WS 2013/2014 SEMESTER 05 ÜBUNG UNIV. PROF. DR.-ING. ARCHITEKT D.H. BRAUN MARC-PHILLIP MICHEL 309349
Adaptive Skins ADAPTIVE UND AUTOREAGIBLE FASSSADEN
ADAPTIVITÄT Erklären Sie die Funktionsweise, Aufbau und Eigenschaften von Formgedächtnis-Kunststoffen und erläutern Sie anhand von drei Beispielen aus alternativen Technologiebereichen deren Transferpotentiale und definieren Sie architektonische Anwendungsbereiche. Diskutieren Sie Möglichkeiten zur Möglichkeit.
GLIEDERUNG 1. Einleitung 2. Begriffserläuterungen 2.1 Was ist Adaptivität ? 2.2 Was sind Formgedächtnis-Legierungen (FGL) ? 2.3 Formgedächtnis-Kunststoffe (Formgedächtnis-Polymere FGP) 3. Anwendungsbereiche 3.1 Formgedächtnis-Polymere in der Medizin 3.2 Formgedächtnis-Polymere in der Automobilindustrie 3.3 Formgedächtnis-Polymere in der Textilindustrie 3.4 Formgedächtnis-Polymere in weiteren Bereichen 4. Transferpotentiale und Anwendungen in der Architektur 5. Fazit 6. Quellenverzeichnis 7. Abbildungsverzeichnis
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1. EINLEITUNG Das Thema adaptive und autoreagible Fassaden umfasst ein weites Feld in der heutigen Architektur. In vielen Bereichen ist die Forschung dort noch am Anfang im Bezug auf die Anwendung in der Architketur. Dennoch stellt sich die Frage, warum man sich mit diesen Themen auseinander setzten sollte und welchen Vorteil sie uns als Architekt bieten. Die Fassade oder Gebäudehülle kann als unsere zweite Haut gesehen werden und muss dem entsprechend viel leisten. Sie muss uns vor Hitze, Sonne, Regen, Wind, Schnee und Wetter sowie auch Lärm schützen und uns aber auch gleichzeitig Privatsphäre bieten. Das Wort Fassade kommt aus dem Lateinischen von “facies” und bedeutet Gesicht. Fassaden müssen also heutzutage mu ltifunktional und nicht mehr monofunktional sein. Sie müssen eine architektonische Gestaltungsqualität haben, gesellschaftlich akzeptiert werden, aber auch öknomische sowie ökölogische Faktoren berücksichtigen, sodass die Fassaden am Ende ihren Teil zu einem energieoptimierten Gebäudekonzept beitragen können. Im Vergleich mit den konventionellen Fassadensystemen, die noch relativ statisch und eingeschränkt in ihrerem Funktionsmehrwert sind, bieten die autoreagiblen adaptiven Fassaden eine deutlich höhre Leistungsfähigkeit und damit auch einen Mehrwert, den es im Folgenden zu untersuchen gilt. In diesem Zusammenhang ist auch der Begriff der Emergenz zu nennen. Unter emergentem Verhalten versteht man ein übergeordnetes System, dass aus der Summe von Einzelteilen gebildet wird und deren Eigenschaften dann einen Mehrwert schaffen, als es die Einzelteile für sich selbst hätten schaffen können. Also frei nach dem Sprichwort “Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.” von Aristoteles. Es ist also auch ein Ziel der Architektur über emergente Qualitäten etwas zu Entwerfen, dass einen Mehrwert bietet, wobei sich dieser Prozess meistens auf die Auswahl der einzelnen Teile beschränkt, da man emergentes Verhalten nicht komplett planen kann, sondern nur die Grundlagen für Dieses legen kann.1 Das Thema der Adaptivität gibt es heute schon in sogut wie allen Wissen- und Gesellschaftsbereichen, weshalb der Schluss nahe liegt es auch in der Architektur, insbesondere bei der Fassadengestaltung, anzuwenden. Vorbilder gibt es viele in der Natur (s. Abb. 1). Der Zugang hierzu kann über das Material erfolgen, da es einen großen Einfluss auf die Entwurfskritierien nehmen kann und somit auch für die nötigen Innovationen sorgen kann.
2. BEGRIFFSERLÄUTERUNGEN
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Abb. 1 Ein Chamäleon, welches seine Haut je nach Umgebung flexibel anpassen kann. Man kann viele Beispiele für Adaptivität in der Natur vorfinden und von ihnen lernen.
