Laser ebnen den Weg zu einer besseren Nutzung von Zement

Sep 02, 2023

Von Adam Hadhazy

5. Juni 2023

Ingenieure der Princeton University setzen Laser ein, um einen großen Nachteil von 3D-gedrucktem Zement genau zu bewerten – die Bruchfestigkeit des Materials. Die Forscher hoffen, dass Fortschritte in diesem Bereich zu einem breiteren Einsatz der additiven Fertigung in zementbasierten Strukturen führen könnten. Das langfristige Ziel besteht darin, mithilfe additiver Techniken bessere Materialien zu entwickeln, die zu innovativen Designs und Funktionen führen.

Zement ist der Hauptbestandteil des Betons, aus dem ein Großteil moderner Bauwerke besteht – darunter Gebäude, Straßen, Landebahnen, Brücken und Dämme. Da der 3D-Druck in den letzten Jahren Vorteile in Bezug auf Effizienz und Vielseitigkeit gezeigt hat, ist das Interesse an der Anwendung der Technologie im Bauwesen gewachsen.

Doch im Vergleich zu herkömmlich gegossenem Beton kann es bei den 3D-gedruckten Alternativen zu Rissen kommen, insbesondere in Bereichen zwischen verschiedenen Betonschichten. Forscher führen dies auf ungleichmäßige Mikrostrukturen zurück, die durch den Schichtungsprozess beim 3D-Druck entstehen. Forscher aus Princeton haben einen neuen Test verwendet, um diese Rissbildung auf mikroskopischer Ebene besser zu verstehen. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass 3D-gedruckter Beton bei richtiger Charakterisierung der Brucheigenschaften genauso stark oder sogar stärker sein könnte als gegossener Beton.

In einer Studie in der Fachzeitschrift Cement and Concrete Composites demonstrieren Princeton-Forscher eine neue Testmethode, bei der mithilfe von Lasern präzise lokalisierte Rillen in 3D-gedruckte Zemente geschnitten werden. Durch die Steuerung der Leistung und Geschwindigkeit des Lasers können die Forscher kritische Merkmale wie die Tiefe und Form der Rillen steuern. Diese Kontrolle ermöglicht weitaus genauere Tests als herkömmliche Methoden.

„Wir können jetzt ein tieferes Verständnis der Brucheigenschaften von 3D-gedruckten zementbasierten Materialien bei verschiedenen Versagensarten erlangen, was wichtig ist, um diese Technologie schließlich zu erweitern“, sagte Reza Moini, Assistenzprofessor am Department of Civil und Umweltingenieurwesen in Princeton und leitender Autor der Studie. „Es gibt neue Möglichkeiten, stärkere und widerstandsfähigere Materialien herzustellen, indem die Gestaltung der Materialarchitektur und die Fertigungsfreiheit, die additive Technologien mit sich bringen, genutzt werden.“

Die anderen Princeton-Autoren der Studie, alle Mitglieder von Moinis Labor, sind Shashank Gupta und Arjun Prihar, beide Ph.D. Studenten und Hadi Esmaeeli, ein ehemaliger Associate Research Scholar.

Im Gegensatz zu Gussbeton, der in eine Form gegossen und ausgehärtet wird, handelt es sich beim 3D-gedruckten Beton um eine Düse, die einen Zementleim strangweise extrudiert. Die Düse bewegt sich hin und her und baut den Beton Strang für Strang und schließlich Schicht für Schicht auf.

Eine Herausforderung besteht darin, dass sich während der Extrusion um jeden gedruckten Strang ein dünner, wasserreicher Film bildet, der das Fließen erleichtert. Diese wasserreichen Filme können zu erheblichen inneren Fehlern und Heterogenitäten zwischen den Strängen des 3D-gedruckten Materials führen und so zu struktureller Schwäche beitragen.

Die Princeton-Forscher untersuchten diese Grenzflächen genauer, um ihren Zusammenhang mit den Brucheigenschaften zu verstehen. Das Forschungsteam fertigte und härtete zunächst Proben für Tests mit einem maßgeschneiderten 3D-Drucker aus, der Zementpaste extrudierte. Bei herkömmlichen Tests werden in der Regel Kerben in das Material geschnitten, häufig mit Kreissägen. Bei der Untersuchung der Mikrostrukturen können diese Sägen jedoch als stumpfe Instrumente wirken, was häufig zu unscharfen Kerben führt. Dies kann Tests schwierig und ungenau machen.

Anstatt ein physisches Werkzeug wie eine Säge zum Schneiden von Kerben zu verwenden, entschieden sich Moini und Kollegen für die Verwendung eines Laborlasers. Ihr Ansatz schneidet Prüfkerben genau dort ein, wo sie benötigt werden, beispielsweise an der Schnittstelle zwischen den gedruckten Schichten.

„Der Vorteil dieses Tests für spröde 3D-gedruckte Materialien besteht darin, dass man mit der gleichen Probengeometrie den Widerstand gegen Rissbildung unter Spannung, Scherung oder einer beliebigen Kombination aus beiden erfassen kann“, sagte Moini.

Shashank Gupta, der Erstautor des Papiers, betonte, dass „dieser Ansatz dazu beitragen kann, Informationen über die Materialeigenschaften zu erhalten, während Forscher mit der Industrie zusammenarbeiten, um additive Betonfertigungsprozesse für strukturelle und nichtstrukturelle Anwendungen zu erweitern.“

Doktoranden in Moinis Labor verfolgen diese Ziele weiter, indem sie architektonische Materialien und Brucheigenschaften untersuchen. Kürzlich, auf der Frühjahrstagung des American Concrete Institute in San Francisco im April, gewann der Co-Autor des Artikels, Arjun Prihar, den dritten Platz für sein Poster, und die Doktorandin Krystal Delnoce gewann den ersten Platz. Prihars Forschung konzentrierte sich auf das Verständnis der Bruchmechanik sinusförmiger Konstruktionen von Betonmaterialien mithilfe von Experimenten und Simulationen. Die Forschung von Delnoce konzentrierte sich auf die Anpassung einer neuen Bruchtestmethode für 3D-gedruckte Materialien durch die Entwicklung einer Kerbe innerhalb des Werkzeugwegs.

„Unsere Arbeit trägt dazu bei, grundlegende Fragen zum Bruchverhalten von 3D-gedrucktem Beton zu lösen“, sagte Moini.

Der Artikel „Bruch- und Transportanalyse heterogener 3D-gedruckter lamellarer Zementmaterialien“ wurde in der Zeitschrift Cement and Concrete Composites veröffentlicht. Zusätzlich zu den Princeton-nahen Autoren haben Rita Ghantous und Jason Weiss, beide von der Oregon State University, an der Studie mitgewirkt. Die Arbeit wurde teilweise durch das Engineering Civil Infrastructure Program der National Science Foundation unterstützt.