Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben die komplexen, internen Strukturen der Vergabelungen bei Bäumen untersucht, in wie weit sich diese beim Bauen mit Holz optimal einsetzen lassen. Ein Algorithmus half den Wissenschaftlern dabei, zu berechnen, welche Gabeln in der Datenbank die Tragfähigkeitsanforderungen erfüllen. Langfristig können dann anhand der Eingabe von Belastungsgrenzen die richtigen Strukturen ausgewählt werden und diese mit einem 3D-Drucker nachgebildet werden, um sie bei statisch besonders belastbaren Gebäude, Brücken oder anderen architektonischen Gebilden optimal einzusetzen.

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Holz ist ein beliebtes Baumaterial, ist aber laut Reinhard Quast, Präsident des Zentralverbands des Deutschen Baugewerbes, doppelt so teuer wie vor einem Jahr. Das Holz wird hauptsächlich von den langen, geraden Baumstämmen geerntet. Damit nicht viel Abfall bei der Arbeit anfällt, haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) laut einer Pressemitteilung eine Methode entwickelt, wie sie die tragenden Verbindungen eines Baums verwenden können. Im Herbst 2021 haben wir darüber berichtet, dass die University of Idaho an einer 3D-Druck-Technologie mit Holz arbeitet.

Details zur Entwicklung

Sammlung an Holzgabeln
Für ihre Arbeit sammelten die Forscher unterschiedliche Holzgabeln (im Bild)(Bild © Felix Amtsberg).

Assoc. Prof. Caitlin Mueller, die das Forschungsprojekt leitet, begann mit ihrem Team Abfallholzabschnitte einer bereits gefällten Baumgruppe in der Stadt Somerville in Massachusetts zu sammeln. Die Forscher konzentrierten sich auf die Y-förmigen Gabeln, bei denen sich der Stamm oder ein großer Ast in zwei Teile teilt. Diese Stücke werden oft zu Mulch zerkleinert oder verbrannt.

Mueller sagte:

„Baumgabeln sind natürlich konstruierte strukturelle Verbindungen, die als Ausleger in Bäumen wirken, was bedeutet, dass sie dank ihrer inneren Faserstruktur das Potenzial haben, Kräfte sehr effizient zu übertragen. Wenn Sie eine Baumgabel nehmen und sie in der Mitte durchschneiden, sehen Sie ein unglaubliches Netzwerk von Fasern, die sich verflechten, um diese oft dreidimensionalen Lastübertragungspunkte in einem Baum zu erzeugen. Wir beginnen, dasselbe mit dem 3D-Druck zu tun, aber wir sind noch lange nicht in der Nähe dessen, was die Natur tut.“

3D-Modelle und Algorithmen

Holzskulptur mit bisher 12 Gabeln
Das Team stellt eine Proof-of-Concept-Holzskulptur her, die insgesamt 40 Holzgabeln integriert (im Bild: Struktur mit bisher 12 Gabeln)(Bild © Felix Amtsberg).

Die Forscher scannten ihre Gabelsammlung in 3D und fügte ihr digitales Modell der Datenbank hinzu. Mithilfe einer sogenannten Ungarischen Methode konnten sie bestimmen, welche Gabeln in der Datenbank die Tragfähigkeitsanforderungen eines bestimmten Y-förmigen Knotens, wo zwei gerade Materialstücke zusammenkommen, erfüllen würden, um eine Last zu tragen.

Das System könnte auch zeigen, wie Aspekte einer Struktur geändert werden sollten, um eine gegebene Baumverzweigung für einen bestimmten Knoten zu verwenden. Ein anderer Algorithmus wurde im nächsten Prozessschritt verwendet, um das Roboterschneiden der ausgewählten Gabeln zu steuern. So können sie am besten in ihre jeweiligen Knotenpunkte passen und die Last tragen. Ein Computermodell führte das Team durch einen Montageprozess und zeigte, welche Gabeln für welche Knoten vorgesehen waren.

Es wird noch einige Zeit dauern, bis ein Gebäude mit dieser Technologie gebaut werden wird. Eine Proof-of-Concept-Holzskulptur wurde auf dem MIT-Campus ausgestellt. Diese umfasst derzeit 12 Baumgabelknoten, wird aber noch auf bis zu 40 Knoten erweitert. Dort wo einst die Spenderbäume gewachsen sind, soll die Holzskulptur installiert werden.

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