Wollten Sie schon immer wissen, wie führende Wasserbauingenieure Flusssysteme optimieren, ohne dabei echte Schäden anzurichten?
Betreten Sie das moderne Hydrauliklabor der Helmut-Schmidt-Universität. Hier setzen Dr. Mario Oertel und sein Team mit dem BigRep ONE 3D-Drucker Wehrentwürfe um und machen aus digitalen Konzepten in kürzester Zeit greifbare Prototypen.
Diese Verschmelzung von bewährter Wasserbauforschung und moderner Technologie definiert die Wasserwirtschaft neu. Das Labor, das 1.500 Liter pro Sekunde durch ein maßstabsgetreues Flussmodell abfließen lässt, geht über Computersimulationen hinaus, um Wehrentwürfe zu testen. Dabei werden gleichermaßen Präzision und Kosteneffizienz gewährleistet.
Entdecken Sie, wie diese Mischung aus traditioneller hydraulischer Forschung und moderner Technologie die Zukunft der Wasserwirtschaft prägt.
Was ist ein Wehr?
Ein Wehr ist ein quer verlaufendes Bauwerk, das häufig in offenen Fließgewässern wie Flüssen, Bächen, Kanälen und hydraulischen Labors verwendet wird, um den Wasserfluss zu messen und zu steuern. Diese einfache und vielseitige Einrichtung hilft dabei, Wasserstände zu regulieren, Durchflussmengen zu messen und das Strömungsverhalten zu untersuchen. Ein Wehr kann spezifische Strömungsbedingungen schaffen, indem es den Wasserfluss einschränkt und ihn über die Wehrkrone überlaufen lässt.
Für Wehre gibt es viele Anwendungszwecke, darunter Wasserstandsregulierung, Hochwasserschutz, Bewässerungsmanagement, Umweltüberwachung und Wasserbauforschung. Es gibt mehrere Arten von Wehren in verschiedenen Formen und mit verschiedenen Zwecken. Am häufigsten sind rechteckige, dreieckige (keilförmige) und trapezförmige Wehre, sowie Piano-Key-Wehre, welche im Wasserbaulabor an der Helmut-Schmidt-Universität verwendet werden.
Digitale Simulation oder physikalisches Experiment
Forscher*innen und Ingenieur*innen an der Helmut-Schmidt-Universität führen im Rahmen des Bauingenieursprogramms Experimente und Studien zu Strömungsmechanik, Hydrauliksystemen und Strömungsverhalten durch.
Das Wasserbaulabor ist mit verschiedenen Apparaten und Instrumenten ausgerüstet, mit denen das Strömungsverhalten unter verschiedenen Bedingungen, Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten untersucht wird. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf neuartigen Designs für Wehre, die dann in einem maßstabsgetreuen Modell eines Flusssystems getestet werden: eine Strömungsrinne mit einer Breite von einem Meter, die mit Prototypen ausgestattet wird.
Die Forscher*innen können neue Wehrdesigns in dem maßstabsgetreuen Modell im Wasserbaulabor entwickeln und testen, und so effizientere Wehre entwerfen, die ein Stromsystem stärker beeinflussen können. Die digitale Simulation ist ein leistungsfähiges Werkzeug für Forscher*innen, doch sie kann ohne Unterstützung nicht alles erreichen. Physikalische Experimente mit 3D-gedruckten Wehren bieten mehrere klare Vorteile, unter anderem:
Bewertung unter realen Bedingungen:
Durch physikalische Experimente können Simulationsergebnisse direkt bestätigt werden. Der Vergleich zwischen den tatsächlichen Messungen von 3D-gedruckten Wehrprototypen und simulierten Daten ermöglicht es, die Richtigkeit des Simulationsmodells und der angewendeten Annahmen zu bewerten.
Physikalisches Zusammenspiel:
Forscher*innen können das Strömungsverhalten, die Wasseroberfläche und deren Zusammenspiel mit der Wehrstruktur in Echtzeit beobachten. Diese praktische Erfahrung bietet wertvolle Einblicke, die eine Simulation nicht unbedingt bieten kann.
Zusammenspiel zwischen Strömung und Struktur:
Physikalische Experimente können komplexe Interaktionen zwischen Strömung und Struktur erfassen, z.B. Wirbelstraßen, Strudel und Turbulenzen, die kaum akkurat simuliert werden können.
