3D-printen van staal maakt schaalsprong

Gaat 3D-printen de stap maken van kleinere constructie-onderdelen zoals verbindingselementen naar grotere constructiedelen of zelfs complete constructies? Ja, antwoordt MX3D. Het Amsterdamse roboticabedrijf toont de haalbaarheid met een volwaardige, 3D-geprinte stalen brug. De brug, ontworpen door Joris Laarman Lab, wordt komende zomer geplaatst over de hoofdstedelijke Ouderzijds Achterburgwal.

Met de nieuwe brug wil MX3D vooral de opties van 3D-printen demonstreren. 3D-printen (of Additive Manufacturering in het algemeen) staat al bekend om de mogelijkheden van simulatie, modificatie en precisie bij het maken van producten. Daarnaast maakt 3D-printen de weg vrij naar geometrisch meer complexe constructies met bovendien een efficiënt materiaalgebruik.

De Amsterdamse brug – 12,5 m lang en 6,3 m breed – is 3D-geprint uit in totaal 4.500 kg. roestvast staal. WAAM (Wire Arc Additive Manufacturering) heet de toegepaste techniek. Hierbij wordt het product (constructiedeel) gemaakt door een lasrobot lasrupsen te laten leggen en stapelen. De neersmeltsnelheid is vergelijkbaar met ‘gewoon’ lassen en daarmee is WAAM een relatief snelle AM-techniek. De producten kunnen ook groter worden dan bij andere printtechnieken zoals SLM (Selectief Lasersmelten) en SLS (Selective Laser Sintering). De afmetingen zijn slechts afhankelijk van het werkbereik van de lasrobot.

Het aanvankelijke idee van MX3D was om vier, zesarmige lasrobots met een bereik van 3 m aan het werk te zetten op de eindlocatie van de brug, één paar op elke kant van de Amsterdamse gracht. De open lucht mist immers de limitaties van de traditionele constructiewerkplaats. Toch kreeg de grote productiehal van MX3D in Amsterdam de voorkeur vanwege de beter beheersbare omstandigheden. Ook de eerdere opzet van de constructie – een soort vakwerk – is gewijzigd omwille van het gewenste draagvermogen, belastingeisen en constructieve integriteit. De brug is nu opgebouwd uit twee, 3D-gebogen platen, aan de onderzijde bijeengehouden door een frame van buizen en dunne plaat. Dat alles in geprint roestvast staal. Het brugdek op het onderframe is een ‘traditionele’ dunne staalplaat.

De brug is in de MX3D-hal binnen zes maanden (tussen oktober 2017 en april 2018) met de vier robots geprint. De constructie in wording is voortdurend gemonitord en regelmatig getest op bijvoorbeeld belastbaarheid. Daaruit is onder meer de lering getrokken dat de uiteindelijke mechanische eigenschappen mede afhankelijk zijn van parameters als lassnelheid, lashoek en lasspanningen. Voor het verwijderen van lasspanningen is een warmte-nabehandeling nodig. Het oppervlak van het printwerk is vrij ruw. Ter bescherming tegen de weersinvloeden is een extra transparante coating aangebracht.

Het controleren en leren gaat door, ook als de brug straks in gebruik is. De conditie van de brug worden bewaakt via sensoren die de belastingen en mogelijke verplaatsingen en trillingen registreren. Ook meten ze belangrijke omgevingsfactoren zoals temperatuur en luchtkwaliteit. De gegeneerde data helpen mee om het gebruik van de brug te begrijpen (hoeveel mensen maken per keer de oversteek, hoe snel gaat dat). De gegevens worden ingevoerd in een ‘digitale tweeling’ van de brug: een dynamisch computermodel dat het gedrag en de prestaties van de echte brug nauwkeurig en ‘in realtime’ weergeeft. Dat levert weer waardevolle inzichten op voor het 3D-printen van staalconstructies in de toekomst.

MX3D staat er niet alleen voor in het innovatieproject. Partners in het project zijn Autodesk, Heijmans, ArcelorMittal en Joris Laarman Lab, het lab van de architect en een van de founding fathers van MX3D. Technische ondersteuning komt van onder meer ARUP als hoofdconstructeur, The Alan Turing Institute, Lloyd’s Register Foundation, Force Technologies, Air Liquide, ABB Robotics en Lenovo. Een van de publieke participanten is de gemeente Amsterdam dat MX3D contracteerde voor de vervanging van de bestaande brug over de gracht. Voor de 3D-geprinte opvolger stelde gemeente eenzelfde budget beschikbaar als voor een traditionele brug. Faro, STV, Oerlikon en Plymovent zijn bereid om eventuele extra euro’s te leveren.

• MX3D
• Foto’s: Thijs Wolzak, Adriaan de Groot, Olivier Gruijter, Joris Laarman Lab