Das glaube ich nicht
Architekten, Ingenieure und Verfahrenstechniker aus Baden-Württemberg erfinden das Bauen neu. Ihr Konzept basiert auf einer Verbindung von additiver Fertigung mit einem digitalen Entwurfsverfahren für Bauteile beliebiger Größe und Gestalt. Die neue Methode bietet etliche Vorteile
von RALF BUTSCHER
Wer wissen will, wie die Zukunft des Bauens aussehen könnte, sollte seinen Blick in eine kleine Fabrikhalle auf einem alten Industriegelände im Stuttgarter Stadtteil Wangen richten. Dort haben Forscher der Universität Stuttgart eine pfiffige Maschine aufgebaut, die aus fast endlos langen Fasern von Glas oder Carbon filigrane Objekte formt – Komponenten, die sich beim Bau großer Gebäude wie Bahnhofshallen oder Fußballstadien nutzen ließen. Der Clou dabei: Die sehr robusten und zugleich extrem leichtgewichtigen Bauteile entstehen förmlich aus dem Nichts – nach dem Prinzip der additiven Fertigung, der Herstellung von Produkten durch Hinzufügen von Material.
„Ein Roboter zieht die Fasern durch ein Bad mit einem speziellen Harz“, erklärt Achim Menges. Die zähe Flüssigkeit tränkt die mikrometerfeinen Fibrillen, verbindet sie miteinander und verleiht ihnen nach dem Aushärten die fünffache spezifische Steifigkeit von Stahl. Die Form des so gefertigten Objekts entsteht um ein Grundgerüst von Glasfasern, das mit den Carbonfasern umwickelt wird – und ist vorgegeben durch einen digitalen Bauplan. Menges ist Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) der Universität Stuttgart. Der Architekt koordiniert das 2017 gestartete Forschungsprojekt „Additive Fertigungsmethoden für Faserverbund-Großbauteile im Bauwesen“ (AddFiberFab), das die Baden-Württemberg Stiftung drei Jahre lang finanziert. Ziel des Projekts aus dem Programm „Additive Fertigung“ ist es, Leichtbau-Verbundwerkstoffe wie Carbonfasern für das Bauen nutzbar zu machen.
Der Vorteil dieser Materialien ist ihre hohe Beständigkeit bei zugleich geringem Gewicht. Allerdings: Die „Wunderwerkstoffe“ sind teuer. Deshalb blieb ihr Einsatz für Architekten und Bauingenieure bislang meist ein unerfüllbarer Wunschtraum. Das könnte sich durch das neue Verfahren ändern, das die Forscher des Projektteams der Universität Stuttgart, bestehend aus Wissenschaftlern des ICD und der Institute für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen (ITKE) sowie für Textiltechnik, Faserbasierte Werkstoffe und Textilmaschinenbau (ITFT), entwickelt haben.
Rundherum digital
Der Trick, mit dem die Forscher aus dem Südwesten das erreicht haben, ist das Verknüpfen von additiver Fertigung mit einem cleveren digitalen Planungsverfahren. Als additive Fertigungseinheit fungiert der Roboter, der die Fasern präpariert und in der gewünschten Weise wickelt. Das digitale Verfahren ermöglicht es, die Fertigung von Bauteilen beliebiger Form zunächst am Rechner zu simulieren – und dabei die Abfolge der Punkte im Raum zu finden, die der Roboter ansteuern muss, um das Fasergebinde in die richtige Gestalt zu bringen. „Mit herkömmlichen, analogen Planungsverfahren wäre das nicht möglich, vor allem bei komplexen Formen“, sagt Menges. Menschliche Intuition genügt nicht, um die geeigneten Raumpunkte und die Abfolge ihrer Ansteuerung ausfindig zu machen.
Die digitale Art der Gestaltung und Planung dagegen führt zu einem architektonischen Entwurf, der sich mit möglichst geringem Aufwand umsetzen lässt – und bei dem nur so viel Material verbraucht wird wie unbedingt nötig ist. „Damit haben wir eine echt digitale Methode für die Bauindustrie geschaffen“, freut sich Menges.
Um das Bauteil herzustellen, sind weder stützende Hilfsstrukturen oder teurer Formenbau erforderlich noch zusätzliche Bearbeitungsschritte, etwa das Zuschneiden oder Nachbearbeiten der Bauteile. Die Glasfaser, die im ersten Schritt arrangiert und danach mit der harzgetränkten Carbonfaser umhüllt wird, bleibt ein integraler Bestandteil des fertigen Produkts, sagt der Forscher.
