Schwedische Forschende präsentieren nachhaltigen 3D-Druck für Architekturanwendungen

Zum ersten Mal wurde ein Hydrogelmaterial aus Nanozellulose und Algen als alternatives, umweltfreundlicheres Baumaterial getestet. Die Studie der Chalmers University of Technology in Schweden und des Wallenberg Wood Science Center zeigt, wie das im Überfluss vorhandene nachhaltige Material zu einer Vielzahl von architektonischen Komponenten 3D-gedruckt werden kann und dabei viel weniger Energie verbraucht als herkömmliche Bauverfahren.

Die Bauindustrie ist einer der größten Verbraucher fossiler Ressourcen und Verursacher von CO2-Emissionen weltweit. Vor diesem Hintergrund gewinnen Forschungen zu Biomaterialien und deren Einsatzmöglichkeiten zunehmend an Bedeutung, um eine nachhaltigere Zukunft gemäß Initiativen wie dem Europäischen Green Deal zu fördern.

Nanocellulose, bekannt für ihre Anwendung in der Biomedizin, wird durch die Beimischung von Alginate aus Algen erstmals in eine formbare und trocknende Architekturkomponente transformiert.

“Wir haben zum ersten Mal eine architektonische Anwendung von Nanocellulose-Hydrogel untersucht. Insbesondere haben wir das bisher fehlende Wissen über seine designbezogenen Eigenschaften geliefert und mit Hilfe unserer Muster und Prototypen die Abstimmbarkeit dieser Eigenschaften durch maßgeschneidertes digitales Design und robotergestützten 3D-Druck gezeigt”, sagt Malgorzata Zboinska, Hauptautorin der Studie von der Chalmers University of Technology.

Der Einsatz von Nanocellulose, einem Nebenprodukt der Forstwirtschaft, Landwirtschaft und Papierindustrie, steht im Einklang mit den Zielen des Europäischen Green Deals zur Ressourceneffizienz und Kreislaufwirtschaft im Bauwesen. Die Kombination aus 3D-Drucktechnologie und Nanocellulose ermöglicht eine ressourcenschonende Herstellung, da dieser Prozess im Gegensatz zu herkömmlichen Bauverfahren ohne Hitze und lediglich mit Luftdruck auskommt.

Das Forschungsteam entwarf verschiedene Werkzeugpfade für den 3D-Druckprozess, um zu untersuchen, wie sich das Nanocellulose-Hydrogel in unterschiedlichen Formen und Mustern verhält. Die Ergebnisse zeigen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Architektur, von leichten Raumteilern über Jalousien bis hin zu Wandpaneelsystemen. Diese innovativen Materialien bieten auch Potenziale für Beschichtungen bestehender Bauelemente, wie Fliesen, akustische Dämpfungselemente und Verkleidungen.

“Traditionelle Baumaterialien sind für eine Lebensdauer von Hunderten von Jahren ausgelegt. Sie haben in der Regel vorhersehbare Verhaltensweisen und homogene Eigenschaften. Wir haben Beton, Glas und alle Arten von harten Materialien, die lange halten und von denen wir wissen, wie sie im Laufe der Zeit altern werden. Im Gegensatz dazu enthalten biobasierte Materialien organische Stoffe, die von vornherein darauf ausgelegt sind, biologisch abbaubar zu sein und in die Natur zurückzukehren. Wir müssen uns daher völlig neue Kenntnisse darüber aneignen, wie wir sie in der Architektur einsetzen können und wie wir uns ihre kürzeren Lebenszyklen und heterogenen Verhaltensmuster zu eigen machen können, die eher denen in der Natur ähneln als denen in einer künstlichen und vollständig kontrollierten Umgebung. Designforscher und Architekten suchen nun intensiv nach Möglichkeiten, Produkte aus diesen Materialien zu entwerfen, sowohl im Hinblick auf die Funktion als auch auf die Ästhetik”, sagt Malgorzata Zboinska.

Diese Studie markiert einen ersten Schritt zur Demonstration der Skalierungspotenziale von getrockneten, 3D-gedruckten Nanocellulose-Membrankonstrukten und bietet neue Einblicke in die Beziehung zwischen dem Design des Materialauftrags durch 3D-Druck und den resultierenden dimensionalen, texturalen und geometrischen Effekten. Dieses Wissen bildet eine wichtige Grundlage für die weitere Erforschung von Nanocellulose in architektonischen Produkten, die spezifische funktionale und ästhetische Anforderungen erfüllen müssen.

“Die noch nicht vollständig bekannten Eigenschaften neuartiger biobasierter Materialien veranlassen Architekturforscher dazu, alternative Ansätze für die Gestaltung dieser neuen Produkte zu entwickeln, nicht nur im Hinblick auf die funktionalen Eigenschaften, sondern auch auf die Akzeptanz bei den Nutzern. Die Ästhetik von biobasierten Materialien ist dabei ein wichtiger Bestandteil. Wenn wir der Gesellschaft und den Menschen diese biobasierten Materialien vorschlagen wollen, müssen wir auch mit dem Design arbeiten. Dies ist ein sehr wichtiger Faktor für die Akzeptanz dieser Materialien. Wenn die Menschen sie nicht akzeptieren, werden wir die Ziele einer Kreislaufwirtschaft und einer nachhaltigen gebauten Umwelt nicht erreichen”.