2.1 WAS IST ADAPTIVITÄT ? Unter Adaptivität versteht man die Anpassungsfähigkeit eines Systems. Das bedeutet, dass es sich sowohl aktiv oder auch passiv bestimmten Anforderungen durch den Prozess der Selbsteuerung anpassen kann. Dabei kann man zwischen zwei Formen der Anpassung unterscheiden. Zum einen kann sich ein solches System durch einen Impuls von einer übergeordneten Steuerung anpassen, zum anderen ist es auch möglich, dass ein solches System sowohl der Sensor, als auch der Aktor sein kann. In diesem Fall wird das System dann auch als autoreagible oder autoadaptiv bezeichnet.2 (s. Abb.2) Aktoren kann man mit dem Verhalten von Muskeln vergleichen. Sie sind in der Lage ihre Eigenschaften, wie Form, Steifheit oder auch Position bei der Änderung von zum Beispiel der Temperatur zu variieren. Sensoren hingegen ähneln eher den Nerven eines Lebewesens. Sie sind also wichtige Teile für intellgente Strukturen. Die Sensoren leiten ihre erhaltenen Informationen an die Aktoren weiter, wodurch es dann dem Material möglich ist, sich anzupassen. Dann gibt es noch die Prozessoren, welche als Rückrat eines Systems beschrieben werden können und so etwas wie die Steuereinheit bilden. Sie verbinden praktisch Sensoren und Aktoren, wodurch intelligente Systeme entstehen können. Als adaptive Materialen kann man zum Beispiel Formgedächtnis-Legierungen und Formgedächtnis-Kunststoff bezeichnen.3
Abb. 1 Formgedächtniseffekt bei einem Draht, dersich in den bei verschiedenen Reizen verformt und an seine Ursprungsform erinnert.
2.2 WAS IST SIND FORMGEDÄCHNTIS-LEGIERUNGEN (FGL) ? Der sogenannte Formgedächtniseefekt (Memory-Shape-Effect) wurde 1932 bei einer GoldCadmium-Legierung entdeckt. Neun Jahre später wurde er bei Kunststoffen (Polymeren) zum ersten Mal erwähnt. Der Formgedächtniseffekt beschreibt also die Eigenschaft eines Materials, unter Einwirkung äußerer Reize verschiedene Formen anzunehmen, sich aber wieder in sein Ursprungszustand zurück zu versetzten, sich also zu “erinnern”.4 (s. Abb. 1) Materialen, die diese Eigenschaft besitzten, werden als Formgedächtnis-Legierungen 1 2 3 4
http://emergenz.hpfsc.de/html/node8.html, http://de.wikipedia.org/wiki/Anpassungsfähigkeit http://www.kpluse-arch.uni-wuppertal.de/forschung.html http://www.uni-saarland.de Stichwort Formgedächtniseffekt
Abb. 2 The Homeostatic Façade Die Fassade passt sich adaptiv an die Umgebung an und kann die Temperatur im Gebäude regeln, indem sie sich bei Sonneneinstrahlung verschliesst und sonst öffnet.
(FGL) bezeichnet. Innerhalb von bestimmten Belastungsgrenzen ist also ihre Formänderung also komplett reversibel. Dieser Effekt tritt besonders bei Metallen, aber auch Kunststoffen (Polymeren) auf (s. Abb.3) Der Formgedächtniseffekt geht aus einer thermoelastischen martensitischen Umwandlung hervor. Dabei findet eine temperaturabhängige Änderung der Kristallstruktur statt. Es gibt dabei zwei Kristallstrukturen; einmal Austenit, das ist die Kristallstruktur bei hohen Temperaturen und zum anderen Martensit, also die Kristallstruktur bei niedrigen Temperaturen. Beide Strukturen besitzen eine geordnete Kristallsturktur (s. Abb. 4). Man kann drei unterschiedliche Arten von Formgedächtniseffekten unterscheiden. Es gibt den Einweg-Effekt. Dabei nimmt das Material, welches bei einer niedrigen Temperatur (Martensit) verformt wurde, seine ursprüngliche Form wieder an, wenn es auf eine höhere Temperatur erhitzt wird. Diese Form bleibt auch nach der Abkühlung weiter erhalten. Im Gegensatz zu dem Einweg-Effekt, findet bei dem Zweiwerg-Effekt eine Formrückkehr auch bei dem Abkühlen statt. Die FGL können sich also an zwei Formen erinnern. Dabei kann man noch