Generative Design Lab

Durch additive Herstellungsmethoden eröffnen sich in vielen Industriezweigen neue Möglichkeiten der Formgebung. Wenngleich später als in anderen Branchen, fasst auch in der Baustoffindustrie diese Technologie immer mehr Fuß. Der Bausektor mit seinem immensen Bedarf an hochgradig individualisierten Bauteilen erscheint als lohnendes Feld für die großflächige Etablierung derartiger Fertigungsweisen. Im klassischen Verfahren für Porenbeton findet zunächst in großen Formen der Aufgasungsprozess statt, anschließend werden die großen Blöcke zu handlichen Steinen konfektioniert und in einem Autoklaven unter Druck und Hitze gehärtet. Die Thesis wird von den Rodgauer Baustoffwerken unterstützt, einem Hersteller, der eines der modernsten Porenbetonwerke Europas besitzt und großes Interesse an der Weiterentwicklung seiner Fertigungsprozesse hat.

Ziel der Thesis ist es zu untersuchen, inwieweit das 3D-Drucken von spezialisierten Schalungsformen für die Herstellung individualisierter Porenbetonelemente tauglich ist. Dies umfasst die theoretische Entwicklung von Sonderbauteilen und zugehörigen Schalungsstrategien, deren experimentelle Herstellung und eine anschließende wissenschaftliche evaluation der Versuche.

Der Ziegel als eines der ältesten Halbzeuge im Bauwesen unterliegt nach wie vor einer stetigen Entwicklung. Während die Menschen vor 3.000 Jahren handgeformten Lehm in der Sonne trockneten, ermöglichen heute ausgeklügelte Maschinen und die Industrie 4.0 wesentlich anspruchsvollere Produkte. Die additive Fertigung als eine der neuesten Produktionstechnologien ermöglicht weitaus mehr geometrische Freiheit, als herkömmliche Verfahren. Die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Bauweisen hat auch Auswirkungen auf die Fassadengestaltung. Die Ansiedlung von Pflanzen in der Gebäudehülle ist oft sogar ausdrücklich erwünscht. Die Thesis wird von der Hagemeister GmbH unterstützt, einem Ziegelhersteller, der ein großes Interesse daran hat, seine Produkte nachhaltiger zu gestalten.

Ziel der Thesis ist es, keramische Bauelemente zu entwickeln, die in der Lage sind, Pflanzen in einer Fassade aufzunehmen. Um dies zu erreichen, müssen mehrere verschiedene geometrische Entwürfe mit jeweils einem Prototyp im Maßstab 1:1 angefertigt werden. Außerdem müssen geeignete Pflanzen gefunden werden, die in die Ziegel eingepflanzt werden können. In einem zweiten Schritt müssen die Prototypen über einen Zeitraum von 4 Wochen auf ihr Wurzelwachstum hin untersucht werden. Abschließend sind Aussagen darüber zu formulieren, wie eine Massenproduktion der entwickelten Designs aussehen könnte.

Die 3D-Drucktechnologie hält Einzug in die Bauindustrie. Während andere Branchen bereits eine breite Markteinführung erfahren haben, stellt der Bedarf unserer Branche an großformatigen Bauteilen die additive Fertigung vor ganz eigene Herausforderungen. Die Erforschung und Entwicklung solcher Bauteile erfolgt oft noch auf der Basis von Versuch und Irrtum und erfordert daher einen enormen Aufwand, da 3D-Druckverfahren oft Stunden oder sogar Tage dauern. Ein neuartiger Ansatz(1) verknüpft die zu druckende Geometrie mit den rheologischen Eigenschaften des Rohmaterials und versucht, deren Druckbarkeit in einem Prozess mit drei Freiheitsgraden mit Hilfe der Finite-Elemente-Methodik vorherzusagen. Dieser Ansatz wurde auch bereits auf seine Machbarkeit hin überprüft.

Ziel der Thesis ist es, zunächst die bestehende Methodik an die an der TU Darmstadt durchgeführte Forschung zur additiven Fertigung von Ton- und Keramikbauteilen anzupassen. In einem zweiten Schritt soll die Methodik weiterentwickelt werden, um die Simulation eines Druckprozesses mit sechs Freiheitsgraden zu ermöglichen. Schließlich müssen Vorhersagen darüber getroffen werden, welche Arten von Geometrien mit diesem weiterentwickelten Verfahren gedruckt werden können und welche Einschränkungen es dabei geben könnte.

Der Bausektor ist aufgrund der schieren Größe der Gebäude als Endprodukte einer der größten Abfallverursacher in der Europäischen Union. Ein großer Teil davon ist auf den Abriss von Gebäuden zurückzuführen, aber auch bei der Herstellung von Bauteilen fällt eine erhebliche Menge an Überschüssen und Abfällen an. Während neuartige Ansätze wie der „Kaltstein“ versuchen, gemahlene Keramik zu neuen Ziegeln zu recyceln, bleiben andere Reste weiterhin ungenutzt. Die Theis wird von der Hagemeister GmbH unterstützt, einem Ziegelhersteller, der ein großes Interesse daran hat, seine Prozesse und seine Produktion nachhaltiger zu gestalten.

Ziel der Thesis ist es, zunächst die verschiedenen Arten von Abfällen und Überschüssen zu untersuchen, die bei der Ziegelherstellung anfallen. Außerdem muss ihr jährliches Aufkommen quantifiziert werden. In einem zweiten Schritt sollen verschiedene Strategien zur Aufwertung, Verkleinerung oder Wiederverwertung dieser Reste formuliert werden. Abhängig von den formulierten Strategien müssen Experimente durchgeführt werden, um das Konzept für einige der Strategien zu testen. Schließlich müssen Vorhersagen darüber getroffen werden, welche wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen das Up-, Re- oder Downcycling der Produktionsreste haben könnte.