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Profile aus faserverstärkten Kunststoffen

Zusammen mit dem Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren der Universtität Stuttgart und dem Fachbereich Architektur der Hochschule Dortmund erforscht das Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) derzeit die Entwicklung und Fertigung von Profilen aus leichten, faserverstärkten Kunststoffen (FVK) sowie Baumethoden für die Anwendung dieser Materialien in der Architektur. Die Profile sollen in den Bereichen mehrlagiger textiler Gebäudehüllen und Fensterrahmen zur Anwendung kommen. Neben speziellen mechanischen und physikalischen Anforderungen aus diesen Bereichen stehen dabei die Funktionalität, die Ästhetik, die Wirtschaftlichkeit und die Nachhaltigkeit im Vordergrund. Das Forschungsvorhaben wird vom Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung gefördert.

Beispiel Gebäudemembran, Foto: Faserinstitut Bremen e.V.

Faserverbundkunststoffe vereinen eine Vielzahl positiver Eigenschaften, weshalb sie eine vielfältige Anwendung ermöglichen. Neben einer hohen Stabilität gegen Umwelteinflüsse, weisen sie eine hohe Tragfähigkeit, gute Optimierbarkeit und Formbarkeit sowie hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Dichte auf. Mit Faserverbundkunststoffen lassen sich leichte und korrosionsbeständige Profile herstellen. Zudem sind sie transluzent oder können beliebig eingefärbt werden. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit zeichnen sich Faserverbundkunststoffe besonders für den Einsatz in der Gebäudehülle aus. Zusätzlich können diese in der Fassade neben dem Schutz vor klimatischen Einflüssen, je nach Anwendungsfall weitere Anforderungen erfüllen: die Fassade kann als atmende Hülle ausgeführt werden, es können schalt- oder regelbare Wärmedämmungen vorgesehen werden, Solar-Duokollektoren ermöglichen die Gewinnung thermischer und elektrischer Energie und es kann beispielsweise eine Beleuchtung mit LED-Displays integriert werden. Auch in der Verwertung weisen Faserverbundkunststoffe weitere Vorteile auf: So können sie nach Ablauf der Lebensdauer der Gebäudehülle sortenrein der Wiederverwertung zugeführt werden.

Membran und Rahmen, Grafik: ILEK, Stuttgart

Anforderungen an die Profile mehrlagiger textiler Gebäudehüllen

Mehrlagige textile Gebäudehüllen sind Konstruktionen aus flexiblen Hochleistungsmaterialien, die den äußeren Gebäudeabschluss unter Einhaltung aller Anforderungen an eine Hülle erfüllen. Das hierfür zum Einsatz kommende Profil muss den speziellen Anforderungen des textilen Bauens gerecht werden. Hierzu zählen insbesondere Möglichkeiten zur Anbindung mehrerer Lagen aus verschiedenen Werkstoffen bei gleichzeitiger Sicherung eines vordefinierten Abstands untereinander, die Kraftübertragung zwischen den äußeren Lagen und dem Primärtragwerk, eine optimale Wärmedämmung, die Gewährleistung der Dampfdichtigkeit und des Schallschutzes sowie die Integration von benötigter Infrastruktur. Außerdem sollen die Profile zu einer Modularität des gesamten Systems beitragen und Flexibilität gewährleisten.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines geeigneten Randanschlusses und -verbunds, wodurch eine schnellere Marktreife von mehrlagigen textilen Gebäudehüllen erreicht werden kann. Durch eine Reduktion der Profilabmessungen und eine optimierte Geometrie der FVK-Profile sollen sowohl eine Vergrößerung der transparenten Bereiche und als auch die Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften der Randprofile erreicht werden.

Schaubild: Faserinstitut Bremen e.V.

Das am Faserinstitut Bremen eingesetzte Pultrusionsverfahren, auch Strangziehverfahren genannt, ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von FVK-Profilen. Diese können nahezu jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Durch den hohen Automatisierungsgrad und die schnelle Produktionsgeschwindigkeit sind die Profile wesentlich günstiger als herkömmlich hergestellte Faserverbundkomponenten. Der gesamte Prozess wird durch ein Ziehwerkzeug in Gang gehalten, welches das fertige Profil und somit die Fasern mitsamt dem Harz und dem Verstärkungsmaterial aus dem Härtungswerkzeug herauszieht. Daher auch der englische Begriff Pultrusion, der sich aus "to pull" - ziehen und "extrusion" – durchdrücken zusammensetzt.

Momentan werden Anschauungsobjekte für die entwickelten Fensterprofile sowie ein Funktionsprototyp mit der Integration einer mehrlagigen Gebäudehülle mit den neu entwickelten Bauteilen hergestellt. Ein Folgeprojekt zur Erlangung der Serienreife ist bereits beantragt. Hieraus soll dann gemeinsam mit den Projektpartnern und den beteiligten Industrieunternehmen ein reales Bauvorhaben entwickelt werden.

Faserinstitut Bremen e.V.

Das Faserinstitut Bremen e.V. nimmt Forschungs- und Entwicklungsaufgaben auf den Gebieten der Prüfung, Weiterentwicklung und Verarbeitung von Fasern, textilen Halbzeugen und Faserverbundwerkstoffen wahr. Im Kompetenzfeld Struktur- und Verfahrensentwicklung von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen liegen die Arbeitsschwerpunkte in der Entwicklung von innovativen Fertigungsverfahren für die wirtschaftliche Herstellung großer Stückzahlen, in der Entwicklung von neuen Bauweisen sowie in deren Berechnung und der Prozesssimulation.

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