Responsive Morphology: ITECH Forschungsdemonstrator 2025

Stuttgart, Germany

Responsive Morphology präsentiert einen integrativen Ansatz für Fassadendesign, der die Rolle thermischer Masse im Kontext zirkulärer und leichter Bauweise neu denkt. Anstatt auf schwere Materialien zur Sicherstellung des Innenraumkomforts zu setzen, untersucht dieses Projekt, wie computergestützte Entwurfsprozesse, Großformat 3D-Druck und responsive Materialien in ein rezyklierbares Wandsystem für Leichtbaukonstruktionen integriert werden können.

Im Rahmen des ITECH-Masterstudiengangs und des Exzellenzclusters IntCDC an der Universität Stuttgart entwickelt, baut die Forschung auf einer Reihe von aktiv und passiv adaptiven Fassaden auf. Inspiriert von der traditionellen Trombe-Wand entwickelt das Projekt ein Hybridsystem, das passive Materialreaktion mit nutzerorientierter Lüftung koppelt, um ganzjährig thermischen Komfort zu unterstützen. Das Ergebnis ist ein maßstäblicher, rezyklierbarer Wanddemonstrator, der Phasenwechselmaterialien (PCM) in eine 3D-gedruckte Schalenstruktur integriert. Durch diese Kombination aus intelligenten Materialien und robotischer Fertigung reproduziert das System die funktionalen Effekte thermischer Masse und bleibt gleichzeitig mit Leichtbauweisen kompatibel.

Thermische Masse für Leichtbau neu denken

Thermische Masse basiert traditionell auf schweren Materialien wie Ziegel, Stein oder Beton, die Wärme aufnehmen und zeitverzögert wieder abgeben. Obwohl sie zur Stabilisierung des Raumklimas effektiv sind, stehen solche Materialien häufig im Widerspruch zu Leichtbauweisen und zirkulären Materialstrategien. Eine zentrale Herausforderung klimaadaptiver Architektur besteht daher darin, ganzjährigen thermischen Komfort bei reduziertem Materialeinsatz und geringerem Energiebedarf im Betrieb zu erreichen.

Responsive Morphology begegnet dieser Herausforderung durch eine Neuinterpretation des Trombe-Wand-Prinzips. In konventionellen Systemen absorbiert eine massive Wand hinter einer Verglasung solare Strahlung und gibt die Wärme langsam an den Innenraum ab. Das vorgeschlagene System ersetzt diese schwere Konstruktion durch eine leichte, reaktive Wand, die Wärme mittels Phasenwechselmaterialien speichert und freisetzt. PCM schmelzen und erstarren innerhalb eines definierten Temperaturbereichs und nehmen dabei latente Wärme auf bzw. geben sie wieder ab. Auf diese Weise fungiert die Wand als thermische Batterie, die sich bei Wärmespitzen „auflädt“ und bei sinkenden Temperaturen entlädt.

Dieses passive thermische Verhalten wird durch ein steuerbares Lüftungssystem ergänzt. Wenn PCM Wärme aufnehmen, kann der Luftstrom geschlossen werden, um Energie im Wandhohlraum zu halten; wenn das Material gesättigt ist oder der Innenraum überhitzt, kann die Lüftung aktiviert werden, um die Abkühlung zu beschleunigen. Das System kombiniert somit passive Materialreaktionen mit einfacher aktiver Steuerung.

Co-Design für ganzjährigen Innenraumkomfort im Leichtbau

Das Projekt wurde mittels eines computergestützten Co-Design Workflows entwickelt, in dem Form, Umweltbilanz, Tragverhalten, Fertigungsparameter und End-of-Life-Aspekte simultan berücksichtigt wurden. Iterativ wurde das System durch Umweltsimulation, Laborversuche und Lebenszyklusanalysen entwickelt und verfeinert.