zwischen dem äußeren (extrinsischen) und inneren (intrinsischen) Zweiweg-Effekt unterscheiden. Bei Ersterem findet die Formrückkehr bei der Ablühlung durch eine außenwirkende Kraft statt. Bei Letzterem hingegen findet es über eine thermo-mechanische Behandlung statt. Die letzte Art des FGE ist die Pseudoelastizität. Dabei findet die Umwandlung von Austenit-Sturktur zur Martensit-Struktur durch eine mechanische Schbspannung statt. Zuerst erfolgt also eine rein elastische Verformung, bei der ab einer kritischen Spannung dann die Umwandlung der Kristallstrukturen einsetzt. Diese Pseudoelastizität wirkt auch gummiartig.5
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Fomrgedächtnis-Legierungen wurden schon sehr früh von der NASA angewendet, die eine Satelliten-Antenne entwickelt haben, welche sich aufgrund der Erwärmung der solaren Strahlung entfalten konnte. Generell werden FGL in der Luft- und Raumfahrt, speziell bei Entkopplungsmechanismen und Treibstoffleitungen, eingesetzt. Auch werden FGL in der Medizintechnik in Form von sogenannten Stents, die der Aufweitung der Blutbahnen dienen, eingesetzt.6 2.3 FORMGEDÄCHTNIS-KUNSTSTOFFE (FORMGEDÄCHTNIS-POLYMERE FGP) Formgedächntnis-Polymere wurden trotz ihrer frühen Entdeckung bis Mitte der Sechziger Jahre nicht weiter untersucht, geschweige denn eingestzt. Ein erstes großes Interesse fand erst 1984 statt, als Mitsubishi Heavy Industries Polyurethan-basierten FGP entwickelte und verkaufte. Später fand dann auch eine Kooperation mit der NASA statt, die vor allem den kostengünstigen Aspekt, sowie erhöhte Sicherheit und eine einfachere Aufstellung von Stangen, Wänden, Rädern, Verkleidungen etc. als großen Vorteil sahen. Wie genau kann man aber den Kunststoff dazu bringen, seine Form zu verändern ? Um das also zu erreichen passt man die Polymere durch eine gezielte Veränderung ihrer molekularen Struktur auf bestimmte Anwendungen hin an .Ein weiter wichtiger Schritt ist dann die Programmierung, mit der das Polymer in seine temporäre Form gebracht wird. Sobald man dann das Polymer für einen bestimmten Einsatz angefertig hat, wird der Kunststoff ganz normal verarbeitet. Ist der Kunststoff dann einmal aufgeschmolzen und wieder abgekühlt, bekommt er seine permanente Form. Darauf wird er noch einmal über seine sogenannte Schalttemperatur hinaus erwärmt. Diese Schalttemperatur ist abhängig von den jeweiligen Materialeigenschaften. So wird der Kunststoff also zum zweiten Mal verformt und unter seine Schalttemperatur abgekühlt und damit praktisch in seine temporäre Form gebracht.7 (s. Abb. 5) FGP sind Kunststoffe, die auf äußere Reize mit einer Formänderung reagieren können. Bei den FGP kommt vor allem der Einweg-Effekt zur Anwendung wie bei den FormgedächtnisLegierungen. Sie können sich also zeitlich aus ihrem permanenten Zustand verformen und sich dann wieder durch die Einwirkung der äußeren Reize zurückverformen. Als äußerer Reiz wird dabei dann die thermische Aktivierung genutzt. Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten der Aktivierung, die allerdings eher seltener genutzt werden. Dazu zählen unter Anderen die induktive Erwärmung, magnetische sowie elektrische Felder, Strahlung oder auch die Änderung des pH-Wertes. Der Formgedächtniseffekt der FGP basiert dabei auf den physikalischen Eigenschaften der Kunststoffstruktur und-chemie in der Verbindung mit der Konditionierung des Materials.8
Abb. 3 Formgedächtniseffekt bei einem Draht, dersich in den bei verschiedenen Reizen verformt und an seine Ursprungsform erinnert.
Abb. 4 Formgedächtnis-Effekt und die Sturktur der Polymere bei hohen Temperaturen (Austenit) und bei kühlen Temperaturen (Martensit).
