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Raum und Material

Glasfasern biomimetisch gewickelt

Ein beeindruckender Versuchsbau aus 70 % Glasfasern untersucht die tektonischen Möglichkeiten von faserbasiertem Verbundmaterial. Vorbild ist das Skelett eines Hummers. Das Resultat: eine ultraleichte Hülle, die einen faszinierenden Raum erschafft.

Autorin Christiane Sauer

Die Außenskelette von Arthropoden – Gliederfüßlern, zu deren Stamm Spinnen, Krebse und andere Schalentiere zählen – waren 2012 Forschungsgegenstand an der Fakultät für Architektur und Stadtplanung der Universität Stuttgart, um neue Konstruktionsansätze für den Leichtbau zu entwickeln. Das einjährige Projekt untersuchte hierbei biologische Form- und Materialbildungsprinzipien Im November 2012 realisierte das Institut für Computerbasiertes Entwerfen ICD (Prof. Achim Menges) mit dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE (Prof. Jan Knippers) einen beeindruckenden Versuchsbau aus faserbasiertem Verbundmaterial.

Lernen von der Effizienz der Natur

Zunächst wurde die Funktionsmorphologie und Materialstruktur der Arthropoden in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus der Biologie untersucht, wobei sich das Außenskelett des Hummers aufgrund seiner Materialausdifferenzierung als konstruktiv besonders interessant erwies und zum Vorbild des Pavillons wurde. Das Exoskelett besteht aus der sogenannten Cuticula, einem Sekretionsprodukt, in das schichtenweise Chitinfasern eingelagert werden. Diese Fasern werden je nach Belastung des Skeletts gerichtet oder ungerichtet bzw. spiralförmig eingelagert. So entsteht durch den differenzierten Aufbau des Schalenmaterials eine stabile und leistungsfähige Struktur, die das Tier trägt und schützt. Dieses morphologische Prinzip der lokal angepassten Faserorientierung und Schichtdicke wurde abstrahiert und für die formale und konstruktive Entwicklung des Versuchsbaus adaptiert. Wickeltechnik erleichtert Formenbau Die Effizienz der Cuticula liegt in ihrer Variabilität in Form, Faserorientierung und Matrix.

Verbund aus Glasfasern und Kohlestofffasern

In den Gebäudemaßstab übertragen, wurde das Material als Verbund aus Glasfasern und Kohlestofffasern in einer Matrix aus Epoxidharz hergestellt. Voraussetzung für die Realisierung war eine geschlossene digitale Kette vom Entwurfsmodell über konstruktive Berechnungen, Materialversuche bis zur robotischen Fertigung. Die Struktur des biologischen Vorbilds wurde in computerbasierte Simulationsprogramme überführt, um daraus neue tektonische Möglichkeiten abzuleiten. Normalerweise sind im Faserverbundbau aufwändige Positivformen zu fertigen, auf die die Fasern abgelegt werden. Durch die spezielle Wickeltechnik des verwendeten Industrieroboters wird dieser zusätzliche Aufwand an Material und Kosten überflüssig und der Formenbau kann auf einen leichten Stahlrahmen reduziert werden. Als textile Grundkonstruktion, die dem Kraftfluss entspricht, wurden Glasfasern von dem 6-achsige Industrieroboter auf definierte Punkte auf dem rotierenden Stahlgerüst abgelegt.

Innere Glasfasern bilden den Raumabschluss

Aus diesen linearen Scharen von Glasfasern entstanden doppelt gekrümmte, hyperbolisch paraboloide Flächen, die dem Pavillon seine charakteristische Form geben. Darauf wurden in nachfolgenden Wickelungen weitere statisch wirksame, in noch feuchtem Harz getränkte Carbon- und Glasfasern abgelegt, sodass die Struktur im Laufe des kontinuierlichen Herstellungsprozesses ihre eigene Positivform ausbildet. Die inneren Glasfasern bilden den Raumabschluss und die Schalung für die folgenden Schichten, während die zugfesten Kohlestofffasern zum Lastabtrag und zur Steifigkeit beitragen.

Poetische, ultraleichte und semitransparente Hülle

Faseroptische Sensoren zur Bauteil-Überwachung könnten direkt in das Verbundmaterial integriert werden, genauso wie lichtleitende Fasern, die der Beleuchtung dienen. Nach Durchtrocknung des Harzes hat der Pavillon seine Festigkeit erreicht, die inneren formgebenden Stahlstützen können zerlegt und entfernt werden. Die verbleibende stabile Schale aus Verbundfasermaterial hat eine Stärke von gerade einmal vier Millimetern. Nicht nur technisch überzeugt dieses architektonische Experiment, auch ästhetisch entsteht durch das integrale Zusammenspiel von Form, Material und Technologie eine poetische, ultraleichte und semitransparente Hülle, die mit minimalem Materialeinsatz einen faszinierenden Raum erschafft.

Weitere Materialentwicklungen und -anwendungen finden Sie hier

Factsheet

Material: Faserverbundstoff aus 70 % Glasfasern und 30 % Kohlestofffasern, Matrix aus Epoxidharz, 60 km Faserlänge im Wickel Prozess verbraucht
Fertigung: sechsachsiger Industrieroboter mit externer siebter Achse Abmessung: 3,5 m Höhe, ca. 8 m Durchmesser
Rauminhalt: 78 m³
Grundfläche: 20 m²
Materialstärke 4 mm
Gewicht: 320 kg
Standort: Keplerstraße, Stuttgart/D
Projektbeteiligte: Institut für Computerbasiertes Entwerfen ICD, Universität Stuttgart, Prof. Achim Menges; Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE, Universität Stuttgart, Prof. Jan Knippers. In Zusammenarbeit mit: Institut für Evolution und Ökologie, FB Evolutionsbiologie der Invertebraten, Universität Tübingen, Prof. Oliver Betz; Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, FB Invertebraten-Paläontologie, Universität Tübingen, Prof. James Nebelsick; ITV Denkendorf, Dr.-Ing. Markus Milwich.

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