Ein zentraler Bestandteil des Entwurfsprozesses war die Entwicklung der gedruckten inneren Geometrie. Die Wandstruktur basiert auf dreifach periodischen Minimalflächen (TPMS), die ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, strukturelle Steifigkeit sowie kontinuierliche Extrusionspfade für den 3D-Druck ermöglichen. Ihre zellulare Morphologie erzeugt geschlossene Hohlräume, die Phasenwechselmaterial aufnehmen können und gleichzeitig den Wärmeaustausch zwischen Luft und Material maximieren.

Computermodelle untersuchten das Verhalten der Wand in Bezug auf solare Einstrahlung, interne Wärmelasten und Lüftung. Diese wurden anschließend durch kontrollierte physische Experimente validiert, bei denen 3D-gedruckte Paneele mit konventionellen Leichtbauwänden sowie klassischen Trombe-Wänden aus Ziegel und Glas verglichen wurden.

Erste Ergebnisse zeigen, dass die 3D-gedruckte Trombe-Wand im Vergleich zu einer gleich großen, gedämmten Holzständerwand eine etwa 50 % geringere durchschnittliche Abweichung vom thermischen Komfortbereich aufweist. Dies deutet auf ein Potenzial zur Reduktion des HVAC-Bedarfs in frei betriebenen Leichtbaugebäuden hin, selbst ohne aktive Lüftung. Zukünftige Iterationen zielen darauf ab, Sensorik und prädiktive Algorithmen zu integrieren, um die Leistung zu überwachen und an Nutzung sowie Wetter anzupassen. Dadurch soll die Wand als selbstoptimierende Umweltschnittstelle und nicht lediglich als passive Fassade fungieren.

Großformat 3D-Druck und Multi-Material-Assemblierung

Der Prototyp ist als Multimaterial-Fassadensystem konzipiert, das robotische Fertigung mit Prinzipien der zirkulären Montage verbindet. Sein Kernelement ist ein halbtransparentes, großformatiges, 3D-gedrucktes Paneel aus recyceltem PETG (rPETG), dessen Geometrie darauf abgestimmt ist, die Absorption von Solarstrahlung zu maximieren und gleichzeitig einen kontrollierten Luftstrom durch seine innere Struktur zu ermöglichen. Das Paneel wird auf eine CNC-gefräste Holzgrundplatte gedruckt, die sowohl als präzises Fertigungssubstrat als auch als strukturelle Schnittstelle dient. Integrierte Nuten verbessern die Haftung während des Drucks, unterstützen die thermische Regulierung des Extrusionsprozesses und definieren Verbindungselemente und Montagepunkte vor.

Fertigung und Montage wurden ganzheitlich entwickelt, wobei Verbindungspunkte, Kabelführungen und Schnittstellendetails direkt in die Drucklogik eingebettet sind. Dadurch entsteht ein robuster und reproduzierbarer Workflow, der digitale Entwurfsparameter mit Materialverhalten und Fertigungsrestriktionen verknüpft und so Maßgenauigkeit sowie strukturelle Zuverlässigkeit im Gebäudemaßstab gewährleistet.

Das gedruckte Paneel wird mit einem Holzrahmen gefasst, der für Steifigkeit sorgt und als primäre Montageschnittstelle dient. Horizontale Konsolen oben und unten nehmen Lüftungskomponenten sowie Sensorinfrastruktur auf. Nach dem Trombe-Wand-Prinzip wird die Außenseite durch eine UV-geschützte Polycarbonatplatte geschlossen, die in handelsüblichen Aluminiumprofilen befestigt ist, den Druck schützt und gleichzeitig solare Wärmegewinne ermöglicht. Luftdichtheit und Dauerhaftigkeit werden durch mechanisch befestigte Pressdichtungen an allen rPETG-Holz-Schnittstellen erreicht, die thermische Ausdehnung aufnehmen und gleichzeitig den Einsatz von Klebstoffen vermeiden.

