Die Bauwirtschaft ist der global größte Industriezweig und bietet enorme Wachstumschancen, von derzeit 8,5 Billionen USD auf bis 2030 erwarteten 15,5 Billionen USD. Auch in Deutschland liegt das Baugewerbe sowohl hinsichtlich der Bruttowertschöpfung als auch der Beschäftigung vor Industriebereichen wie dem Fahrzeugbau oder dem Maschinenbau, und ist damit eine Schlüsselbranche für den gesellschaftlichen Wohlstand und die wirtschaftliche Stärke des Landes.

Derzeitige Forschungsansätze, additive Fertigungsverfahren im Bauwesen anzuwenden, fokussieren sich fast ausschließlich auf den Massivbau, wie z.B. das 3D-Drucken mit Beton. Dieses Forschungsprojekt hat dahingegen zum Ziel, additive Fertigungsverfahren für den Leichtbau im Bauwesen zu untersuchen. Dies verspricht deutliche Material- und Ressourceneinsparungen, was dringend erforderlich ist. Denn das Bauschaffen verursacht ca. 60% des Ressourcenverbrauchs, ca. 35% des Energieverbrauchs sowie ca. 50% des Müllaufkommens.

Durch umfangreiche Maßnahmen konnte der Energie- und Ressourcenverbrauch im Betrieb von Gebäuden in Deutschland bereits stark gesenkt. Wesentlich unverändert hingegen blieben der Anteil der im Tragwerk gebundenen Energie und Ressourcen. Additive Fertigungstechniken erlauben die Herstellung von Bauteilen mit individuell angepasster Geometrie (Serie 0) ohne wirtschaftlichen Nachteil. Hierdurch können Tragwerke lokal ausdifferenziert und Material nur dort eingesetzt werden, wo es strukturell wirksam ist. Der Einsatz anisotroper Faserverbundmaterialien in additiven Fertigungsprozessen erlaubt darüber hinaus, einen besonders effizienten Materialeinsatz durch lokale Ausrichtung des Materials entlang des Kraftflusses. 

Die Antragsteller ICD und ITKE der Universität Stuttgart erforschten in einer Reihe von Vorarbeiten neuartige additive Fertigungsstrategien für Faserverbundbauteile und computerbasierte Entwurfsmethoden zur fertigungsgerechten Planung von leichten Tragwerken. Basierend auf einem digitalen Modell werden hierbei Glass- oder Karbonfasern sequenziell aufgebracht, wobei Bauteile mit hoher geometrischer Komplexität und lokal angepassten Materialeigenschaften entstehen. Eine Stützkonstruktion oder Kern ist dabei nicht erforderlich. Die im Rahmen dieser Untersuchungen realisierten Forschungsbauten erzielen Spitzenwerte von 7 – 12 kg/m² hinsichtlich des Flächengewichts des Tragwerks und zählen somit zum Ultra-Leichtbau. Die gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass additive Verfahren zur Fertigung von sehr leistungsfähigen, flächen- und stabförmigen Faserverbund-Großbauteilen hervorragend geeignet sind und ein hohes Potential für verschiedenste Bauanwendungen haben.

Ziel des Forschungsprojektes „Additive Fertigungsmethoden für Faserverbund-Großbauteile im Bauwesen“ ist es, das durch die bisherigen Forschungsarbeiten aufgezeigte Potential der additiven Fertigung von Faserverbundbauteilen aus dem prototypischen Entwicklungsstand zu einem industriellen Prozess weiterzuentwickeln. Hierfür sollen die bisherigen Erkenntnisse in der Entwicklung eines robusten, schnellen und hochgradig automatisierter additiven Fertigungsprozesses sowie der dazugehörigen Planungs- und Simulationsmethoden gebündelt und für die wirtschaftliche, baupraktische Anwendung ausgearbeitet werden.

Während sich die derzeitige Betrachtung primär auf Glas- und Kohlestofffaser-Verbundsysteme konzentriert, sind die Erkenntnisse hinsichtlich des additiven Fertigungsverfahrens auch direkt auf Anwendungen von Naturfasern und Bioverbundwerkstoffen übertragbar. Ebenso sind die gewonnenen Erkenntnisse für weitere Industriezweige, wie Flugzeug- oder Automobilbau relevant.

Die ausgewiesene Leichtbaukompetenz des Landes Baden-Württemberg wird durch die additive Fertigung von großformatigen Leichtbauteilen weiter gekräftigt. Hierdurch wird Ressourceneinsparung erzielt, die Wettbewerbsfähigkeit der Leichtbauindustrie am Hochtechnologiestandort Baden-Württembergs zusätzlich verbessert und die regionale Wertschöpfung gestärkt.
Die Anwendbarkeit und Relevanz des Vorhabens wird durch einen Beirat assoziierter Partner sichergestellt, die gemeinsam das gesamte Kompetenzspektrum von Material- und Maschinen-herstellung, Planungs- und Fertigungsprozessen bis zur architektonischen Anwendung abdecken.

 

PROJECT TEAM

Institute for Computational Design and Construction (ICD), University of Stuttgart
Prof. A. Menges (PI), Serban Bodea, Moritz Dörstelmann

Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), University of Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers

Institut für Textiltechnik, Faserbasierte Werkstoffe und Textilmaschinenbau (ITFT), University of Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser

 

PROJECT FUNDING

Landesstiftung Baden-Württemberg

 

PROJECT PARTNERS

SGL CARBON GmbH, Jochen Gast
Hexion Stuttgart GmbH, Johannes Meunier
Kuka Roboter GmbH, Frank Zimmermann
Landesagentur für Leichtbau Baden Württemberg, Dr. Wolfgang Seeliger
Allianz für Faserbasierte Werkstoffe (AFBW), Ulrike Möller
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV), Prof. Dr-Ing. Markus Milwich Institut für Flugzeugbau (IFB) Universität Stuttgart, Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorf