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Indirekt angefangen hat alles 2007 mit dem Heatwave Radiator der Abschlussarbeit von Joris Laarman an der Design Akademie in Eindhoven. Es ist – technisch gesehen – ein normaler, modular aufgebauter Heisswasserheizkörper, den man additiv zu einem größeren Heizkörper verbinden kann. Dieser lässt sich nicht nur an eine Wand montieren, sondern auch um Raumeckenführen. Laarman bezeichnet ihn aufgrund seiner floralen Form selber als "Rokoko- Heizkörper".
In seinem Schaffen wendet sich Laarman offensiv gegen die Maxime der Moderne, das Form der Funktion zu folgen habe und kreiert bewusst von Ornament überbordende Objekte. Mit dieser Haltung fiel bei ihm der damals aufkommende 3D- Druck mit dessen gestalterischen Möglichkeiten auf besonders fruchtbaren Boden: Er war mit der erste Designer überhaupt, der 3D- Druck zu seinem künstlerischen Sujet machte. Gleichwohl der Heatwave Radiator selber noch nicht ausgedruckt ist, kann er als dessen unmittelbarer Vorläufer bezeichnet werden.

Technik
Grundsätzlich unterteilt sich der 3D- Druck in das additive und das subtraktive Verfahren. Während bei dem subtraktiven Verfahren klassischerweise mit einem Laser oder mit einer robotergeführten Fräse Material aus einem Werkstoff weggenommen wird, wird in dem additiven Verfahren ein Werkstück mit einer computergesteuerten Düse aufgebaut.
Zu den etablierten Produkten zählen computergeschnittene Pappen im Modellbau (subtraktives Verfahren), der kunststoffbasierte 3D- Druck in kleinen Kammern sowie seit kurzer Zeit der 3D- Druck von ganzen Gebäuden mit dem Werkstoff Spritzbeton. Auf diese Weise wurde Anfang des Jahres 2021 im westfälischen Beckum das erste Wohnhaus auf deutschem Boden "ausgedruckt".
Die allgemein verbreiteten Kunststoffdruckverfahren bzw. mit Spritzbeton, wie bei dem Beckumer Projekt eingesetzt, arbeiten mit so genannten Gentry- Druckern: Dabei bewegt sich die materialgebende Spritzdüse auf einem Schlitten, der über ein entsprechendes Schienensystem in allen drei Dimensionen im Raum verfahren werden kann. Die so zu erstellenden Werkstückdimensionen sind durch die Arbeitsraumgrösse limitiert.
Alternativ zu diesem System besteht die Möglichkeit, sowohl die additiv arbeitende Düse, aber auch einen subtraktiv arbeitenden Laser oder eine Fräse an einem Roboterarm zu montieren. Damit entfällt der definierte Raum, das "bedruckbare" Volumen entspricht der Reichweite des Roboterarms – in der Regel ein Mass von rund 3,5 m. Montiert man darüber hinaus den Roboter auf einer Schiene, kann in einer Achse die realisierbare Werkstückdimension beliebig verlängert werden. So geschieht es derzeit beim "White- Tower- Projekt" der ETH Zürich, wo auf diese Weise mehrere Meter lange Säulen in einem Stück aus Beton gedruckt werden.

Druckverfahren bei Metallen
Auf diesen grundlegenden Prinzipien basiert auch das Drucken von Metallen, insbesondere das von Stahl. Denn auch das Lichtbogenschweissen ist im Grunde genommen ein additives Verfahren. Ein Schutzgasschweissgerät verfügt über eine Spitze, an die ein Schweissdraht herangeführt wird. Über einen energiereichen Lichtbogen wird ein kleiner Teil des Drahtes für Sekundenbruchteile verflüssigt und einem Werkstück in definierter Menge angefügt. Mit dem Schutzgas verhindert man eine unmittelbare Oxidation und steuert zudem die Erstarrungsdauer des aufgeschmolzenen Stahltropfens. Dessen Grösse kann man mathematisch ein definiertes Volumen zuweisen. So lassen sich mit dem Lichtbogenschweissen nicht nur bestehende Bleche real zu einem Bauteil verbinden, damit ist es auch möglich – sofern man den Schweisskopf nur präzise genug führt – ganze Werkstücke quasi aus dem Nichts zu erstellen, also "auszudrucken".

