10.02.2016

TU Wien: Ersatzteile mit 3D-Drucker selber drucken

An der TU Wien wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe Objekte aus dem 3D-Drucker beeindruckende geometrische Eigenschaften verliehen werden können. So könne man sich in Zukunft technische Ersatzteile möglicherweise "selbst drucken".
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Sieht aus wie Kinderspielzeug - weist aber beeindruckende geometrische Eigenschaften auf. (c) TU Wien

Sei es ein schwebender Fisch oder ein balancierendes Monster – auf der TU Wien wurde ein Verfahren entwickelt, damit Objekte aus dem 3D-Drucker unerwartet faszinierende geometrische Eigenschaften aufweisen.
Ein Beispiel: Ein Kunststoff-Fisch wird ins Wasser geworfen und schwebt knapp unter der Wasseroberfläche, weil er im Inneren einen Hohlraum mit exakt richtig gewählter Form und Größe hat.

Ein so genau ausbalanciertes Objekt herzustellen, hätte bislang eine Vielzahl von Versuchen benötigt. Mit der neu entwickelten Methode sollen geometrische Sonderwünsche in Zukunft kein Problem mehr darstellen. Der innere Hohlraum von Objekten aus dem 3D-Drucker kann so anpasst werden, dass ihre Balance oder andere physikalische Eigenschaften genau zum Einsatzzweck passen.

 Wissenschaftlich aufwendiges „Kinderspielzeug“

Was das Team rund um Professor Przemyslaw Musialski am Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien produziert hat, sieht auf den ersten Blick aus wie Kinderspielzeug, hat aber einen wissenschaftlichen Hintergrund. Die Drehachse einer Plastikschildkröte wurde so angepasst, damit man sie als Kreisel verwenden kann. Fischen wurde ein Hohlraum eingebaut, welcher so optimiert wurde, damit die Dichte genau zu verschiedenen Flüssigkeiten passt.

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Ersatzteile & Deko selber machen

In Zukunft werde es möglich sein, Objekte vom Ziergegenstand bis hin zum technischen Ersatzteil schlichtweg selbst zu produzieren, meint Musialski. Das Objekt wird am Computer individuell gestaltet und dann ausdruckt. Optimierungsverfahren sollen dann dafür sorgen, dass die User-generierten Objekte auch zuverlässig die nötigen physikalischen Eigenschaften haben. „Die Berechnung der physikalischen Eigenschaften dauert nur wenige Sekunden, ist wenig fehleranfällig und lässt sich in verschiedensten Gebieten als Optimierungsverfahren einsetzen“, sagt der TU-Professor.

„Die Berechnung der physikalischen Eigenschaften dauert nur wenige Sekunden.“

Wunderflasche steht mit Alkohol

Die Wunderflasche sieht aus wie eine merkwürdig verbogene Getränkeflasche. Füllt man sie mit Wasser, kippt sie um und läuft aus. Füllt man sie allerdings mit Alkohol, bleibt sie stehen. Warum? Die Dichte von Alkohol ist geringfügig kleiner als die Dichte von Wasser. Die Flasche wurde so optimiert, dass dieser kleine Dichteunterschied genau zwischen Stehenbleiben und Umfallen entscheidet. Um das zu erreichen, muss die Wand der Flasche angepasst werden. Sie ist auf einer Seite viel dicker als auf der anderen, um den Schwerpunkt der Flasche genau richtig zu justieren.

„Eingegeben wird die äußere Form der Figur und zusätzlich bestimmte Vorgaben.“

Ausgeklügeltes Verfahren

Am Computer wird mittels einem mathematischen Optimierungsverfahren automatisch angepasst, was für die Produktion notwendig ist. „Eingegeben wird die äußere Form der Figur und zusätzlich bestimmte Vorgaben – etwa die Rotationsachse oder die Schwebeausrichtung“, erklärt Musialski. „Die Software liefert dann zusätzlich zur äußeren Form auch die Form des Hohlraums im Inneren des Objektes, so dass es die Wunschvorgaben erfüllt.“

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Oliver Hamedinger und Jade Bailey, Gründungsduo von Joyh © Joyh Design OG

Ein Spaziergang durch die Wiener Innenstadt oder den Gürtel genügt: Stuckfassaden, hohe Fenster, verzierte Erker – jene Gründerzeithäuser, wegen derer jährlich Millionen Tourist:innen nach Wien kommen. Fast alle sind heute begehrte Wohnadressen. Dasselbe Bild findet sich auch in vielen anderen europäischen Städten wieder, von Paris bis Berlin.

Doch während die Gebäude nach außen mit ihrer Schönheit glänzen verbirgt sich im Inneren ein Energieeffizienz-Alptraum. Rund 80 Prozent der österreichischen Gebäude stammen aus der Zeit vor der ersten OIB-Wärmeschutzrichtlinie, und liegen großteils in einer der schlechtesten Energieklassen. Die Sanierungsrate lag zuletzt bei 1,2 Prozent, denn aufgrund der Fassadenerhaltung scheitert es meist an der Genehmigung. Genau hier will das Wiener Startup Joyh ansetzen. Mit Sandfassaden aus dem 3D-Drucker will man die Gründerzeithäuser energietechnisch in die Neuzeit holen.

