material.

Das Bauwesen steht derzeit vor der Herausforderung, künftig weniger Ressourcen zu verbrauchen. Hierfür sind neue ressourceneffiziente Ansätze in der Architektur notwendig. In einem gemeinsamen Projekt haben Forschende der Universitäten Freiburg und Stuttgart sowie Masterstudierende der Uni Stuttgart deshalb einen Leichtbau-Pavillon entworfen, dessen Bauweise eine nachhaltige, ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Bauweisen darstellt. Kombiniert wurden beim »livMats Pavillon« natürliche Materialien mit digitalen Technologien. Daraus ist eine einzigartige bioinspirierte Architektur entstanden.

Effizienter Leichtbau mit Naturfaser-Materialen

Die tragende Struktur des Pavillons besteht aus robotisch gewickelten Flachsfasern. Im Gegensatz zu Glas- oder Kohlestofffasern sowie zahlreichen anderen Naturfasern sind Flachsfasern regional verfügbar und wachsen in jährlichen Erntezyklen. Sie sind zu 100 Prozent erneuerbar, biologisch abbaubar und bieten daher eine hervorragende Grundlage für die Entwicklung ressourcenschonender Alternativen in der Bauindustrie. Sie haben das Potenzial – insbesondere in Kombination mit effizientem Leichtbau – den ökologischen Fußabdruck von Gebäuden deutlich zu reduzieren. Aus diesen Gründen sind die tragenden Elemente des »livMats Pavillon« aus Flachsfasern hergestellt.

Marktanteil von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen steigt

Integratives computerbasiertes Design und robotische Fertigung

„Faserverbundwerkstoffe weisen ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart. „Diese Eigenschaft bietet eine ausgezeichnete Basis für die Entwicklung innovativer, materialeffizienter Leichtbaustrukturen.“

Konzentrierte sich die Forschung bisher auf synthetisch hergestellte Faserverbundstoffe wie zum Beispiel Glas- und Kohlestofffasern, so erweitert sich mit dem »livMats Pavillon« das Materialsystem um den Einsatz von Naturfasern.

„Im Hinblick auf das computerbasierte Design, die Arbeitsabläufe der robotischen Fertigung sowie die Maschinensteuerung, stellten die Naturfasern und ihre biologische Variabilität uns Forschende vor neue Herausforderungen“, sagt Prof. Achim Menges vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD).

Denn die Prozesse wurden ursprünglich für synthetische, homogene Materialien entwickelt und mussten nun auf die Materialeigenschaften der Flachsfasern übertragen werden. Die Anpassung des integrativen computerbasierten Modells ermöglichte es, diese heterogenen Materialeigenschaften in Entwurf und Planung der einzelnen Komponenten sowie der Gesamtstruktur einzubeziehen.

Holzmöbel aus dem 3D-Drucker

Bioinspiration: Kakteen als Vorbild

Die Forschenden ließen sich in der Entwicklung des Pavillons von der Natur leiten. Als Inspiration für die netzförmige Anordnung der Naturfasern und der kernlosen Wicklung der Bauteile des Bionik-Pavillons dienten der Saguaro-Kaktus (Carnegia gigantea) und der Feigenkaktus (Opuntia sp.). Beide Kakteen zeichnen sich durch ihre besondere Holzstruktur aus. Der Saguaro-Kaktus verfügt über ein zylinderförmiges Skelett, das innen hohl und dadurch besonders leicht ist. Es besteht aus einer netzartigen Holzstruktur, die dem Skelett zusätzlich eine besondere Stabilität verleiht.

„Diese Struktur entsteht, indem die einzelnen Elemente miteinander verwachsen“, erläutert Prof. Dr. Thomas Speck, Direktor des Botanischen Gartens. „Das Gewebe der abgeflachten Seitentriebe des Feigenkaktus durchziehen ebenfalls vernetzte Holzfaserbündel, die in Schichten angeordnet und miteinander verbunden sind. Hierdurch zeichnet sich auch das Gewebe des Feigenkaktus‘ durch eine besonders hohe Belastbarkeit aus.“

Die Forschenden haben diese Netzstrukturen der biologischen Vorbilder abstrahiert und im »livMats Pavillon« durch das Wickeln, das »coreless winding« der Naturfasern umgesetzt. Durch diese Abstraktion – bei Pflanzen existieren keine Wickel- oder Flechtprozesse – konnten die Forschenden die mechanischen Eigenschaften der vernetzten Faserstrukturen auf die Leichtbau-Tragelemente des Pavillons übertragen.

Architektur, die atmet

Details zur Konstruktion

Die tragende Struktur des Pavillons besteht aus 15 Flachsfaser-Elementen, die ausschließlich aus Naturfasern in einem kernlosen Faserwickelprozess robotisch vorgefertigt wurden. Ein Faser-Schlussstein bildet den Mittelpunkt der Struktur. Das charakteristische, filigrane Oberflächenbild der einzelnen Elemente des Bauwerks erinnert sowohl an traditionelle Fachwerkkonstruktionen als auch an die biologischen Vorbildstrukturen. Die einzelnen Elemente variieren in ihrer Gesamtlänge zwischen 4,50 bis 5,50 Metern und wiegen im Durchschnitt nur 105 Kilogramm. Die gesamte Faserkonstruktion wiegt bei einer Gesamtfläche von 46 Quadratmetern nur circa 1,5 Tonnen.

Künftige Nutzung des Naturfaser-Pavillons

Der Pavillon im Botanischen Garten der Universität Freiburg wird künftig als Veranstaltungsort für Angebote des Exzellenzclusters »livMatS« dienen, um die Forschung des Clusters anschaulich zu vermitteln. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden dort beispielsweise in Führungen oder Workshops der Öffentlichkeit ihre Arbeit präsentieren.

Der Exzellenzcluster »livMatS« forscht zu lebensähnlichen Materialsystemen, die von der Natur inspiriert sind. Die Materialsysteme werden rein technische Objekte sein, sodass sie sich mit synthetischen Methoden herstellen lassen. Prof. Dr. Jürgen Rühe vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg: „Durch seine Beschaffenheit bietet der Pavillon selbst Anknüpfungspunkte, um Ähnlichkeiten und Unterschiede von biologischen und technischen Materialien zu verdeutlichen und aufzuzeigen, welche Möglichkeiten sich durch Bioinspiration beispielsweise in der Architektur, aber auch in anderen Bereichen der Technik ergeben.“

Exzellenzcluster livMatS der Universität Freiburg »
Exzellenzcluster IntCDC der Universität Stuttgart »


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