Unerwartete Phänomene:
Während physikalischen Experimenten können unerwartete oder komplexe Phänomene auftreten, die eine Simulation nicht vorhergesehen hat. Diese Phänomene können zu neuen Einblicken und Entdeckungen führen.
Quantitative und qualitative Daten:
Physikalische Experimente liefern sowohl quantitative Daten (Strömungsraten, -drücke und -geschwindigkeiten) als auch qualitative Daten (visuelle Beobachtungen) die zusammen häufig ein umfassenderes Verständnis von Wehrverhalten ermöglichen.
Sensorkalibrierung und -verifizierung:
Zur Gewährleistung einer genauen Datenerfassung dienen diese Versuche der Kalibrierung und Überprüfung von Messgeräten und Sensoren im Labor.
Innovation und Optimierung:
Physikalische Experimente können Innovationen anstoßen und zur Entdeckung neuer und optimierter Wehrkonstruktionen führen, die bei Simulationen allein nicht berücksichtigt worden wären.
Komplexe Geometrien:
Der 3D-Druck ermöglicht komplexe, bedarfsgerechte Wehrgeometrien, die nicht akkurat simuliert werden können. Physikalische Prototypen können mit mehr Freiheit und Kreativität entworfen und produziert werden.
3D-gedruckte Wehre für die Wasserbauforschung
Ein Projekt der Wasserbauforscher*innen an der Helmut-Schmidt-Universität beschäftigt sich mit Piano-Key-Wehren. Diese Wehre sehen Klaviertasten ähnlich, daher der Name. Piano-Key-Wehre dienen dazu, hohe Strömungsraten effizient zu bewältigen und Überflutungen zu verhindern, und verbrauchen dabei weniger Platz als traditionelle Wehre. Damit sind sie besonders für städtische und beengte Umgebungen geeignet.
Früher wurden Wehrprototypen aus festen, lasergeschnittenen Acrylglasteilen hergestellt, die von Hand zusammengeklebt werden mussten. Dr. Mario Oertel hat sich stattdessen für den großformatigen 3D-Druck entschieden, mit dem bessere Lösungen erzielt werden können. Der 3D-Druck erlaubt es den Forscher*innen, die Prototypen schnell in Einsatz zu bringen, und dabei sogar Kosten zu sparen. Zusätzlich macht es der BigRep ONE 3D-Drucker möglich, neue Designiterationen zu entwerfen und innerhalb weniger Tage im Wasserbaulabor zu testen.
Vorteile von 3D-gedruckten Wehrprototypen
Rapid Prototyping:
Der 3D-Druck ermöglicht die schnelle und wirtschaftliche Produktion von Wehrprototypen. Forscher*innen können mehrere Designs in kürzester Zeit entwerfen, iterieren und testen, was wiederum den Forschungs- und Entwicklungsprozess verkürzt.
Traditionelle Produktionsmethoden bringen oft längere Vorlaufzeiten mit sich, da Produktionsmittel gerüstet und aufgestellt werden müssen. Der 3D-Druck minimiert Vorlaufzeiten, so dass Forscher*innen früher ihre Experimente durchführen und Ergebnisse sammeln können.
Unkomplizierte Iteration:
Forscher*innen können ohne Umstände individuelle Wehrentwürfe für spezifische Ziele erstellen. Diese Flexibilität macht es möglich, verschiedene Geometrien, Größen und Konfigurationen zu untersuchen, die mit traditionellen Produktionsmethoden schwierig oder teuer zu realisieren wären.
Forscher*innen können ohne Umstände mehrere Iterationen von Wehrprototypen anpassen und drucken, um verschiedene Parameter und Variablen zu testen. Dieser iterative Designprozess kann zu raffinierteren und optimierten Designs führen.
Komplexe Geometrien:
Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung von schwierigen und komplexen Geometrien, die mit traditionellen Bearbeitungsprozessen nicht realisierbar wären. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn neuartige Wehrformen und -entwürfe untersucht werden sollen.
Niedrigere Kosten:
Traditionelle Bearbeitungsmethoden können teuer sein, vor allem, wenn es um kleine Chargen oder einzelne Prototypen geht. Der 3D-Druck reduziert Materialverschwendung und Produktionskosten, und ist dadurch eine wirtschaftlichere Option für Forschungszwecke.
