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Genähte Holzkonstruktion

Schnittstelle zwischen Architektur, Ingenieurwesen und Biologie
Der Pavillon besteht insgesamt aus 151 unterschiedlichen, robotisch vorgefertigten Segmenten. Jedes besteht aus drei einzelnen individuell laminierten Furnierstreifen aus Buchenholz. Diese individuellen Segmente sind in Form und Faserorientierung jeweils an die lokalen statischen und geometrischen Erfordernisse angepasst. Die gesamte Konstruktion wiegt 780 kg, spannt 9,3m und überdacht eine Fläche von insgesamt 85qm. Der Pavillon schafft einen Halbinnenraum, der die Topographie des Platzes aufnimmt und sich zu den umliegenden Universitätsgebäuden hin öffnet. Zugleich demonstriert das neuentwickelte Konstruktionssystem seine morphologische Anpassungsfähigkeit zur Schaffung räumlich komplexer Strukturen. Insgesamt zeigt dieser Forschungspavillon, wie die Wechselwirkungen zwischen Material, Form, Raum, Tragwerk und robotergesteuerter Fertigung zu innovativen Holzbauweisen führen kann. Der multidisziplinäre Forschungsansatz ermöglicht dabei nicht nur eine leistungsfähige und materialsparende Leichtbaukonstruktion, sondern erkundet auch neue räumliche und tektonischen Möglichkeiten für die Architektur.

Bionische Untersuchungen von Schalentragwerken
Der Entwurf des Pavillons beruht auf der Analyse der Konstruktionsmorphologie des Sanddollars, einer Unterart der Seeigel. Mittels Rasterelektronenmikroskop erstellte Detailaufnahmen von verschiedenen Seeigel- und Sanddollarspezies ermöglichen, deren komplexe innere Struktur besser zu verstehen. Durch diese Aufnahmen und mithilfe weitergehender Literaturrecherchen wurde deutlich, dass die Verbindungen zwischen den Plattensegmenten der Seeigelschale nicht nur aus den bereits bekannten Fingerzinken, sondern auch aus zusätzlichen Faserverbindungen bestehen. Es wird vermutet, dass diese elastischen Verbindungen relativ steifer Platten die Integrität der Sanddollarschale während des Wachstumsprozesses sicherstellen. Darüber hinaus wurde erkannt, dass die Leistungsfähigkeit der Schale des Sanddollars auch auf der Differenzierung der Materialeigenschaften innerhalb einer zweilagigen Struktur beruht.

Der Werkstoff Holz und seine Eigenschaften
Auf Grundlage dieser bionischen Erkenntnisse sowie der charakteristischen Materialeigenschaften von Holz wurde ein Konstruktionssystem entwickelt, das als zweilagige Struktur die Formen nachbildet, die beim Sanddollar durch Sekundärwachstum entstehen. Als Ausgangswerkstoff dienten dünne Furnierstreifen, die zu ebenen, individuell gefertigten und 3-5 mm dicken Sperrholzplatten laminiert wurden. Diese Bauelemente nutzen die Ausrichtung des Holzes, um die verschiedenen Faserausrichtungen der Furnierbestandteile und die unterschiedliche Materialstärke zu differenzieren. So können die zunächst ebenen Bauteile elastisch verformt werden, so dass sich allein durch den Laminataufbau eine spezifische Segmentgeometrie mit ungleichmäßigen Krümmungsradien einstellt. Diese wird dann durch das robotische Vernähen in Form gehalten.

Robotergesteuerte Nähtechniken
Insbesondere für dünne Sperrholzplatten sind kontinuierliche – gegenüber punktuellen – Verbindungen zu bevorzugen, da sie den Materialaufbau des Holzes weniger schwächen. Hierfür werden für Konstruktionen aus dünnen Furnierhölzern üblicherweise geklebte Verbindungen eingesetzt. Im gebogenen Zustand können die für das Laminieren erforderlichen Anpressdrücke allerdings nur unter Einsatz aufwendiger Formwerkzeuge erreicht werden. Daher wurde im Versuchsbau ein robotergesteuerter Fertigungsprozess entwickelt, der die Verbindung, den Formschluss und das Presslaminat der individuell gebogenen Sperrholzplatten durch das Vernähen mit einer Industrienähmaschine ermöglicht. Ein Industrieroboter assistierte beim temporären Fixieren der gebogenen Sperrholzstreifen in der gewünschten geometrischen Konfiguration. Während des darauffolgenden Nähprozesses führte der Roboter die gebogenen Streifen durch die Nähmaschine und verknüpfte diese miteinander. Zusätzlich wurden Membranstreifen als Verbindungselemente zwischen den Segmenten aufgenäht. Diese wurden später beim Aufbau mittels Kevlarschnüren verbunden, welche Zugkräfte zwischen den einzelnen Segmenten übertragen. Die Roboter- und Nähmaschinensteuerung sind über eine spezifische programmierte Software integriert. Diese Schnittstelle ermöglicht dem Roboter sowohl die aktuelle Position des Werkstücks als auch den Status der Nähmaschine zu kennen und die Bewegung zu synchronisieren.

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