Ausgangpunkt des Projekts ist die Entwicklung einer Druckdüse für die Herstellung keramischer Hohlprofile anhand Prinzipien bisheriger Forschung zum hohlwandigen 3D Druck mit polymeren Werkstoffen und Beton (Eftekhar Olivo et al., 2025; Ramakrishnan et al., 2021, Leschok et al. 2024). Ein kreisförmiger Querschnitt erwies sich dabei als besonders geeignet für geometrisch komplexe Druckpfade, da dieser unabhängig von der Bewegungsrichtung des Druckers seine Geometrie behält.

Die Druckdüse besteht aus einem äußeren und inneren Segment, welche zugunsten erhöhter Stabilität punktuell verbunden werden. Es kann so eine rechnerisch ermittelte Materialersparnis von ca. 25% erzielt werden.

Vor dem Drucken eines funktionalen Moduls wurde die Düse anhand linearer Hohlprofile kalibriert. Dabei wurde das Verhältnis von Materialfluss und Druckgeschwindigkeit untersucht. Zu hoher Materialfluss führte zu Verformung des extrudierten Elements, während ein zu geringer Materialfluss Risse verursachte.

Durch diese initialen Tests konnten also nicht nur druck-fähige Parameter ermittelt werden, sondern auch die Anzeichen von Über- oder Unter-Extrusion wurden so erkennbar gemacht.

CoolCore ist ein S-förmiges, modulares Keramikelement, das aus dem entwickelten Hohlprofil-Druckverfahren hervorgeht. Die Geometrie wurde gezielt an die Anforderungen des keramischen Druckprozesses angepasst: Große Radien ermöglichen einen gleichmäßigen Materialfluss, während ein kontinuierlicher Druckpfad Unterbrechungen während des Druckens verhindert. Der Aufbau wurde aufgrund der begrenzten Stabilität des frischen Tons zudem auf fünf Schichten beschränkt.

Der innere Hohlraum reduziert Materialeinsatz und Gewicht und kann gleichzeitig zur Wasserführung genutzt werden. Die poröse Keramik nimmt Wasser auf und transportiert es durch Kapillarwirkung an die Oberfläche, wo es verdunstet und dabei Wärme entzieht (Gan et al., 2022; Fahy & Temel, 2022). Hohlraum und Porosität bilden damit die Grundlage für die klimatische Funktion von CoolCore.

Um die Übertragbarkeit der einzelnen Elemente auf ein architektonisches System zu untersuchen, wurde ein Demonstrator im Maßstab 1:1 entwickelt. Mehrere CoolCore-Elemente werden dabei über eine sekundäre Unterkonstruktion miteinander verbunden und durch ein integriertes Wasserverteilungssystem versorgt.

Der Aufbau untersucht damit neben der einzelnen Keramikeinheit auch deren konstruktive Verbindung und Wiederholbarkeit. Die notwendige Unterkonstruktion wird dabei möglichst zurückhaltend in das Gesamtsystem integriert.

In iterativen Druckversuchen wurden Druckgeschwindigkeit, Extrusionsrate, Druck und Düsenabstand aufeinander abgestimmt. Dabei wurden insbesondere Kontinuität des Strangs, Verformung, Schichthaftung, Genauigkeit und der Erhalt des Hohlraums bewertet und verfeinert.

Nach dem Druck wurden die Bauteile kontrolliert über einen Zeitraum von etwa sieben bis vierzehn Tagen getrocknet. Eine hohe Luftfeuchtigkeit, geringe Luftbewegung und möglichst konstante Temperaturen reduzierten dabei ungleichmäßiges Schwinden und Rissbildung. Während des Prozesses verloren die Elemente etwa 20 % ihres Ausgangsgewichts.

Anschließend erfolgte der Brand bei 900 °C. Die Temperatur wurde so gewählt, dass ein stabiler keramischer Körper entsteht, gleichzeitig aber ausreichend Porosität für Wasseraufnahme und Verdunstung erhalten bleibt.

Das physische Modell überführt die einzelnen gebrannten CoolCore-Module in eine zusammenhängende räumliche Struktur. Die Module werden über eine sekundäre Unterkonstruktion miteinander verbunden und an ein Wasserverteilungssystem angeschlossen.

Der Demonstrator dient dabei weniger als fertiger Fassadenprototyp, sondern als Funktions- und Konstruktionsmodell. Er zeigt, wie sich die einzelne Einheit wiederholen, befestigen und zu einer größeren klimatisch aktiven Fassadenschicht zusammenfügen lässt.

