Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Hauptzielsetzungen des Vorhabens waren die Entwicklung geeigneter Planungs-, Fertigungs- und Monitoring-Methoden f\u00fcr den erstmaligen Einsatz von Naturfaserverbundwerkstoffen im robotischen kernlosen Wickelverfahren zur Herstellung tragender Bauteile. Der Schwerpunkt des Projekts lag zum einen auf der Integration der Naturfaserverbundwerkstoffe und ihrer heterogenen, biologisch variablen Materialeigenschaften in die Entwurfs-, Simulations- und Fertigungsmethoden, die urspr\u00fcnglich am ICD und ITKE f\u00fcr synthetische, homogene Materialien entwickelt wurden und schon bei mehreren Versuchsbauten zum Einsatz kamen. Diese neu entwickelten Co-Design Methoden [KW21] f\u00fcr den Einsatz von Naturfasern wurden anschlie\u00dfend im Kontext eines gro\u00dfma\u00dfst\u00e4blichen Versuchsbauprojekts erstmalig angewandt \u0096 dem livMatS Pavillon im Botanischen Garten in Freiburg. Die tragende Struktur des livMatS Pavillons besteht aus 15 Modulen, die ausschlie\u00dflich aus endlos gesponnenen Flachsfasern robotisch hergestellt wurden. Mit seinem filigranen und charakteristischen Erscheinungsbild zeigt der livMatS Pavillon eindrucksvoll, dass nat\u00fcrliche Werkstoffe in Verbindung mit modernsten computerbasierten Entwurfs- und Fertigungsmethoden als vielversprechende Alternative zu synthetisch hergestellten Fasern im Bauwesen eingesetzt werden k\u00f6nnen.
\nDie Herausforderungen bei der Umsetzung des Projekts waren zum einen die Anpassung der Spannkr\u00e4fte und Prozessgeschwindigkeiten des robotischen Wickelverfahrens als auch die Methoden zur Auslegung des Tragwerks, vor allem in Hinblick auf das neue Materialsystem. Um die optimale Tragf\u00e4higkeit der Module zu erzielen, wurden Prototypen im Ma\u00dfstab 1:1 mit unterschiedlicher Faserauslegungen und unterschiedlichen Naturfaser-Harz-Kombinationen hergestellt und mit strukturellen Belastungstests validiert. <\/p>\n
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag auf der Untersuchung, inwieweit das im livMatS Pavillon verwendete erd\u00f6lbasierte Harz durch ein biobasiertes Harz ersetzt werden kann. Biobasierte Harze besitzen \u00e4hnliche mechanische Eigenschaften wie konventionelle fossile Harzsysteme. Jedoch stellt Dauerhaftigkeit bei Umwelteinwirkungen, insbesondere bei Feuchtigkeit und UV-Strahlung eine zentrale Herausforderung dar. Im Rahmen des Projekts wurden \u00fcber einen Zeitraum von 12 Monaten Probek\u00f6rper aus Naturfasern mit verschiedenen biobasierten Harzsystemen im livMatS Pavillon angebracht und somit denselben Umwelteinfl\u00fcssen ausgesetzt. Sensoren zeichneten in diesem Zeitraum die wesentlichen Umwelteinfl\u00fcsse, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und UV-Strahlung auf. In regelm\u00e4\u00dfigen Abst\u00e4nden wurden Probek\u00f6rpergruppen entnommen, mechanisch auf Alterungseffekte gepr\u00fcft und die Ergebnisse sowohl mit den aufgenommenen Umweltdaten korreliert als auch mit einer Kontrollgruppe aus Naturfasern mit erd\u00f6lbasierten Harzsystem verglichen. Die untersuchten biobasierten Harzsysteme wiesen im Vergleich zu den bisher verwendeten erd\u00f6lbasierten Systemen geringere strukturelle Leistungsf\u00e4higkeit auf, ihr Verwitterungsgrad durch Umwelteinfl\u00fcsse war im direkten Vergleich jedoch nicht signifikant h\u00f6her. Die bisher erh\u00e4ltlichen biobasierten Harzsysteme sind nur bis zu einem bestimmten Anteil (maximal 50%) aus biobasierten Bestandteilen zusammengesetzt. Ein weiterer wichtiger Schritt f\u00fcr die Nachhaltigkeit biobasierter Faserverbundsysteme in der Architektur w\u00e4re die Entwicklung vollst\u00e4ndig biogener und damit biologisch abbaubarer Harzsysteme. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsprojekt wurde in drei aufeinanderfolgende Projektphasen mit f\u00fcnf sich \u00fcberschneidenden Arbeitspaketen unterteilt.
\nDie erste Phase (AP 1, AP 2, AP 3) konzentrierte sich auf die Anpassung der Entwurfs- und Konstruktionsmethoden sowie der Herstellungsverfahren an die Verwendung von endlos gesponnenen nat\u00fcrlichen Flachsfasern und auf die f\u00fcr eine gro\u00dfma\u00dfst\u00e4bliche Anwendung erforderlichen material- und fabrikationstechnischen Entwicklungen. Erste kleinere Wickel- und Belastungstests unterst\u00fctzten die Materialauswahl und lieferten erste Richtwerte \u00fcber die mechanischen Eigenschaften, das konstruktive Verhalten des Materials und m\u00f6gliche Versagensarten.
