Bausteine mehrfach wiederverwenden Ingenieure drucken robuste Glasbausteine für Gebäude in 3D

Was wäre, wenn sich Baumaterialien so einfach wie Lego-Steine zusammensetzen und wieder auseinandernehmen ließen? Ein solches rekonfigurierbares Mauerwerk würde am Ende der Lebensdauer eines Gebäudes zerlegt und zu einem neuen Bauwerk wieder zusammengesetzt werden, in einem nachhaltigen Kreislauf, der Generationen von Gebäuden mit denselben physikalischen Bausteinen versorgen könnte.

Das ist die Idee hinter der Kreislaufbauweise, die darauf abzielt, die Materialien eines Gebäudes so oft wie möglich wiederzuverwenden und neu zu verwenden, um die Herstellung neuer Materialien zu minimieren und den „gebundenen Kohlenstoff“ der Bauindustrie zu reduzieren, das heißt die Treibhausgasemissionen, die mit jedem Prozess während des Baus eines Gebäudes verbunden sind, von der Herstellung bis zum Abriss. Jetzt entwickeln MIT-Ingenieure, motiviert durch das ökologische Potenzial der Kreislaufbauweise, eine neue Art von rekonfigurierbarem Mauerwerk aus 3D-gedrucktem, recyceltem Glas. Mithilfe einer speziellen 3D-Glasdrucktechnologie, die vom MIT-Spinoff Evenline bereitgestellt wurde, hat das Team starke, mehrschichtige Glasbausteine in Form einer Acht hergestellt, die wie Lego-Steine ineinandergreifen können.

Glas als Material

Bei mechanischen Tests hielt ein einzelner Glasbaustein einem Druck stand, der dem eines Betonblocks ähnelt. Zur Demonstration der Struktur bauten die Forscher eine Wand aus ineinander greifenden Glasbausteinen. Sie stellen sich vor, dass 3D-druckbares Glasmauerwerk viele Male als wiederverwertbare Steine für Gebäudefassaden und Innenwände wiederverwendet werden könnte.

„Glas ist ein sehr gut recycelbares Material“, sagt Kaitlyn Becker, Assistenzprofessorin für Maschinenbau am MIT. „Wir nehmen Glas und verwandeln es in Mauerwerk, das am Ende der Lebensdauer einer Struktur zerlegt und zu einer neuen Struktur zusammengesetzt werden kann, oder es kann wieder in den Drucker gesteckt und in eine völlig andere Form gebracht werden. All dies trägt zu unserer Idee eines nachhaltigen, kreisförmigen Baumaterials bei.“

„Glas als strukturelles Material sprengt ein wenig die Vorstellungskraft der Menschen“, sagt Michael Stern, ein ehemaliger MIT-Absolvent und Forscher im Media Lab und im Lincoln Laboratory des MIT, der auch Gründer und Direktor von Evenline ist. „Wir zeigen, dass dies eine Möglichkeit ist, die Grenzen dessen, was in der Architektur bisher gemacht wurde, zu erweitern. Becker und Stern beschreiben zusammen mit ihren Kollegen ihr Glasbausteindesign in einer Studie. Zu ihren MIT-Koautoren gehören die Hauptautoren Daniel Massimino und Charlotte Folinus sowie Ethan Townsend von Evenline.

Design- und Fertigungsbereich

Die Inspiration für das neue kreisförmige Mauerwerk entstand zum Teil im Glass Lab des MIT, wo Becker und Stern als Studenten die Kunst und Wissenschaft des Glasblasens kennenlernten. „Ich fand das Material faszinierend“, sagt Stern, der später einen 3D-Drucker entwarf, der geschmolzenes Recyclingglas drucken kann – ein Projekt, das er während seines Studiums im Fachbereich Maschinenbau übernahm. „Ich fing an, darüber nachzudenken, wie der Glasdruck seinen Platz finden und interessante Dinge tun kann, zum Beispiel im Bauwesen.“ In der Zwischenzeit erforschte Becker, der einen Lehrauftrag am MIT angenommen hat, die Schnittstelle zwischen Fertigung und Design und Wege zur Entwicklung neuer Verfahren, die neuartige Designs ermöglichen.

