Berechnungsmodell für 3D-Druck von stabilen Betonwänden

Akke Suiker, Professor für Angewandte Mechanik an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden, hat ein Modell zur Bestimmung der Dimensionen und Druckgeschwindigkeiten entwickelt, um stabile Betonwände mit dem 3D-Drucker herzustellen.

Der Beton von traditionell hergestellten Wänden hat Zeit über Wochen auszuhärten. Dies ist jedoch nicht bei 3D-gedrucktem Beton der Fall, da es keine Schalung zur Stütze der Struktur gibt. Nachdem eine Schicht aufgetragen wurde, muss diese innerhalb kürzester Zeit fest genug sein, um die darauffolgenden Lagen tragen zu können.

Berechnungsmodell

Suiker hat sich der Lösung dieses Problems angenommen und eine Methode entwickelt, mit der sich berechnen lässt, wie schnell die einzelnen Schichten aufeinander gedruckt werden können, wenn man die Materialcharakteristiken für die Aushärtung und die Dimensionen der Wände kennt. Zudem kann er berechnen wie die Struktur mit so wenig Material wie möglich hergestellt wird, wie sich die Strukturveränderungen auswirken oder was passiert wenn man die Wandstärke oder die Aushärtungsrate des Materials erhöht. Insgesamt sind es 15 bis 20 Faktoren die in Betracht gezogen werden, jedoch hat es Suiker geschafft diese auf fünf dimensionslose Parameter zu skalieren.

Daran, dass diese Ergebnisse bedeutend für den 3D-Druck sind, zweifelt Suiker nicht:

“Durch die Einblicke, die das Modell gewährt, erhält jeder der 3D-Strukturen drucken möchte essentielles Basiswissen. Für Statiker, Ingenieurunternehmen aber auch beispielsweise für Firmen die dünnwandige Kunststoffprothesen in kleinen Größen anfertigen. Auch dafür ist meine Gleichung anwendbar.”

Das Berechnungsmodell wurde in der Praxis mit dem 3D-Betondrucker der TU Eindhoven vom PhD Studenten Rob Wolf getestet. Auch er hat ein Computer-Modell zur gleichen Zeit wie Suker entwickelt. Die Ergebnisse beider Berechnungsmodelle bestätigen sich gegenseitig.

Die Studie “Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments” wurde im International Journal of Mechanical Sciences veröffentlicht.