Vergleicht man die FGP mit den FGL dann kann man einige Vorteile nennen; zum einen sind sie günstiger und können größere Dehnungen speichern, sind vor allem auch nicht giftig und einfacher zu verarbeiten. Ein Nachteil ist allerdings, dass FGP deutlich weniger Verformungszyklen haben, da sie nur ungefähr über 200 Zyklen ohne großartige Eigenschaftsveränderungen besprucht werden können. Bei FGL ist es ein Vielfaches dieser Zahl. 5 6 7,8
Smart Materials von Axel Ritter, 2006 http://www.industrieanzeiger.de http://www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de
Formgedächtnis-Effekt
Abb. 5
Ein Kunststoff weist nur ein Formgedächtnis-Effekt auf, wenn er auch entsprechend hergestellt, verarbeitet und auch programmiert wurde. Durch die Kombination von Material und Prozessen können sich unterschiedliche Funtkionen ergeben. Wie oben beschrieben, kann durch eine Verformung durch eine Temperaturänderung stattfinden, was dann als thermisch-induzierter Formgedächtniseffekt beschrieben wird. Es ist aber auch möglich bei Polymeren den FGE zu erzielen ohne eine Erwärmung, da dies manchmal auch unerwünscht sein kann. Im Bereich der Medizin kann auch ein magnetisch-induzierter FGE erreicht werden. Dabei werden Nanokompositen eingebaut, deren Nanoteilchen dann in der Lage sind die magnetische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln, um so eine Formveränderung herbeizuführen. Des Weiteren gibt es photosensitive Formgedächtnispolymere. Diese sind in Lage durch die UV-Strahlung ihre Form zu ändern. 9
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3. ANWENDUNGSBEREICHE 3.1 FORMGEDÄCHTNIS-POLYMERE IN DER MEDIZIN Formgedächtnis-Polymere haben eine große Bedeutung in der Medizin. Grade durch ihre Fähigkeit verschiedene Zustände und damit auch verschiedene Größen anzunehmen, bieten sie einen Vorteil gegenüber konventionellen Materialien. Als Beispiel seien künstliche Gelenke und Knochenschrauben aus FGP genannt (s. Abb. 6). Der Vorteil ist, dass man nur einen kleinen ambulaten Eingriff benötigt, um diese Teile einzusetzen. US-Forscher haben ein Material entwickelt, welches auch schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen seine Formen ändern kann. Als Erstes wird dabei der Kunststoff genau an den Knochen des Patienten angepasst ,was mit Hilfe von Computertomographie geschieht. Danach wird das künstliche Gelenk dann sehr stark verkleinert und kann so durch einen kleineren Eingriff an der, im Körper benötigten Stelle, positioniert werden. Danach wird dann durch eine Temperaturänderung, in Form eines Wärmeimpulses von 50 °C, der nötige Reiz gesetzt, sodass sich das Gelenk wieder zu seiner Ursprungsgröße entfalten kann. Aufgrund von Erkrankungen, Unfällen oder auch ganz normalen Abnutzungserscheinungen wird bei vielen Leuten das Einsetzten von künstlichen Gelenken notwendig. Dabei werden zur Zeit noch statische Kunststoffe oder auch Keramik eingesetzt. Wenn es sich aber um kompliziertere Knochenbrüche handelt, brauch man auch Knochenschrauben, damit alles richtig zusammenwächst. Diese müssen allerdings später wieder entfernt werden. Dabei ist der Nachteil, dass sobald sie einmal fixiert worden sind, auch so bleiben und dem entsprechend sehr unflexibel sind. Mit Hilfe eines FGP ist es also möglich, dass sich die Knochenschrauben beim Einsetzten an ihre Umgebung anpassen und sich später von alleine abbauen, da man bei Polymeren die Haltbarkeit auch verändern kann. Somit ist dann keine zweite Operation mehr nötig. FGP können in der Medizin auch als bioabbaubare Material genutzt werden. Es kann chirugisches Nähgarn hergestellt werden, mit dem man dann Wunden schliessen kann. FGP können auch als Stents eingesetzt werden, um die Blutgefäße zu erweitern und offen zu halten (s. Abb. 7). Weitere Anwendungsgebiete sind schaltbare oder sich selbstheilende Oberflächen.Wenn eine Oberfläche beispielsweise verschmutzt wird, kann sie praktisch “umschalten” und sich somit selbst reinigen. Denkbar wäre auch ein Formgedächtnis-Kunststoff, auf dem Zellmaterial gezüchtet wird, dass dann durch die Formänderung mechanisch stimulliert werden kann. Vorstellbar ist auch, dass ein FGP, das im Körper platziert wurde, sich nicht nur verformt, sondern auf einen Reiz hin z.B. Medikamente oder Wirkstoffe an den Körper abgeben kann. 10