Brückenschlag der TU Darmstadt
Das Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik der TU Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange beschäftigt sich schon seit einigen Jahren mit diesem Verfahren. Dabei liegt deren Forschungsschwerpunkt auf einer robotisch erstellten Verbindung von konventionell gewalzten Stahlträgern, wie sie im Hallen- oder Brückenbau erforderlich sind. So hatte Fischer in seiner Doktorarbeit nachgewiesen, dass 63 % der Produktionszeit im Stahlbau auf das Erstellen von Anschlüssen und Knotenpunkten wie etwa Kopfplatten, Steife oder Fahnenbleche entfallen. Diese Arbeiten erfolgen durchweg manuell und sind zudem entsprechend fehleranfällig. [1] Insgesamt dauern die Forschungen an der TU Darmstadt zum 3D- Druck mit Metallen mehr als zehn Jahre an. Nach der Erstellung verschiedener kleinerer Demonstratoren, entschied sich im Herbst 2019 das Forschungsteam um Prof. Lange für den Ausdruck einer realen Brücke im 3D- Druckverfahren aus Stahl. Mit dem in zwei Monaten realisierten Objekt, das eine Spannweite von 2,80 m besitzt, wiesen die Wissenschafter zwei Dinge nach:
Zum einen, dass es auch mit Stahl möglich ist, "schräg" zu drucken, also nicht nur vertikal eine neue Schicht auf einer älteren zu platzieren, sondern dass man sich mit einem über fünf Achsen gesteuerten Roboterarm beim Stahldruck auch frei im Raum bewegen kann.
Zum anderen zeigten sie, dass so ein Brückenschlag auch über eine Wasserfläche hinweg erfolgen kann. Es ist nicht erforderlich, die Werkstücke in einem definierten Raum, wie einer Werkshalle, vorzuproduzieren. Obwohl die Darmstädter Brücke mit ihren Brückendimensionen eher bescheiden ist, wurde diese Ortsunabhängigkeit bislang nicht übertroffen.

Brücke für Amsterdam
Dies hervorzuheben, ist angesichts der diesjährigen Entwicklung bedeutsam: So wurde im Juli 2021 über die Oudezijds Achterburgwal, einer kleinen Gracht in der Amsterdamer Altstadt, eine kleine Fussgängerbrücke geschlagen, die von der Niederländischen Königin Maxima feierlich eingeweiht und der Öffentlichkeit übergeben wurde. Bei ihr handelt es sich eben nicht um die welterste im 3D- Druck- Verfahren erstellte Brücke, sondern "nur" um ein etwa doppelt so grosses Projekt, an dessen Design jedoch sichtbar Hand angelegt wurde.
Entworfen wurde diese Brücke von dem eingangs erwähnten Joris Laarman, der diese dann mit der Computerdruckfirma MX 3D realisiert hat, an der er eine Firmenbeteiligung hält.
Prof. Lange von der TU Darmstadt stellt zu der Brücke fest, dass diese in einer Werkshalle vorproduziert wurde. Sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Thilo Feucht ergänzt, dass die Amsterdamer Brücke für den Druck um 90° in die Senkrechte gedreht war, quasi hochkant auf der Seite stand und dann die Metalllagen horizontal aufeinander liegend aufgetragen wurden. Darüber hinaus besteht sie aus mehreren Bauteilen, die von bis zu sechs Robotern gleichzeitig ausgedruckt wurden. Die Brücke wurde in Einzelteile zur Baustelle transportiert und dort von Hand zusammenschweisst. In ihrer finalen Position verlaufen nun diese Schweisslagen senkrecht, was die Regenwasserdrainage begünstigt. Horizontale Rillen, in denen sich Staunässe bildet, gibt es keine.
Sowohl bei der Darmstädter wie auch bei der Amsterdamer Brücke wurde mit 1-3 mm eine ähnliche Schichthöhe der Schweisslagen gefahren, auch verzichtete man bei beiden Brücken auf eine glättende Nachbearbeitung der durch den Druck bedingten, strukturierten Oberfläche. Die Brücke über die Oudezijds Achterburgwal wurde zudem aus Edelstahl gedruckt, um sie unempfindlich gegenüber dem Wettergeschehen zu machen, die Darmstädter Brücke besteht hingegen aus dem handelsüblichen Schweissdraht G3Si1, der natürlich zur Korrosion neigt.