Die Montage folgt einer schichtweisen, vollständig reversiblen Logik. Nach dem Druck werden Pellets aus Phasenwechselmaterial (PCM) manuell in die Hohlräume des Paneels eingefüllt, und alle Komponenten – Polymer, Holz, Metall und PCM – werden mechanisch verbunden, sodass Demontage, Wartung und Materialtrennung möglich sind. Der fertige Demonstrator misst etwa 2,65 m in der Höhe, 1,28 m in der Breite und 0,32 m in der Tiefe und umfasst rund 139 kg rPETG sowie 130 kg PCM. Trotz seines im Vergleich zu konventionellen Mauerwerksystemen geringeren Gewichts erreicht die Fassade durch ihre große Oberfläche und die reaktive Materialkonfiguration eine vergleichbare Wärmespeicherkapazität.

Gebäudehüllen als reaktive Schnittstellen

Responsive Morphology versteht Fassaden nicht als statische Barrieren, sondern als aktive Vermittler zwischen Gebäude und Klima. Durch die Integration von Wärmespeicherung in ein rezyklierbares, 3D-gedrucktes Gitter und die Kombination mit einer einfachen Lüftungsstrategie demonstriert das Projekt ein leichtes Wandsystem, das passive und aktive Reaktionsfähigkeit vereint.

Experimentelle Messungen, die das System mit konventionellen Leichtbauwänden und traditionellen Trombe-Wänden vergleichen, zeigen ausgeglichenere Innenraumtemperaturverläufe – kühler während Hitzepeaks und wärmer in den frühen Morgenstunden – was auf ein Potenzial zur Reduzierung des Energiebedarfs für Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) in frei betriebenen Gebäuden hinweist.

Zukünftige Arbeiten werden die Integration von Sensorik und prädiktiven Steuerungsstrategien weiter vorantreiben, um das System an Nutzerverhalten und Wetterbedingungen anzupassen. Weitere Forschung wird sich zudem auf die Entwicklung vollständig biobasierter Phasenwechselmaterialien sowie auf digitale Zwillinge konzentrieren, um Fertigungsrestriktionen frühzeitig zu berücksichtigen und Druckparameter zu optimieren.

Insgesamt zeigt das Projekt, wie computergestützter Entwurf, reaktive Materialien und robotische Fertigung die Rolle thermischer Masse in der Leichtbauarchitektur neu definieren können und Gebäudehüllen ermöglichen, die aktiv zum Innenraumkomfort beitragen und gleichzeitig Materialeinsatz sowie Betriebsenergiebedarf reduzieren.

ICD Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung – Prof. Achim Menges

Ekin Sila Sahin

ICD/CA Abteilung für Computing in der Architektur, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung – Prof. Thomas Wortmann

Anni Dai

ITKE Institut für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen – Prof. Jan Knippers

Fabian Eidner, Edith Anahi Gonzalez, Dr.-Ing. Axel Körner

ITECH Integrative Technologies and Architectural Design Research

Nadine Aderhold, Muhamad Faiz Bashir Ahamed, Yu-Lun Chiu, Michał Deja, Hüseyin Düzenli, Farouk El Kihal, Juan David Frank, David Gallego, Jonas Gorges, Lianhan Huang, Hosung Jung, Wataru Kimura, Athina Kotrozou, Likhinya Kvs, Kai Jie Kwang, Stefan Lang, Jiuyuan Liu, Bryan Martino, Jonas Mertens, Til Müller, Jack Otto, Gary Papke, Nicolas Pousa, Pouria Shahhoseini Nia, Alfiia Shakurianova, Shaqayeq Tahavvori, Julien Todd, Guanyu Wang, Qu Wang

Mit Unterstützung von

CEAD B.V., BEC GmbH, TITK - Thuringian Institute for Textile and Plastics Research, Philip Duncan, Ronan Hayes, Michael Ilewicz, Rahul Mehendiratta, Michael Preisack, Katja Rinderspacher, Michael Schneider, Aaron Wagner, Christoph Zechmeister

School for Talents, Universität Stuttgart
Exzellenzcluster IntCDC Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für eine transformative Architektur
DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft