Adaptive Kunststoffstrukturen

Geklebt, gewoben oder gebacken

Kunststoffe, die selbsttätig auf Reize aus der Umgebung reagieren, könnten das Bauen in der Zukunft verändern – wenn derzeit auch noch mithilfe synthetischer Kunststoffe, da die Entwicklung von naturfaserverstärkten Baustoffen oder gar Bio-Kunststoffen noch in den Kinderschuhen steckt. Welche Potenziale adaptive Kunststoffstrukturen bieten, zeigen studentische Entwürfe an der Hochschule Zwickau. Sie verändern bei Temperatur-, Druck- und Feuchteunterschieden oder durch magnetische Felder ihre Transparenz oder Durchlässigkeit, rufen Bewegungen hervor oder »kommunizieren« mit dem Betrachter.

»… es gäbe Dinge, die man mit meinen geodätischen Domen machen könnte, die spektakulär sind. Vorhänge in den Flächen, die sich artikulieren können. Es ist möglich, all diese Zellen wie unsere eigene Haut mit ihren Poren zu organisieren, so dass manche lichtempfindlich sind, und manche tonempfindlich. Andere wärmeempfindlich, einige könnten Bildschirm sein, andere könnten Luft atmen, andere Licht einlassen. Das Ganze könnte sich artikulieren, genauso sensitiv wie die Haut eines menschlichen Wesens.« [Buckminster Fuller]

Text: Frank Schüler, Thoralf Krause
Bereits in der Antike haben Menschen die wechselnden Eigenschaften reaktiver Werkstoffe gekannt und eingesetzt. Die hygroskopische Eigenschaft des Holzes, bei Feuchtezunahme zu quellen, wurde ausgenutzt, um Felsen aus Steinbrüchen heraus zu sprengen. Zur Luftfeuchtigkeitsmessung verwendete man lange, blonde Frauenhaare, die sich temperaturunabhängig bei Feuchtigkeitszunahme ausdehnen. Die unterschiedliche Längenausdehnung zweier miteinander verbundener unterschiedlicher Metalle, sogenannte Bimetalleffekte, werden seit der industriellen Revolution genutzt, um elektrothermische Schaltvorgänge zu steuern.
Durch die bahnbrechenden Entwicklungen in der Materialforschung auf molekularem Maßstab hat der Mensch heute die Möglichkeit, seine (Kunst-)Stoffe speziell für bestimmte Eigenschaften zu designen und zu optimieren. Kunststoffe sind dadurch zu maßgeschneiderten Hochleistungsmaterialen mit ganz spezifischen Eigenschaften geworden. Sie können faserverstärkt enorme Festigkeiten erreichen, ihnen kann ein Formgedächtnis implantiert werden, sie können die Farbe wechseln, elektrisch leitend oder isolierend sein.
Übertragbarkeit
V. a. aufgrund ihres Leichtbaupotenzials finden Kunststoffe in der Raum- und Luftfahrt, im Automobil- und Maschinenbau, bei Sportgeräten oder in der Medizintechnik große Anwendung. Zunehmend ersetzen sie hier traditionelle Werkstoffe. Die Transformation in die Architektur dauert wie bei jedem anderen Material zuvor erfahrungsgemäß etwas länger: Bis aus einem neuen Material ein zugelassenes Bauprodukt wird, müssen z. T. langwierige, komplizierte und auch teure Zulassungsverfahren durchlaufen werden. Zudem gestaltet sich im Bauwesen die Wirtschaftlichkeit einer Materialsubstitution ob der meist erzeugten Unikate in der Regel schwieriger als beispielsweise in einer Großserienproduktion des Automobilbaus, wo sich die Kosten auf viele Bauteile umlegen lassen.
Während vornehmlich thermoplastische Kunststoffe im Baubereich schon weitgehend bekannt sind, stehen duromere Verbundmaterialien gerade an der Schwelle, sich innovative, konstruktive und designerische Möglichkeiten zu erschließen. Diese hoch entwickelten Kunststoffe sind durch ihre definierbaren Materialeigenschaften prädestiniert für den Einsatz bei adaptiven Systemen, die autonom auf Umwelteinflüsse reagieren und so Regulierungsfunktionen in und an Gebäuden übernehmen.
