Biokunststoff-Fassade »ArboSkin« in Stuttgart

Der lange Weg an die Fassade

Schon seit vielen Jahren beschäftigt sich das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen in Stuttgart mit komplex geformten Gebäudehüllen und v. a. dem Bauen mit Kunststoffen – bislang jedoch in ihrer herkömmlichen, erdölbasierten Form. Nun demonstriert das Institut eine weitere zukunftsweisende Forschungsarbeit: die ersten thermisch verformbaren Fassadenelemente aus Biokunststoffen, die zu über 90 % aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Die beispielhafte architektonische und bautechnische Anwendung der 145 m2 großen Fassadenfläche auf dem Stuttgarter Campusgelände ist noch bis Ende März 2014 zu sehen.

Text: Iris Darstein-Ebner, Fotos: Roland Halbe

»Bei immer knapper werdenden fossilen Ressourcen lag es nahe, an einer zeitgemäßen Weiterentwicklung herkömmlicher Kunststoffe für den Baubereich zu arbeiten und die begrenzten Vorkommen durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen«, erklärt Carmen Köhler, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart (ITKE) und Projektleiterin von »ArboSkin«. »Wir wollten einen recyclingfähigen, thermoplastischen Biokunststoff entwickeln, der ohne anschließende Oberflächenbehandlung für die Bekleidung frei geformter Außen- und Innenwände anwendbar ist.« Im Rahmen eines vom Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE), von der EU und vom Land Baden Württemberg geförderten Forschungsprojekts entstand so das 1:1-Modell »ArboSkin«, das dem ITKE 2013 den Titel »Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen« des gleichnamigen bundesweiten Wettbewerbs einbrachte.
Plastic fantastic
Kunststoffe eignen sich wegen ihrer Eigenschaften und den vielfältigen Varianten ihrer Verarbeitbarkeit für viele industrielle Anwendungen. Seit dem frühen 20. Jahrhundert werden die meisten Kunststoffe aus Erdöl hergestellt – auch die Kunststoffe zur Herstellung von Baumaterialien. Biokunststoffe hingegen sind im Baubereich noch weitgehend unbekannt – nur für Gehäuse von Elektronikartikeln, Spielzeug und Verpackungen ist ihr Einsatz schon verbreitet –, obwohl sogar der erste Kunststoff überhaupt ein Biokunststoff war: Celluloid, ein Thermoplast auf der Basis von Cellulose, wurde bereits 1880 als Ersatz für Luxusmaterialien wie Elfenbein, Bernstein oder Perlmutt verwendet.
Bis heute ist der Begriff Biokunststoff nicht eindeutig reglementiert. Man unterscheidet zum einen biobasierte Kunststoffe, die überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen, und zum anderen biologisch abbaubare Kunststoffe. Viele Biokunststoffe sind beides – auch der für den Mock-Up verwendete. Als Basis für Biokunststoffe dienen derzeit v. a. Stärke und Cellulose. Mögliche Ausgangspflanzen sind Mais, Zuckerrüben und bestimmte Hölzer. Aber auch Stoffe wie Chitin, Lignin, Getreideproteine, Lactate und Pflanzenöl kommen infrage. Abhängig vom Ausgangsmaterial, dem Herstellungsverfahren und der Beimischung von Additiven (Compoundieren) ändern sich Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Wärmeform- und Temperaturbeständigkeit sowie die chemische Beständigkeit des Biokunststoffs. Zuschlagstoffe sind u. a. UV-Stabilisatoren, Farbpigmente oder Flammschutzmittel. Jeder Zuschlag macht allerdings das Recycling schwieriger. Was die Gewinnung der Rohstoffe betrifft, sollen statt wertvoller Lebensmittel künftig biogene Abfälle genutzt werden wie beispielsweise Fett- oder Stärkereste aus der Nahrungsproduktion.
Schließlich gibt es noch naturfaserverstärkte Kunststoffe, bei denen zugesetzte Fasern wie Hanf oder Flachs, ähnlich der Bewehrung von Beton, als »Stütze« fungieren. Sie machen das Material wärmeformbeständiger und insgesamt stabiler.
Was ist drin in »ArboSkin«?
Die vielleicht interessanteste Frage, aus welchem Material der Mock-Up nun genau besteht, können indes nicht einmal die Projektverantwortlichen beantworten: Die genaue Rezeptur des Biokunststoffs hält der Projektpartner und Materialentwickler geheim, wie übrigens alle Rezepturen für Kunststoffe weitgehend geheim gehalten werden. Bekannt ist lediglich, dass es sich um eine Weiterentwicklung des Granulats ARBOBLEND handelt, das u. a. für die Herstellung kompostierbarer Pflanzgefäße und Verpackungen verwendet wird und nun für die Außenanwendung optimiert wurde. So muss die Auskunft wohl reichen, dass das Material zu über 90 % aus nachwachsenden Rohstoffen besteht (30-40 % sind bei sonstigen Biokunststoffen die Regel) und die restlichen 10 % nicht biobasierte Zuschlagstoffe darstellen.
