Tensegrity-Turm-Bau mithilfe Additiver Fertigung

Die Formoptimierung der Knotenelemente ist eine neue Methode der Optimierung von belasteten Bauteilen. Diese wurde vom Lehrstuhl für Statik der TU München entwickelt. Je nach Bedarf kann Masse bei gleichbleibender Steifigkeit minimiert oder die Spannung optimiert werden. (Alle Bilder: TUM)

Ob Brücke, Hochhaus oder Lagerhalle – Bauwerke, deren Grundstruktur aus Aluminium oder Stahl besteht, brauchen Verbindungselemente, welche die verschiedenen Profile, Seile oder Bleche zusammenhalten. „Bisher werden solche Verbindungsknoten gefräst, geschweißt oder gegossen. Mit additiven Fertigungsverfahren könnte man wesentlich materialsparender arbeiten, doch der 3D-Druck hat sich im Metallbau noch nicht etabliert“, erklärt Florian Oberhaidinger vom Lehrstuhl für Metallbau der TUM. Im Projekt Tensegrity-Turm konnte der Ingenieur zusammen mit seinem Team zeigen, dass sich auch Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, mit Drucktechnik formoptimiert und ressourcenschonend fertigen lassen.

Der Ingenieur Florian Oberhaidinger vom Lehrstuhl für Metallbau der TUM konnte zusammen mit seinem Team im Projekt Tensegrity-Turm zeigen, dass sich Metall-Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, mit Drucktechnik formoptimiert und ressourcenschonend fertigen lassen.

Knoten müssen enormen Kräften standhalten

Der Begriff Tensegrity kommt aus dem Englischen und setzt sich zusammen aus „Tension“, Spannung, und „Integrity“, Zusammenhalt. Im Auftrag des Deutschen Museums entwarfen und fertigten die Forschenden einen fünf Meter hohen Turm aus Rohren und Seilen, der scheinbar schwerelos im Raum steht. Stabilisiert wird er nur durch die Spannung, unter der die Druck- und Zugelemente stehen. In einer solchen Konstruktion müssen die Verbindungsstücke, die Knoten, an denen die Seile und Rohre befestigt sind, enormen Kräften standhalten.

„Es war daher eine besondere Herausforderung, diese Verbindungsknoten zu designen und mit unserem 3D-Drucker zu fertigen“, erläutert der Projektleiter. Mit Hilfe von Computermodellen und Formfindungsmethoden wurde zunächst die Geometrie des Turmes ermittelt. Jeder Knotenpunkt musste dann unter Berücksichtigung dieser Geometrie entworfen, bemessen und formoptimiert werden. Durch die Formoptimierung, an der auch der TUM-Lehrstuhl für Statik beteiligt war, konnten die Ingenieure und Ingenieurinnen bis zu 28 Prozent Material einsparen.

Fertigung der Knotenelemente

Für die Herstellung der Knoten nutzten sie den 3D-Drucker des Lehrstuhls für Metallbau. Beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LPBF) wird eine dünne Aluminiumpulver-Schicht an den Stellen, an denen festes Material entstehen soll, durch einen Laserstrahl Punkt für Punkt erhitzt und verschmolzen. Dann folgt die nächste Schicht. Die Qualität des Werkstücks lässt sich dabei über die Laserleistung, Pulverschichtdicke, Scangeschwindigkeit und den Spurabstand steuern, erklärt Johannes Diller, der Spezialist im Team für Additive Fertigung: „Unser Ziel war es, mit einem minimalen Einsatz von Ressourcen ein leichtes Bauteil mit hoher Festigkeit und Dichte herzustellen.“ Messungen, die am TUM-Lehrstuhl für Metallbau durchgeführt wurden, haben bestätigt, dass die gedruckten Aluminiumknoten den Zugkräften und der dynamischen Belastung standhalten, denen sie im Tensegrity-Turm ausgesetzt sind. Mit dem Design, Druck und der anschließenden Prüfung der Bauteile haben die Forschenden der TUM die Grundlage geschaffen für weitere Entwicklungen. Die möglichen Anwendungen der Additiven Fertigung im Metallbau sind vielfältig – Verbindungen werden überall gebraucht, wo aus Stützen, Trägern und Seilen Brücken oder Gebäude konstruiert werden.