Zur Verwendung bzw. Optimierung solcher Werkstoffe gibt es aber noch keinen Lehrstuhl und weitgehend fehlen Forschungsergebnisse und Entwicklungen – im wissenschaftlichen Bereich ebenso wie an der Schnittstelle zwischen Entwurfs- und Konstruktionsbüros und Herstellern. Dies ist von essenzieller Bedeutung, da die Gestaltung bis hin zur Verarbeitung dieser Materialien sich deutlich von nahezu allen anderen Materialverarbeitungsverfahren unterscheidet. So wird z. B. nicht »gefräst oder gedreht«, sondern »geklebt, gewoben und gebacken«.
Im Sommersemester 2012 wurden an der Fakultät Architektur der Westsächsischen Hochschule in Reichenbach verschiedene sensorische Strukturen und Objekte entworfen und ihre Adaptivität an gebauten Prototypen demonstriert. Die einzelnen Projekte wurden im Rahmen eines integrativen Lehr- und Forschungsprojekts in Zusammenarbeit mit den Fakultäten Maschinenbau und Produktionstechnik der WHZ (Westsächsische Hochschule Zwickau) und dem SKZ (Das Kunststoff-Zentrum) von Masterstudierenden entworfen, geplant und realisiert. Dabei wurde bei der 1:1-Umsetzung der Entwurfsideen in gebaute Objekte das architektonische und konstruktive Verständnis durch die konkrete Auseinandersetzung mit dem Material Kunststoff vermittelt. Entstanden sind Objekte, die in direkter Wechselwirkung auf ihre Umwelt reagieren und dadurch dynamisch auf funktionale Anforderungen eingehen können. Das geschieht kinetisch, visuell, auditiv, druckempfindlich oder temperaturempfindlich durch Strukturen aus Kunststoff, die Neuinterpretationen der Themen Tageslichtführung, Raumbelüftung und Blicklenkung darstellen. Durch eine bewusst angestrebte technische Reduzierung im Gegensatz zu heute bereits möglicher Steuer- und Regelsysteme sollte gezeigt werden, dass eine Ressourcenschonung auf Basis tiefgreifender Materialkenntnisse und intelligenter, einfacher Lösungen erreicht werden kann – wie die nachfolgend dargestellten Arbeiten demonstrieren.
(Sp)lineframe
Transluzent oder geschlossen, kann der (Sp)lineframe im Stadtkontext Durchblicke filtern: Durch sensorische Reaktionen auf Gewicht und Bewegungen kommt es zur Interaktion zwischen Benutzer und Umwelt. Tranzluzente Glasfaserstäbe weichen bei Druck seitlich aus (Biegeknicken), öffnen und schließen sich somit, lassen ahnen und verbergen. Durch horizontale, in der Höhe variabel eingesteckte Passplatten kann die Knicklänge der Stäbe verändert (verkürzt) werden. Außerdem entstehen durch die Überlagerung von Stäben ein optisches Flimmern und »Moiré-Effekte«. Als Variante für die Anwendung als Sonnen- oder Sichtschutz in der Fassade kommt eine temperatursensitive Steuerung der Glasfaserstäbe in Betracht: Dabei wären dann Kunststoff-Kissen mit Flüssigkeit oder Gasen gefüllt, die sich bei Temperaturerhöhung ausdehnen und die Kissen »aufblähen«.
Sensory
Sensory sind farbadaptive Leuchtmodule, die aus 50 x 50 cm großen Composite-Modulboxen bestehen und entweder direkt auf Luftdruck- oder auf Temperaturveränderungen reagieren, indem sie ›
› ihre Farbe und Transluzenz nach Vorbild des Chamäleons anpassen. Der Farbzellenaufbau der Chamäleonhaut wird hierbei durch farbige Polypropylen-Körper mit unterschiedlichen Seitenwandeinschnitten imitiert, die bei Druckeinwirkung expandieren und dadurch Farbintensität und Lichtdurchlässigkeit steuern. Bei einer Temperaturänderung wird dieser Vorgang durch ein Dehnstoffelement (ein abgeschlossener Zylinder mit Wachs oder Öl, das sich bei Temperaturerhöhung ausdehnt und dadurch einen Kolben herausdrückt, vgl. Heizkörperthermostat) herbeigeführt. Das durch Temperaturwechsel dimmbare Leuchtmodul kann aneinandergereiht als Raumelement oder als sich selbstständig verschattendes Fassaden- oder Dachelement eingesetzt werden.
