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Blech aufblasen

Vom lasergeschnittenen Blech zur stabilen Architektur

Mit der Freien-Innen-Druck-Umformung (FIDU) entwickelten Oskar Zieta und Philipp Domen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich in Verfahren, das lasergeschnittene Bleche in architektonische Konstruktionen verwandelt.

Die Professur für Computer-Aided Architectural Design (CAAD) von Prof. Dr. Ludger Hovestadt an der ETH Zürich untersucht seit mehreren Jahren systematisch innovative industrielle Produktionsmethoden, um informationstechnologische Verfahren für die Architektur zugänglich zu machen. Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung computerunterstützter Entwurfs- und Bauprozesse sowie die Digitalisierung der zugehörigen Schnittstellen.

Der Computer ist in der Lage, eine Vielzahl von Parametern von Produktions- und Konstruktionsprozessen zu bearbeiten, ohne die Kontrolle zu verlieren. Die daraus resultierende "digitale Kette" beschreibt einen unterbrechungsfreien digitalen Prozess vom Entwurf über die Konstruktion bis hin zur Produktion. Produktionsformen ermöglichen einerseits komplexere Konstruktionen und andererseits deutlich kleinere Serien - bis hin zur sogenannten "One-of-a-kind-Produktion".

Insbesondere diese Entwicklung ist für die Architektur interessant, bietet sie doch die Möglichkeit einer industriellen und preiswerten Herstellung von individuellen Bauelementen.

Mit Innendruck und ohne Werkzeuge

Die an der Professur für CAAD weiterentwickelte "Innenhochdruck-Umformung" (IHU), die sogenannte "Freie-Innen-Druck-Umformung" (FIDU) von Oskar Zieta und Philipp Dohmen hingegen bietet den Vorteil, bei der Blechbearbeitung ganz ohne Werkzeuge auszukommen. Die Formgebung wird dabei mittels der Geometrie des Zuschnitts und des verwendeten Innendrucks gesteuert.

Dabei hat sich herausgestellt, dass der Einsatz des Lasers als universelles Trenn- und Verbindungsverfahren den idealen Produktionsschritt zur optimalen Vorbereitung darstellt. Die Bewegungsabläufe des Schweißroboters werden dabei direkt über den Computer gesteuert oder abgetastet. Das anschließende Aufblasen der zusammengeschweißten Konturen erfolgt über das Einleiten von Wasser oder Luft in den Zwischenraum. Der Druck zwischen 3 und 25 Bar bestimmt, wie weit sich die Bleche deformieren. Die einmal erreichte Form bleibt stabil.

Bei gleich bleibendem Materialaufwand sind die auf diese Weise erzeugten Formen um ein Vielfaches stabiler als vergleichbare Formen aus gekanteten Blechen. Bei Belastungstests wurden alle statischen Voraussagen weit übertroffen.

Von der Technologie zur Architektur

Die auf die Eigenarten des Werkstoffs Blech abgestimmten Verformungen des Materials führen zu einer bislang nicht mit Blechen in Verbindung gebrachten Formensprache und eröffnen der Architektur damit eine völlig neue Perspektive auf diesen Werkstoff. Die FiDU-Methode macht aber auch deutlich, dass das Material Blech nicht so homogen ist, wie allgemein angenommen wird. So hat z. B. die Walzrichtung von Blechen einen entscheidenden Einfluss auf deren Verformungsverhalten.

Das langfristige Ziel der Professur CAAD im Bereich der Blechbearbeitung ist es, präzise mit dem Laser geschnittene und geschweißte Bleche in leichte, hochwertige und stabile architektonische Konstruktionen umzuformen. Durch verschiedene Experimente wurden sowohl das Spektrum an Technologien als auch die physikalischen Eigenschaften des Materials untersucht. In einem nächsten Schritt sollen nun die Regeln der Umformung detailliert erforscht werden, um diese anschließend in den Entwurfsprozess integrieren zu können.

Die Stabilität, die durch diese Fertigungsmethode erreicht wird, lässt für die Architektur weitere konstruktive Anwendungsmöglichkeiten erahnen. So wäre es etwa denkbar, Bauelemente auf der Baustelle zunächst in die richtige Position und erst dann in die richtige Form zu bringen. Vor allem leichte und temporäre Bauten könnten so vom schnellen Aufbau und einfachen Transport profitieren. Noch ist die Verwunderung über aufgeblasene Blechformen groß.

Windturbine

Die Idee einer Windturbine entwickelte sich aus dem Bestreben nach neuen Applikationen der FIDU-Technologie zu forschen.  Maßgebend war das System eines Vertikalläufers (Vertical Axis-Windturbine (VAWT). Ausgangslage für die Dimensionierung und die Proportionen waren existierende Studien zu frei stehenden Windturbinen. In Modellen wurde getestet, welche Formen und Konturen zu den gewünschten Querschnittsprofilen führen. Drei verschiedene Flügeldesigns wurden schließlich weiterentwickelt die gebogenen Einkammer- und Dreikammerflügel und der Wellenformflügel.

Diese Variationen haben zu unterschiedlichen Lösungen in den Detailanschlüssen an die dreiarmigen Träger geführt. Schon während der Produktion der Hauptelemente zur Erstellung der Windturbine wurde nach einfachen und passenden Montagelösungen gesucht. Die größte Herausforderung dabei war, die deformierten FIDU-Elemente präzise und stabil miteinander zu verbinden. Das Resultat ist eine Windturbine, die 2,30 m hoch ist, einen Durchmesser von 1,60 m hat mit einem Gesamtgewicht von 80,5 kg. Die Kosten belaufen sich auf 140 CHF für das Material und 320 CHF für Produktion.

Copyright Text und Abbildungen: ETH Zürich

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