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Ein Forscherteam der australischen RMIT University hat 3D-gedruckte Betonstrukturen stärker gemacht, indem es sich von Hummerschalenmustern inspirieren ließ.
Durch die Nachahmung der biologischen Spiralmuster gelang es dem Team, Jahrtausende der natürlichen Selektion und Evolution zu nutzen, um die die Festigkeit und Haltbarkeit beim extrusionsbasierten 3D-Betondrucks zu ermöglichen. Nachdem die Forscher auch mit Stahlfaserverstärkungen experimentiert hatten, konnten sie ein Verbundmaterial entwickeln, das sogar stärker ist als herkömmlich hergestellter Beton.
Auf das Muster beim 3D-Druck kommt es an
Das Muster, das beim Druck verwendet wird, hat einen großen Einfluss auf die Festigkeit des erzeugten Objekts. Das einfachste und gebräuchlichste 3D-Druckmuster ist das unidirektionale Muster, bei dem die Schichten in parallelen Reihen übereinander gestapelt werden. Dies ist leicht zu realisieren, aber bietet eine schwächere Festigkeit.
Die Lösung für dieses Problem ist eine absichtliche Anordnung, bei der die gedruckten Schichten in unterschiedlichen und unkonventionellen Mustern extrudiert werden, ähnlich wie bei einer Kreuzschraffur. Dadurch wird die Festigkeit des Materials in jeder Ebene verteilt, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass es einen einzigen Abschnitt der Struktur gibt, der für ein Versagen anfällig ist. Diese isotropen Strukturen sind in der Natur weit verbreitet, wie z. B. in der schraubenförmigen Schale eines Hummers.
Inspiriert von Hummerschalen
Das RMIT-Team druckte die schalenähnlichen Muster in verschiedenen Winkeln, beginnend mit 10°, und fand heraus, dass die größte Festigkeitsverbesserung von einer vollständig spiralförmigen Geometrie ausging. Durch die Beimischung von 6 mm langen Stahlfasern (0,75 %) in die Zementmischung konnten die Forscher auch die Häufigkeit von Defekten und Porositäten in den Strukturen reduzieren und so die Festigkeit über die von herkömmlichem Beton hinaus erhöhen. Neben der Verbesserung der strukturellen Integrität trugen die Fasern dazu bei, dass der Beton früher ohne Druckverformung aushärtete, was den Weg für die Herstellung höherer Strukturen ebnete.
Das Forschungsteam investiert nun in einen größeren Beton-3D-Drucker und will sich zukünftig auf den 3D-Druck von Häusern und anderen Gebäuden konzentrieren. Dabei soll auch die Verwendung von recycelten Abfallmaterialien eine Rolle spielen.
Mehr dazu findet man auch in der wissenschaftlichen Arbeit „Influences of Printing Pattern on Mechanical Performance of Three-Dimensional-Printed Fiber-Reinforced Concrete„.
Eine Übersicht von Firmen, die sich mit dem 3D-Druck von Häusern beschäftigen, finden Sie hier.