Electrostaticmotion
Ein auf (Elektro)magnetismus reagierendes, transluzentes Kunststoff-Sandwichpaneel mit Ferroaquafüllung im Zwischenraum soll Geräusche und Klänge visuell erlebbar machen. Hierzu wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das durch das Ferrofluid (Nanopartikel in Trägerflüssigkeit mit polymerer Oberflächenbeschichtung) grafische Spuren zwischen den Kunststoffplatten sichtbar macht.
Hygrocurtain
Der sensorische Vorhang kann auf Feuchte seine Durchlässigkeit und Transparenz verändern. Eine Primärstruktur aus Filzwaben zur Absorption von Feinstpartikeln aus der Luft fungiert gleichzeitig als Feuchtespeicher, der stabilisierende Raumklimawirkung hat, schalldämmend durch Absorption wirkt und Steckplatz für laminierte Kunststoff-Holz-Kompositplättchen ist. Bei Feuchtigkeitsunterschieden krümmen sich die Furnierplättchen und verschließen oder öffnen die Wabenstruktur. Da die Furnierplättchen nur gesteckt sind, lässt sich die Gesamtstruktur leicht auseinandernehmen und auf kleinstem Packmaß verstauen oder transportieren.
Thermoschindel
Bei der Thermoschindel werden Temperatur und Luftdruck durch temperatursensitive Kunststoffschindeln visuell erlebbar. Die einzelnen 12 x 24 cm großen Schindeln sind aus je vier PMMA-Scheiben (Polymethylmethacrylat/Plexiglas) zusammengesetzt und verklebt. Die vorderste Scheibe ist auf der Rückseite mit unterschiedlich breiten Längsrillen eingefräst. In diesen dehnt sich eingefärbte Flüssigkeit bei Temperaturerhöhung. Dahinter befindet sich eine Trennscheibe mit unterem Überlauf. In der dritten Scheibe ist der Flüssigkeitsbehälter eingefräst, der mit einer vierten Scheibe nach hinten abgeschlossen ist. Zu Wänden addiert, können die Schindeln die Transparenz und Durchsicht einer Glasfassade verändern, denn durch die aufsteigende und eingefärbte Flüssigkeit verdunkeln sich die Schindeln bei Temperaturerhöhung. Sie können somit als Sonnen- und Blendschutz eingesetzt werden. Indem man die Ausdehnungskanäle für die Flüssigkeit unterschiedlich einfräst, lassen sich außerdem individuelle Muster erzeugen. Die Schindeln könnten z. B. auch Botschaften enthalten, die nur bei Sonneneinstrahlung und Wärme lesbar werden.
Anemometer
Der Anemometer ist eine poetische Visualisierung von Windstärke und Windrichtung: Eine Kuppel, deren äußere Haut mit einer windundurchlässigen, blauen, transluzenten Membran überspannt ist, reagiert auf Winddruck, indem sich in ihrem Innern über Druckelemente gekoppelte, gefaltete Blütenmodule öffnen und schließen. So entsteht ein Spiel von pulsierenden Licht-, Schatten- und Farbreflexen.