Knieprotese aus FormgeächtnisPolymer
Abb. 6
3.2 FORMGEDÄCHTNIS-POLYMERE IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE Mittlerweile haben Forscher auch FGP entwickelt, die UV-Strahlung reagiert, das heisst, dass man das Polymer durch Bestrahlung mit Licht in eine bestimmte Form bringen kann. Eine Vision im Bereich der Automobilindustrie ist, dass sich Autos in Zukunft von selbst reparieren können. Dafür würden dann die Karosserien aus dem FormgedächtnisKunststoff angefertigt. Ein Beispiel wäre, dass es zu einem Unfall kommt und sich der Kotflügel verbeult. Unter dem Einfluss des Sonnenlichtes könnte er sich dann an seine ursprüngliche Form “erinnern” und sozusagen selbst repaieren, indem er sich in seinen Ausgangszustand zurückverformt. Bisher werden die Formgedächtnispolymere in der Fahrzeugtechnik genutzt, weil sie eine hohe Dehnungsverformung aufweisen, die Möglichkeit haben, ihre Struktur zu verändern und auch leicht und kostengünstig herzustellen sind. Sie finden werden unter Anderen in Scheinwerferkomponenten und auch Luftstromregelungssystemen zur Optimierung des Luftwiderstandes eingesetzt. 11
9 10 11
http://www.k-online.de und http://www.biotech-verbund.de http://www.wissenschaft.de/technik-kommunikation/materialforschung Mein Auto repariert sich selbst von Rolf Froböse, 2012 und http://www.innovations-report.de
Abb. 7 FGP Stents in der Blutbahn. Einmal im ersten Zustand und dann im ausgehnten Zustand
3.3 FORMGEDÄCHTNIS-POLYMERE IN DER TEXTILINDUSTRIE Auch in der Textilindustrie werden Formgedächtnis-Kunststoffe verwendet. Der Einsatzbereich ist dabei sehr vielfältig. Die ersten Ideen gehen von einem knitterfreiem Hemd bis hin zu, sich der Temperatur anpassenden Kleidungsstücken, die mal lang, mal kurz sind.FGP werden zum Beispiel gewebt, gestrickt oder geflochten und als Kragen oder Schulsterpolster verwendet, aber auch sehr häufig in Ellenbigen oder Kniebereichen, da das zwei sehr knitter-empfindliche Bereiche sind. Sobald man also Kleidungsstücke aus FGP erwärmt, nehmen sie ihre Ursprungsform an und alle Falten verschwinden, was dem Nutzer sehr entgegen kommt und viel Nerven und Arbeitsaufwand spart. FGP können aber noch einen Schritt weiter gehen. Man stelle sich einfach ein langärmeliges Hemd oder einen Pullover vor, der je nach Temperatur, seine Arme aufrollen oder auffalten kann. Somit wird ein Kleidungstück multifunktional und kann zu mehreren Anlässen getragen werden. Es wird ebenfalls an fälschungssicheren Etiketten und QR-Codes gearbeitet. Ein Vorteil ist auch, dass das neue Material keine Weichmacher enthält und sehr resistent gegen Chemikalien ist.12
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3.4 FORMGEDÄCHTNIS-POLYMERE IN WEITEREN BEREICHEN Es gibt noch einige weitere Bereiche, in denen mit FGP geforscht wird und die in naher Zukunft vorstellbar sind. Es ist zum Beispiel theoretisch möglich eine Wärme-Kraft Maschine zu entwickeln, in der die Aktuatoren die Basis für ein Antriebselement bilden. Bei der Erwärmung entfaltet sich der Kunststoff und bewegt damit dann die Antriebseinheit. Sobald der Kunststoff dann wieder abgekühlt wird, wird der permanente Zustand wiederhergestellt. Über den Formgedächtnis-Effekt ist es dann möglich die Rotationsgeschwindigkeit dieser Antriebseinheit zu regulieren. 13 Ein weiter Bereich ist das Möbeldesign. Es können große Möbel wie Stühle, Tische etc. auf bis zu 5% ihrer eigentlichen Größe verkleinert werden und sind so für den Transport optimiert. Auch bedarf es keiner großartigen Aufbauarbeiten, denn die Möbelstücke können sich durch Erhitzten praktisch selbst aufbauen. Auch sind FGP Produkte im Vergleich zu FGL Produkten sehr viel preisgünstig und viel flexibler im Einsatz.14 (s. Abb. 8) Die Firma Bayer hat eine Produktidee zum Patent angemeldet. Dabei handelt es sich um einen Folientunnelfür die Landwirtschaft, der sich für den Gemüse- und Salatanbau eignet. Er kann sich nach der Reizzufuhr, in Form von Wärme, selbst aufrichten.15
