3D-gedruckte Stützmauer in Großbritannien installiert, komplett mit Sensoren und digitalem Zwilling

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So beeindruckend 3D-gedruckte Häuser auch sein mögen, das additive Bauen (AC) könnte weitaus größere Auswirkungen haben, die über den Bereich des Wohnens hinausgehen. Dies gilt insbesondere angesichts der Finanzierung der Technologie durch Gesetze wie dem Bipartisan Infrastructure Act sowie des allgemeinen Infrastrukturbedarfs angesichts extremer Wetterbedingungen, die durch die globale Erwärmung verschärft werden. Daher sind Projekte wie eine kürzlich von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich realisierte Stützmauer von besonderer Bedeutung.

Forscher aus Cambridge installierten in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Versarien eine Kopfwand mit eingebetteten Sensoren auf der Autobahn A30 in Cornwall. Diese Stützmauern bestehen typischerweise aus Betonfertigteilen mit Schalung und Stahlbewehrung. Mit AC war die Gruppe in der Lage, eine gebogene Hohlwand ohne Schalung und ohne Stahlverstärkung in 3D zu drucken, da die einzigartige Geometrie des Elements eine Selbstverstärkung ermöglicht. Die 2 m (6 Fuß 6 Zoll) hohe und 3 m (9 Fuß 9 Zoll) breite Wand wurde in nur einer Stunde mit einem Roboterarmdrucker im Hauptsitz von Versarien in Gloucestershire gedruckt.

Professor Abir Al-Tabbaa vom Department of Engineering hat in den letzten sechs Jahren Sensoren zur Überwachung des Zustands der Infrastruktur sowie selbstheilende Betonmaterialien entwickelt. In diesem Projekt integrierte das Team Sensoren in die Wand, die Wärme, Feuchtigkeit, Druck, Dehnung, elektrischen Widerstand und elektrochemisches Potenzial messen, was den Forschern Informationen über die Zuverlässigkeit, Robustheit, Genauigkeit und Langlebigkeit der Sensoren geben wird.

Beim Drucken in die Wand eingelassene Sensoren.

Zu den Geräten gehörte ein piezokeramischer Blei-Zirkonat-Titanat-Sensor (PZT) zur Messung der elektromechanischen Impedanzreaktion, um anzuzeigen, wie 3D-gedruckter Mörtel im Laufe der Zeit aushärtet und wie gesund die Gesamtstruktur ist. Acht davon wurden an verschiedenen Stellen des Drucks in den Wandschichten angebracht, um die Belastung und Dehnung während der gesamten Bau- und Nutzungsdauer zu verfolgen.

Darüber hinaus wurde ein LiDAR-System verwendet, um die Struktur zu scannen, während sie auf einen digitalen Zwilling der Wand gedruckt wurde. Ihr Team lieferte außerdem Sensoren zur Temperaturmessung während des Druckens, um potenzielle Hotspots, Temperaturgradienten oder Anomalien zu erkennen. Dies kann dann mit einem Wärmebildprofil abgeglichen werden, um das thermische Verhalten der Wand zu verstehen. Das Team entwickelte außerdem ein drahtloses Datenerfassungssystem zur Datenerfassung aus der Ferne.

„Da man für den 3D-Druck einen extrem schnell abbindenden Zement benötigt, entsteht auch enorm viel Hitze. Wir haben unsere Sensoren in die Wand eingebettet, um die Temperatur während des Baus zu messen, und jetzt erhalten wir Daten von ihnen, während die Wand vor Ort ist“, sagte Al-Tabbaa. „Wenn man die Wand digitalisiert, kann sie für sich selbst sprechen. Und wir können unsere Sensoren nutzen, um diese 3D-gedruckten Strukturen besser zu verstehen und ihre Akzeptanz in der Industrie zu beschleunigen. Dieses Projekt wird als lebendes Labor dienen und im Laufe seiner Lebensdauer wertvolle Daten generieren. Die Sensordaten und der „digitale Zwilling“ werden Infrastrukturfachleuten helfen, besser zu verstehen, wie der 3D-Druck genutzt und angepasst werden kann, um größere und komplexere zementbasierte Materialien für das strategische Straßennetz zu drucken.“

Während digitale Zwillinge für 3D-gedruckte Infrastrukturen erforscht wurden, müssen sie noch umfassend implementiert werden. Tatsächlich fällt mir als einziges Beispiel die 3D-gedruckte Metallbrücke von MX3D ein, die in Amsterdam installiert wurde. Allerdings würden wir bei Initiativen wie dem Förderprogramm „Advanced Digital Construction Management Systems“ des US-Verkehrsministeriums eine Reihe neuer Projekte erwarten, die im Vergleich zu dem, was die Universität Cambridge entwickelt hat, nicht nur in den USA, sondern auch in Europa vergeblich sein werden. China und auch Indien, wo AC-Unternehmen erhebliche Fortschritte machen.

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