Paradigmenwechsel beim Bauen
Für ihn ist das komplett computergestützte Verfahren ein enormer Schritt für die Baubranche. „Denn dieser fehlten bislang Visionen, wie sie sinnvoll mit der Digitalisierung umgehen kann“, meint Menges. Es habe zwar bereits zuvor Ansätze gegeben, digitale Techniken beim Bauen zu nutzen – „doch die beruhten stets darauf, bekannte Prozesse einfach zu automatisieren.“ So gibt es Maurerroboter, die Ziegelsteine selbstständig aufeinandersetzen können. Allerdings: „Mit solchen Techniken lässt sich das Potenzial der Digitalisierung nicht ausschöpfen“, sagt der Stuttgarter Architekt. Ziegelsteine etwa hätten nur deshalb die bekannte Form und Größe, weil ein Mensch sie so bequem handhaben könne.
Eine kuppelförmige Konstruktion aus 60 Waben-Elementen
In der digitalen Welt sind solche Vorgaben und Beschränkungen sinnlos, betont Achim Menges. „Stattdessen müssen wir Entwurfs- und Planungsmethoden, Fertigungs- und Bauprozesse sowie die daraus hervorgehenden Bausysteme und Konstruktionen von Anfang an ganzheitlich neu denken.“ Diese Maxime haben die Wissenschaftler im Projekt AddFiberFab beherzigt – und dadurch die Grundlage für einen Paradigmenwechsel beim Bauen geschaffen.
Das Konzept dafür haben die Forscher bei der Natur abgeschaut – ein bestechendes Beispiel für die Bionik: die Nutzung natürlicher Prinzipien in der Technik. „Zu Beginn unserer Forschung diente uns unter anderem das Exoskelett von Krustentieren wie dem amerikanischen Hummer als Vorbild“, berichtet Menges. Die Körperteile des Krustentiers haben ganz unterschiedliche Merkmale: Seine Scheren sind hart und verformen sich nicht, andere Teile der Hummerschale hingegen sind weich und flexibel. Die Eigenschaften gehen fließend ineinander über und hängen zudem davon ab, von welcher Seite man das Tier anfasst.
Die Natur stand Pate
„Dennoch besteht das gesamte Exoskelett des Hummers aus demselben Material“, betont Menges: aus einem natürlichen Verbundwerkstoff mit Fasern von Chitin. „Die Natur schafft es, mit einem einzigen Material das gesamte Exoskelett zu formen und dabei das vollständige Spektrum an möglichen Materialeigenschaften abzubilden.“ Das Konstruktionsprinzip der Natur lautet: „Material ist teuer, Form ist billig“, erklärt der Stuttgarter Architekturprofessor. „Daher versucht sie, so viel wie möglich durch eine geschickte Gestaltung natürlicher Fasermaterialien wie Chitin, Kollagen oder Zellulose zu erreichen.
Die Raffinesse dieser Konstruktionsprinzipien, für die es in der Natur noch viele weitere Beispiele gibt – etwa bei Bäumen und Gräsern – wollen die Wissenschaftler verstehen und für die Fertigung von Bauteilen nutzbar machen. Mit ihren digitalen Ansätzen stellen sie die bisher gültigen Grundprinzipien des Bauens auf den Kopf. „Das Projekt der Baden-Württemberg Stiftung ist ein großer Schritt in diese Richtung“, sagt Achim Menges.
In der ersten Phase des Projekts haben die Forscher schon viel erreicht. Sie konnten zeigen, dass die Technik funktioniert und sind in der Lage, bis zu zwölf Meter lange Komponenten aus den Faserwerkstoffen dreidimensional additiv zu fertigen. Die Vorteile des neuen Verfahrens sind überzeugend: „Da wir dafür nur wenig von dem kostbaren Carbon-Material benötigen, lässt sich der Werkstoff tatsächlich wirtschaftlich rentabel zum Bauen einsetzen“, sagt Menges. Zugleich bietet die additive Herstellung im freien Raum eine schier unendliche Vielfalt an Möglichkeiten bei Größe und Gestalt der gefertigten Objekte – im Prinzip ließe sich so ein komplettes Hallendach am Stück produzieren. Und: Es bleibt kein Abfall zurück. Alles, was an Material zur Herstellung der Bauteile verwendet wird, steckt letztlich im Gebäude.
