Faszination Technik Wie Kakteen den Leichtbau mit Flachs inspirieren

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein robotisch gewickelter Pavillon aus Flachsfasern.

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Der sogenannte Liv-Mat-S-Pavillon steht im Botanischen Garten der Universität Freiburg und ist ein Modell für nachhaltiges Bauen.
Der sogenannte Liv-Mat-S-Pavillon steht im Botanischen Garten der Universität Freiburg und ist ein Modell für nachhaltiges Bauen.
(Bild: Universität Stuttgart / Robert Faulkner)

Um das Bauwesen auf eine nachhaltige Entwicklung umzustellen, bedarf es neuer ressourceneffizienter Ansätze in der Architektur. Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen wie Flachs kann zur Lösung beitragen. In einem gemeinsamen Projekt haben Forschende der Universitäten Freiburg und Stuttgart sowie Masterstudierende der Universität Stuttgart einen Leichtbau-Pavillon aus Flachsfasern entworfen. Dieser – nach dem Freiburger Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems benannten – Liv-Mat-S-Pavillon veranschaulicht, wie durch die Kombination von natürlichen Materialien und digitalen Technologien eine bioinspirierte Architektur ermöglicht wird. Die tragende Struktur wurde aus einem Flachsfaserverbundwerkstoff robotisch gewickelt. Der Pavillon steht im Botanischen Garten der Universität Freiburg soll künftig als Veranstaltungsort für Angebote des Exzellenzclusters dienen.

Naturfasern erfordern neue Prozesse

Bisher konzentrierte sich an der Universität Stuttgart die Forschung auf synthetisch hergestellte Fasern für Verbundstoffe wie zum Beispiel Glas- und Kohlestofffasern. Nun wird sie um Naturfasern erweitert. Im Gegensatz zu Glas- oder Kohlestofffasern und auch zahlreichen anderen Naturfasern sind Flachsfasern regional verfügbar und wachsen in jährlichen Erntezyklen. Sie sind zu 100 Prozent erneuerbar, biologisch abbaubar und bieten daher eine sehr gute Grundlage für die Entwicklung ressourcenschonender Leichtbaualternativen in der Bauindustrie.

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

Prof. Achim Menges, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) an der Universität Stuttgart

Da die Prozesse ursprünglich für synthetische, homogene Materialien entwickelt wurden, mussten sie nun auf die Materialeigenschaften der Flachsfasern übertragen werden. Nach Angaben der Universität Stuttgart ermöglichte die Anpassung des integrativen computerbasierten Modells, die heterogenen Materialeigenschaften in Entwurf und Planung der einzelnen Komponenten sowie der Gesamtstruktur einzubeziehen.

Von Kakteen inspiriert

Die Forschenden ließen sich bei der Entwicklung des Pavillons von der Natur leiten. Als Inspiration für die netzförmige Anordnung der Naturfasern und der kernlosen Wicklung der Bauteile dienten der Saguaro-Kaktus (Carnegia gigantea) und der Feigenkaktus (Opuntia sp.). Beide Kakteen sollen sich durch ihre besondere Holzstruktur auszeichnen. So verfüge der Saguaro-Kaktus über ein zylinderförmiges Skelett, das innen hohl und dadurch besonders leicht ist. Es bestehe aus einer netzartigen Holzstruktur, die dem Skelett zusätzlich eine besondere Stabilität verleiht. Prof. Dr. Thomas Speck, Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg erläutert: „Diese Struktur entsteht, indem die einzelnen Elemente miteinander verwachsen.“ Das Gewebe der abgeflachten Seitentriebe des Feigenkaktus werde ebenfalls durch vernetzte Holzfaserbündel durchzogen, die in Schichten angeordnet und miteinander verbunden sind. „Hierdurch zeichnet sich auch das Gewebe des Feigenkaktus durch eine besonders hohe Belastbarkeit aus.“ so Speck weiter.

Der Liv-Mat-S-Pavillon veranschaulicht, wie durch die Kombination von natürlichen Materialien und digitalen Technologien eine einzigartige bioinspirierte Architektur ermöglicht wird.
Der Liv-Mat-S-Pavillon veranschaulicht, wie durch die Kombination von natürlichen Materialien und digitalen Technologien eine einzigartige bioinspirierte Architektur ermöglicht wird.
(Bild: Universität Stuttgart / Robert Faulkner)

Die Forschenden haben nun diese Netzstrukturen der biologischen Vorbilder abstrahiert und im Pavillon durch das kernlose Wickeln der Naturfasern umgesetzt. Durch diese Abstraktion konnten sie die mechanischen Eigenschaften der vernetzten Faserstrukturen auf die Leichtbau-Tragelemente des Pavillons übertragen. Die Umsetzung der Konstruktion erfolgte durch die Fibr GmbH Stuttgart, die der Industriepartner des Projekts ist.

Eckdaten der Konstruktion

Die tragende Struktur des Pavillons besteht aus 15 Flachsfaserelementen, 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.

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