3D printet stålbro viser mulighederne i spirende produktionsteknologi - alle slags eksperter vil være med

Illustration: MX3D

Verdens første bro af 100 % svejset stål spænder langt om længe over en af Amsterdams emblematiske kanaler.

Broen er udviklet af et hav af forskellige samarbejdspartnere - blandt andre Force Technology, som hurtigt lagde billet ind på at få udstyret broen med et avanceret netværk af måleudstyr.

Eric Putman, afdelingschef ved Force Technology, forklarer til Ingeniøren, at selve måleudstyret, som har indsamlet data til broens digitale tvilling, ikke er teknologiske landvindinger i sig selv, men at standardudstyret – sat op i det rigtige system - kan give os et indblik i broens kringlede struktur. Ud fra måleudstyrets indsamlede data har forskere fra blandt andet Imperial College i London lavet en digital tvilling af broen.

»Vi observerer broen på en masse forskellige parametre, fordi det er første gang, vi skal måle på en bro, som udelukkende består af svejset metal. Det betyder at vi får rigtig meget data fra broen, og særligt de strain gauges (se forklaring i boks), som sidder under broen og langs med rækværket, har vist sig værdifulde”, siger Eric Putnam.

Digital tvilling

En af de helt store udfordringer i tilblivelsen af broen var dens geometriske kompleksitet. Broen skal ifølge Eric Putnam ses som en samlet enhed, selvom den er produktet af titusindvis af svejsninger.

Der var, før projektets start, ingen fastlagte regnemetoder for broer med så kompliceret en struktur.

»Vi kan endnu ikke nødvendigvis forudsige broens respons på belastning eller miljømæssige forandringer som temperaturskift uden et netværk af sensorer. Der er ingen rektangler på den her bro,« siger Eric Putnam og uddyber:
»Broen har sådan nogle flydende, strukturelle linjer, så reaktionen på en fodgænger, der krydser broen, er ikke ligefrem lineær. Det er derfor, vi har valgt at måle på broens tre akser med strain gauges, som også har hjulpet os med at lave den digitale tvilling af broen«.

Det indsamlede data bliver behandlet af flere forskellige forskere og forskningsgrupper, blandt andre professor Mark Girolami ved Alan Turing Instituttet.

Han udtalte til Imperial College i London, som i øvrigt også er med til at indsamle og behandle data fra broen, at også han ser synergien mellem 3D-print og den digitale tvilling-teknologi som en særligt accelererende kraft bag additive manufacturing-teknologien.

3D-tvillingen bliver mere og mere præcis, des mere data sensorerne indsamler. Disse data kan efterfølgende krydses med de beregningsmodeller, der bruges i Metal Additive Manufacturing (MAM), for at komme tættere på en forståelse af, hvordan en så sammensvejset enhed i virkeligheden opfører sig.

Broens digitale tvilling kommer til at danne grobund for undersøgelser, som vil gøre fremtidige MAM-processer mindre tidskrævende og mere præcise. Illustration: Imperial College, London

Mark Girolami forklarer videre til Imperial College, at en dybere forståelse af den mere organiske geometri kommer til at optimere designprocessen, så de miljø- og prismæssige omkostninger vil falde. Allerede i 2018 viste det sig, at MAM-teknologien kunne fremstille nogle flydele for 78 % mindre råmateriale end traditionelle fremstillingsmetoder kunne.

Trækker på alle discipliner

Selvom broen egentlig skulle have været indviet i vinteren 2018, måtte samarbejdspartnerne bag projektet vente næsten tre år, før en renovering af kanalerne i Red Light District var gennemført, så broens installering kunne få grønt lys fra myndighederne.

Selvom både broen og sensornetværket egentlig var klar til start i 2018, var ventetiden ifølge Chris Putnam, afdelingschef ved Force Technology, ikke helt spildt.

De fik mulighed for at koble yderligere samarbejdspartnere på projektet, som kunne hjælpe med den interdisciplinære udvikling af projektet.

Force Technology arbejdede i de sidste tre år særligt sammen med det hollandske universitetet i Twente for at udvide og effektivisere sensornetværket, men også fysikere, kemikere, materialeeksperter, datascienceeksperter, metallurgiske eksperter samt elektriske og mekaniske ingeniører melder sig løbende til projektet.

Gas, metal, tungsten og plasma

Teknologien bag selve produktionen af broen kaldes WAAM, et akronym som står for Wire Arc Additive Manufacturing.

WAAM er en såkaldt Directed Energy Deposition-teknologi, som ved hjælp af software, robotarme og roterende ”arbejdsborde” kan gøre brug af forskellige aflejrings-instrumenter – robotarmen kan eksempelvis udstyres med et svejseapparat, som den hollandske virksomhed MX3D gjorde for at fremstille broen i Amsterdam.

MX3D brugte 6-aksede ABB IRB robotarme og en 2-akset positioneringsplade til at fremstille broen. De har udviklet deres eget software, som skal hjælpe med at automatisere design- og fremstillingsprocessen.

Alt efter hvilket metal, der svejses med, og hvilken komponent, der skal fremstilles, vælger producenten, om robotarmen skal udstyres til at svejse med metal, tungsten, laser eller plasma.

Idéen til broen stammer fra designvirksomheden Joris Laarman Lab, der blandt andet arbejder med topologi-optimering - altså kunsten at designe konstruktioner med det absolutte minimum af materialer.

Joris Laarman Lab havde udviklet en 3D-printer, der printede med resin. I modsætning til de gantry-printere, der i dag sælges til såvel amatører som professionelle, var hollændernes printer dybest set en avanceret limpistol placeret på en robotarm. Men de ville gerne printe af mere solide materialer, så limpistolen blev skiftet ud med et svejseapparat, så robotten kunne printe med forskellige metaller som kobber, aluminium, bronze, stål og rustfrit stål.

Ved at printe tynde lag af gangen, kan man printe eksempelvis dobbeltkrumme strukturer uden understøtninger, fordi printet bærer sig selv. Vertikale, horisontale eller snoede print kræver, at svejserobottens parametre sættes forskelligt. Det gælder for eksempel puls-tider, pauser, lagtykkelse og værktøjets orientering.

**rettelse 06/08/2021: Force Technology arbejdede sammen med universitetet i Twente, Holland - ikke Trento, Italien.