Von der Form zur Effizienz
Der 3D-Druck ist schon seit einiger Zeit in der Architektur und im Produktdesign angekommen. Mittlerweile gibt es die ersten 3D-gedruckten Häuser und Brücken, meist in geschwungen-organischem Design. Gleichzeitig nutzen ProduktdesignerInnen wie Simon Mattisson die Technologie, um Entwürfe zu realisieren, die zwischen Kunstskulptur und Mobiliar changieren. Neben formalen Freiheiten bietet der 3D-Druck aber auch neue Ansätze, um nachhaltigere Bauteile zu produzieren. Damit beschäftigt sich zum Beispiel das Fachgebiet "Experimentelles und Digitales Entwerfen und Konstruieren" (EDEK) der Universität Kassel. Zusammen mit Buro Happold entwickelt es gerade einen additiven Prozess für wiederverwendbare, tragfähige Leichtbauteile aus Altholzpartikeln. Ziel ist es unter anderem, eine Alternative zu betonbasierten 3D-Druckverfahren zu finden.
Das Ganze geht auf eine öffentliche Förderung vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) in der Förderlinie "Zukunft Bau" zurück. Da aufgrund einer neuen Gesetzeslage die energetische Nutzung von Altholz mittlerweile eingeschränkt ist, wird nach einem neuen Verwendungszweck für die anfallenden Holzreste gesucht. Beim Forschungsprojekt in Kassel will man sie deshalb als Rohstoff für einen biobasierten Werkstoff einsetzen. "In der Vergangenheit wurde Altholz vor allem thermisch verwertet. Da das nicht mehr möglich ist, stellt sich die Frage, was mit den enormen Mengen an Material passiert", erzählt Philipp Eversmann, Professor am EDEK. "Deshalb entwickeln wir gerade ein neues 3D-Druckverfahren. Die Restholzpartikel dienen hier als Grundlage für hochwertige Bauteile, wie etwa wiederverwendbare Wandstrukturen. Wir wollen zum Beispiel ein modulares nicht tragendes Innenwandsystem entwickeln, das sich leicht montieren und demontieren lässt." Auch beim Produkt- und Storedesign sieht Eversmann Anwendungsmöglichkeiten: "Man kann zum Beispiel die komplette Inneneinrichtung aus einem Guss herstellen. Modemarken wie Hermès nutzen den 3D-Drucker bereits, um hochwertige Designkonzepte umzusetzen."
Das Projekt in Kassel nennt sich RAFA 2.0 und ist Teil mehrerer Forschungsvorhaben. So beschäftigt sich das EDEK etwa mit alternativen Holzbauweisen in Form digital robotergestützter Verbindungen oder additiver Fertigungstechniken mit Furnierstreifen. Damit will man materialeffiziente und anpassungsfähige Konstruktionen entwickeln. Ein Beispiel ist das Projekt WoodWind+. Hier werden Endlosstreifen aus dünnem Furnier als Grundlage für hochleistungsfähige Leichtbaukomponenten genutzt. Bei Vorgängerprojekten forschte man bereits an Materialrezepturen auf Basis von Holzpartikeln. In einem ersten Schritt wurden im Projekt Rethinking wood über Verpressen akustisch wirksame Platten aus unterschiedlich granulierten Holzpartikeln gefertigt. Im zweiten Schritt entwickelte man im Projekt RAFA 1 ein pastöses Material für den 3D-Druck. Allerdings mussten laut Eversmann circa 120 Materialrezepturen erprobt werden, um eine stabile Grundlage für die Bauteile zu finden: "Wir haben mit verschiedenen Korngrößen, Binderanteilen, Feuchtegehalten und dem Mischungsverhältnis experimentiert. Unser Ziel war es, ein druckfähiges Material zu erzeugen, das flüssig genug für eine Extrusion ist, aber direkt nach dem Auftrag trotzdem stabil bleibt."
