Forscher entwickeln und testen einen Asphalt 3D Drucker zur Straßenreparatur

Asphalt ist das gebräuchlichste Material, mit dem Straßen beschichtet werden, und zwar aus mehreren Gründen: Es schafft eine sichere, ruhige Oberfläche zum Fahren, es kann schnell und ohne komplizierte Maschinen gebaut werden und es ist robust und kann leicht repariert werden. Asphalt-Verbundwerkstoffe neigen jedoch dazu, sich im Laufe der Zeit zu verschlechtern, was zu gefürchteten Schlaglöchern führt. Schlaglöcher beginnen oft als Risse, die sich schnell ausdehnen. Straßenteams können nicht zur Reparatur jedes einzelnen Risses entsandt werden, so dass Schäden an Straßen oft erheblich sind, bevor sie repariert werden. Eine Lösung besteht darin, autonome Drohnen oder andere Fahrzeuge zu schaffen, die mit Robotern ausgestattet sind, die in der Lage sind, 3D-Asphalt zu drucken. Diese Drohnen können gesendet werden, um Risse in ihren frühen Stadien zu reparieren.

In einer Arbeit mit dem Titel “3D printing of asphalt and its effect on mechanical properties” entwickelt eine Gruppe von Forschern einen 3D-Asphaltdrucker.

“Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass sich Asphalt beim Transport durch den Extruder als nicht Newtonsche Flüssigkeit verhält”, erklären die Forscher. Daher zeigten die Rheologie und der Druck in Bezug auf die eingestellte Temperatur und andere Betriebsparameter ein stark nichtlineares Verhalten und machten die Steuerung des Extrusionsprozesses schwierig. Diese Schwierigkeit wurde durch ein innovatives Extruderdesign überwunden, das den 3D-Druck von Asphalt bei verschiedenen Temperaturen und Prozessbedingungen ermöglicht.”

Die Forscher konstruierten den 3D-Drucker mit einem Rahmen- und Kontrollsystem von einem RepRap Mendel 90 3D-Drucker. Sie druckten die Extrusionsdüsenanordnung unter Verwendung eines Form 2 3D-Druckers. Das Schrittmotorgehäuse, der PCB und der serielle Anschlussclip wurden ebenfalls 3D gedruckt, wobei ein anderer, nicht modifizierter Mendel 90 verwendet wurde. Asphaltpellets wurden unter Verwendung eines harten Bitumens hergestellt, das in einer bearbeiteten Form bei niedriger Temperatur gegossen wurde. Mehrere Testobjekte wurden in einem Temperaturbereich von 100 °C bis 140 °C 3D gedruckt. Die Forscher druckten mehrere verschiedene Formen, darunter Standard-Teststäbe, die Tests unterzogen wurden, die ihre Festigkeit mit Gussasphaltproben verglichen.

Die mechanischen Eigenschaften der 3D-Druck- und Gussasphaltproben waren signifikant unterschiedlich. Die gegossenen Proben zeigten Anisotropie zwischen denen, die mit ihrer oberen und unteren Oberfläche unter Kompression getestet wurden.

“Diese Anisotropie ist wahrscheinlich auf die Unterschiede in der Oberflächenrauhigkeit, der Porosität und dem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen zwischen der Ober- und Unterseite der Probe zurückzuführen”, erklären die Forscher. “Es gab keine Unterschiede beim Testen der 3D-gedruckten Proben von oben oder unten.”

Die 3D-gedruckten Proben zeigten bis zu neunmal die Duktilität der gegossenen Proben, aber ihre Bruchfestigkeiten waren ähnlich. Die erhöhte Duktilität ist laut den Forschern “auf mikrostrukturelle Veränderungen im Asphalt zurückzuführen, die zu rissüberbrückenden Fasern führen, die die Zähigkeit erhöhen.”

Den Forschern zufolge könnte ein an einer Drohne angebrachter 3D-Drucker nicht nur zur Reparatur von Straßen, sondern auch zur Reparatur von schwer zugänglichen Bereichen wie Dächern verwendet werden. Die Verwendung autonomer Maschinen könnte es ermöglichen, kleinere Schäden zu beheben, bevor sie zu größeren Schäden werden, wodurch Gemeinden Zeit und Geld sparen und Schäden an Fahrzeugen vermieden werden.

“Die nächste Stufe der Entwicklung dieser Technologie beinhaltet das Verständnis der Auswirkungen von Umweltvariablen wie Straßentemperatur, Lufttemperatur, lokale Chemie, Schnittstelle zum Aggregat sowie umfassendere Tests wie die zyklische Belastung reparierter Crackstraßen”, schlussfolgern die Forscher.

Autoren der Arbeit sind Richard James Jackson, Adam Wojcik und Mark Miodownik.