Welch ungewöhnliche Bauprojekte mit dem 3D-Druckverfahren realisiert werden können, zeigt derzeit ein Vorhaben in Amsterdam: Hier ensteht bis Ende 2019 die weltweit erste komplett 3D-gedruckte Brücke aus Edelstahl. Das ausführende Unternehmen MX3D verfolgt damit eine klare Zielsetzung: die Vorteile des 3D-Metalldrucks in neue Branchen einzuführen.
Durch den Prozess der additiven Fertigung mithilfe von Schweißtechnologie, Roboterarmen und Computer-Konstruktionssoftware weitet das junge niederländische Unternehmen die Nutzung des 3D-Drucks somit auf reale Praxiseinsätze bei Gebäudebeständen aus. Nach Fertigstellung wird die Brücke über den Oudezijds Achterburgwal, einen der ältesten und berühmtesten Kanäle in Amsterdam führen.
Präzise Messungen mithilfe von Laserscans
Bis die Brücke realisiert werden konnte, war es allerdings ein langer Weg. Hier setzte das Unternehmen MX3D auf starke Partner – u.a. auf Faro, Spezialist für 3D-Messtechnik. Denn die Brücke und ihr Standort wurden während der Herstellung kontinuierlich mit Laserscannernvon Faro („Faro FocusS 350“ / „Faro ScanArm“) vermessen. Die „Faro BuildIT Construction-Software“ wiederum half bei der Überprüfung, ob die Brücke gemäß dem 3D-Konstruktionsmodell erstellt wurde.
In vielen Fällen zeigen Baustellenvermessungen die Unterschiede auf, die zwischen Konstruktionszeichnung bzw. -modell und den Gegebenheiten in der „echten“ Welt bestehen – so auch bei diesem Projekt.
Trotz aller technologischen Fortschritte wurde der endgültige Standort der Brücke erst ziemlich spät im Konstruktionsprozess festgelegt und eine Laservermessung durchgeführt. Dabei zeigten die hochdetaillierten 3D-Scans, dass die Brückenköpfe nicht hundertprozentig parallel waren.
Anstatt das ursprüngliche Mauerwerk anzupassen, entschlossen sich die Projektbeteiligten, die Brückenkonstruktion an den asymmetrischen Grundriss anzugleichen. Damit fügt sich die Form der Brücke behutsam in den bestehenden Kontext ein – ein Resultat aus dem Zusammenspiel zwischen Technologie und Designethos.
Kontinuierliche Prüfung während der Fertigung
Die Stichproben während des Fertigungsprozesses wurden von der Steel Structures Research Group des Imperial College ICL in London unter der Führung von Professor Leroy Gardner und Dr. Craig Buchanan durchgeführt.
Deren Zielsetzung ist es, die Funktionseigenschaften und das Strukturverhalten des gedruckten Materials zu bestimmen. Der Großteil der Brücke wurde in ihrer ursprünglichen Ausführung belassen – der Aufbau von Schichten aus geschweißtem Material wurde lediglich von losem Fertigungsmaterial befreit. Für das ICL bestand die Herausforderung darin, die wellenförmige Oberflächentopographie genau zu vermessen und gleichzeitig Stärken, Flächen, Durchmesser und Volumen zu erfassen.
Bei einer Reihe von kleinen Platten und kleinen zu messenden Querschnitten setzte Dr. Buchanan auf das Röntgenscannen. Dies erwies sich jedoch aufgrund der Dicke des Materials als unpraktisch. Dann stieß er auf den „Faro ScanArm“. Buchanan erklärt: „Ohne das Gerät wäre die Aufgabe schlicht nicht lösbar gewesen. Die einzige durchführbare Messmethode für die Muster war der Einsatz des Faro ScanArms.“
Nach der Vermessung nahm das ICL-Team zerstörende Prüfungen vor, die dann in das Computermodell einflossen, welches mithilfe der FARO ScanArm-Daten generiert wurde. Bei der anschließenden Analyse wurden Materialeigenschaften und Bruchlasten bestimmt.
Obwohl noch weitere Tests durchgeführt werden, sehen die ersten Ergebnisse vielversprechend aus. Buchanan kommentiert dazu, dass „das prognostizierte Verhalten mit dem getesteten Verhalten ziemlich genau übereinstimmt“.
Im November 2017 besuchte das ICL-Team Amsterdam, um weitere Lasttests durchzuführen, und kehrte nach Abschluss der laufenden Prüfungen zurück. Laut Buchanan „haben wir seit Beginn unserer Arbeit mit dem ScanArm in London festgestellt, dass wir ohne das Gerät einfach nicht die jetzige Genauigkeit erreicht hätten und wir viele Annahmen hätten einfließen lassen, was nicht ideal ist“.
Eine weitere wichtige Aufgabe war es, die Brücke kontinuierlich während der Herstellung zu messen. Auch hier wurden Laserscanning-Methoden angewendet. Die „Faro BuildIT Construction-Software“ half bei der Überprüfung, ob die Brücke gemäß dem 3D-Konstruktionsmodell erstellt wurde. Die Daten bilden das Computeranalysemodell, das während der Nutzungsdauer als digitaler Zwilling der physikalischen Brücke fungiert.
„A smarter Bridge“
Laut Tristan Randall vom Projektpartner Autodesk ist „dieses Projekt eine großartige Demonstration, wie man unterschiedliche Bereiche digitaler Bearbeitung zusammenbringen kann, um ungeahntes Potenzial aus dem Designprozess, dem Einsatz und der Datenanalyse zu entfalten.“ Angesichts dieses Neulandes – zumindest im Hinblick auf die Welt des Bauens – sehen MX3D und ihr engagiertes Expertenteam das Design und die Herstellung der Brücke auf einer Stufe, die sie „a Smarter Bridge“ nennen.
Das Expertenkonsortium, bestehend unter anderem aus Mathematikern und IoT-Spezialisten, entwickelt ein Netzwerk aus intelligenten Sensoren zur Echtzeitüberwachung der Brückenaktivität und des Brückenverhaltens. Das Alan Turing Institute verfolgt einen datenorientierten Ansatz und vergleicht das Echtzeit-Strukturverhalten mit dem Computermodell. Der IoT-Ansatz bei der Aufzeichnung des Verhaltens der Brücke in mehreren unterschiedlichen Szenarien wird zu einem sehr umfangreichen Datensatz führen. Das ermöglicht wertvolle Einblicke in die Welt der Brückenkonstruktion und schafft letztlich eine Datenbasis, die bei ähnlichen künftigen Projekten sehr wertvoll sein kann.
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