Am Mittwoch, dem 30. Oktober 2019, erreichten die Wissenschaftler des Forschungsprojektes «AM Bridge 2019» der TU Darmstadt einen Meilenstein: Den Schluss der ersten vor Ort additiv gefertigten Stahlbrücke. Möglich machte das die Cycle-Step-Variante des CMT-Schweissprozesses (Cold Metal Transfer) von Fronius Perfect Welding.
Der 3D-Druck hält bekanntlich zunehmend Einzug in die industrielle Fertigung. Im Bauwesen steckt er jedoch noch in der Experimentierphase. Das Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik (IFSW) der TU Darmstadt verfügt über zwei Schweissroboter, mit denen die Wissenschaftler verschiedene Möglichkeiten der additiven Fertigung im Stahlbau erforschen können. Angespornt durch eine niederländische Firma, die eine Brücke mithilfe von Robotern in einer Industriehalle baut, tüftelten die wissenschaftlichen Mitarbeiter Christopher Borg Costanzi, Maren Erven und Thilo Feucht an einem Konzept, das den auskragenden Brückendruck direkt über fliessendem Gewässer erlaubt. «Die bisher gedruckten Brücken wurden immer vertikal hergestellt, weil das flüssige Schweissgut sonst heruntertropft. Unser Verfahren erlaubt es dagegen, in der Schräge zu drucken», erklärt Thilo Feucht.
Bei der Suche nach einem geeigneten Prozess für den horizontalen Materialauftrag stiessen die drei Wissenschaftler auf die Variante CMT Cycle Step von Fronius. «Diese erlaubt den Forschern, nicht nur die Anzahl der Einzeltropfen, sondern auch die Pausenzeit zwischen den Schweisszyklen exakt zu steuern», erklärt Ingo Pfeiffer, Regionaler Vertriebsleiter bei Fronius Deutschland. Die Pausenzeiten sind gerade für das horizontale Auftragsschweissen wichtig, da sie jedem Schweisspunkt ausreichend Zeit zum Abkühlen geben. In Kombination mit dem aktiven Schutzgas – in diesem Fall eine Mischung aus Argon und CO2 – ist das Ergebnis eine wärmereduzierte Schweissraupe mit einem hohen Mass an Reproduzierbarkeit. Eingebunden ist der CMT Cycle Step in das WAAM-Verfahren (Wire + Arc Additive Manufacturing), bei dem die Drahtelektrode als Druckmaterial dient.
Mit diesem Verfahren lassen sich auch grosse Bauteile drucken. Die Brücke in Darmstadt hat eine Spannweite von rund 2,80 m. Sie ist im fertigen Zustand 1,50 m breit und wiegt etwa 220 kg. Theoretisch schafft es der Schweissroboter, die Brücke um einen Meter pro Woche wachsen zu lassen, wenn keine Probleme auftreten würden. «Doch die gehören dazu», erklärt Fachgebietsleiter Professor Dr.-Ing. Jörg Lange. «Es ist ja schliesslich Forschung. Würde alles klappen, wäre es Engineering.» Die Herausforderungen lagen unter anderem in den grossen Temperaturunterschieden, die zu einem Bauteilverzug führten, sowie in der Wahl der richtigen Schweissparameter.
Und das Ergebnis? Knapp drei Meter überspannt also das schalenförmige Forschungsmodell einen künstlich angelegten Wassergraben auf dem TU-Campus Lichtwiese. Theoretisch könnte man mit dieser Methode aber auch eine Stahlbrücke über einen Fluss drucken, sagt Feucht. Interessant für die Praxis sei aber der Aspekt, dass 3D-Druck Formen ermögliche, die im herkömmlichen Stahlbau bislang undenkbar sind. «Die Krümmung der Brücke aus einem Guss wäre mit herkömmlichen Verfahren der Stahlproduktion nicht möglich», sagt der Bauingenieur. Hier sieht auch Professor Jörg Lange Potential. Mit 3D-Druck werde man stark gekrümmte Stahlstrukturen künftig viel einfacher herstellen können. Dafür gebe es auch schon konkrete Anfragen aus der Baubranche.
Ob wirklich je einmal Stahlbrücken durch Roboter vor Ort gedruckt werden, ist aus heutiger Sicht nicht zu beantworten. Das Wissen aus diesem Forschungsvorhaben und die Erfahrung mit dem Schweissprozess von Fronius ermöglichen jedoch den zeitnahen Einsatz additiver Fertigungsverfahren im kleineren Rahmen, zum Beispiel zum Toleranzausgeich von Stahlbauteilen – direkt auf der Baustelle. (msc)
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