Eine tierische Luftblase

Leichtbau aus Stuttgart (Teil 1 von 2)
Zwei Forschungsinstitute der Universität Stuttgart liessen sich von einer zentimeterkleinen Wasserspinne dazu inspirieren, robotergesteuert einen Pavillon aus Carbonfasern und Polymerfolien herzustellen.

Der neueste und bereits fünfte Forschungspavillon der Institute für Computer­basiertes Entwerfen (ICD) und für Tragkon­struktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE) führt die bionische Bauweise – als Übertragung biologischer Konstruktionsprinzipien – weiter fort. Er ist mit 40 m2 Grundfläche und einem Flächengewicht von 7 kg/m² etwas kleiner und deutlich leichter als seine Vorgänger (vgl. «Käferschale schützt Menschen», TEC21 34/2014). Womöglich liegt das daran, dass sich die Forscher diesmal kein natürliches Endprodukt zum Vorbild nahmen, sondern einen Konstruktionsprozess.

Bionisches Vorbild

Mit einer Körpergrösse von etwa einem Zentimeter wird die Wasserspinne meist übersehen. Doch die Argyroneta aquatica ist die einzige Spinne weltweit, die quasi ständig unter Wasser in einer mit Luft gefüllten «Taucherglocke» lebt. Das Tier spinnt dafür zuerst ein horizontales Netz, taucht dann auf, streckt seinen Hinterleib und die hinteren Beine in die Luft und zieht zwischen diesen beim Abtauchen eine kleine Luftblase mit unter Wasser.

Unterhalb des Netzes lässt die Spinne die Blase los, sodass sie darin hängen bleibt. Die sehr dünne Hülle verstärkt die Spinne anschliessend von innen durch ein dicht gesponnenes Netz. Dadurch erhält die Luftblase, die je nach Tier und Ort anders aussieht, ihre endgültige Form und wird dabei stabil und beständig. 

Carbonfasern in Marathonlänge

Die Luftblase der Wasserspinne diente den Wissenschaftlern und Studierenden bei diesem Forschungsprojekt als Vorbild. Zuerst wurde die tierische Luftblase ab­strahiert, und man fand geeignete Materialien für die Realisierung desPavillons. Als Analogie zur Blase wählten die Forscher eine Folie aus Ethylene-tetrafluoroethylene (ETFE). Sie sollte während des Fer­tigungsprozesses pneumatisch gestützt werden, sich währenddessen nicht plastisch verformen und darüber hinaus im Sinn der Nachhaltigkeit eine dauer­haft dichte Hülle gewährleisten.

Nachdem eine Form entwickelt worden war, die sich pneumatisch gut aufblasen lässt, wurden mit­hilfe eines Schnittmusterbogens 52 Einzelteile hergestellt und zur finalen Hülle zusammengeschweisst. Als Analogie zum tragenden Netz war der Einsatz von Carbonfasern naheliegend, die besonders geeignet sind, Leichtbauprinzipien aus der Natur auf technische Verfahren im Bauwesen zu übertragen. Dazu kam wieder ein Roboter zum Einsatz, der das Netzbauverhalten einer Spinne im Hinblick auf den Kon­struk­tionsprozess gut abbilden kann.

Die grosse Herausforderung bestand nun darin, die Fasern von innen auf die Hülle zu kleben, wofür die Planer eine optimale Anpresskraft finden mussten: Wäre sie zu gering, würden die vorimprägnierten Fasern nicht an der Hülle haften. Wäre sie zu stark, bestünde die Gefahr, dass die Hülle versagen würde. Weil die Steifigkeit der Schale sich während des Fertigungsprozesses kontinuierlich ändert, musste eine integrierte Sensorik implementiert werden, die die aktuelle Position des Roboterarms und dessen Anpresskraft in Echtzeit an die Robotersteuerung übermittelt. 

Am Ende legte der Roboter insgesamt 45 km Carbon­fasern ab und dafür eine Strecke von 5 km zurück. Schrittweise verstärkte er die Hülle, bis diese zu einer selbsttragenden Schalenkonstruktion wurde, die nicht mehr pneumatisch gestützt werden musste.

So besteht der neue Pavillon aus einem einzigen, erstmals in situ realisierten Bauteil – eine gelungene Premiere für alle Beteiligten. Parallel dazu wird das alternative Bauverfahren mit zusammengesetzten Fertigteilen weiterentwickelt, doch mehr dazu im zweiten Teil dieser Reihe zu den Stuttgarter Pavillons 2015.

Projektierung und Ausführung

Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD), Universität Stuttgart (Prof. Achim Menges); Moritz Dörstelmann, Marshall Prado, Lauren Vasey
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), Universität Stuttgart (Prof. Jan Knippers); Valentin Koslowski, Gundula Schieber In Zusammenarbeit mit Institut für Evolution und Ökologie, Universität Tübingen (Prof. Oliver Betz)
Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, Universität Tübingen
(Prof. James Nebelsick)
Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart
Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart (Prof. Peter Middendorf)

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