Neue 3D-gedruckte Zementpaste wird stärker bei Rissbildung

Purdue University Forscher haben 3D-gedruckte Zementpaste, ein wichtiger Bestandteil des Betons und Mörtel um verschiedene Elemente der Infrastruktur zu bauen, die unter Druck härter wird wie die Schalen von Gliederfüßler wie Hummer und Käfer. Die Technik könnte eventuell zu widerstandsfähigeren Strukturen bei Naturkatastrophen beitragen.

“Die Natur muss mit Schwächen umgehen, um zu überleben, deshalb nutzen wir die” eingebauten “Schwächen von zementbasierten Materialien, um ihre Wiederstandsfähigkeit zu erhöhen”, sagte Jan Olek, Professor an Purdues Lyles School of Civil Engineering.

Die Idee wäre, Designs zu verwenden, die von Arthropodenmuscheln inspiriert sind, um zu kontrollieren, wie sich der Schaden zwischen den bedruckten Schichten eines Materials ausbreitet, wie etwa den Versuch, einen Haufen ungekochter Spaghetti-Nudeln im Gegensatz zu einer einzigen Nudel zu brechen.

“Die Exoskelette von Arthropoden haben Rissausbreitungs- und Vorspannungsmechanismen, die wir in 3D-gedruckter Zementpaste reproduzieren können”, sagte Pablo Zavattieri, Purdue Professor für Bauingenieurwesen.

3D-gedruckte Materialien auf Zementbasis – wie Zementpaste, Mörtel und Beton – würden den Ingenieuren mehr Kontrolle über Design und Leistung geben, aber die technischen Möglichkeiten standen der Skalierung entgegen.

Purdue-Ingenieure sind die ersten, die 3D-Druck verwenden, um mit Zementmasse bioinspirierte Strukturen zu erzeugen, wie in einem veröffentlichten Papier und dem Titelblatt für eine kommende Druckausgabe der Zeitschrift Advanced Materials gezeigt.

Neue Designs ermöglichen es, dass 3D-gedruckte Zementpastenelemente sich anders verhalten, wie beispielsweise eine Feder.

“Der 3D-Druck hat die Notwendigkeit beseitigt, für jede Art von Design eine Form zu schaffen, damit wir diese einzigartigen Eigenschaften von zementbasierten Materialien erreichen können, die zuvor nicht möglich waren”, sagte Jeffrey Youngblood, Purdue-Professor für Werkstofftechnik.

Das Team verwendet auch Mikro-CT-Scans, um das Verhalten gehärteter 3D-gedruckter zementbasierter Materialien besser zu verstehen und ihre schwachen Eigenschaften zu nutzen, z. B. Porenbereiche an den “Grenzflächen” zwischen den gedruckten Schichten, die Rissbildung fördern. Diese Erkenntnis wurde kürzlich auf der 1. Internationalen RILEM-Konferenz für Beton- und Digitalherstellung vorgestellt.

“3D-Druck auf Zementbasis ermöglicht die Kontrolle über ihre Struktur, was zur Entstehung von mehr Schäden und fehlertoleranten Strukturelementen wie Balken oder Säulen führen kann”, sagte Mohamadreza “Reza” Moini, eine Purdue Ph.D. Kandidat für Bauingenieurwesen.

Das Team wurde ursprünglich von dem Fangschreckenkrebs inspiriert, der seine Beute mit einem “Keulen” -Anhang erschlägt, der beim Aufprall härter wird durch verdrehende Risse, die Energie zerstreuen und verhindern, dass der Schläger auseinander fällt.

Einige der bioinspirierten Zementpastenelemente, die vom Team unter Verwendung von 3D-Drucktechniken entworfen und hergestellt wurden, umfassen die “Waben” -, “Konform” – und “Bouligand” -Designs, die “Architekturen” genannt werden.

Jede dieser Architekturen ermöglichte neue Verhaltensweisen in einem einmal gedruckten 3D-gedruckten Element. Die Bouligand-Architektur zum Beispiel nutzt schwache Schnittstellen, um ein Material rissbeständiger zu machen, während die nachgiebige Architektur Zement-basierte Elemente wie eine Feder wirken lässt, obwohl sie aus sprödem Material bestehen.

Das Team plant, andere Wege zu erkunden, auf denen zementbasierte Elemente zum Aufbau widerstandsfähigerer Strukturen entworfen werden könnten.

An der Arbeit beteiligt waren Mohamadreza Moini, Jan Olek, Jeffrey Youngblood, Bryan Magee und Pablo Zavattieri

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