3D-gedruckte Brücke auf der Lichtwiese

Ein Blick in die Zukunft der Stahlbaufertigung

30.10.2019

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Forschungsprojekts „AM Bridge 2019“ der TU Darmstadt revolutionieren den Stahlbau. Ihr Ziel: Eine 3D-gedruckte Brücke aus Stahl über fließendem Wasser. Das Demonstrationsprojekt auf dem Gelände des Fachbereichs Bau- und Umweltingenieurwissenschaften an der Lichtwiese ist nunmehr fertig gestellt.

Ganz neu ist die Idee, eine Brücke im 3D-Druck herzustellen, nicht. In den Niederlanden wird derzeit ebenfalls eine Stahlbrücke im Additiven Verfahren gedruckt. Dort fertigt die Firma MX3D die Brücke mithilfe von mehreren Robotern in einer Industriehalle. Das TU-Projekt ist dennoch herausragend. „Die bisher gedruckten Brücken wurden immer vertikal hergestellt, weil das flüssige Schweißgut sonst heruntertropft“, erklärt Thilo Feucht, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik (IFSW). „Unser Verfahren erlaubt es, im Schrägen zu drucken. Das Schweißgut bleibt trotzdem an seinem Platz.“

Das IFSW der TU Darmstadt verfügt über zwei Schweißroboter, mit denen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen verschiedene Möglichkeiten einer Anwendung der Additiven Fertigung im Stahlbau erforschen. Für das Projekt AM Bridge 2019 haben die Forschenden Christopher Borg Costanzi, Maren Erven und Thilo Feucht ihre Kompetenzen aus den Bereichen Additive Fertigung im Bauwesen sowie 3D-Druck mit Stahl zusammengebracht. Den Ausschlag, eine Brücke aus Stahl zu drucken, gab ein Besuch beim Team von MX3D in Amsterdam.

Der Plan: Eine komplette Brücke über Wasser schweißen

Doch die Darmstädter wollten mehr: Statt einzelne Bauteile zu drucken, haben die Roboter die Brücke im Ganzen, vor Ort und über Wasser geschweißt. Mithilfe des Schweiß-Verfahren „CMT Cycle Step“ wurde die Idee realisiert. Das Besondere daran: Schweißpunkte können in beliebiger Größe hergestellt und präzise reproduziert werden. Damit lässt sich die Höhe und Dicke der Schweißnaht genau festlegen. Außerdem können die Pausenzeiten zwischen den Zyklen gewählt werden – jeder Schweißpunkt bekommt so ausreichend Zeit, abzukühlen und fest zu werden.

Und genau dieses besondere Verfahren erlaubte es, die Stahlbrücke an ihrem Standort auf der Lichtwiese zu drucken. „Das Unternehmen MX3D hat mit einer Brücke ein sehr künstlerisches Bauwerk geschaffen. Was ihnen aber nicht gelungen ist: Von zwei Seiten mit Robotern über Wasser zu bauen. Das leistete jetzt unser Team“, freut sich Professor Ulrich Knaack vom Institut für Statik und Konstruktion, Fachgebiet Fassadentechnik.

„Bei allen bisherigen Projekten, auch dem in Amsterdam, wurden Brückenteile in Fertigungshallen produziert, zusammengesetzt und dann zum Standort gebracht“, ergänzt Professor Jörg Lange vom IFSW. „Das Besondere unserer Brücke ist, dass es weltweit die erste Brücke ist, die direkt an Ort und Stelle vom Drucker hergestellt wurde. Über fließendem Wasser.“

Video: 3D-gedruckte Brücke aus Stahl

Verfahren „Wire + Arc Additive Manufacturing“

Das Verfahren, das die Darmstädter Wissenschaftler anwenden, ist das sogenannte „Wire + Arc Additive Manufacturing“ (WAAM). Es eignet sich besonders gut für den Stahlbau und ist dem Metallschutzgasschweißen ähnlich. Die Drahtelektrode, genauer gesagt das Schweißgut, dient hierbei als Druckmaterial. Mit diesem Verfahren lassen sich auch große Bauteile schichtweise herstellen.

Der 3D-Druck ist aktuell eine der spannendsten Technologien. Da bei der Herstellung kaum Abfall entsteht, können Bauteile material- und ressourcenschonend produziert werden. Außerdem lassen sich auch komplizierte Formen erstellen. In der Forschung sind die Themen 3D-Druck und Additive Fertigung derzeit äußert präsent, die Technologie schreitet rasant voran.

Ich finde es inspirierend, unser Projekt an einem Gewässer umzusetzen. Es lädt uns Ingenieure und Ingenieurinnen zum Träumen ein: Man könnte das Ganze mit größeren Spannweiten machen. Mit einem Roboter, der am Ufer mitwandert und druckt. Das ist doch faszinierend! Und so kommen wir dem Bauen in der Zukunft ein ganzes Stück näher.

Thilo Feucht, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik