Der 3D-Druck in großem Maßstab in Kombination mit digitaler Designtechnologie verändert die Form der gebauten Umwelt nachhaltig. Arup geht mit der ersten robotergedruckten Stahlbrücke ihrer Art für Amsterdam voran. Die Brücke, die im Rotlichtviertel der Stadt installiert werden soll, ist ein 12 Meter langes digitales Design-Meisterwerk mit geschwungenen, rohen Stahlgeländern, die über ihre Hightech-Herkunft hinwegtäuschen.

Die preisgekrönte Brücke, die vom niederländischen Technologie-Start-up MX3D zusammen mit den Designern von Joris Laarman Lab und einer Reihe von Mitarbeitern entwickelt wurde, gibt einen Einblick, wie computergestütztes Design in Verbindung mit modernster Roboterschweißtechnik die Städte der Zukunft gestalten könnte.

Digitales Design bringt Form und Funktion zusammen

Die vollständig in 3D gedruckte MX3D-Brücke aus rostfreiem Stahl ist der Höhepunkt eines lang gehegten Traums: die Verbindung von traditionellem Stahlbau und fortschrittlicher digitaler Modellierung zu einem inspirierenden, strukturell soliden Stück öffentlicher städtischer Infrastruktur. Durch die Zusammenarbeit von Computergestaltung und 3D-Druck konnte der Entwurfs- und Produktionsprozess rationalisiert werden, was den Designern eine größere Freiheit bei der Formgebung und eine erhebliche Verkürzung der Lieferzeiten ermöglichte.

Mit Arup als federführendem Statiker entwickelte MX3D eine intelligente Software, die Schweißgeräte in 3D-Druckroboter verwandelte, die eine voll funktionsfähige Stahlbrücke herstellen konnten. Die fortschrittliche parametrische Entwurfsmodellierung - ein Werkzeug, mit dem Designer neue Formen mithilfe von Code erforschen können - ermöglichte es unseren Ingenieuren, den ersten Entwurfsprozess erheblich zu beschleunigen. Da die Software in der Lage ist, in schneller Folge Iterationen zu erstellen, um einen optimalen Entwurf zu erreichen, bietet das System die beste Lösung im Vergleich zu einer Reihe von Benchmarks.

Das Team wich von dem traditionellen monolithischen U-förmigen Brückenkonzept ab und führte umfangreiche Iterationen durch, um rasch mehrere Entwurfsstufen zu durchlaufen. Die endgültige, organischere, S-förmige Brücke verbindet strukturelle Integrität und Funktionalität, ohne die ästhetische Relevanz zu beeinträchtigen.

Digital simulation of the MX3D bridge
Das Team führte digitale Simulationen der Brücke durch, bis es eine optimale Form gefunden hatte.

Entwerfen durch Experimentieren: digital gesteuerter Designprozess testet neue Grenzen

MX3D geht über seine öffentliche Funktion als Fußgängerbrücke über den Oudezijds Achterburgwal-Kanal hinaus und dient als Beweis dafür, wie digitale Designwerkzeuge und 3D-Druck die gebaute Umwelt für immer verändern können. Als Objekt für den öffentlichen Gebrauch wollte Joris Laarman, dass MX3D ein revolutionäres Kunstwerk ist, das die rationale Gestaltungsfreiheit, die der 3D-Druck für groß angelegte Infrastrukturen bietet, voll ausschöpft.

Die parametrische Designmodellierung war die perfekte Lösung für diesen grenzüberschreitenden Designprozess. Das Team arbeitete mit Grasshopper und Karamba, einem Werkzeug für Designer zur Erforschung neuer Formen unter Verwendung generativer Algorithmen (Software für grafische Algorithmen) für das 3D-Modellierungswerkzeug Rhino, um das Design zu verfeinern. Das Programm arbeitet mit aufeinanderfolgenden Design-Iterationen unter einer gegebenen Reihe von Parametern, die von einer anfänglichen Testform zur optimalen oder endgültigen Form führen.

Zusätzliche Software kann dem Modell genaue Materialeigenschaften zuweisen und ermöglicht so umfangreiche Tests, wie z. B. eine Lastpfadanalyse, noch bevor die endgültige Brücke gebaut wird. Das Team führte digitale Simulationen der Brücke durch und entfernte überschüssiges Material, indem es strukturelle Berechnungen mit geometrischen Manipulationen mischte und dem Algorithmus beibrachte, zu erkennen, welche Teile der Brücke weniger wichtig sind.

