Hvordan 3D-printning ændrer vandbygningsteknikken

Hvad er en opstemning?

Et stemmeværk er en lateral struktur, der almindeligvis bruges i åbne strømningssystemer, såsom floder, vandløb, kanaler og hydrauliske laboratorier, til at måle og kontrollere vandstrømmen. Det er en enkel og alsidig anordning, der hjælper med at regulere vandniveauer, overvåge strømningshastigheder og studere væskeadfærd. Dæmninger er designet til at skabe en bestemt strømningstilstand ved at begrænse vandstrømmen, så den løber ud over dæmningens top.

Dæmninger har en lang række anvendelser, herunder regulering af vandstand, oversvømmelseskontrol, vandingsstyring, miljøovervågning og hydraulisk forskning. Der findes flere typer stemmeværker, som hver især har forskellige former og formål. Almindelige typer omfatter rektangulære opstemninger, trekantede opstemninger (V-notch opstemninger), trapezformede opstemninger og piano key opstemninger, som bruges i hydrauliske laboratorium på Helmut Schmidt University.

Digital simulering vs. fysiske eksperimenter

Forskere og ingeniører på Helmut Schmidt University udfører eksperimenter og undersøgelser relateret til væskemekanik, hydrauliske systemer og væskers opførsel som en del af civilingeniørprogrammet. Det hydrauliske laboratorium er udstyret med forskellige apparater og instrumenter til at undersøge, hvordan væsker opfører sig under forskellige forhold, tryk og strømningshastigheder. Et af fokusområderne for forskningen er nye dæmningsdesigns, som testes i en skaleret model af et flodsystem: en en meter bred kanal udstyret med designprototyper.

Ved at udvikle og teste nye opstemningsdesigns i det hydrauliske laboratorium kan forskerne skabe mere effektive opstemninger, der kan have en større effekt, når de integreres i flodsystemer. Digital simulering er et stærkt værktøj for forskere, men der er grænser for, hvad simulering alene kan opnå. At bruge fysiske eksperimenter med 3D-printede stemmeværker giver flere klare fordele, f.eks:

Validering i den virkelige verden:

Fysiske eksperimenter giver direkte validering af simuleringsresultater. Sammenligning af faktiske målinger fra de 3D-printede stemmeværksprototyper med simulerede data hjælper med at validere nøjagtigheden af simuleringsmodellen og de anvendte antagelser.

Fysisk interaktion:

Forskere kan observere flowets opførsel, vandoverfladen og interaktionen med opstemningsstrukturen i realtid. Denne praktiske erfaring giver værdifuld indsigt, som måske ikke kan indfanges i simuleringer.

Interaktion mellem væske og struktur:

Disse eksperimenter kan indfange komplicerede interaktioner mellem væske og struktur, såsom hvirvelafstødning, hvirvler og turbulens, som kan være udfordrende at simulere nøjagtigt.

Uforudsete fænomener:

Uventede eller komplekse fænomener kan opstå under fysiske eksperimenter, som ikke var forudset i simuleringerne. Disse fænomener kan føre til nye indsigter og opdagelser.

Kvantitative og kvalitative data:

Fysiske eksperimenter har et dobbelt perspektiv og giver både kvantitative (som strømningshastigheder og hastigheder) og kvalitative data (visuelle observationer), der beriger forståelsen af stemmeværkets opførsel.

Sensorkalibrering og -verificering:

For at sikre nøjagtig dataindsamling hjælper disse eksperimenter med at kalibrere og verificere måleværktøjer og sensorer i laboratoriet.innovation og optimering

Innovation og optimering:

Fysiske eksperimenter kan sætte gang i innovationen og føre til opdagelsen af nye og optimerede dæmningsdesigns, som måske ikke ville være blevet overvejet i simuleringer alene.

Komplekse geometrier:

3D-print gør det muligt at skabe komplekse og skræddersyede stemmeværksgeometrier, som kan være udfordrende at simulere nøjagtigt. Fysiske prototyper kan designes og fremstilles med større frihed og kreativitet.

3D-printede stemmeværker til hydraulisk forskning

Et af projekterne fra de hydrauliske forskere på Helmut Schmidt University fokuserer på stemmeværker med klavernøgler, der har fået deres navn, fordi de ligner tangenterne på et klaver. Pianotangenter er designet til effektivt at håndtere høje strømningshastigheder og forhindre oversvømmelser, samtidig med at de optager mindre plads end konventionelle dæmninger. Det gør dem særligt anvendelige i bymiljøer og trange omgivelser.

Mens prototyper af stemmeværker traditionelt ville være konstrueret af laserskåret akrylglas, der skal limes sammen manuelt, vendte Dr. Mario Oertel sig mod 3D-print i stort format for at finde en bedre løsning. Ved at 3D-printe stemmeværkerne kunne forskerne hurtigt se deres prototyper i aktion og samtidig reducere omkostningerne i processen. De BigRep ONE 3D-printer gav dem også mulighed for nemt at gentage nye designs og teste dem i det hydrauliske laboratorium inden for få dage.