4. TRANSFERPOTENTIALE UND ANWENDUNG IN DER ARCHITEKTUR Nachdem man nun einiges über die Formgedächtnis-Kunststoffe erfahren hat und in welchen Bereichen sie bereits angewendet werden, ist der nächste Schritt, dass man sich Gedanken darüber macht, in wie weit man das alles auf die Architektur und vor allem auf Fassaden übertragen kann. In der Architektur hat sich in den letzten Jahren kein anderer Bereich so weiterentwickelt, wie die Gebäudehülle. Dabei sind vor allem die ökologischen und ökonomischen Anforderungen das Wichtige, da die Gebäudehülle ja der Schnittpunkt zwischen dem Innen- und Außenraum ist und somit für fast 70 % des Energieverlustes verantwortlich ist. Oft wird in diesem Zusammenhang der Grundsatz verfolgt, dass mehr Dämmung und kleinere Fenster weniger Energieverlust bedeuten. Dieser Ansatz ist allerdings veraltet und heute weit überholt, wenn auch noch nicht gängige Meinung. Da unser Wetter nicht statisch, sondern dynamisch ist, machen hohe Dämmwerte nur in wenigen Wintermonaten Sinn. Deshalb ist es viel wichtiger dieses Problem über adaptive Fassadensysteme zu lösen.16 Ein erster Ansatz für adaptive Fassadensysteme mit Formgedächtnis-Kunststoffen würde meiner Meinung nach über einen Sonnenschutz funktionieren, der sich selbst regulieren kann (s. Abb. 9). Der erste Vorteil ist, dass ein Sonnenschutz aus FGP deutlich weniger Gewicht hat, als einer aus FGL. Des Weiteren ist es möglich, dass sich dieser Sonnenschutz entweder über die Temperatur oder die UV-Strahlung regulieren lassen würde. Es bräuchte also kein aufweniges elektronisches Steurungselement mehr. Dieser Sonnenschutz würde also einen ersten permanenten Zustand programmiert bekommen, bei der er weit geöffnet ist, sodass viel Sonne einfallen kann. Das wäre der Zustand für Tage mit wenig Sonnenstunden. So kann dann die vorhandene Sonne bzw. Wärme immernoch in das Gebäude gelangen. Der zweite Zustand wäre dann ein Geschlossener. Wenn sich also der Sonnenschutz aufheizt geht er temporär in diesen Zustand über und schliesst sich. So wird verhindert, dass zuviel Wärme in das Haus gelangt. Bei weiterer Abkühlung würde er sich dann wieder öffnen. Es wäre also ein sehr flexibles bzw. adaptives System, das sich ohne technischen oder menschlischen Einfluss, individuell an die Umgebungsbedingun12 13 14 15 16
http://www.haute-innovation.com/de/magazin http://www.braunschweig.ihk.de/geschaeftsfelder/innovation-umwelt/i-u-nachrichten-2013 http://www.dezeen.com/2012/10/25/noumenon-by-carl-de-smet/ http://www.materialscience.bayer.com http://www.dbz.de/download/448673/Anzeige_Fuchs_DBZ_210x297mm_100512.pdf
Abb. 8 Möbelstück aus FGP, welches sich bei Erhitzung selbst aufbaut.
Abb. 9 In dem Modell einer Fensterjalousie können die Polymer-Aktuatoren mit Temperaturgedächtnis Lamellen je nach Umgebungstemperatur öffnen und schließen.
gen anpassen könnte. Dies würde über den thermischen Formgedächtnis-Effekt funktionieren. (s. Abb. 11) Eine andere Möglichkeit wäre der Weg über den photsensitiven FGE. Dabei kann die Fassade ihre Farbintensität und Lichtdurchlässigkeit je UV-Strahlung variieren. Dabei würden dann nur immer die Gebäudeteile verschattet, auf die auch die Sonnenstrahlung direkt trifft. So werden Räume, auf die kein Licht fällt, auch nicht unnötig verschattet. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Fassade dadurch sehr vielseitig nach Außen hin auftritt. Je nach Wetter und Jahreszeit präsentiert sie sich immer unterschiedlich und kommuniziert so auch auf eine gewisse Art und Weise mit dem Betrachter. Im Sommer wären die Farben also sehr intensiv, um die Innenräume zu verschatten. Im Winter hingegen eher blass, um möglichst viel Licht herein zu lassen.17 (s. Abb. 10) Die FGP in einer adaptiven Fassade könnten auch dazu genutzt werden, um Lüftungsklappen zu regulieren. Somit könnte das Raumklima bedürfnisorientiert gesteuert werden. Der Formgedächtnis-Kunststoff würde so programmiert werden, dass er ab einer bestimmten Temperatur oder Luftfeuchtigkeit automatisch den Raum