Materialforschung
Den Darmstädter Wissenschaftlern ging es primär darum zu zeigen, dass auch mit herkömmlichen Materialien ein Metalldruck möglich ist. Zwischenzeitlich konnten sie jedoch aufzeigen, dass mit G3Si1 gedruckte Werkstücke ein vergleichbares Elastizitätsmodul – wie etwa bei gewalztem Stahl – besitzen und Knotenverbindungen damit problemlos zu erstellen sind. Bei Edelstahl wurde hingegen dessen starke Neigung zur Orthotropie nachgewiesen, d.h. dass dessen Festigkeit in Druckrichtung deutlich höher als quer zu dieser ist.
Nach dem erfolgreichen Bau des Brückendemonstrators beschäftigte sich das Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik der TU Darmstadt mit zwei grundlegenden Themen:
Zum einen wollte man das Drucken von Metallen berechenbar machen, so dass entsprechende Prüfnachweise erstellt werden können, die für einen Prüfingenieur nachvollziehbar sind, und die von der Bauaufsicht anerkannt werden.
Zum anderen geht es um Oberflächen; sowohl bei der Darmstädter wie auch bei der Amsterdamer Brücke war gestalterisch eine strukturierte Oberfläche erwünscht. Es gibt aber auch Anwendungen, wo dies ein Nachteil ist. Bei zyklisch beanspruchten Bauteilen ist eine glatte Oberfläche relevant, um deren Materialermüdung vorzubeugen, da strukturierte Oberflächen zu einer Kerbwirkung beim Bauteil neigen.
Konkret geht es um eine robotische Nachbearbeitung mit Fräsaufsätzen. Statt dem Schweisskopf wird der Roboter mit einer Fräse bestückt. Diese Materialabtragung könnte man durchaus als weiteren, diesmal subtraktiven 3D- Druck bezeichnen. Ein Problem stellt hier die Druckungenauigkeit beim Lichtbogenschweissen dar, da es durch die unvermeidlichen, schnellen Temperaturwechsel zu Schweissverzügen kommt. Deshalb muss vor einer subtraktiven Nachbearbeitung das Werkstück mit einem 3D- Scanner eingemessen werden, da der reale Ausdruck nur bedingt dem virtuellen Computermodell entspricht. Und auf Basis dieser Realgeometrie wird dann individuell eine "passende", glatte Oberfläche gefräst.

Schutzgas ist nicht gleich Schutzgas
Unlängst hat sich das Darmstädter Institut auch mit dem Einfluss von Schutzgas beim 3D- Druck beschäftigt. Grundsätzlich wird hier das Edelgas Argon unter Zugabe unterschiedlich hoher Kohlendioxid- und Sauerstoffanteile verwendet. Handelsüblich ist ein etwas über 80 % liegender Anteil an Argon, der Rest ist ein zweistelliger Kohlendioxidwert und eine einstellige Sauerstoffbeimischung.
Diese Zusammensetzung hat sich beim Metalldruck als weniger effizient herausgestellt als ein Arbeiten mit hochprozentigen Edelgasmengen. Hintergrund ist, dass im entstehenden Schweissplasma, also bei 2.000-3.000°C auch das Kohlendioxid in seine Bestandteile aufgespalten wird. Es verbrennt dann ebenfalls und steigert damit noch einmal die Plasmatemperatur. Dieser Effekt verlängert wiederum die Zeitspanne, die für die Erstarrung des zuvor gesetzten Schweisspunktes erforderlich ist. Im Resultat druckt der Roboter deshalb langsamer. Hier gilt es abzuwägen, was wirtschaftlicher ist: Die schnellere robotische Fertigung oder das teurere Schutzgas.

Metalldruck mit Pulver
Neben dem oben beschriebenen WAAM- Verfahren (Wire Arc Additive Manufacturing) gibt es im 3D- Metalldruck eine laserbasierte Technologie, die auf der Verwendung von Metallpulver basiert. Hier schmilzt ein leistungsstarker Laser selektiv ein Pulverbett auf, während fortwährend eine Maschine weitere Schichten gleichmässig in diesen Arbeitsraum einbringt. Dieses Verfahren ist dem zu Anfang beschriebenen Gentry- Bereich zuzuordnen, prozesstechnisch ähnelt es dem 3D- Kunststoffdruck.
Tatsächlich existiert dieses Verfahren schon seit mehr als einer Dekade und wird vor allem durch die Automobilindustrie vorangetrieben. Der grosse Vorteil des Verfahrens ist eine bis in den Mikrometerbereich gehende Präzision, die mit dem WAAM- Verfahren unerreichbar ist. Für das Bauwesen nachteilig sind die vergleichbar geringen Verarbeitungsmengen. Während Prof. Lange den Druckausstoss bei dem schweissdrahtbasierten Verfahren auf 5-10 kg/h beziffert, schätzt er bei dem Metallpulververfahren eine Maximalmenge von 100 g/h. Als zweiten Faktor nennt er die exorbitanten Materialkosten. So wäre für das besonders feine, natürlich vollkommen entmagnetisierte Stahlpulver ein Preis von mehr 100 Euro/kg anzusetzen, wohingegen der handelsübliche Schweissdrahtpreis zwischen 1-2 Euro/kg liegt.

Fazit
Prof. Jörg Lange sieht das WAAM- Verfahren zum roboterbasierten Drucken im Bauwesen auf einem guten Weg, da er nachgewiesen hat, dass dieses eben nicht in Konkurrenz zu den klassischen Stahlbautrieben steht, sondern für diese eine interessante Option darstellt, um deren hohe Produktionskosten langfristig zu senken. Ein entsprechendes Feedback hat er von seinen Industriepartnern bereits erhalten.

Literatur
[1] Fischer, Rigbert, "Eine Untersuchung zur roboterbasierten Baugruppenfertigung im Stahlbau", 2014, Seiten 74-75.
Robert Mehl, Aachen