Da für die Verwendung von Biokunststoffen im Außenbereich Witterungsbeständigkeit, mechanische Belastbarkeit, Brandschutz und schließlich eben Recyclingfähigkeit von Bedeutung sind, wurden unterschiedliche Additive ausprobiert und die so entstandenen Musterstücke von unabhängigen Prüfanstalten und an Versuchsständen des ITKE getestet. In Summe waren die Ergebnisse sehr zufriedenstellend, zeigte sich doch, dass das neu entwickelte Material den Vergleich mit herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffen nicht scheuen muss. Im Gegenteil: In Bezug auf seine mechanische Belastbarkeit schnitt es sogar besser ab und konnte auch bei Bewitterungstests bessere Ergebnisse vorweisen. Bei den Brandschutzeigenschaften indes erzielte der Werkstoff trotz Flammschutzmittel diese Erfolge leider nicht: Die Tests auf Bauteilebene, durchgeführt von der Materialprüfanstalt in Dresden, konnten dem neuen Biokunststoff die angestrebte Baustoffklasse B1 bislang nicht bescheinigen. Eine Optimierung der Materialzusammensetzung dahingehend sei jedoch möglich. Bei Brandprüfungen auf Materialebene konnte aber UL94-V0 erreicht werden (UL=Underwriters ›
› Laboratories, eine unabhängige Kontrollorganisation in den USA, die einen Nicht-Entflammbarkeitstest entwickelt hat. V0 ist dabei am wenigsten entflammbar). Brandtests, die die Klassifizierung DIN 4102-B2 prüfen, wurden noch nicht durchgeführt. Überhaupt stellt der Brandschutz für die Gebäudeklassen 4 und 5 die größte Hürde für den Biokunststoff als marktreifes Baumaterial dar.
Vom Granulat zur Schale
Um das optimierte Biokunststoffgranulat zu beliebigen Bekleidungselementen weiterverarbeiten zu können, wurde es zu 4 mm dicken Platten (Halbzeuge) extrudiert. Mittels Bohren, Lasern oder Prägen lassen sich nach dem Thermoformen und CNC-Fräsen dann unterschiedliche Strukturen herstellen – auch akustisch wirksame Oberflächen. Im Falle des Mock-Up wurden die Platten zwar zu gleichen pyramidalen Formteilen tiefgezogen, doch beim Konturfräsen über unterschiedliche CNC-Fräspfade ungleich beschnitten, sodass unterschiedliche Pyramiden-Geometrien entstanden.
Die Unterkonstruktion der Pyramidenstruktur besteht aus gekrümmten Stahlrundrohren, die dem Raster einer Hauptrichtung der Pyramidenkanten folgen und sich nur unter jeder zweiten Rasterlinie befinden. Diese Rohre sind jeweils an beiden Enden gelenkig an zwei Randringträgern (aufgelagert am Boden und Dach) befestigt. Je vier Kunststoffpyramiden bilden, – über Stahlblechwinkel verbunden –, ein zusammenhängendes, individuell geformtes Fassadenmodul für die Montage zwischen den Rohren. In der Gesamtheit bilden alle Module eine doppelt gekrümmte Plattenschale, die das Gesamttragwerk aussteift und auftretende Lasten zu den Rohrträgern abführt.
Im Gegensatz zu üblichen, nicht-tragenden Fassadenkonstruktionen zeigt diese Konstruktionsweise die Möglichkeit, mit einer minimierten Zahl von Auflagerpunkten eine Fassade am dahinterliegenden Rohbau zu befestigen. Sie verdeutlicht das Potenzial des neuen Biokunststoffs als steifes Material für Außenanwendungen mit einer gleichzeitig geringen Eigengewichtslast.
Am Ende der Nutzungsdauer könnten die Platten kompostiert werden. Sinnvoller wäre jedoch, so Manfred Hammer, zuständig für Konstruktion und Bauleitung, aus den Elementen Sekundärprodukte zu generieren oder durch thermische Verwertung CO2-neutrale Energie zu gewinnen.
Den Fortschritt weiter sichtbar machen
Und wie geht es weiter? Zusätzliche Forschungsschritte wären nötig, um in etwa zwei Jahren, wie Carmen Köhler schätzt, ein marktfähiges Produkt in Händen zu halten. Ob eine Anschlussförderung beantragt wird und dann auch bewilligt werden würde, ist derzeit jedoch noch unklar. Und so freuen sich die Stuttgarter Forscher bis auf weiteres zu Recht, einen respektablen Teilerfolg erzielt zu haben. Die Weichen für Biokunststoffe an der Fassade sind gestellt. •
  • Standort: Keplerstraße 11-17 (Unicampus Stadtmitte), Fluchttreppenhaus des Hörsaals M17.02, 70174 Stuttgart Projektleitung, Forschung Material + Architekturanwendung, Planung und Realisierung: Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), Stuttgart; Prof. Jan Knippers; Projektleitung: Carmen Köhler Konstruktion und Bauleitung: Manfred R. Hammer Tragwerksplanung: Thiemo Fildhuth Studentisches Entwurfsteam: Martin Loucka (Geometrieprogrammierung), Peter Kohlhammer, Adrian Grygar Realisierung: Adrian Grygar, Serge Deisner, Maximilian Kurz, Martin Loucka, Paco Motzer, Jan Tondera, Dennis Gerlach, Alexander Mironov, Dominik Heizmann, Svenja Felis, Maximilian Schäfer, Benjamin Fritsch, mit der Unterstützung von Michael Tondera (Fakultätswerkstatt Architektur) Fertigstellung: Oktober 2013
  • Beteiligte Firmen und Projektpartner: Fassadenmaterial, Materialentwicklung: TECNARO, Ilsfeld-Auenstein, www.tecnaro.de, Michael Schweizer Fertigungstechnik Pyramiden: BAUER THERMOFORMING, Talheim, www.tecnaro.de, Frank Braun, Hans-Peter Braun
  • Weitere Projektpartner Forschungsprojekt: Umwelttechnik, Ökobilanzierung: Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, Universität Stuttgart, Klaus Fischer Produktgestaltung, (Innenraum-) Anwendungen: spek DESIGN, Stuttgart, Eberhard Kappler

  • Technik aktuell Hochschule (S. 72)
    Iris Darstein-Ebner
    s. db 1-2/2013, S. 144