Kiemenbox
In die Wand eines begehbaren Quaders aus einem Holzlattengestell mit einer umspannten Kunststoffmembran wurden an ausgewählten Stellen kleine Spaltöffnungen geschlitzt. An diesen wird bewusst der sogenannte Bi-Materialeffekt ausgenutzt: Verschiedene Materialien mit möglichst unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten (etwa PVC, GFK oder PE) wurden stoffschlüssig miteinander verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnung der einzelnen Werkstoffe kommt es bei einer Temperaturänderung zur Verbiegung des Kompositelements, das sich folglich ohne äußere Energiezufuhr kiemenartig öffnet oder schließt und so den Luftaustausch oder die Lichtdurchlässigkeit regeln kann. Inspiriert wurde die Kiemenbox durch das Prinzip der Stomata (Spaltöffnungen) bei Pflanzen, die den Gasaustausch der Pflanze mit der Umgebungsluft regulieren und Voraussetzung für den Prozess der Fotosynthese sind.
Pneukox
Inspirationsquelle von Pneukox sind die vielfältigen Faltprinzipien in der Natur, denn ob Insektenflügel oder Blüte: Die Natur bedient sich des Prinzips des Faltens immer, um leichte Strukturen zu bilden. Sie erzeugt dabei große, stabile Flächen mit minimalem Materialaufwand. Das auf Umwelteinflüsse reagierende GFK-Wandsystem Pneukox kann über sich öffnende und schließende Fassadenelemente z. B. als Akustikwand wirken – der Faltmechanismus der einzelnen Blütenelemente ist dabei temperatursensitiv ausgelegt. Auch wird die temperaturbedingte Volumenveränderung von Flüssigkeiten und Wachsen ausgenutzt, um in einem Zylinder einen Kolben zur Öffnungssteuerung der Blütenmodule anzutreiben.
Moderne, in ihren Eigenschaften definierbare Kunststoffe werden in naher Zukunft auch im Bauwesen eine entscheidende Rolle spielen. Dabei sollte aber im Vordergrund stehen, welches Material für eine Anwendung technisch optimal einsetzbar und gleichzeitig ökonomisch sinnvoll ist. Allein das Nutzen des zurzeit so oft zitierten Leichtbaupotenzials (hohe Festigkeit bei geringer Dichte) erscheint zu einseitig. Der Fokus muss auch auf anderen Eigenschaften liegen, welche völlig neuartige Funktionen eines Bauteils, einer Fassade oder auch einer Tragstruktur ermöglichen … am besten alles in einem. •
  • Weitere Informationen: http://Kunststoffobjekt.wordpress.com
  • Beteiligte: Westsächsische Hochschule Zwickau, Fakultät Architektur in Reichenbach, Prof. Frank Schüler, Susanne Schmidt, Thoralf Krause (SKZ, Halle) Studierende des Masterprojekts »Experimentelle Baukonstruktion«: (Sp)lineframe: Julia Pfeifer, Tina Schmidt Farbadaptive Leuchtmodule: Oliver Lenk, Marcus Kirschke, Sören Burkhardt Electrostaticmotion: Danny Lorenz Hygrocurtain: Jochen Gusetti, Corinna Rau Thermoschindeln: Natalie Kaulfuß, Isabel Klemm, Lars Sadowski Anemometer: Isabel Breuer, Nadine Dombrowski Kiemenbox: Susanne Schmidt, Cristin Schneider Pneukox: Alexander Keilig, Rene Franke, Alexander Steinbüchel, Manuel Arnold

  • Technik aktuell (S. 70)
    Frank Schüler
    Architekturstudium an der TU Kaiserslautern und der TU Graz (A). Assistenz an der BU Weimar. 1997 Gründung des Architekturbüros BKSZ Architekten in Berlin mit drei Partnern. 2004 Mitbegründung von KOOPX Architekten Berlin, Karlsruhe, Shanghai. Seit 2009 Professur an der Westsächsischen Hochschule Zwickau.
    Thoralf Krause: 1993-2000 Studium an der BU Weimar, zunächst für ein Jahr Bauingenieurwesen, danach Architektur. 1998-2001 Mitarbeit bei Schmidhuber & Partner in München sowie bei PLG von Ohlen, Rüffer und Partner, Weimar. 2000-06 wissenschaftlicher Mitarbeiter der Bauhaus-Universität Weimar, v. a. in der Forschungsgruppe FOMEKK. Seit 2006 beim SKZ, Das Kunststoffzentrum in Halle, seit 2009 Standortleiter.