Additive Fertigung 15.08.2022, 11:01 Uhr

Individuelle Bauelemente aus Naturfasern im 3D-Druck

Der 3D-Druck ist im Bauwesen längst angekommen, zum Beispiel mit Beton. Jetzt soll die additive Fertigung im Bauwesen auch mit kurzen Fasern aus Holz und Stroh oder sogenannten Endlosfasern aus Hanf und Flachs gelingen.

Im Projekt 3DNaturDruck sollen Bauelemente aus Naturfasern additiv gefertigt werden, wie hier eine Freiformkachel aus Holzkurzfaserfilament. Foto: LZH

Im Projekt 3DNaturDruck sollen Bauelemente aus Naturfasern additiv gefertigt werden, wie hier eine Freiformkachel aus Holzkurzfaserfilament.

Foto: LZH

Im Projekt 3DNaturDruck sollen aus naturfaserverstärkten Biopolymeren im 3D-Druck architektonische Bauteile entstehen, etwa Fassadenelemente. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln dafür derzeit die nötigen Kompositmaterialien aus Biokunststoffen, wobei sowohl Naturkurzfasern als auch Naturendlosfasern zum Einsatz kommen. Von Kurzfasern wird im Zusammenhang mit Faser-Kunststoff-Verbunden davon gesprochen, wenn die Länge der Fasern maximal 1 Millimeter beträgt; Endloserfasern haben mindestens 50 Millimeter Länge.

Für die Verarbeitung mittels additiver Fertigung soll das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) optimiert werden, bei dem ein geschmolzenes Material in Schichten abgelegt wird („Schmelzschichtungsverfahren“). Das Ziel der Projektpartner (siehe Kasten): Eine Technologie für neuartige Designs schaffen, die ökologisch und nachhaltig sind.

Hochentwickelte Bauteile aus nachhaltigen Materialien als Ziel

Innerhalb des Projekts werden unterschiedliche naturfaserverstärkte Biopolymer-Komposite untersucht. Die Partner forschen sowohl an Verarbeitungsverfahren mit sehr kurzen Naturfasern, etwa aus Holz und Stroh, als auch an einem Verfahren für den Druck von Endlosfasern aus Hanf und Flachs in Kombination mit Biopolymeren. Das LZH (Laser Zentrum Hannover e.V.) entwickelt dann Prozesse für diese neuen Materialien und passt Werkzeuge und Düsengeometrien des FDM-Druckers an. Als Demonstrator soll ein Pavillon mit den 3D-gedruckten Fassadenelementen auf dem Campus der Universität Stuttgart entstehen.

Die Projektpartner wollen erforschen, wie mit der Additiven Fertigung Herstellungsverfahren für architektonische Bauteile vereinfacht werden können. Naturfaserverstärkte Biopolymere sind dabei besonders geeignet, um Bauteile mit komplexen Geometrien mit wenigen Arbeitsschritten und geringem Material- und Kostenaufwand zu realisieren.

Mit ihrer Forschung arbeiten die Partner außerdem an gänzlich neuen Ausgangsbedingungen für die Fabrikation von neu entwickelten architektonischen Bauteilen: So lässt sich etwa die Topologieoptimierung von Bauteilen entsprechend ihrer tragwerkstechnischen Beanspruchung mit der Additiven Fertigung gut umsetzen.

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Naturfaser-Trend in Architektur und Bauwesen

Interesse am Einsatz von Naturfasern in strukturellen Bauteilen in Architektur und Bauwesen ist groß, denn Naturfasern haben gleich mehrere Vorteile. Sie verfügen über gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht und sind in hohem Maß verfügbar. Als nachwachsende Ressource mit teilweise sehr kurzen Erneuerungszyklen sind sie außerdem ökologisch die bessere Alternative zu synthetischen Fasern. Schwierig kann es sein, die Naturprodukte in gleichbleibender Qualität herzustellen, sodass eine problemlose Weiterverarbeitung garantiert ist.

In der Additiven Fertigung werden großformatige Elemente für Bauwerke bisher meist mit Polymeren auf Basis fossiler Rohstoffe gefertigt. Die Forschung im Projekt 3DNaturDruck soll die Verwendung von Naturfasern in der Architektur nun auch für die Additive Fertigung möglich machen.

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Von Laser Zentrum Hannover e.V. / Karlhorst Klotz