Wände wickeln

Eine klima- und ressourcenschonende Art des Bauens verbindet additive Fertigung mit digitalen Entwurfsverfahren – und eröffnet enorme Potenziale //

Für Heilbronn ist 2019 ein ganz besonderes Jahr: Die Stadt richtet bis zum 6. Oktober die diesjährige Bundesgartenschau aus. Ein Highlight auf dem 40 Hektar großen Ausstellungsgelände am Neckar ist ein „bionischer Faserpavillon“. Er besteht aus 60 lichtdurchfluteten Waben, die 400 Quadratmeter Fläche und eine Distanz von 25 Metern ohne eine einzige Stütze überspannen. Möglich macht das ein innovatives Fertigungsverfahren, das Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelt haben – im Rahmen eines Forschungsprojekts der Baden Württemberg Stiftung.

Herzstück des Verfahrens aus dem Projekt „Additive Fertigungsmethoden für Faserverbund Großbauteile im Bauwesen“, kurz AddFiberFab, ist ein Roboter, der als eine Art 3D-Drucker fungiert. Geschickt hantiert er mit fast endlos langen feinen Fasern aus Glas oder Carbon – einem Werkstoff aus fadenartigem Kohlenstoff. „Der Roboter zieht die Fasern durch ein Bad mit einem speziellen Harz“, erklärt Prof. Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen der Uni Stuttgart und Koordinator des 2017 gestarteten Projekts. Die zähe Flüssigkeit durchfeuchtet die mikrometerdünnen Fibrillen, verbindet sie miteinander und verleiht ihnen nach dem Aushärten eine enorme Festigkeit.

Filigrane Bauteile für Hallen und Stadien

Was am Ende entsteht, sind filigrane Bauteile, die sich zum Errichten von großen Gebäuden nutzen lassen, etwa für Bahnhofshallen, Fußballstadien oder Konzertsäle – oder eben eines Pavillons wie in Heilbronn. Sie formen sich um ein Grundgerüst von Glasfasern, das der Roboter mit Carbonfasern umwickelt. So wachsen die Komponenten nach und nach aus dem Nichts – dirigiert durch einen digitalen Bauplan. Experten sprechen dabei von „additiver Fertigung“.

Das Bauen der Zukunft: Ein Roboter fertigt filigrane Bauteile aus Glas- und Carbonfasern – computergesteuert und frei im Raum

Das pfiffige Verfahren macht Carbonfasern erstmals auf wirtschaftliche Weise für das Bauen nutzbar. Diese Materialien, die als „Wunderwerkstoffe“ gelten, sind sehr robust – und zugleich federleicht. Doch sie sind auch teuer, weshalb die Verwendung von Carbonfasern für Architekten bislang meist ein Wunschtraum war. Die neue Methode könnte das ändern, denn sie benötigt wegen der luftigen Konstruktion nur wenig Carbon. Erreicht haben die Forscher das, indem sie die additive Fertigung – das Wickeln der Fasern durch den 3D-Druck- Roboter – mit einem raffinierten digitalen Planungsverfahren kombiniert haben. Damit lässt sich die Herstellung von Bauteilen beliebiger Gestalt und Größe zunächst am Computer simulieren.

Kein Material geht verloren

Die digitale Gestaltung und Planung führen zu einem architektonischen Entwurf, der mit geringem Aufwand umsetzbar ist und bei dem nur so viel Material verbraucht wird, wie am Ende im fertigen Bauteil steckt – ein weiterer Vorteil der neuen Methode. Damit nehmen die Forscher ein Riesenproblem ins Visier: Die Bauwirtschaft ist weltweit der mit Abstand größte Müllproduzent. Rund die Hälfte aller Abfälle stammt aus Häusern, Brücken und Straßen. Abfälle gibt es bereits beim Bauen oder beim späteren Abriss der Bauwerke. Allein in Deutschland kommen so laut Umweltbundesamt jedes Jahr etwa 200 Millionen Tonnen an mineralischen Bauabfällen zusammen: Schutt, Steine und Asphalt. Andere Stoffe wie gipshaltige Materialien lassen den Müllberg zusätzlich wachsen.

Akkurat aufgerollt: Um die leichtgewichtigen Elemente herzustellen, werden Fasern aus Carbon in Spezialharz getränkt und dann nach einem digitalen Plan gewickelt

„Wir sollten jedes Fertigungsverfahren vermeiden, das zusätzlichen Unrat erzeugt“, mahnt Achim Menges. Die Kombination aus additiver Fertigung und einer durchgehend digitalen Planung dagegen kann die Abfälle am Bau deutlich verringern. Und auch wertvolle Ressourcen lassen sich einsparen. Denn die Baubranche ist nicht nur für das Gros der Abfälle verantwortlich, sondern trägt auch rund 40 Prozent zum weltweiten Energieverbrauch und ebenso viel zum Bedarf an Rohstoffen bei. Das wiederum belastet das Klima.

Ein Riesenfortschritt für die Baubranche

Achim Menges sieht in dem neuen computergestützten Verfahren einen Riesenfortschritt für die Bauwirtschaft. „Dort fehlten bislang Visionen, um sinnvoll mit der Digitalisierung umzugehen“, sagt der Architekt und Wissenschaftler. „Bisherige Ansätze beruhten stets darauf, bekannte Prozesse einfach zu automatisieren.“ Ein Beispiel sind Mauerroboter, die Ziegelsteine eigenständig aufeinandersetzen können. Echte Kreativität im Umgang mit den Potenzialen digitaler Techniken sieht anders aus – wie, das haben die Forscher in dem Projekt der Baden-Württemberg Stiftung gezeigt.

In Verbindung mit biologisch abbaubaren Harzen und Faserstoffen könnte das neue Verfahren die Voraussetzung für eine vollständige Recycelbarkeit der Baustoffe schaffen. Und es könnte das Bauen künftig höchst flexibel machen: „Das Harz, das wir derzeit zum Verbinden der Fasern verwenden, härtet aus und bleibt dann fest“, erklärt Achim Menges. Doch es gibt andere Harze, die durch Erhitzen wieder weich werden. So ließen sich die Fasern am Ende der Nutzungsdauer eines Bauwerks wieder voneinander lösen – und zurück auf eine Spule drehen. Dann stünden sie für den Bau eines anderen Gebäudes bereit. „Damit hätten wir eine perfekte Form der Wiederverwendbarkeit erreicht“, betont der Stuttgarter Forscher.

Text: Rolf Metzger. Fotos: Wolfram Scheible.


Vorbild Hummer

Für die neue Methode hat die Natur Pate gestanden – ein Beispiel für die „Bionik“, das Übertragen natürlicher Phänomene auf die Technik. Als Inspiration diente das Exoskelett, die stützende äußere Hülle, von Krustentieren wie dem Amerikanischen Hummer. Dessen Scheren sind hart und verformen sich nicht, während andere Teile seiner Schale weich und biegsam sind. Zudem gehen die Eigenschaften der Schale fließend ineinander über und hängen davon ab, von welcher Seite man das Tier anfasst. Trotzdem besteht das gesamte Exoskelett des Hummers aus demselben Werkstoff: Fasern aus Chitin. Durch eine geschickte Gestaltung schafft es die Natur, damit das ganze Spektrum an Materialmerkmalen zu verwirklichen. Dieses Prinzip, das es auch bei Bäumen und Gräsern gibt, haben die Forscher fürs Bauen nutzbar gemacht.