Der 3D-Druck verspricht, die Architektur für immer zu verändern

Direktor des Institute for Smart Structures, University of Tennessee

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In der Architektur entstehen selten neue Materialien.

Holz, Mauerwerk und Beton bildeten jahrhundertelang die Grundlage für die meisten Bauwerke auf der Erde.

In den 1880er Jahren veränderte die Einführung des Stahlrahmens die Architektur für immer. Stahl ermöglichte es Architekten, höhere Gebäude mit größeren Fenstern zu entwerfen, wodurch die Wolkenkratzer entstanden, die heute die Skyline der Stadt prägen.

Seit der industriellen Revolution sind Baumaterialien weitgehend auf eine Reihe von Massenprodukten beschränkt. Von Stahlträgern bis hin zu Sperrholzplatten – dieser standardisierte Teilesatz prägt seit über 150 Jahren die Planung und den Bau von Gebäuden.

Das könnte sich bald ändern, wenn Fortschritte in der sogenannten „additiven Fertigung im großen Maßstab“ erzielt werden. Seit der Einführung des Stahlrahmens gab es keine Entwicklung mit so großem Potenzial, die Art und Weise, wie Gebäude konzipiert und gebaut werden, zu verändern.

Bei der groß angelegten additiven Fertigung, wie dem Desktop-3D-Druck, werden Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Ob Ton, Beton oder Kunststoff, das Druckmaterial wird in flüssigem Zustand extrudiert und härtet zu seiner endgültigen Form aus.

Als Direktor des Institute for Smart Structures an der University of Tennessee hatte ich das Glück, an einer Reihe von Projekten zu arbeiten, die diese neue Technologie einsetzen.

Auch wenn es immer noch einige Hürden für die flächendeckende Einführung dieser Technologie gibt, kann ich mir eine Zukunft vorstellen, in der Gebäude vollständig aus recycelten Materialien oder vor Ort bezogenen Materialien gebaut werden und deren Formen von den Geometrien der Natur inspiriert sind.

Dazu gehört der Trillium-Pavillon, eine Open-Air-Struktur, die aus recyceltem ABS-Polymer gedruckt ist, einem gängigen Kunststoff, der in einer Vielzahl von Konsumgütern verwendet wird.

Die dünnen, doppelt gekrümmten Oberflächen der Struktur wurden von den Blütenblättern der gleichnamigen Blume inspiriert. Das Projekt wurde von Studenten entworfen, von Loci Robotics gedruckt und im University of Tennessee Research Park auf der Cherokee Farm in Knoxville gebaut.

Zu den weiteren aktuellen Beispielen für groß angelegte additive Fertigung gehört Tecla, ein 41,8 Quadratmeter großer Prototyp einer Wohnung, der von Mario Cucinella Architects entworfen und in Massa Lombarda, einer kleinen Stadt in Italien, gedruckt wurde.

Die Architekten druckten Tecla aus Ton, der aus einem örtlichen Fluss stammte. Die einzigartige Kombination dieses kostengünstigen Materials und der radialen Geometrie schuf eine energieeffiziente Form alternativer Gehäuse.

Zurück in den USA arbeitete das Architekturbüro Lake Flato mit dem Bautechnologieunternehmen ICON zusammen, um Betonaußenwände für ein Haus namens „House Zero“ in Austin, Texas, zu drucken.

Das 2.000 Quadratfuß (185,8 Quadratmeter) große Haus demonstriert die Geschwindigkeit und Effizienz von 3D-gedrucktem Beton, und die Struktur weist einen angenehmen Kontrast zwischen ihren krummlinigen Wänden und ihrem freiliegenden Holzrahmen auf.

Die groß angelegte additive Fertigung umfasst drei Wissensbereiche: digitales Design, digitale Fertigung und Materialwissenschaft.

Zunächst erstellen Architekten Computermodelle aller zu druckenden Komponenten. Diese Designer können dann mithilfe von Software testen, wie die Komponenten auf Strukturkräfte reagieren, und die Komponenten entsprechend optimieren. Diese Tools können dem Designer auch dabei helfen, das Gewicht von Komponenten zu reduzieren und bestimmte Designprozesse, wie z. B. das Glätten komplexer geometrischer Schnittpunkte, vor dem Drucken zu automatisieren.

Eine als Slicer bezeichnete Software übersetzt dann das Computermodell in eine Reihe von Anweisungen für den 3D-Drucker.

Man könnte annehmen, dass 3D-Drucker in relativ kleinem Maßstab funktionieren – denken Sie an Handyhüllen und Zahnbürstenhalter.

Durch Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie konnte die Hardware jedoch erheblich skaliert werden. Manchmal erfolgt der Druck über ein sogenanntes Gantry-basiertes System – ein rechteckiges Gerüst aus Gleitschienen, ähnlich einem Desktop-3D-Drucker. Aufgrund ihrer Fähigkeit, in jeder Ausrichtung zu drucken, werden zunehmend Roboterarme eingesetzt.