In zwei Experimenten, welche mithilfe eines Mess-Kits des Fachgebiets ITRA durchgeführt wurden, wurde das Potential der Verdunstungskühlung mit CoolCore bereits grundlegend validiert. Das erste Experiment untersuchte die Verdunstungskühlung des einzelnen CoolCore-Moduls. Ein wassergesättigtes Element wurde dabei über 120 Minuten einem trockenen Referenzobjekt gegenübergestellt. In 15-minütigen Intervallen wurden Oberflächentemperatur und Gewichtsverlust gemessen.

Die wassergesättigte Keramik zeigte dabei eine deutlich niedrigere Oberflächentemperatur als das trockene Vergleichselement. Gleichzeitig konnte über den Gewichtsverlust die Menge des verdunsteten Wassers und daraus die entsprechende Kühlleistung bestimmt werden. Das Experiment bestätigt damit grundsätzlich die Funktionsfähigkeit des Prinzips der evaporativen Kühlung.

Das zweite Experiment untersuchte die Wirkung von CoolCore auf eine Fassadenoberfläche. Verglichen wurden eine ungeschützte Fassadenfläche, eine durch ein trockenes Element verschattete Fläche und eine Fläche hinter einem wassergesättigten CoolCore-Modul.

Die Bauteile wurden etwa 3 cm vor der Fassade positioniert und die Oberflächentemperaturen über 120 Minuten erfasst. Dabei zeigte sich, dass bereits die Verschattung durch das Keramikelement die Fassadentemperatur reduziert. Das wassergesättigte Element erzielte darüber hinaus durch Verdunstung eine zusätzliche Abkühlung.

Für die architektonische Anwendung wird CoolCore als nachrüstbare, nichttragende Fassadenschicht gedacht. Vor bestehenden Gebäuden angeordnet, könnten die keramischen Module Verschattung und Verdunstungskühlung kombinieren und so insbesondere in hitzebelasteten urbanen Gebieten zur klimatischen Resilienz beitragen.

Damit entwickelt CoolCore die keramische 3D-Drucktechnik von einem reinen Fertigungsverfahren zu einem architektonischen System weiter, welches Materialeffizienz und passive Klimaregulierung miteinander verbindet.

• Eftekhar Olivo, N., Piccioni, V., Milano, F., Gramazio, F., Kohler, M., Schlueter, A., & Dillenburger, B. (2025). Thermal enhancement of hollow-core 3DP through nozzle design customization. Sustainable Materials and Technologies, 43, e01273. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2025.e01273
• Ramakrishnan, S., Muthukrishnan, S., Sanjayan, J., & Pasupathy, K. (2021). Concrete 3D printing of lightweight elements using hollow-core extrusion of filaments. Cement and Concrete Composites, 123, 104220. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104220
• Leschok, M., Piccioni, V., Lydon, G., Seshadri, B., Schlueter, A., Gramazio, F., Kohler, M., & Dillenburger, B. (2024). Thermal and manufacturing properties of hollow-core 3D-printed elements for lightweight facades. Developments in the Built Environment, 19, 100485. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2024.100485
• Gan, A. W. J., Guida, G., Kim, D., Shah, D., Youn, H. J., & Seibold, Z. (2022). Modulo Continuo—5-axis ceramic additive manufacturing applications for evaporative cooling facades modules. In B. Pak, G. Wurzer, and R. Stouffs (Eds.), Co-creating the future: Inclusion in and through design: Proceedings of the 40th eCAADe Conference (Vol. 1, pp. 47–55). Education and Research in Computer Aided Architectural Design in Europe. https://doi.org/10.52842/conf.ecaade.2022.1.047
• Fahy, L. J. S., & Temel, D. (2022). TerraCool: Urban oasis [Design project]. The Bartlett School of Architecture, University College London. https://fifteen2022.bartlettarchucl.com/dfm-2022/terracool-urban-oasis

Mein tiefster Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Oliver Tessmann, Dipl. Des. Max Eschenbach und M. Sc. Iyad Ghazal für ihre Unterstützung während des gesamten Arbeitsprozesses, insbesondere bei Visiten und technischen Fragen.

Besonderer Dank gilt außerdem Prof. Dr.-Ing. Christina Eisenbarth, Dr.-Ing. Alexander Wolf und M. Sc. David Wolf für ihre zusätzliche fachliche Expertise und Begleitung.

Zuletzt möchte ich M. Sc. Paulina Sołowiej dafür danken, dass sie mich während des gesamten Prozesses motiviert gehalten hat.