Über 2 km Kunststoff-Filament: Schweizer Hochschule überprüft Hochwasserschutz anhand eines komplexe 3D-Druck-Modells

 10. April 2018  Andreas Krämer  

Wer nahe der Massaschlucht am schönen Aletsch in der Schweiz lebt, wird von einer Talsperre geschützt. Ein Untersuchungsteam der Hochschule Rapperswil und des IBU Instituts für Bau und Umwelt überprüft nun anhand eines Modells aus dem 3D-Drucker, was passiert, wenn es doch zu einer Überflutung käme. Das Modell wurde sehr präzise nachgebaut, nicht ein Detail wurde ausgelassen. Dafür wurden 2,4 km Filament und 1200 Druckstunden benötigt. Im Vergleich zu bisherigen Herstellungsverfahren solcher Modelle war der 3D-Druck deutlich kostengünstiger und die Umsetzung flexibler und schneller.

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Die Schweizer Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) hat mit einem 3D-Drucker einen Hochwasserschutz entwickelt, der aus 104 3D-gedruckten Bauteilen und etlichen Schrauben besteht. Nachgebaut wurde von den Technikern die Massaschlucht, die sich real in der Region um den Aletschgletscher (Schweiz) befindet.

Die gedruckte Version hat nur eine Länge von zwei Metern, jedoch ist jede Einzelheit der Massaschlucht nachgebildet. Auch im Schweizer Limmattal werden Teile der Region als 3D-Modell nachgebaut. Dafür bewilligte die Metropolitankonferenz Zürich einen Betrag von umgerechnet 130.000 Euro.

Projekt wird vermessen
Die Projektingenieure bei der Vermessung der Begebenheiten (Bild © Hochschule Rapperswil, IBU Institut für Bau und Umwelt).

Bei Öffnung der Talsperre durch Projektingenieurin Andrea-Kristin Bachmann wird ein Bruch der Sperre simuliert, was innerhalb weniger Sekunden tausende Kubikmeter Wasser in die Schlucht einfließen lässt. Das Wasser läuft wie in der Realität durch alle Gegebenheiten des 3D-gedruckten Massaschlucht-Modells wie Windungen, Spalten und Löcher.

Aussagekräftiger Test über Gefahren bei Überschwemmung

Die Aufgabe des Kanals liegt in der Zähmung der Wasserfluten, um eine unkontrollierte Überschwemmung der Dörfer zu vermeiden. Der Test gibt genaue Auskunft darüber, was für Konsequenzen ein Talsperrenbruch auf die Umwelt und Menschen hat. Die Forscher können außerdem aus den Ergebnissen herauslesen, ob der Abflusskanal im Ernstfall die Wassermassen im ausreichenden Maße bändigen kann. Sollte der Versuch zeigen, dass ein Bruch der Talsperre gefährlich werden könnte, hätte man die Möglichkeit, entsprechende präventive Baumaßnahmen zu ergreifen.

Abbildung der Massaschlucht
Die Massaschlucht wurde vermessen und anschließend als Modell nachgebildet (Bild © Hochschule Rapperswil, IBU Institut für Bau und Umwelt).

Die Schlucht wurde im 3D-Lab der HSR gebaut und die einzelnen 104 Bauteile per 3D-Drucker innerhalb von rund 1200 Druckstunden gefertigt. Der Verbrauch dafür belief sich auf etwa 2,4 km Kunststoff-Filament mit rund 21 Kilogramm Gewicht. Die additive Fertigung bedeute für die Forscher gegenüber klassischen Modellbauverfahren im Wasserbau eine Kostenersparnis und Vereinfachunng in der Herstellung komplexer Modelle.

Wie Andrea-Kristin Bachmann laut baublatt.de erklärt, habe man früher solche Modelle gemeinsam mit einer mechanischen Werkstatt basierend auf genauen Plänen gebaut. Heute würde mit 3D-Scannern eine Schlucht vermessen, die Daten per Computer in einzelne Bauteil-Pläne umgewandelt und anschließend per 3D-Drucker kostengünstiger und zeitsparender ausgedruckt. Der Materialaufwand fällt geringer aus, weil komplexe Bauteile bisher gefräst werden mussten und dabei zum Teil bis zu 66 Prozent des Baumaterials verlustig ging. Beim 3D-Druck mit dem Schmelzschicht-Verfahren entstehen keine Materialverluste.

Unterschied zw. Original und 3D-Modell im Vergleich
Original vs. 3D-Modell: Man sieht, wie präzise gearbeitet wurde (Bild © Hochschule Rapperswil, IBU Institut für Bau und Umwelt).

Zur Herstellung der Replik der Massaschlucht arbeiteten die sechs 3D-Drucker im 3D-Lab auch nachts und am Wochenende. Die einzelnen Teile wurden der Reihe nach gefertigt. Bei Änderungen am Modell oder wenn ein Austausch beschädigter Teile notwendig wird, müssen nur die Daten der entsprechenden Bauteile angepasst und über Nacht gedruckt werden. Am Folgetag konnten dann wieder neue Versuche durchgeführt werden.

Das IBU-Wasserlabor ist dank des 3D-Drucks unabhängiger von der Kapazität einer Werkstatt und kann zugleich die Nacht zur Arbeit nutzen. Das 3D-Kunststoffmodell sei im Vergleich zu traditionellen Wasserbau-Modellen wissenschaftlich besser. Die Schlucht wird mit 3D-Scannern in allen Details erfasst, wodurch das Modell mit dem realen Vorbild überall übereinstimmt. Das Verhalten des Wasser kann exakt nachvollzogen werden und erhöht Bachmann zufolge die Qualität der Testergebnisse.

Aktuell erproben die Wissenschaftler auch andere Anwendungen für den 3D-Druck im Wasserbau und Katastrophenschutz. Zum Beispiel verschiedene Varianten einer Geschiebesperre, die bei Murgängen die Gemeinden Schwanden, Hofstetten und Brienz im Kanton Bern vor Baumstämmen, Felsen und Schlammlawinen schützen soll.

Flutwelle, die durch das Modell rauscht
Eine Flutwelle wird simuliert, um die Folgen zu erkennen und entgegenzuwirken (Bild © Hochschule Rapperswil, IBU Institut für Bau und Umwelt).

Der wichtige Mittelteil der Sperre wurde dafür per 3D-Drucker in acht verschiedenen Varianten hergestellt und einzeln in das Modell integriert. Auf diese Weise fand das IBU schnell heraus, welches Mittelteil den optimalen Schutz bietet, ohne bei ungefährlichen Murgängen den Abfluss zu stark abzubremsen.

In künftigen Projekten und durch studentische Arbeiten auf dem Modell der Schlucht will das IBU weitere Erfahrungen aus den Vorteilen des 3D-Modells sammeln. Künftig könnten alle Modelle mit dem 3D-Drucker hergestellt werden. Abonnieren Sie unseren Newsletter und erfahren Sie als Erstes, wenn es Neuigkeiten über den 3D-Druck zu lesen gibt.

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