Wie additiv gefertigter Zementleim unter Druck fester wird

An der Purdue University wurde ein Zementleim, ein wichtiges Element von Beton und Mörtel, in 3D gedruckt. Das Besondere: Wie die Panzer von Krebstieren oder Käfern wird er unter Druck fester. Das Verfahren soll zu Infrastrukturen verhelfen, die Naturkatastrophen besser standhalten können  

Jan Olek, Professor an der Lyles School of Civil Engineering der Purdue University, erklärt: „Die Natur muss sich um zu überleben, mit Schwachstellen auseinandersetzen, und wir nutzen sozusagen eingebaute Schwächen von zementbasierten Werkstoffen, um ihre Festigkeit zu erhöhen.“  Die Idee besteht darin, von Gliederfüßlern inspirierte Konstruktionen zu nutzen, um die Schadensausbreitung zwischen den gedruckten Materialschichten zu steuern. Das lässt sich vergleichen mit dem Zerbrechen eines Bündels roher Spaghetti im Gegensatz zu dem einer einzelnen Nudel. Die Chitinhüllen der Gliederfüßler verfügen über Mechanismen zum Ableiten von Brüchen und zur Festigung, die man mit einem 3D-gedruckten Zementleim nachbilden könne, so Pablo Zavattieri, Professor of Civil Engineering.

3D-gedruckte zementbasierte Werkstoffe wie Zementleim, Mörtel und Beton würden den Konstrukteuren eine bessere Kontrolle über Design und Leistung ermöglichen, aber technische Details hätten größeren Strukturen bisher im Wege gestanden. Die Entwickler an der Purdue University sind Vorreiter in der Nutzung des 3D-Drucks für bio-inspirierte Strukturen mit Zementleim. Vorgestellt wird das Verfahren in einer der kommenden Ausgaben von Advanced Materials. Der 3D-Druck mache den Formenbau überflüssig. Auf diese Weise erreiche man die einzigartigen Eigenschaften zementbasierter Materialien, die so zuvor nicht umsetzbar gewesen seien, so Jeffrey Youngblood, Professor of Materialis Engineering an der Purdue University.

Das Team nutzte auch Mikro-CT-Scans, um das Verhalten des ausgehärteten zementbasierten 3D-Druck-Materials besser zu verstehen und Vorteile aus seinen spezifischen Schwächen, wie den porösen Bereichen an den Grenzen der gedruckten Schichten zu ziehen, die hier Bruchstellen fördern. Die Ergebnisse wurden kürzlich an der RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication präsentiert. Die Struktur der 3D-gedruckten zementbasierten Materialien lasse sich besser steuern und das könne in die Entwicklung schadens- und fehlertoleranter Bauelemente wie Balken oder Säulen münden, sagt Mohamadreza „Reza“ Moini, Purdue Ph.D.-Kandidat im Bereich Civil engineering.

Architekturen mit unterschiedlichen Eigenschaften

Die Forscher ließen sich vom Fangschreckenkrebs inspirieren, der seine Beute mit einem keulenartigen Anhängsel fängt, das durch äußere Einwirkungen fester wird, und zwar in dem sich verdrehende Risse Energie abführen und die Keule vor dem Auseinanderfallen bewahren.

Zu den bio-inspirierten Bauteilen aus Zementleim, die mit additiven Verfahren entstanden, gehören „Honeycomb“, „Compliant“ und „Bouligand“, von den Wissenschaftlern als Architekturen bezeichnet. Jede dieser Architekturen ermöglichte nach dem Aushärten des 3D-gedruckten Elements ein neuartiges Verhalten. Die Bouligand-Architektur zog Nutzen aus der schwachen Bindung der Schichtung, die das Material bruchsicherer machte, wohingegen die Compliant-Architektur die zementbasierten Elemente wie eine Feder agieren ließ, obwohl sie aus einem spröden Material bestanden.

Die Entwickler wollen weitere Möglichkeiten des Einsatzes zementbasierter Elemente erkunden, die sich für die Errichtung widerstandsfähigerer Bauwerke eignen.

Die Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation (Grant No. CMMI 1562927)

Weitere Informationen: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802123

Video: https://youtu.be/Q0MvUdZoejk.

Bild: Der bio-inspirierte 3D-gedruckte Zementleim soll helfen, die Infrastruktur belastbarer zu machen, etwa bei Naturkatastrophen. (Purdue University Concrete 3D Printing Team/Mohamadreza Moini)