Flexibel geformt

Martina Metzner
25. September 2019
Der BioMat-Pavillon des ITKE stand 2018 auf dem Stuttgarter Unicampus. (Foto: © BioMat am ITKE/Universität Stuttgart)

Für den BioMat-Pavillon kombiniert das ITKE der Universität Stuttgart digitale Planungs- und Fertigungsmethoden mit einem neuartigen, biobasierten und flexiblen Material.

Von Sommer bis Herbst 2018 stand der BioMat-Pavillon des ITKE der Universität Stuttgart auf dem Unicampus Stadtmitte. Er ist das Ergebnis einer zehnmonatigen intensiven Arbeit, die federführend von Juniorprofessorin Hanaa Dahy und ihrem Team verantwortet wurde. Im Aufbau vergleichbar mit einem dreidimensionalen Gewebe, besteht der Pavillon aus holz- und biobasierten Verbundmaterialien, die aus parametrisch entwickelten, digital gefertigten Elementen zusammengefügt werden. Dabei bilden die einfach gekrümmten Biokomposit-Elemente eine zweifach gekrümmte Schale, die von drei gebogenen und gekreuzten Holzbalken getragen wird. Der Forschungspavillon, der vor Ort montiert wurde, umfasste eine Fläche von 55 m² bei einem Innenvolumen von 130m³ mit einer Spannweite von 9,5 und einer Höhe von 3,6 Metern.

Die zweifach gekrümmte Schalenkonstruktion aus insgesamt 120 Triangel-Elementen wird von drei Holzbalken gestützt. (Foto: © BioMat am ITKE/Universität Stuttgart)

Das Biokomposit-Material (naturfaserverstärkte Kunststoffe) des Pavillons wurde zunächst unabhängig entwickelt. Das Credo der Forschungsgruppe lautete, mit besonders leichten Biokomposit-Materialien eine umweltschonende und nachwachsende Alternative zu klassischen Verbundwerkstoffen, die oft Kunstfasern wie Carbon- oder Glasfaser beinhalten, zu schaffen. Ziel war es, ähnliche Eigenschaften wie bei MDF zu erhalten. In der Forschungsphase wurden zwei verschiedene Materialien für den flexiblen Kern erprobt: Eine Biokunststoff-Mischung aus Strohfasern, TPE (thermoplastisch elastisches Polymer) und PLA (Polymilchsäure) sowie als zweites Lignozellulosefasern. Das neue Biokomposit-Material wurde mechanisch auf Elastizität, Stabilität und Belastbarkeit getestet. Zudem wurde es auf Einwirkungen von Feuchtigkeit und UV-Strahlung auf die Oberfläche hin untersucht. Die Sandwichplatte mit einem semi-elastischen Kern aus Lignozellulosefasern, der von zwei 3D-Furnierlagen ummantelt ist, machte das Rennen. Die Besonderheit liegt in der Flexibilität der Faserplatte, die durch einen Moulding-Vakuum-Prozess hergestellt wurde und Freiformen in Möbelbau und Architektur ermöglicht – und obendrein aus nachwachsenden Rohstoffen stammt.

Die Freiformen der einzelnen Elemente wurden parametrisch entwickelt und digital gefertigt. (Foto: © BioMat am ITKE/Universität Stuttgart)

Erst danach wurde die Form der einzelnen Elemente für die Konstruktion parametrisch entwickelt. Jedes der 360 Elemente, die die Schale bilden, ist 6,6 Millimeter dick, 30 Zentimeter breit und zwischen 1 bis 1,20 Meter lang. Sie wurden in drei Teilen von einer CNC-Fräse geschnitten und triangelförmig zusammengeklebt – dies und die geschraubten Punktverbindungen verteilt die Lasten gleichmäßig. 

Die Materialien sind damit Ausgangspunkt des Designs. Außerdem wurden die Biokomposit-Materialien und die Verbindungen so konzipiert, dass die einzelnen Elemente anschließend getrennt und wiederverwendet werden können – daraus können neue Strukturen mit anderen Geometrien entstehen. Sie können aber auch geschreddert und zu neuen Platten oder anderen Objekten geformt werden.

Ausgangspunkt für den BioMat Pavillon war ein neu entwickeltes Biokomposit-Material mit flexiblem Kern aus Lignocellulosefasern. (Foto: © BioMat am ITKE/Universität Stuttgart)

Dies kann eine neue Ära einleiten für eine Architektur, vor allem in weniger bewaldeten Teilen dieser Erde, die biobasierte Materialien aus lokalen Biomasse-Ressourcen nutzt, so die Forscher um Hanaa Dahy. Allerdings müssten sich dazu die baurechtlichen Rahmenbedingungen ändern. Zudem hat das Projekt gezeigt, wie digitale Entwurfs- und Fabrikationsmethoden nachhaltige Architektur begünstige. Allerdings waren nicht nur rund 40 Forscher der Universität Stuttgart am ersten Pavillon der 2016 gegründeten Forschungsgruppe beteiligt, sondern auch rund zehn praktizierende Architekten und Tragwerksingenieure, daneben die Deutsche Agentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR/BMEL) und Partner aus der Industrie.

Vorgestelltes Projekt

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