lüftet. Ebenfalls vorstellbar ist es auch, dass FGP Fassaden noch einen zusätzlichen Schutz bei Unwettern, wie starken Stürmen, bieten könnten, da sie das Haus zusätlich stabilisieren und auch abschotten könnten und nur wenig Platz am Haus einnähmen, wenn sie im “eingefalteten” Zustand sind. (s. Abb. 12) Prinzipiell kann man auch FGP Fassade entwickeln, die nur auf eine temopräre Nutzung ausgelegt sind und somit sowohl einen ökologischen, als auch einen ökonomischen Effekt hätten, da sie kostengünstiger und leichter aufzubauen sind als herkömmliche Fassaden. Momentan werden auf dem Reiff-Parkplatz ja neue studentische Arbeitsplätzte errichtet. Vorstellbar sind in diesem Zusammenhang auch komplette äußere Strukturen eines Raumes, der in Form und Größe vorgefertig wird, dann die zwei verschiedenen Zustände besitzt, einmal praktisch “zusammengefaltet” und dann nach Erhitzung “entfaltet”. Solche Räume wären enorm platzsparend zu transportieren, hätten ein geringes Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Materialen und könnten ebenso leicht auf- wie abgebaut werden, um dann weiter transportiert zu werden. Auch etwaige Schäden wären leicht zu repaieren, da man praktisch nur den Reiz, wie Erhitzung, erneut hinzufügen müsste, um dass Material erneut in seinen permanenten Zustand zu versetzten. Wenn man diesen Gedanken weiter verfolgt und bedenkt, dass es sowohl form- als auch farbveränderbare FGP gibt, wäre es möglich ganze “Studentencontainer” aus solch einem Material herzustellen. Noch weiter gedacht, kann man solche mobilen und leicht aufzustellenden Räume natürlich auch als Notunterkünfte, temporäre Workshops oder auch als ergänzende Räume für bestehende Bauten sehen. Wenn es nicht möglich all das in einem Teil, also einem FGP mit 3 unterschiedlichen Zustandsveränderungen, zu verwirklichen, kann man auch kleinteiliger, also nach dem Baukasten-Prinzip etwas entwerfen. Ein Teil, dass für die Struktur zuständig ist und dann Teile für die verschiedenen Fassadenelemente mit ihren geöffneten/transparenten und geschlossenen/lichtundurchlässigeren Zuständen. (s. Abb. 13)
5. Fazit
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Abb. 10 FGP Fassade, die je nach Temparatur und Sonneneinstrahlung mal mehr und mal weniger Licht durchlassen kann.
Abb. 11 FGP Fassade, die sich je nach Temparatur und Sonneneinstrahlung entfalten und zusammenfalten kann.
Generell sind Funktionsgedächtnis-Kunststoffe ein sehr interessantes Thema, das grade im Bezug auf die Architektur noch relativ unerforscht ist. Ich kann mir vorstellen, dass sie sehr zur Optimierung einer Gebäudehülle beitragen können, wie oben schon angedeutet, und darüber hinaus sogar noch weitergehende Funktionsbereiche offenbaren können. Abb. 12 FGP Fassade, die als zusätzliche Stabilisation bei starkem Wind dienen kann.
Abb. 13 Konzeptidee eines leicht aufzubauenden “Containers” aus FGP, der Form und Fassade flexibel anpassen kann.
17
http://www.medizin-und-technik.de/
6. QUELLENVERZEICHNIS 1. Sebastian Stein, 2.1 Begriff und Definition Emergenz, August 2008, http://emergenz.hpfsc.de/html/node8.html (aufgerufen am 11.02.2014) 2. Wikipedia, Anpassungsfähigkeit, Februar 2014, http://de.wikipedia.org/ wiki/Anpassungsfähigkeit (aufgerufen am 11.02.2014) 3. Ulrich Königs, Adaptive und selbstorganisierende Systeme in der Ar chitektur, 2005 in Graz Arcitecture Magazine, http://www.kpluse-arch. uni-wuppertal.de/fileadmin/architektur/kpluse-arch/Forschung/2_Gebä_ Raum/pdf/KoenigsAdaptive.pdf (aufgerufen am 11.02.2014) 4. Universität Saarland, Formgedächtniswerkstoffe, http://www.uni-saar land.de/fileadmin/user_upload/Professoren/fr84_ProfMuecklich/down- loads/lehre/Kapitel4_thermische_Formgedaechtniswerkstoffe.pdf (auf gerufen am 12.02.2014) 5. Smart Materials, Axel Ritter, 2006 6. Christian Großmann, Hart wie Stahl, doch leichter und intelligenter, http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/29453900/Hart -wie-Stahl,-doch-leichter-und-intelligenter/art_co_INSTANCE_0000/ maximized/ (aufgerufen am 12.02.2014) 7., 8. Christina Schmidt, 2011, Dissertation Werkstoffwissenschaftliche