17.11.2021 - Oak Ridge National Laboratory

Polymer-Entdeckung verleiht 3D-gedrucktem Sand Superfestigkeit

Forscher des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein neuartiges Polymer entwickelt, das Quarzsand für die additive Fertigung mit Binder-Jet-Technologie bindet und verstärkt, ein 3D-Druckverfahren, das in der Industrie für die Herstellung von Prototypen und Teilen eingesetzt wird.

Das druckbare Polymer ermöglicht Sandstrukturen mit komplizierten Geometrien und außergewöhnlicher Festigkeit - und ist zudem wasserlöslich.

Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt eine 3D-gedruckte Sandbrücke, die mit 6,5 Zentimetern das 300-fache ihres Eigengewichts tragen kann - ein Kunststück, das dem von 12 Empire State Buildings auf der Brooklyn Bridge entspricht.

Das Binder-Jet-Druckverfahren ist billiger und schneller als andere von der Industrie verwendete 3D-Druckverfahren und ermöglicht es, 3D-Strukturen aus einer Vielzahl von pulverförmigen Materialien zu erstellen, was Kostenvorteile und Skalierbarkeit bietet. Das Konzept basiert auf dem Tintenstrahldruck, doch anstelle von Tinte stößt der Druckkopf ein flüssiges Polymer aus, das ein pulverförmiges Material, z. B. Sand, bindet und ein 3D-Design Schicht für Schicht aufbaut. Das bindende Polymer verleiht dem gedruckten Sand seine Festigkeit.

Das Team nutzte sein Fachwissen über Polymere, um ein Polyethylenimin (PEI) als Bindemittel herzustellen, das die Festigkeit der Sandteile im Vergleich zu herkömmlichen Bindemitteln verdoppelte.

Mittels Binder-Jetting gedruckte Teile sind zunächst porös, wenn sie aus dem Druckbett genommen werden. Sie können verstärkt werden, indem das Design mit einem zusätzlichen Superkleber namens Cyanacrylat infiltriert wird, der die Lücken füllt. Durch diesen zweiten Schritt wurde die Festigkeit gegenüber dem ersten Schritt um das Achtfache erhöht, so dass der Polymer-Sand-Verbundwerkstoff fester ist als alle anderen und alle bekannten Baumaterialien, einschließlich Mauerwerk.

"Nur wenige Polymere sind als Bindemittel für diese Anwendung geeignet. Wir suchten nach spezifischen Eigenschaften, wie z. B. der Löslichkeit, die uns das beste Ergebnis liefern würden. Unsere wichtigste Entdeckung war die einzigartige Molekularstruktur unseres PEI-Bindemittels, die es reaktiv mit Cyanacrylat macht, um eine außergewöhnliche Festigkeit zu erreichen", sagte Tomonori Saito vom ORNL, ein leitender Forscher des Projekts.

Teile, die mit herkömmlichen Bindemitteln geformt werden, werden durch Infiltrationsmaterialien wie Superkleber dichter gemacht, aber keines davon erreicht auch nur annähernd die Leistung des PEI-Bindemittels. Die beeindruckende Festigkeit des PEI-Bindemittels ist auf die Art und Weise zurückzuführen, wie das Polymer beim Aushärten mit Cyanacrylat reagiert.

Eine mögliche Anwendung für den hochfesten Sand ist die Weiterentwicklung von Werkzeugen für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.

Quarzsand ist ein billiges, leicht verfügbares Material, das in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen immer mehr an Interesse gewinnt. Leichte Materialien wie Kohlenstoff- oder Glasfasern werden um 3D-gedruckte Sandkerne oder "Werkzeuge" gewickelt und durch Hitze ausgehärtet. Quarzsand ist für die Herstellung von Werkzeugen attraktiv, weil er bei Erwärmung seine Abmessungen nicht verändert und weil er einen einzigartigen Vorteil bei abwaschbaren Werkzeugen bietet. Bei Verbundwerkstoffanwendungen ist die Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels für die Herstellung von Sandwerkzeugen von Bedeutung, da der Sand einfach mit Leitungswasser ausgewaschen werden kann und eine hohle Verbundwerkstoffform zurückbleibt.

"Um die Genauigkeit bei der Herstellung von Werkzeugen zu gewährleisten, benötigt man ein Material, das seine Form während des Prozesses nicht verändert, weshalb sich Quarzsand als vielversprechend erwiesen hat. Die Herausforderung bestand darin, die strukturellen Schwächen der Sandteile zu überwinden", so Dustin Gilmer, Student am Bredesen Center der University of Tennessee und Hauptautor der Studie.

Die derzeitigen Sandgussformen und -kerne werden in der Industrie nur begrenzt eingesetzt, da bei kommerziellen Methoden, wie z. B. dem Auswaschen von Werkzeugen, Hitze und Druck angewendet werden, die dazu führen können, dass Sandteile beim ersten Versuch brechen oder versagen. Um die Fertigung in großem Maßstab zu unterstützen und eine schnelle Teileproduktion zu ermöglichen, werden festere Sandteile benötigt.

"Unser hochfester Polymersand-Verbundwerkstoff erhöht die Komplexität von Teilen, die mit Binder-Jetting-Methoden hergestellt werden können, ermöglicht kompliziertere Geometrien und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten für Fertigung, Werkzeugbau und Konstruktion", so Gilmer.

Das neuartige Bindemittel wurde mit dem R&D 100 Award 2019 ausgezeichnet und wurde vom Industriepartner ExOne für die Forschung lizenziert.

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