Leichtbau bietet ein großes Potenzial für ressourceneffiziente mechatronische Systeme. Leichtbau bedeutet nicht nur ein geringeres Gewicht bewegter Baugruppen, sondern ist auch ein Synonym für einen idealen belastungsgerechten Einsatz von Materialien und Konstruktionsprinzipien. Dabei werden Bauweisen der Natur nachgeahmt, etwa Zellstrukturen in Metallschäumen oder Verbundkonstruktionen wie Sandwichstrukturen und Faserverbundwerkstoffe zur bionischen Gestaltung mechanischer Baugruppen. Beispielsweise nutzen wir additive Fertigungsverfahren wie das 3D-Laserstrahlschmelzen oder den 3D-Druck und eröffnen damit völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Geometrie, Material und Stückzahl.

Nur weil ein Material leicht ist, heißt das nicht, dass es nicht robust ist. Das ist die Stimmung hinter Leichtbaumaterialien, einer Branchenbewegung, die die Art und Weise, wie manche Strukturen entworfen und gebaut werden, verändert.

Arten von Leichtbaumaterialien

Forscher haben leichte Materialien, die aus Sand, Zement und sogar den Fasern von Abfällen junger Kokosnüsse und Durian bestehen, auf Festigkeit und Schüttdichte getestet. Ihre Studien haben gezeigt, dass sich diese Materialien gut für den Bau von Wänden und Dächern eignen, wodurch Energie gespart und der Abfall in der Obstindustrie reduziert wird.

Auch für Leichtbaumaterialien bietet die 3D-Technologie den Ingenieuren neue Möglichkeiten. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland nutzten 3D-Laserlithographie und Laserstrahlen, um Mikrostrukturen in einem Fotolack zu härten. Auf diese Weise entwickelte Materialien erweisen sich als vielversprechend für die Isolierung von Gebäuden.

„Die neuartigen Leichtbaumaterialien ähneln der Fachwerkstruktur eines Fachwerkhauses mit horizontalen, vertikalen und diagonalen Streben“, sagte Studien-Mitautor Jens Bauer. „Unsere Strahlen sind allerdings nur 10 µm groß.“

Die Inspiration

Bei der Entwicklung neuer Ideen und Innovationen für die Bauindustrie lassen sich Ingenieure häufig von der Natur, der Medizin und dem Alltag inspirieren. Die Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie beispielsweise entwickelten diese Leichtbaumaterialien nach der Inspiration von Knochen und Bienen. Menschliche Knochen haben eine Rahmenstruktur und Bienenwaben haben eine Schalenstruktur, die langlebig und dennoch leicht genug ist, um Bewegungen zu erleichtern.

Diese Leichtbaumaterialien haben eine geringere Dichte als Wasser; Allerdings ist ihr Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht höher als das von Aluminium oder Stahl. Zur Aufnahme nicht massiver Lasten haben sich Strukturen mit offenen Poren bewährt.

Die Herausforderungen

Allerdings sind Leichtbaumaterialien nicht ohne zahlreiche Kritiker und Skeptiker entstanden. Eine der größten Herausforderungen für Ingenieure bei der Verwendung dieser Materialien ist die Feuerbeständigkeit.

Diese Bedenken kamen kürzlich im Norden von New Jersey ans Licht, als ein Feuer einen großen Apartmentkomplex zerstörte, der aus Leichtholz gebaut wurde. Beamte vor Ort sagten, dass der Brand durch das offene Fachwerkdach und die auf Leichtbauweise ausgelegte Holzkonstruktion verschlimmert wurde.

„Das Pferd kommt dank Leichtbauweise aus dem Stall; Es ist heute der Stand der Technik im Bauwesen“, sagte John Wisniewski, Vorsitzender der Brandschutzkommission von New Jersey. „Es wäre zum jetzigen Zeitpunkt unmöglich, den Bau mit nicht leichtem Material vorzuschreiben. Aber wir haben die nötige Ergänzung zum Leichtbau, und das sind Sprinkleranlagen.“

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass „Leichtbau“ ein locker definierter Begriff ist und nicht einmal offiziell im Internationalen Baugesetzbuch definiert ist. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Materialien so zu konstruieren, dass sie leicht sind, und einige bergen mehr Risiken als andere. Forscher mögen mit 3D-Modelltests auf dem richtigen Weg sein, aber es sind eindeutig weitere Studien erforderlich, um Leichtbaugebäude sicherer und effizienter zu machen als solche, die aus herkömmlichen Materialien gebaut werden.