3D Voxel Printing (3DVP) funktioneller Zementstoffe

15.01.2019

3D Voxel Printing (3DVP) funktioneller Zementstoffe

Simulation und Realisierung der Fertigung von Bauteilen aus hydraulischen Bindemitteln in einem Pulverbett-Verfahren auf Grundlage von Open-Source-Technologien

neu Voxel Printing
Profilmessung der Oberflächengeometrie der Voxel mittels digitaler Lichtmikroskopie

Praxistaugliche additive Herstellungsmethoden für Beton, wie das Concrete Crafting, genügen bislang nicht den Anforderungen an Sichtqualität oder ein filigranes Bauteildesign. Außerdem fehlt es den Verfahren an der Möglichkeit Stahlbewehrung in den Beton zu implementieren. Im Rahmen eines vorläufigen DFG-Projekts wird dem wissenschaftlichen Verständnis der komplexen Beziehung zwischen Designentwurf, Materialkomposition, Prozessparametern und Produktqualität eines 3DVP für Beton nachgegangen. Hierbei wird für eine möglichst große Felixbilität hinsichtlich der Bindemittelauswahl und Festlegung von Prozessparametern für spätere Simulationen auf zwei verschiedene Open-Source-Printer zurückgegriffen. Das sind zum einen der Pwdr Model 0.1 und der Plan B. Diese werden im Zuge der Projektentwicklung den Anforderungen entsprechend modifiziert.

Ausgangspunkt der Materialentwicklung sind verschiedene Magnesiumphosphatzemente (MPC), die gewisse Vorteile hinsichtlich Erstarrungszeitpunkt, geringem Schwinden und sehr guten mechanischen Eigenschaften für ein additives Pulverbett-Verfahren bieten. Darüber hinaus gilt es, einen theoretischen und experimentellen Nachweis über die Zusammensetzung der Hydrationsprodukte zu erbringen, welche nach Wasserzugabe mittels Inkjet das schichtweise Druckbild erzeugen. Ersterer kann am besten über ein thermodynamisches Modell eines Zement-Voxels erfolgen, der mit dem im Pulverbett entstandenen Probekörpern verglichen wird, um eine möglichst realitätsnahe Simulation des Druckprozesses zu entwickeln. Diese kann wiederum für neue Mischungsentwürfe herangezogen werden. Das Institut für Werkstoffe im Bauwesen (WiB) befasst sich mit der Zusammenstellung eines funktionstüchtigen Pulver-Binder-Druckers sowie einer Optimierung der Software, bei der Prozessparameter wie z.B. die volumetrische und punktgenaue Dosierung des Wassers, Pulvertemperatur und Abbindezeiten gesteuert werden können. Das Projekt wird zusammen mit dem Fachgebiet Mechanik Funktionaler Materialien (MFM) durchgeführt.

Ziel der Forschung sollen ein chemo-thermomechanisches Modell für den durchlaufenden Druckprozess sein. Als experimentelle Bewertungsgrundlage für den Nachweis treffender Simulationen werden die oben genannten Pulverbett-Anlagen als Prototyp für weitere zukünftige Versuche dienen.

Beteiligte Personen:

  • M.Sc. Shifan Zhang, Institut für Werkstoffe im Bauwesen
  • B.Sc. Christoph Schmer, Institut für Werkstoffe im Bauwesen
  • Dr. Min Yi, Technische Universität Darmstadt, Division Mechanics of Functional Materials

Verwendete Ressourcen:

  • Magnesia Germany
  • Pwdr Model 0.1, University of Twente
  • Plan B, Ytec

Das Projekt wurde unterstützt von 'Profilbereich Vom Material zur Produktinnovation -PMP'

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