„Das kann dazu beitragen, ein riesiges Problem zu lösen“, betont der Wissenschaftler. Denn die Bauwirtschaft ist weltweit der größte Müllproduzent. Rund die Hälfte aller Abfälle entstehen beim Bauen von Häusern, Brücken und Straßen – oder bei ihrem Abriss am Ende der Nutzungsdauer. Allein in Deutschland kommen so laut Umweltbundesamt Jahr für Jahr rund 200 Millionen Tonnen nur an mineralischen Bauabfällen zusammen: zum Beispiel Schutt, Steine und Asphalt. Hinzu kommen weitere Abfälle wie gipshaltige Materialien.
Ein Mittel gegen die Müllberge
„Wir sollten daher jedes weitere Fertigungsverfahren vermeiden, das zusätzlichen Unrat erzeugt“, sagt Menges. Die additive Fertigung von Bauwerkskomponenten in Kombination mit einer durchgehend digitalen Planung dagegen könnte die Müllberge am Bau schrumpfen lassen: Am Ende des Bauprozesses bleibt kein Material übrig.
Allerdings: Die neue Methode eignet sich nicht für alle Bauwerke. „Sie ergibt vor allem dort Sinn, wo weite Distanzen überspannt werden müssen“, erklärt Achim Menges. „Denn je weiter ein Tragwerk spannt, desto wichtiger wird die Frage eines möglichst geringen Eigengewichts.“ Deshalb haben die Projektpartner für ihre Technik vor allem große öffentliche Bauten wie Bahnhöfe oder Sportstadien im Visier. Leichtgewichtige Bauteile aus gewickelten Fasern wären da enorm vorteilhaft.
Wie das einmal aussehen kann, können die Besucher der Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn bestaunen. Dort errichten die Wissenschaftler einen Pavillon mithilfe der dreidimensionalen additiven Fertigungstechnik. Die luftige und helle Konstruktion, die im Wesentlichen aus einer kuppelförmig geschwungenen Tragstruktur mit insgesamt 60 wabenförmigen Elementen aus Faserverbundwerkstoff besteht, überdeckt eine Fläche von 400 Quadratmetern und spannt 25 Meter stützenfrei. „Der Pavillon bietet uns eine großartige Gelegenheit, um unsere bisherigen Erfahrungen aus dem Forschungsprojekt einzubringen und die entwickelte neue Methode in der Praxis zu testen“, freut sich Menges.
Die Basis dafür haben die Wissenschaftler aus Stuttgart durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit und im engen Austausch zwischen den beteiligten Universitätsinstituten gelegt. So hat ein Team um den Bauingenieur Jan Knippers am ITKE eine geeignete Simulation für die Produktionsprozesse und entsprechende Konstruktionsmethoden erarbeitet, Achim Menges und seine Mitarbeiter am ICD übernahmen die digitale Planung und Fertigung, eine Gruppe von Verfahrenstechnikern um Götz Gresser am ITFT kümmerte sich um die Qualitätssicherung bei der Verarbeitung der Carbonfasern. Diese beziehen die Forscher von einem Lieferanten, der das Rohmaterial ausschließlich mit erneuerbarer Energie aus Wasserkraftwerken herstellt.
Für die Größe der Bauteile, die sich mit dem digital gelenkten Verfahren fertigen lassen, gibt es grundsätzlich keine Beschränkung, betonen die Forscher. Die derzeit maximale Länge von zwölf Metern ist nur den Maßen der Roboter-Fertigungseinheit und den Dimensionen der Wangener Werkshalle geschuldet.
„Eine Herausforderung, die wir im Projekt zu bewältigen hatten, war die Frage, wie wir einzelne Bauteile miteinander verbinden“, berichtet Menges. „Dabei konnten sich die Forscher nicht an der Natur orientieren, wo Fasern nahtlos ineinander übergehen. Die Lösung des Problems fand das Team bei den Ankerpunkten, um die die Fasern gewickelt werden. Um mehrere Komponenten so zu verknüpfen, dass auftretende Kräfte zielgerichtet und ohne Verluste übertragen werden, lassen sich die Bauteile dort verschrauben.