Dank wiederholter Tests war es möglich, über die kodifizierten Materialien hinaus zu entwerfen: Die Ergebnisse der Materialtests im Labor, die Ergebnisse der Strukturelementtests und die Ergebnisse der endgültigen Tests in Originalgröße dienten den Ingenieuren als Grundlage für den Entwurf. Die Testsequenz fließt in die strukturelle Bewertung ein und ermöglicht es den Ingenieuren, die Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Brücke zu überprüfen.

Der 3D-Druck wird erwachsen: Druck großformatiger städtischer Objekte

Nachdem das Team zu einem endgültigen Entwurf gelangt war, ging es in die Produktionsphase über. Einer der ersten Schritte war das Verständnis der Materialeigenschaften: Das Material und die mechanischen Eigenschaften des selbsttragenden 3D-Druck-Stahls unterscheiden sich von denen des normalen Stahls. Um dies zu berücksichtigen, führte das Team mehrere Tests durch, u. a. zur Belastbarkeit, um sicherzustellen, dass das strukturelle Verhalten der Brücke den Sicherheitsanforderungen entspricht und die Leistungsfähigkeit des neuen 3D-Druckstahls bestätigt.

Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Teilen direkt aus einem digitalen Modell, bei dem Schicht für Schicht ein Material aufgebaut wird. Diese neue, hochpräzise Technik bietet Designern und Ingenieuren gleichermaßen Möglichkeiten und architektonische Freiheit, während gleichzeitig die Menge des verwendeten und verschwendeten Materials reduziert werden kann. Der Druck begann im März 2017 und die fertige Brücke wurde im Oktober 2018 auf der Dutch Design Week ausgestellt.

Der Entwurf war bei weitem eine der anspruchsvollsten Aufgaben im Rahmen des MX3D-Brückenprojekts. Wir haben uns für die Zusammenarbeit mit Arup entschieden, da deren Erfahrung mit innovativen Projekten und generativem Design für das Projekt entscheidend war. Unsere Zusammenarbeit wurde sogar noch intensiver, als wir erwartet hatten. Jetzt spielt Arup eine Schlüsselrolle bei der Mitentwicklung der Entwurfsmethode für unser Metall-3D-Druckverfahren.

Gijs van der Velden

Geschäftsführer von MX3D

MX3d Bridge printing video still
In diesem Video sehen Sie, wie die Brücke zum Leben erweckt wurde.

Digitaler Zwilling: Datensensoren zur Leistungsüberwachung

Die Brücke wird mit einem Sensornetzwerk ausgestattet, um Daten zu sammeln, die zum Aufbau eines digitalen Zwillings zur Überwachung des Zustands der Brücke verwendet werden. Der digitale Zwilling wird die Leistung unter verschiedenen Umweltbedingungen und wechselnden dynamischen Belastungen verfolgen, einschließlich der Verfolgung der Nutzung durch Fußgänger, der Überprüfung von Korrosion oder der Untersuchung von Durchbiegung und Stützkräften, was die weitere Entwicklung einer datenzentrierten Entwurfssprache ermöglicht.

Partnerschaftliche Zusammenarbeit: der Schlüssel zur Innovation in der gebauten Umwelt

Um das Projekt zum Leben zu erwecken, hat MX3D eine innovative Zusammenarbeit mit einer großen Gruppe von Partnern ins Leben gerufen, die ihr Fachwissen in verschiedenen Bereichen wie Software, Hardware, Konstruktion und Schweißen miteinander verbinden. Dazu gehören Autodesk, ArcelorMittal, Arup, Force Technology, Imperial College London, Air Liquide, ABB Robotics, Heijmans, Lenovo und die Lloyds Register Foundation.

Zu den öffentlichen Partnern gehören die TU Delft, das AMS-Institut (Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Studies) und die Stadtverwaltung von Amsterdam. Auf der Sponsorenseite stehen STV, Oerlikon, FARO und Plymovent, während das Besucherzentrum durch den VSB-Fonds unterstützt wird.

Printing process of the 3D bridge. Credit: Olivier de Gruijter
Das 3D-Druckverfahren der Brücke. © Olivier de Gruijter
MX3D printed steel bridge. Credit: Thea vd Heuvel
Der Druck begann im März 2017 und die fertige Brücke wurde im Oktober 2018 auf der Dutch Design Week ausgestellt.
Partner und Kollaborateure

Autodesk / ArcelorMittal / Force Technology / Imperial College London / Air Liquide / ABB Robotics / Heijmans / Lenovo / Lloyds Register Foundation / TU Delft / AMS Institute / Stadtverwaltung von Amsterdam