Ziel der Zusammenarbeit im neuen SFB/Transregio ist es, die additive Fertigung für das Bauwesen interdisziplinär und standortübergreifend zu erforschen. In der additiven Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, werden Objekte durch einen schichtweisen Aufbau hergestellt. Dadurch können geometrische Formen und der Aufbau frei gestaltet werden. Im Bauwesen bietet diese Technologie auch die Möglichkeit einer effizienteren Produktion von Bauteilen, die im Ergebnis den Energie- und Materialverbrauch senkt. Im Teilprojekt »Additive Fertigung von tragenden Holzbauteilen durch Individual Layer Fabrication (ILF)« gehen Dr. Frauke Bunzel vom Fraunhofer WKI und Dr. Klaudius Henke von der TU München der Frage nach, wie man additive Fertigung dazu nutzen kann, um belastbare und ressourcenschonende Bauelemente aus nachwachsende Rohstoffen herzustellen.

Herkömmliche Verfahren der additiven Fertigung durch Binden von Holzpartikeln mit einem Klebstoff erfordern in der Regel einen hohen Bindemitteleinsatz. Außerdem haben die so erzeugten Produkte mechanische Eigenschaften, die nicht für strukturelle Anwendungen geeignet sind. Bunzel und Henke verfolgen daher einen neuen Ansatz: Sie wollen Bauteile durch das Laminieren einzelner Schichten von Holzverbundwerkstoffen aufbauen. Dafür wenden sie das neuartige Verfahren »Individual Layer Fabrication« (ILF) an. Die Form der einzelnen Schichten soll durch selektives Binden von Partikeln erreicht werden. Damit unterscheidet sich das ILF-Verfahren vom Einzelschichtverfahren »Laminated Object Manufacturing« (LOM), bei dem jede aufzulaminierende Schicht durch Konturschnitt subtraktiv in Form gebracht wird. Darüber hinaus sollen die Schichten im ILF-Verfahren unter Anwendung von mechanischem Druck hergestellt werden. Dadurch können die für Bauanwendungen erforderlichen mechanischen Eigenschaften erreicht und die erforderliche Menge an Bindemittel reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es als kontinuierlicher Prozess organisiert werden kann, was dazu beiträgt, die Baugeschwindigkeit zu erhöhen. Neu an diesem Vorhaben ist außerdem die Herstellung von Elementen mit ungefüllten, geschlossenen Hohlräumen, welche bei anderen Verfahren des selektiven Bindens nicht erstellt werden können.

»Mit unserem Forschungsprojekt können wir den nachwachsenden Rohstoff Holz, als Frischholz oder aus den Resten der holzverarbeitenden Industrie, in die großtechnische additive Fertigung bringen. Wir freuen uns, unsere Expertise rund um diesen vielseitigen Werkstoff einzubringen und sind stolz ein Teil des Sonderforschungsbereichs zu sein«, sagt Bunzel.

Seit Dezember 2018 leitet Bunzel den Fachbereich »Oberflächentechnologie« am Fraunhofer WKI. Sie und ihr Team entwickeln Lacke und Klebstoffe auf Basis pflanzlicher Öle, Zucker, Lignin und Abfallstoffen. Die Forschenden erarbeiten Lösungen für Wirtschaftskunden entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Holzbeschichtungen und -verklebungen, inklusive Synthese von Bindemitteln, Formulierung und Applikation von Beschichtungen. Methodenentwicklung von witterungsbedingten Alterungsvorgängen, Standardprüfungen und Schadensanalyse runden das Profil ab.

Sonderforschungsbereiche der DFG sind langfristige, auf die Dauer von bis zu zwölf Jahren angelegte Forschungseinrichtungen der Hochschulen. Sie ermöglichen die Bearbeitung innovativer, anspruchsvoller und aufwendiger Forschungsvorhaben. In der Programmvariante SFB/Transregio arbeiten mehrere Hochschulen standortübergreifend zusammen. Der von der DFG geförderte SFB/Transregio »Additive Fertigung im Bauwesen« (TRR 277) beginnt im Januar 2020 und hat eine Laufzeit von zunächst vier Jahren.

Zum Hintergrund

Nachhaltigkeit durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe steht seit über 70 Jahren im Fokus des Fraunhofer WKI. Das Institut mit Standorten in Braunschweig, Hannover und Wolfsburg ist spezialisiert auf Verfahrenstechnik, Naturfaser-Verbundkunststoffe, Holz- und Emissionsschutz, Qualitätssicherung von Holzprodukten, Werkstoff- und Produktprüfungen, Recyclingverfahren sowie den Einsatz von organischen Baustoffen und Holz im Bau. Nahezu alle Verfahren und Werkstoffe, die aus der Forschungstätigkeit hervorgehen, werden industriell genutzt.