Fordele ved at 3D-printe prototyper af stemmeværker

Hurtig fremstilling af prototyper:

3D-print giver mulighed for hurtig og omkostningseffektiv produktion af prototyper. Forskere kan designe, gentage og teste flere designs på kort tid, hvilket fremskynder forsknings- og udviklingsprocessen. Traditionelle fremstillingsmetoder indebærer ofte længere leveringstider på grund af behovet for værktøj og opsætning. 3D-print minimerer gennemløbstiden, så forskerne hurtigere kan udføre eksperimenter og indsamle data.

Nem iteration:

Forskere kan nemt skabe skræddersyede opstemningsdesigns til specifikke mål. Denne fleksibilitet gør det muligt at udforske forskellige geometrier, størrelser og konfigurationer, der kan være udfordrende eller dyre at opnå ved hjælp af traditionelle fremstillingsmetoder. For at teste forskellige parametre og variabler kan forskere nemt modificere og printe flere iterationer af prototyper. Denne iterative testproces kan føre til mere raffinerede og optimerede designs.

Komplekse geometrier:

3D-print gør det muligt at skabe indviklede og komplekse geometrier, som måske ikke kan lade sig gøre med traditionelle bearbejdningsmetoder. Det er især nyttigt, når man skal udforske nye former og designs for stemmeværker.

Omkostningsbesparelser:

Traditionelle bearbejdningsmetoder kan være dyre, især til små serier eller engangsprototyper. 3D-print reducerer materialespild og produktionsomkostninger, hvilket gør det mere omkostningseffektivt til forskningsformål. Efter en lille indlæringskurve var forskerne i hydraulik-laboratoriet i stand til at justere slicing-parametrene i BigRep BLADE for at reducere materialeforbruget med mere end 60%.

Reduceret gennemløbstid:

Traditionelle fremstillingsmetoder indebærer ofte længere leveringstider på grund af behovet for værktøj og opsætning. Typiske prototyper af stemmeværker er konstrueret af akrylglas, som er tidskrævende og dyrt at producere. 3D-print minimerer leveringstiden, så forskerne hurtigere kan udføre eksperimenter og indsamle data.

Valg af materiale:

BigRep tilbyder en bred vifte af filamenter, og BigRep 3D-printere er åbne for filamenter fra tredjeparter, så forskere kan vælge materialer, der afbalancerer forskningskrav med printkvalitet og overkommelige priser. Dette er især vigtigt inden for hydraulikforskning, hvor nøjagtige materialeegenskaber kan påvirke prototypens opførsel. Forskere på Helmut Schmidt Universitys hydraulik-laboratorium fandt gode resultater ved at printe stemmeværker med BigRep PLX fordi det er nemt at printe, billigt og giver smukke overflader.

Pædagogisk værktøj:

3D-printede opstemningsprototyper giver en håndgribelig repræsentation af teoretiske koncepter, hvilket gør det lettere for forskere og studerende at forstå og visualisere væskestrømningsmønstre, hastighedsprofiler og andre hydrauliske fænomener. De kan også udstyres med sensorer og instrumenter til at indsamle data under eksperimenter. Disse data kan bruges til analyse, validering og kalibrering af hydrauliske modeller.

3D-printning i stort format på forskningsinstitutter

Mens den BigRep ONE er placeret i det hydrauliske laboratorium på Helmut Schmidt University, kan andre afdelinger og studerende få adgang til 3D-printeren i stort format til yderligere forskning og projekter. Dette letter samarbejdsprojekter, der involverer studerende og fakulteter fra forskellige afdelinger, og tilskynder til tværfaglig læring og problemløsning. Derudover giver kendskab til 3D-printere i stort format de studerende færdigheder og viden, som bliver mere og mere værdifulde i de mange industrier, der anvender additiv fremstilling.

At have en 3D-printer i stort format på et universitet kan forbedre læringsoplevelsen, fremme innovation og forberede de studerende på de skiftende krav fra moderne industrier. Den fungerer som et alsidigt værktøj, der tilskynder til kreativitet, problemløsning og samarbejde på tværs af forskellige akademiske discipliner.

STOR SKALA INNOVATION. BEGRÆNSNINGSLØS KREATIVITET.

BigRep ONE er en prisbelønnet 3D-printer i stort format til en overkommelig pris. Med over 500 installerede systemer på verdensplan er den et pålideligt værktøj for både designere, innovatører og producenter. Med en massiv byggevolumen på en kubikmeter bringer den hurtige og pålidelige ONE dine designs til live i fuld skala.

Udforsk ONE