\nAm Ende dieser Phase wurden strukturelle Belastungstests an 2-3 prototypischen Bauteilen durchgef\u00fchrt, um diese Entwicklungen f\u00fcr die strukturelle Anwendung von Naturfasersystemen zu validieren.
\nDie zweite Phase (AP 4) konkretisierte die Forschungsarbeiten mit Unterst\u00fctzung des Industrie-Partners im Zusammenhang mit dem Bau des gro\u00dfma\u00dfst\u00e4blichen Projekts “livMatS Pavillon” im Botanischen Garten der Universit\u00e4t Freiburg.
\nIn der dritten Phase (AP 5) wurde das Projekt langfristig begleitet. Es wurden verschiedene Materialkombinationen (auch Naturfasern und biobasierten Harzsysteme) hinsichtlich ihres Alterungsverhaltens getestet, mit einer Kontrollgruppe (aus Naturfasern und erd\u00f6lbasiertem Harzsystem), um die Dauerhaftigkeit von Naturfasern als zentrale Herausforderung beim Einsatz im Bauwesen zu verifizieren. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die genaue Zusammensetzung des Faserverbundwerkstoffes spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Kompressionsverhaltens. In dieser hier pr\u00e4sentierten Studie wurden vier Varianten von Epoxidharzen untersucht, die jeweils unterschiedliche Anteile an biologischem Material aufweisen. Das Epoxidharz Hexion Epikote ist vollst\u00e4ndig erd\u00f6lbasiert, w\u00e4hrend Entropy CLR einen biobasierten Anteil von 21% beinhaltet. Resoltech enth\u00e4lt 33% biobasiertes Material, w\u00e4hrend Greenpoxy mit 51% den h\u00f6chsten Anteil an biobasiertem Material unter den getesteten Harzen aufweist.
\nDie Analyse der Ergebnisse f\u00fcr die maximale Druckkraft ergab eine auff\u00e4llige Beziehung zwischen der Leistung des Bauteils und dem biobasierten Anteil des Harzes: Es wurde eine umgekehrte Korrelation beobachtet, wobei ein h\u00f6herer biologischer Anteil mit einer geringeren Leistung, Druckbelastung aufzunehmen, einherging.
\nDie Integrit\u00e4t der Naturfasern hat einen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit des Verbundsystems. Die Testergebnisse zeigten eine Tendenz zur Abnahme der maximalen Zugkraft \u00fcber einen Zeitraum von 12 Monaten sowie eine deutlichere Abnahme der K-Steifigkeit. Der Gesamtverlust an Leistung lag zwischen 2 % und 6 %. Die im Verbundsystem verwendete Matrix spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Druckfestigkeit. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass die Druckfestigkeit mit der Zeit deutlich um ca. 5 bis 10% abnimmt, w\u00e4hrend bei der Steifigkeit kein eindeutiger Trend erkennbar ist.
\nAllgemein gilt, dass die Zug- und Druckbeanspruchung und auch die Steifigkeit der Probek\u00f6rper abnehmen, wenn der Anteil an Harz geringer ausf\u00e4llt. Es gibt kein eindeutiges Indiz daf\u00fcr, dass die h\u00f6here Zug- und Druckbelastbarkeit nach 6 Monaten in direktem Zusammenhang mit dem Faservolumengehalt der Probek\u00f6rper steht. <\/p>\n
Die durchgef\u00fchrte Untersuchung konzentrierte sich auf die Bewertung der Festigkeit und Steifigkeit des Materialsystems \u00fcber einen Zeitraum von einem Jahr. Die vorl\u00e4ufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Festigkeit bzw. Steifigkeit im Laufe der Zeit um durchschnittlich 5-6 % abnimmt, wenn die Materialien UV-Strahlung ausgesetzt werden. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Testdauer zu verl\u00e4ngern, um eine umfassendere Entwicklungskurve der Festigkeit und Steifigkeit zu erhalten, insbesondere f\u00fcr die Planung von Bausystemen, die langfristig zum Einsatz kommen sollen. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Der livMatS Pavillon im Botanischen Garten der Universit\u00e4t Freiburg zeigt deutlich auf, wie eine nach-haltige, ressourceneffiziente Alternative zu konventionellen Bauweisen mit Naturfasern m\u00f6glich sein kann. Er stellt das erste Geb\u00e4ude dar, dessen tragende Struktur ausschlie\u00dflich aus robotisch gewickel-ten Flachsfasern besteht, einem Material, das nat\u00fcrlich, erneuerbar, biologisch abbaubar und regional verf\u00fcgbar ist. Er ist daher ein wichtiger Meilenstein in Richtung Nachhaltigkeit in der Architektur.