Auch der Druckstandort kann variieren. Möbel und kleinere Bauteile können in Fabriken gedruckt werden, während ganze Häuser vor Ort gedruckt werden müssen.

Für die großtechnische additive Fertigung kann eine Reihe von Materialien verwendet werden. Beton ist aufgrund seiner Vertrautheit und Haltbarkeit eine beliebte Wahl. Ton ist eine interessante Alternative, da er vor Ort geerntet werden kann – was die Designer von Tecla getan haben.

Aber Kunststoffe und Polymere könnten die breiteste Anwendung finden. Diese Materialien sind unglaublich vielseitig und können so formuliert werden, dass sie eine Vielzahl spezifischer struktureller und ästhetischer Anforderungen erfüllen. Sie können auch aus recycelten und biologisch gewonnenen Materialien hergestellt werden.

Da die additive Fertigung Schicht für Schicht aufbaut und nur das Material und die Energie verbraucht, die für die Herstellung einer bestimmten Komponente erforderlich sind, handelt es sich um einen weitaus effizienteren Bauprozess als „subtraktive Methoden“, bei denen überschüssiges Material weggeschnitten wird – man denke an das Fräsen eines Holzbalkens aus einem Baum .

Sogar gängige Materialien wie Beton und Kunststoffe profitieren vom 3D-Druck, da keine zusätzlichen Schalungen oder Formen erforderlich sind.

Heutzutage werden die meisten Baumaterialien in Massenproduktion an Fließbändern hergestellt, die für die Herstellung der gleichen Komponenten ausgelegt sind. Dieser Prozess senkt zwar die Kosten, lässt aber wenig Spielraum für individuelle Anpassungen.

Da keine Werkzeuge, Formen oder Gesenke erforderlich sind, ermöglicht die additive Fertigung im großen Maßstab, dass jedes Teil einzigartig ist, ohne Zeitaufwand für zusätzliche Komplexität oder individuelle Anpassungen.

Ein weiteres interessantes Merkmal der großtechnischen additiven Fertigung ist die Möglichkeit, komplexe Komponenten mit inneren Hohlräumen herzustellen. Dies könnte es eines Tages ermöglichen, Wände mit bereits vorhandenen Leitungen oder Kanälen zu drucken.

Darüber hinaus wird geforscht, um die Möglichkeiten des Multimaterial-3D-Drucks zu erkunden, einer Technik, die es ermöglichen könnte, Fenster, Isolierung, strukturelle Verstärkung – sogar Verkabelung – vollständig in ein einziges gedrucktes Bauteil zu integrieren.

Einer der Aspekte der additiven Fertigung, der mich am meisten begeistert, ist die Art und Weise, wie der schichtweise Aufbau mit einem langsam aushärtenden Material natürliche Prozesse wie die Schalenbildung widerspiegelt.

Dies eröffnet neue Möglichkeiten und ermöglicht es Designern, Geometrien zu implementieren, die mit anderen Konstruktionsmethoden nur schwer herzustellen sind, aber in der Natur häufig vorkommen.

Strukturelle Rahmen, die von der feinen Struktur von Vogelknochen inspiriert sind, könnten leichte Gitter aus Röhren erzeugen, deren unterschiedliche Größe die auf sie einwirkenden Kräfte widerspiegelt. Fassaden, die an die Formen von Pflanzenblättern erinnern, könnten so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig das Gebäude beschatten und Solarenergie erzeugen.

Trotz der vielen positiven Aspekte der großtechnischen additiven Fertigung gibt es eine Reihe von Hindernissen für eine breitere Einführung.

Der vielleicht größte Nachteil ist die Neuheit. Es gibt eine ganze Infrastruktur, die auf traditionellen Bauweisen wie Stahl, Beton und Holz basiert und Lieferketten und Bauvorschriften umfasst. Darüber hinaus sind die Kosten für digitale Fertigungshardware relativ hoch und die spezifischen Designfähigkeiten, die für die Arbeit mit diesen neuen Materialien erforderlich sind, werden noch nicht umfassend vermittelt.

Damit sich der 3D-Druck in der Architektur weiter durchsetzt, muss er seine Nische finden. Ähnlich wie die Textverarbeitung dazu beigetragen hat, Desktop-Computer populär zu machen, denke ich, dass es eine spezifische Anwendung der großtechnischen additiven Fertigung sein wird, die zu ihrer allgemeinen Verwendung führen wird.

Vielleicht liegt es an seiner Fähigkeit, hocheffiziente Strukturrahmen zu drucken. Ich sehe auch bereits das Versprechen, einzigartige skulpturale Fassaden zu schaffen, die am Ende ihrer Nutzungsdauer recycelt und neu gedruckt werden können.

In jedem Fall ist es wahrscheinlich, dass eine Kombination von Faktoren dafür sorgen wird, dass zukünftige Gebäude teilweise in 3D gedruckt werden.