Bislang nicht gekannte Dimensionen
„In diesem Forschungsprojekt haben wir zum ersten Mal ein additives Fertigungsverfahren mit diesen Materialien und für die Anwendung in der Bauwirtschaft eingesetzt“, sagt Achim Menges. Auch der Maßstab der Großbauteile, für deren Herstellung die baden-württembergischen Forscher die additive Fertigung nutzen, übertrifft die meisten bisherigen Anwendungen dieser Technik.
Künftig, so das Konzept der Wissenschaftler, soll auf jeder Baustelle, wo ein Bauwerk mit Faserwerkstoff-Komponenten errichtet wird, ein additiver Fertigungsroboter stehen und die dafür benötigten Komponenten eigenständig vor Ort produzieren. Das Bauunternehmen müsste dann lediglich Spulen mit aufgerollten Glas- und Carbonfasern sowie ein paar Kanister mit Harz anliefern. Auch das wäre ein enormer Nutzen für Umwelt und Anwohner: „Bisher bringen alle große Baustellen reichlich Verkehr durch Lastwagen mit sich, die Unmengen an Baumaterialien herantransportieren“, erläutert Menges. Die Begleiterscheinungen sind Schmutz, Lärm und die Emission von klimaschädlichem Kohlendioxid (CO2). Ein Großteil davon würde durch die Nutzung der digitalen Technik überflüssig.
Per digitaler Planung wird die Form des Bauteils frei im Raum angelegt
Ohnehin ist die Bauwirtschaft sehr ressourcenintensiv. Auf ihre Kappe gehen global nicht nur über 50 Prozent der Abfälle, sondern auch 40 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs und ein ebenso großer Anteil des Bedarfs an Rohstoffen. Und: „Allein der CO2-Ausstoß für Neubauten ist rund fünfmal so hoch wie die Emissionen aus dem ganzen Luftverkehr“, sagt Menges.
Besserung ist mit den bislang genutzten Baumethoden nicht in Sicht – angesichts einer weiter wachsenden Bevölkerung auf der Erde. Um die rund 10 Milliarden Menschen, mit denen Experten der Vereinten Nationen für 2050 weltweit rechnen, mit den notwendigen Bauwerken zu versorgen, sind neue Ansätze nötig, betont der Wissenschaftler. Er ist überzeugt: Die schonende Technik aus AddFiberFab kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten.
Doch die Vision der Stuttgarter Wissenschaftler reicht noch weiter. So lässt sich das neue Fertigungsverfahren auf biologisch abbaubare Harze und Faserwerkstoffe übertragen – die Voraussetzung für eine hundertprozentige Recycelbarkeit der verwendeten Materialien. Zum anderen könnte es künftig eine bislang undenkbare Flexibilität beim Bauen ermöglichen: „Das Harz, das wir derzeit zum Verbinden der Fasern verwenden, härtet aus und bleibt dann fest“, erklärt der Wissenschaftler. Doch es gibt andere Harze, die durch Erhitzen wieder weich werden.
Damit ließen sich die Fasern in den Bauteilen am Ende der Nutzungszeit eines Bauwerks wieder voneinander lösen – und zurück auf eine Spule drehen. Danach könnte man die langen, ungeschnittenen Filamente zum Bau eines anderen Gebäudes nutzen. „Damit hätten wir eine perfekte Form der Wiederverwendbarkeit erreicht“, freut sich Achim Menges.
Fernziel: wandelbare Gebäude
So könnte ein stetiger Kreislauf der Baumaterialien entstehen – und die Vorstellung davon, wann ein Bauwerk wirklich fertig ist, würde sich drastisch verändern. Denn nicht nur beim Errichten, sondern auch später, während das Gebäude genutzt wird, ließe sich die innovative Technik einsetzen, um beispielsweise Größe und Anordnung der Räume zu variieren oder um dem gesamten Haus eine andere Gestalt zu verleihen.
Der Stuttgarter Forscher ist überzeugt: „Dadurch werden sich Bauwerke künftig immer wieder neu gestalten und den sich wandelnden Ansprüchen ihrer Nutzer anpassen lassen.“ Ein älteres Gebäude einfach abzureißen und stattdessen aufwendig einen Neubau zu erstellen, ist dann häufig keine sinnvolle Option mehr.
