Der heutige Stand ist das Resultat mehrerer aufeinander aufbauender Forschungsprojekte. Ausgangspunkt war die Entwicklung wiederverwendbarer Schalungssysteme für komplexe Geometrien. In diesem Zusammenhang wurden Materialien erprobt, die sich formen lassen und nach der Nutzung wieder in den Stoffkreislauf zurückgeführt werden können. Dabei erwiesen sich Holzpartikel als präzise modellierbar und ohne Qualitätsverlust erneut verwertbar. Darauf folgte ein weiteres Projekt für akustisch wirksame Platten aus unterschiedlich granulierten Holzpartikeln mit biogenen Bindemitteln. Bereits hier stand die stoffliche Rückführbarkeit im Mittelpunkt. Im kürzlich abgeschlossenen Vorgängerprojekt RAFA 1 (RAFA: Robotergestützte additive Fabrikation von Bauteilen aus Altholzpartikeln) verlagerte sich der Fokus von der formgebundenen Herstellung zur additiven Fertigung. Das Ziel bestand darin, eine extrudierbare Holzpartikelmischung zu entwickeln, die robotisch verarbeitet werden kann. Der Aufwand war erheblich. „Wir haben rund 120 Materialrezepturen untersucht, um eine Mischung zu finden, die sich überhaupt drucken lässt und dabei stabil bleibt“, beschreibt Philipp Eversmann den Entwicklungsprozess. Die Versuchsreihen betrafen Korngrößen, Binderanteile, Feuchtegehalte und Mischungsverhältnisse. Entscheidend war das rheologische Verhalten: Die Masse musste einerseits ausreichend fließfähig für die Extrusion sein und andererseits genügend Standfestigkeit für den schichtweisen Aufbau entwickeln. Mit der Extrusion ändert sich der Herstellungsansatz grundlegend. Während gepresste Bauteile an feste Formen und serielle Wiederholung gebunden sind, erlaubt die additive Fertigung eine kontinuierliche Anpassung an projektspezifische Anforderungen. „In der Architektur gibt es selten identische Bauteile – alles ist anders dimensioniert. Die Extrusion erlaubt es, Materialeigenschaften projektspezifisch zu konfigurieren“, so Eversmann. So entstehen statt standardisierter Formteile Bauteile, deren Geometrie und Materialverteilung projektbezogen gesteuert werden können. 

Genau hier setzt das aktuelle Forschungsprojekt RAFA 2.0 an, das das Verfahren im architektonischen Maßstab erprobt. Das im Rahmen der BBSR-Förderlinie „Zukunft Bau“ geförderte Projekt zielt auf die Entwicklung von Leichtbaukonstruktionen ab, die sich rückbauen und stofflich wiederverwenden lassen. Neben der Weiterentwicklung der Materialrezepturen werden systematische Prüfungen durchgeführt, um die Tragfähigkeit, die Materialeffizienz und die brandschutztechnischen Eigenschaften belastbar zu bestimmen. Buro Happold unter der Leitung von Shibo Ren, Associate Director und Europe Computational Design Lead, ist für die strukturelle Simulation und das Computational Design verantwortlich. Auf Basis der experimentell ermittelten Materialkennwerte werden numerische Modelle erstellt, die das Tragverhalten prognostizieren und die Geometrie optimieren. Ren formuliert die konstruktive Leitidee knapp: „Material ist teuer. Geometrie ist billig.“ Digitale Planung ermöglicht es, Material nur dort einzusetzen, wo es konstruktiv notwendig ist, anstatt Bauteile vorsorglich überzudimensionieren. Die additive Fertigung erlaubt zudem eine präzise Abstimmung von Materialdichte und Querschnitt. 

Dabei werden die Grenzen des Materials ausdrücklich berücksichtigt. Die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Holzpartikelbauteile liegen unter denen massiver Holz- oder Betonbauteile. Vorerst kommen daher vor allem nicht primär tragende Bauteile in Betracht, etwa Innenwände oder Fassadenschichten. Die additive Holzfertigung versteht sich nicht als Ersatz für den 3D-Betondruck. „Ich bin nicht überzeugt davon, ganze Häuser als massive Materialkörper zu drucken, die man später nicht mehr auseinandernehmen kann“, so Eversmann. Im Mittelpunkt stehen statt monolithischer Strukturen rückbaubare, sortenrein trennbare Bauteile. Der nächste Schritt besteht darin, die bisherigen Laborversuche auf einen größeren Maßstab zu übertragen. Bisher wurden Probekörper mit Höhen von etwa 40 bis 50 cm gefertigt. „Wir wollen vom Labormaßstab in die großformatige Fertigung übergehen“, beschreibt Eversmann die bevorstehende Skalierung. Im Robotiklabor sollen nun größere Versuchsanordnungen entstehen, deren mechanisches Verhalten mit den Simulationsergebnissen abgeglichen wird. Erst wenn Prüfungen, Simulation und reale Fertigung zusammengeführt werden, lässt sich die konstruktive Leistungsfähigkeit verlässlich einschätzen. 

Geplant ist ein Demonstrator im Maßstab eins zu eins, der zeigen soll, dass sich das Verfahren in bestehende Planungs- und Fertigungsprozesse integrieren lässt. Langfristig soll ein geschlossener Stoffkreislauf entstehen: „Aus Restströmen drucken, am Lebensende demontieren, zerkleinern und erneut drucken“, so Ren. Im Kern geht es weniger um ein neues Material als um das Zusammenspiel von Werkstoffentwicklung, digitaler Planung und robotischer Fertigung. „Wir machen aus Abfall eine Ressource: Zurückgewonnenes Holz wird durch digitales Design und additive Fertigung zu einem leistungsfähigen Bauteil“, fasst Ren den Ansatz zusammen. Ob daraus ein dauerhaft etabliertes Bausystem entsteht, wird sich an der Überführung in konkrete Bauvorhaben zeigen.