\nDurch seine innovative Verkn\u00fcpfung von Naturwerkstoffen und modernsten digitalen Technologien ver-deutlicht der livMatS Pavillon anschaulich, wie integrative Co-Design-Methoden, durch die geometri-sche, materielle, strukturelle, produktionstechnische, \u00f6kologische und \u00e4sthetische Anforderungen schon in einem sehr fr\u00fchen Stadium eines Projekts ber\u00fccksichtigt werden, in Verbindung mit moderns-ten robotergest\u00fctzten Fertigungstechniken und Untersuchungen zu nat\u00fcrlichen Werkstoffen eine ein-zigartige Architektur schaffen, die zugleich umweltfreundlich und gestalterisch ausdrucksstark ist.
\nDer livMatS-Pavillon ist f\u00fcr die \u00d6ffentlichkeit offen zug\u00e4nglich und wird seit seiner Errichtung auch h\u00e4u-fig f\u00fcr Veranstaltungen genutzt. Er wird zudem als Veranstaltungsort f\u00fcr Angebote der Universit\u00e4t Frei-burg, insbesondere des Exzellenzclusters “Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS)\u0093, eingesetzt, die den Botanischen Garten im Rahmen des Konzepts \u0084Learning from Nature in Nature\u0093 als Forschungs- und Lehreinrichtung nutzt.
\nDer livMatS Pavillon als Demonstrator des Projekts und die zugrundeliegende Forschung wurden wis-senschaftlich publiziert und national und international in den Bereichen Hoch- und Tiefbau, Ingenieur-wesen und Architektur, sowie vor einem breiten Publikum pr\u00e4sentiert. <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die Eignung von biobasierten Faserverbundwerkstoffen f\u00fcr zuk\u00fcnftige Anwendungen im Leichtbau erfasst. Dabei wurden verschiedene biobasierte Harzsysteme im Materialverbund mit Flachsfasern untersucht und mit konventionellen, \u00f6lbasierten Harzsystemen verglichen. Hierf\u00fcr wurden mehrere Probek\u00f6rper-Serien produziert, die \u00fcber verschiedene Zeitpunkte der nat\u00fcrlichen Verwitterung ausgesetzt waren. Die Verwitterungsbedingungen vor Ort wurden durch digitales Monitoring erfasst und ausgewertet.
\nDie getesteten biobasierten Harzsysteme wiesen zwar im Vergleich zu erd\u00f6lbasierten Harzsystemen leistungs\u00e4rmere Eigenschaften in ihrer strukturellen Belastbarkeit auf, allerdings ist der Verwitterungsgrad der biobasierten Systeme im direkten Vergleich mit den erd\u00f6lbasierten Systemen nicht signifikant h\u00f6her.
\nDie generelle Leistungsf\u00e4higkeit der hier aufgezeigten biobasierten Harzsysteme kann grunds\u00e4tzlich gew\u00e4hrleistet werden, was unter anderem in den Druck- und Zugbelastungstests sichtbar wird. Bei Faserverbundstrukturen in Leichtbauweise ist es \u00fcblich, die Faserstruktur lastfallangepasst entsprechend ihrer spezifischen Materialeigenschaften zu gestalten. Dieses Vorgehen gilt auch f\u00fcr die im Forschungsprojekt getesteten Harzsysteme. Fragen zu Gr\u00f6\u00dfe und Skalierbarkeit biobasierter Harzsysteme m\u00fcssen jedoch noch umfangreich weiterentwickelt und getestet werden.
\nDer livMatS Pavillon zeigt jedoch eindrucksvoll, dass Naturfasern als Alternative zu Karbon- und Glasfasern erfolgreich im Kontext von Leichtbaukonstruktionen eingesetzt werden k\u00f6nnen und demzufolge umweltvertr\u00e4glichere Faserverbundwerkstoffe im Bauwesen m\u00f6glich sind.
\nSollten biobasierte Harzsysteme zuk\u00fcnftig in ihrer Zusammensetzung so weiterentwickelt werden, dass sie weniger Erd\u00f6l, bzw. epoxidbasierte Bestandteile besitzen oder gar vollst\u00e4ndig biogen sein, w\u00e4re dies ein wichtiger Schritt f\u00fcr die Forschung an biobasierten Faserverbundsystemen, hin zu nachhaltigeren Systemen. Der Prozess des Faserwickelns erm\u00f6glicht eine weitestgehend automatisierte Verarbeitung der Materialien zu fertigen Bauteilen. Dabei m\u00fcssen materialspezifische Anpassungen vorgenommen werden, um die Abzugsfestigkeit zu erh\u00f6hen und gleichzeitig auf den jeweils individuellen Tr\u00e4nkungsgrad der Verbundsysteme auf Naturfaserbasis einzugehen. Wie die Versuche gezeigt haben, ist es mitentscheidend, wie gro\u00df die Spannweite der Fasern im Syntaxdesign und im realen Verarbeitungsprozess ausgelegt ist.
\nDie M\u00f6glichkeiten des Materialsystems sind noch lange nicht ausgesch\u00f6pft – sowohl was die Materialzusammensetzung als auch die Anwendungsm\u00f6glichkeit betrifft.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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