Bei RAFA 2.0 entwickelt das EDEK zusammen mit Buro Happold die Materialrezepturen und die damit verknüpften robotergestützten Fertigungstechnologien nun weiter. In diesem Rahmen werden zum Beispiel verschiedene Labortests ausgeführt, um die Eigenschaften des Druckmaterials zu untersuchen. Dabei erprobt man etwa die Tragfähigkeit, Materialeffizienz und Feuerfestigkeit. Buro Happold ist unter anderem für die Tragwerksplanung verantwortlich, wie Shibo Ren, Associate Director und Europe Computational Design Lead bei Happold, erklärt: "Mit Hilfe von computergestütztem Entwerfen haben wir digitale Simulationen, geometrische Optimierungen und Methoden zur Vorhersage des strukturellen Verhaltens der jeweiligen Komponenten erstellt. Damit wollen wir die Materialverteilung, Bauteilgeometrie und Fertigungsprozesse optimal aufeinander abstimmen."
Dabei werden die Bauteile mit Hilfe des 3D-Drucks additiv gefertigt, was einen höheren Flexibilitätsgrad bei der Herstellung ermöglicht, wie Ren ausführt: "Der 3D-Druck ermöglicht viele neue Anwendungsmöglichkeiten in der Architektur, weil er auf geometrischer Effizienz beruht. Bei der Tragwerksplanung ist das im Grunde genommen ein umgedrehter Entwicklungsprozess. Normalerweise entwerfen die ArchitektInnen eine Form, die wir in eine Tragwerksstruktur übersetzen. Beim 3D-Druck ist es gerade anders herum: Hier eröffnen die geometrischen Möglichkeiten eine neue Formfindung für die ArchitektInnen." Das betrifft aber nicht nur die Stabilität der Bauteile, sondern auch ihre Nachhaltigkeit, wie Eversmann ergänzt: "Durch den 3D-Druck werden Ressourcen nachhaltiger eingesetzt, weil man nur so viel Material verbraucht, wie man aufgrund der Geometrie tatsächlich benötigt. Dadurch wird eine hohe Materialeffizienz erreicht."
Darüber hinaus kommen bei RAFA 2.0 keine Chemikalien zum Einsatz, sondern biogene Bindemittel, um die Masse für den 3D-Druck herzustellen. Zudem liegt dem Projekt ein zirkulärer Gedanke zugrunde, indem man die so produzierten Bauteile am Ende ihres Lebenszyklus wieder zerkleinert, um sie dann erneut als Masse für den 3D-Druck zu verwenden. Für Eversmann ist das Ganze eine Zukunftstechnologie: "Im Unterschied zum herkömmlichen Holzbau sind hier präzise, automatisierte Auf- und Abbauprozesse durch die digitalisierte Vorplanung möglich. Damit lassen sich komplexe Konstruktionen realisieren." Ren ergänzt: "Es verändert das Mindset in der Planung, weil es nicht mehr um Standardisierung, sondern um Optimierung geht."
Neben der Materialeffizienz weisen die neuen Bauteile gute akustische Eigenschaften auf. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihrer Materialzusammensetzung sehr leicht. "Das macht es interessant für die Vorfertigung, weil man sehr große Wandpaneele bauen kann, die sich aufgrund ihres Gewichts immer noch verhältnismäßig einfach auf die Baustelle transportieren lassen", erklärt Eversmann. In Bezug auf den Brandschutz liefen einige Tests an der Universität Kassel, wie Ren sagt: "Es ist kein Material, das leicht brennt. Das liegt zum einen an der Materialzusammensetzung. Zum anderen kann man auch hier mit Hilfe der Geometrie die Feuerbeständigkeit erhöhen."
Als nächstes will man die Materialtests und die Entwicklung des digitalen Herstellungsprozesses abschließen. Danach soll laut Eversmann ein erster Prototyp für eine konkrete Nutzung entwickelt werden. "Bislang haben wir Modelle mit einer Höhe von etwa 40 bis 50 cm gefertigt. Der nächste Schritt ist ein Maßstabssprung, bei dem wir das tatsächliche mechanische Verhalten des Bauteils mit unseren Computersimulationen abgleichen. Damit wollen wir ein funktionierendes System entwickeln, das Teil des Bauprozesses wird."