Designideen der dämmenden, 3D-gedruckten Fassaden © Joyh Design OG

Ideenfindung auf der Dubai Design Week

Die Idee dazu entstand zufällig: 2023 druckten und gestalteten die beiden Gründer:innen eine Sandskulptur für die Dubai Design Week. Tagelang stand sie in praller Sonne im Freien. „Wir haben gemerkt, dass sie sich beim Anfassen gar nicht aufgeheizt hat“, erzählt Mitgründer Oliver Hamedinger.

Der Grund liegt in der Porosität des Materials: „Der beste Wärmedämmstoff ist Luft“, erklärt Hamedinger – und 3D-gedruckter Sand enthält davon mehr als Beton oder Ton. Mit dieser Erkenntnis in der Tasche gründeten Oliver Hamedinger und Jade Bailey 2024 ihr Sanierungsstartup mit einer klaren Haltung: „Die Gebäude von 2050 stehen schon. Wir müssen nur einen neuen Weg finden, sie zu sanieren“, sagt Co-Founderin Bailey.

Die 3D-gedruckte Skulptur aus Sand auf der Dubai Design Week © Joyh Design OG

Ein Bauteil statt vieler Schichten

Joyh setzt hier mit seinem System „Brian“ an: mineralische Bauteile, gedruckt per Binder-Jetting aus Sand – demselben Verfahren, mit dem sonst Formen für den Stahlguss entstehen. Aktuell arbeitet man für den Druck der einzelnen Fassadenteile mit der voestalpine Foundry Group zusammen, die über die nötigen Maschinen verfügt.

Für die Sanierung wird die Fassade zuvor digital gescannt. So entsteht auch ein digitaler Zwilling, der vor allem bei Reparaturen interessant wird. Die einzelnen Fassadenelemente sind laut Hamedinger rund 12 bis 15 Kilogramm schwer“ die Größe, die ein Bauarbeiter allein auf der Baustelle handhaben darf“ und werden ohne Kleber ineinandergesteckt. Das ermöglicht laut Gründerduo nicht, nur eine simple Anbringung sondern auch einen separaten Austausch.

Eine vollständige thermische Sanierung kostet aktuell 600 bis 800 Euro pro Quadratmeter. Das ist zwar mehr als klassisches WDVS (Wärmedämmverbundsystem), eine mehrschichtige Konstruktion an der Außenseite von Gebäuden, die zur effektiven Wärmedämmung dient, für Gründerzeitfassaden, durch die ganzheitlich benötigte Abtragung allerdings ungeeignet. „Ein großer Teil des Wiener Altbestands fällt aus der Sanierungslogik heraus, weil die üblichen Systeme dort nicht infrage kommen. Genau diese Gebäude wollen wir erreichen“, sagt Mitgründerin Jade Bailey.

Erster Prototyp beim Ars Electronica Festival 2025: Die größte selbsttragende Wand aus 3D-gedrucktem Sand. © Joyh Design OG

Software soll skalieren

Die operative Sanierung soll allerdings nicht bei Joyh bleiben. Skalieren will man hingegen über die dazugehörige Plattform „D2P“, die aktuell aus den Gebäudedaten die fertigungsfertige Druckdateien erzeugt. Diese soll langfristig als Abo-Modell an Architekt:innen und Fertigungspartner:innen weltweit lizenziert werden. „Ein Produkt kann man kopieren. Ein System, das mit jedem Projekt dazulernt, nicht“, sagt Hamedinger.

Von Architektur und Technik zum Startup

Hamedinger bringt technisches Know-how mit, unter anderem aus seiner Zeit bei Siemens, Bailey ist ausgebildete Architektin mit Erfahrung in Österreich, Deutschland, Großbritannien und den USA. Finanziert haben die beiden ihr Startup bislang aus mehreren Quellen: Rund 30.000 Euro brachten sie privat ein, dazu kam eine FFG-Patentförderung. Zuletzt sicherte sich das Team 202.000 Euro aws-PreSeed-Deep-Tech-Förderung und gewann das nationale Finale des ClimateLaunchpad Austria.

Bevor ihr System auf reale Fassaden kommt, muss es sich noch durch Brandschutz-, Statik- und Frost-Tau-Prüfungen beweisen, erste Pilotprojekte sind für Anfang 2027 geplant. „Der eigentliche Test kommt erst, wenn wir es auf echte Fassaden bringen“, sagt Bailey. Ab Mitte desselben Jahres will das Gründerduo zusätzlich strategische Investor:innen an Bord holen.

Erster Prototyp-Scan eines Ornaments an einem Wiener Altbau © Joyh Design OG
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