Nach einer kurzen Einarbeitungszeit waren die Forscher*innen im Wasserbaulabor dazu in der Lage, die Slicer-Parameter in BigRep BLADE anzupassen, und dadurch den Materialverbrauch um über 60% zu senken.
Kürzere Vorlaufzeiten:
Traditionelle Produktionsmethoden bringen oft längere Vorlaufzeiten mit sich, da Produktionsmittel gerüstet und aufgestellt werden müssen. Typische Wehrprototypen werden aus Acrylglas gefertigt, einem Werkstoff, der aufwändig und teuer zu produzieren ist.
Der 3D-Druck minimiert Vorlaufzeiten, so dass Forscher*innen schon früher Experimente durchführen und Ergebnisse sammeln können.
Materialauswahl:
BigRep bietet ein breites Sortiment an eigenen Filamenten, und die BigRep 3D-Drucker können auch Fremdfilamente verdrucken. Dadurch können die Forscher*innen bei der Materialauswahl zwischen Forschungsanforderungen, Druckqualität und Preis abwägen. Das ist vor allem in der Wasserbauforschung wichtig, bei der die Materialeigenschaften das Verhalten der Prototypen beeinflussen können.
Forscher*innen an der Helmut-Schmidt-Universität erzielten mit BigRep PLX hervorragende Ergebnisse, da es leicht zu verdrucken und kostengünstig ist, und dabei wunderschöne Oberflächen produziert.
Pädagogisches Werkzeug:
3D-gedruckte Wehrprototypen machen theoretische Konzepte greifbar, und erlauben es den Forscher*innen und Studierenden, Strömungsmuster, Geschwindigkeitsprofile und andere wasserbautechnische Phänomene zu verstehen und visualisieren. Sie können zusätzlich mit Sensoren und Instrumenten versehen werden, die während der Experimente Daten sammeln können. Diese Daten können dann für die Analyse, Validierung und Kalibrierung von Wasserbaumodellen verwendet werden.
Großformat-3D-Druck in Forschungsinstituten
Obwohl der BigRep ONE im Wasserbaulabor der Helmut-Schmidt-Universität installiert ist, können andere Abteilungen und Studierende für andere Forschungszwecke und Projekte auf den großformatigen 3D-Drucker zugreifen. Dies ermöglicht gemeinsame Projekte zwischen Studierenden und Lehrenden aus anderen Abteilungen, und fördert dadurch eine interdisziplinäre Lern- und Problemlösungskultur. Zusätzlich erlernen die Studierenden im Umgang mit großformatigen 3D-Druckern verschiedene Kenntnisse und Fähigkeiten, die zunehmend in den vielen Industrien gefragt sind, in denen die additive Fertigung inzwischen angewendet wird.
Ein großformatiger 3D-Drucker an einer Universität kann den Lernprozess aufwerten, Innovation fördern, und Studierende auf die ständig wechselnden Anforderungen moderner Firmen vorbereiten. Er dient als vielseitiges Werkzeug, das Kreativität, Problemlösung und interdisziplinäre Zusammenarbeit fördert.
IN DEUTSCHLAND ENTWICKELT – ZUVERLÄSSIGKEIT ZUM ATTRAKTIVEN PREIS
Der BigRep ONE ist ein in Deutschland entwickelter Großformat-3D-Drucker für den Einsatz rund um die Uhr. Bisher wurden über 500 dieser kostengünstigen Systeme installiert, die sich bei Fertigungsunternehmen weltweit als zuverlässig erwiesen haben. Der ONE zeichnet sich durch ein großes Bauvolumen von 1 m³ und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus, sodass Sie Ihre Entwürfe zuverlässig in Originalgröße herstellen können.
IN DEUTSCHLAND ENTWICKELT – ZUVERLÄSSIGKEIT ZUM ATTRAKTIVEN PREIS
Der BigRep ONE ist ein in Deutschland entwickelter Großformat-3D-Drucker für den Einsatz rund um die Uhr. Bisher wurden über 500 dieser kostengünstigen Systeme installiert, die sich bei Fertigungsunternehmen weltweit als zuverlässig erwiesen haben. Der ONE zeichnet sich durch ein großes Bauvolumen von 1 m³ und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus, sodass Sie Ihre Entwürfe zuverlässig in Originalgröße herstellen können.
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