Unter suchungen zur Verarbeitung von Formgedächtnis-Polymeren, http:// www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de/netahtml/HSS/Diss/SchmidtChristina/ diss.pdf (aufgerufen am 12.02.2014) 9. Intelligente Polymere: Kunststoffe ändern ihre Form durch Licht, http://www.k-online.de/cipp/md_k/custom/pub/content,lang,1/oid,4327/ ticket,g_u_e_s_t/~/Intelligente_Polymere_Kunststoffe_aendern_ihre_ Form_durch_Licht.html (aufgerufen am 12.02.2014) 10. Mascha Schacht , Kunststoff mit Formgedächtnis, http://www.wis senschaft.de/technik-kommunikation/materialforschung/-/journal_con tent/56/12054/993910/Kunststoff-mit-Formgedächtnis/ (aufgerufen am 13.02.2014) 11. Rolf Froböse, Mein Auto repariert sich selbst: Und andere Technologien von übermorgen, 2012, 12. TPU mit Formgedächtnis, 2012, http://www.haute-innovation.com/de/ magazin/smart-materials/tpu-mit-formgedaechtnis.html (aufgerufen am 13.02.2014) 13. Thorsten Fischer, Formgedächtnis-Kunststoffe erstmals mit umkehr barer Formänderung, 2013, http://www.braunschweig.ihk.de/geschaefts felder/innovation-umwelt/i-u-nachrichten-2013/september-2013/05 technologietrends/formgedaechtnis-kunststoffe-erstmals-mit-umkehr barer-formaenderung.html (aufgerufen am 14.02.2014) 14. Carl de Smet, Memories of the Future by Carl de Smet, 2012, http://www. dezeen.com/2012/10/25/noumenon-by-carl-de-smet/ (aufgerufen am 14.02.2014) 15. Bayer, 2013, http://www.materialscience.bayer.com (aufgerufen am 14.02.2014) 16. Andreas Fuchs, Adaptive Fassaden, 2011, http://www.dbz.de/down load/448673/Anzeige_Fuchs_DBZ_210x297mm_100512.pdf (aufgerufen am 14.02.2014) 17. Oliver Lenk, Marcus Kirschke und Sören Burkhardt ,Wand reagiert wie Chamäleon , http://www.medizin-und-technik.de/undausser dem/-/article/33568401/38855075/Wand-reagiert-wie-Chamäleon/art_ co_INSTANCE_0000/maximized/ (aufgerufen am 15.02.2014) Weitere Quellen, die der Recherche gedient haben :
Braun, 2008, http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2008/3614/ pdf/080728_Disse2_A5.pdf Dieter Beste, 2013, https://www.springerprofessional.de/formgedaechtnis-kunststoffe/4596240.html Marc Behl und Andreas Lendlein, 2013, http://www.pnas.org/content/ early/2013/07/03/1301895110.full.pdf Aurelie Mosse, 2011, http://cita.karch.dk/globalsiteaspx?Preview=True& ObjectId=F3C1E04B-36B6-4E77-B24F-1FE3CCC50F46
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7. ABBILDUNGSVERZEICHNIS
WS 2013/2014 SEMESTER 05
Titelbild Flower Light, which uses Memory Shape Polymers to open and close itself on an extern stimulus, http://fc09.deviantart.net/ images3/i/2004/102/e/c/portfolio_layout_2.jpg Abbildung 1 Chamäleon, Vorlesungsfolie GBT Advanced Bionics, 2013 Abbildung 2 The Homeostatic Facade, Decker Yaedon Architects, 2011, http:// www.greenmuze.com/build/design/3446-homeostatic-facade- system.html Abbildung 3 Formgedächtniseffekt bei einem Draht, http://de.scribd.com/ doc/8502500/Smart-Materials-and-Technologies-in-Architec ture-NEW Abbildung 4 Kristallstruktur von FGL, Smart Materials, Axel Ritter, 2006 Abbildung 5 Formgedächtniseffekt, http://www.strugl.de/Bilder/ShapeMemo- ry.JPG Abbildung 6 Knieprothese aus FGP, http://www.wissenschaft.de/ documents/11459/13036/knieprothese/6c77de90-ef9a-47b6- 8f8a-39d73f13a5b2?imageThumbnail=4 Abbildung 7 Stents in der Blutbahn, http://www.hs-lausitz.de/fileadmin/ user_upload/public/zentral/Wissenschaftstage/2010/Bei traege/Maschinenbau/MuellerM_Mikrostrukturierung_polyme- er_Stents_mit_Formgeged.pdf Abbildung 8 Möbelstück aus FGP, http://static.dezeen.com/uploads/2012/10/ dezeen_Memories-of-the-Future-by-Carl-de-Smet_11.jpg Abbildung 9 Formgedächtnis-Polyer im Zusammenhang mit einem Sonnen schutz, http://www.kunststoff-magazin.de/Spezialcompounds/ anwendungen-von-der-architektur-bis-zur-energietechnik-den kbar-formgedaechtnis-kunststoffe-mit-umkehrbarer-for maenderung.htm Abbildung 10 http://www.detail.de/uploads/pics/funktionsgrafik_o_lenk.jpg Abbildung 11 selbst erstellt Abbildung 12 selbst erstellt Abbildung 13 selbst erstellt
ÜBUNG UNIV. PROF. DR.-ING. ARCHITEKT D.H. BRAUN MARC-PHILLIP MICHEL 309349