„Ich bin begeistert von der Erweiterung der Design- und Fertigungsbereiche für anspruchsvolle Materialien mit interessanten Eigenschaften, wie zum Beispiel Glas und seine optischen Eigenschaften und Recyclingfähigkeit“, sagt Becker. „Solange es nicht verunreinigt ist, kann man Glas fast unendlich oft recyceln. Becker und Stern haben sich zusammengetan, um herauszufinden, ob und wie 3D-druckbares Glas zu einem strukturellen Mauerwerk verarbeitet werden kann, das so stabil und stapelbar ist wie herkömmliche Ziegelsteine. Für ihre neue Studie verwendete das Team den Glass 3D Printer 3 (G3DP3), die neueste Version des Glasdruckers von Evenline, der in Verbindung mit einem Ofen zerkleinerte Glasflaschen in eine geschmolzene, bedruckbare Form bringt, die der Drucker dann in Schichtmustern aufbringt.

Das Team druckte Prototypen von Glasbausteinen aus Kalk-Natron-Glas, das normalerweise in Glasbläsereien verwendet wird. In jeden gedruckten Stein wurden zwei runde Stifte eingearbeitet, ähnlich den Stiften auf einem Lego-Stein. Wie bei den Spielzeugklötzen ermöglichen es die Stifte, die Steine ineinander zu stecken und zu größeren Strukturen zusammenzusetzen. Ein weiteres Material zwischen den Steinen verhindert Kratzer oder Risse zwischen den Glasoberflächen, kann aber entfernt werden, wenn eine Steinstruktur abgebaut und recycelt werden soll, so dass die Steine im Drucker wieder geschmolzen und zu neuen Formen geformt werden können. Das Team beschloss, die Blöcke in eine Achterform zu bringen. „Mit der Achterform können wir die Ziegel einschränken und sie gleichzeitig zu Wänden zusammensetzen, die eine gewisse Krümmung aufweisen“, sagt Massimino.

Stolpersteine

Das Team druckte Glasbausteine und testete ihre mechanische Festigkeit in einer industriellen Hydraulikpresse, die die Steine so lange drückte, bis sie zu zerbrechen begannen. Die Forscher stellten fest, dass die stärksten Ziegel einem Druck standhielten, der mit dem von Betonblöcken vergleichbar ist. Diese stärksten Ziegel bestanden größtenteils aus bedrucktem Glas mit einem separat hergestellten Verriegelungselement, das an der Unterseite des Ziegels befestigt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der größte Teil eines Mauersteins aus gedrucktem Glas hergestellt werden könnte, mit einem Verriegelungselement, das gedruckt, gegossen oder separat aus einem anderen Material hergestellt werden könnte.

„Glas ist ein kompliziertes Material, mit dem man arbeiten muss“, sagt Becker. „Die ineinander greifenden Elemente, die aus einem anderen Material hergestellt werden, waren in diesem Stadium am vielversprechendsten.“ Die Gruppe prüft, ob weitere ineinander greifende Elemente eines Ziegels aus gedrucktem Glas hergestellt werden könnten, sieht dies aber nicht als Hindernis für eine Ausweitung des Designs. Um das Potenzial von Glasmauerwerk zu demonstrieren, haben sie eine gebogene Wand aus ineinander greifenden Glasbausteinen errichtet. Als nächstes wollen sie immer größere, selbsttragende Glasstrukturen bauen.

„Wir wissen jetzt besser, wo die Grenzen des Materials liegen und wie man es skalieren kann“, sagt Stern. „Wir denken an Sprungbretter für Gebäude und wollen mit etwas wie einem Pavillon beginnen – einer temporären Struktur, mit der Menschen interagieren können und die man dann zu einem zweiten Entwurf umgestalten könnte. Und man kann sich vorstellen, dass diese Blöcke viele Leben durchlaufen können.“