Von Forschern, die Brücken drucken

Der 3D-Druck ist aktuell eine der spannendsten Technologien und hält 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 mithilfe von Robotern eine Brücke in einer Industriehalle baut, tüftelten die wissenschaftlichen Mitarbeiter Christopher Borg Costanzi, Maren Erven und Thilo Feucht an einem Konzept, das den Druck auskragender Brücken direkt über fliessendem Gewässer erlaubt. «Die bisher gedruckten Brücken wurden immer vertikal hergestellt, weil das flüssige Schweissgut sonst heruntertropft. Unser Verfahren erlaubt es dagegen, im Schrägen zu drucken», erklärt Thilo Feucht.

Steuerbare Pausenzeit zwischen  den Schweisszyklen
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.

Temperaturunterschiede führen zu Verzug
Die Brücke in Darmstadt hat eine Spannweite von etwa 2,80 Metern. Sie wird im fertigen Zustand 1,50 Meter breit sein und rund 220 Kilogramm wiegen. Theoretisch schafft 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 zum Bauteilverzug führten, sowie in der Wahl der richtigen Schweissparameter.