Neues Polymers verleiht 3D-gedrucktem Quarzsand höchste Festigkeit

Forscher des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein neuartiges Polymer entwickelt, das Quarzsand für Binder-Jet-Druckverfahren bindet und verstärkt. Das druckbare Polymer ermöglicht Sandstrukturen mit komplizierten Geometrien und außergewöhnlicher Festigkeit – und ist zudem wasserlöslich. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt eine 3D-gedruckte Sandbrücke, die mit 6,5 Zentimetern das 300-fache ihres Eigengewichts tragen kann.

Das Binder-Jet-Druckverfahren ist billiger und schneller als andere von der Industrie verwendete 3D-Druckverfahren und ermöglicht es, 3D-Strukturen aus einer Vielzahl von pulverförmigen Materialien zu erstellen, was Kostenvorteile und Skalierbarkeit bietet. Das Konzept basiert auf dem Tintenstrahldruck, doch anstelle von Tinte stößt der Druckkopf ein flüssiges Polymer aus, das ein pulverförmiges Material, z. B. Sand, bindet und ein 3D-Design Schicht für Schicht aufbaut. Das bindende Polymer verleiht dem gedruckten Sand seine Festigkeit. Das Team nutzte sein Fachwissen über Polymere, um ein Polyethylenimin (PEI) herzustellen, ein Bindemittel, das die Festigkeit der Sandteile im Vergleich zu herkömmlichen Bindemitteln verdoppelt.

Mittels Binder-Jetting gedruckte Teile sind zunächst porös, wenn sie aus dem Druckbett genommen werden. Sie können verstärkt werden, indem das Design mit einem zusätzlichen Superkleber namens Cyanacrylat infiltriert wird, der die Lücken füllt. Durch diesen zweiten Schritt wurde die Festigkeit gegenüber dem ersten Schritt um das Achtfache erhöht, so dass der Polymer-Sand-Verbundwerkstoff fester ist als alle anderen und alle bekannten Baumaterialien, einschließlich Mauerwerk.

Teile, die mit herkömmlichen Bindemitteln geformt werden, werden durch Infiltrationsmaterialien wie Superkleber dichter gemacht, aber keines davon erreicht auch nur annähernd die Leistung des PEI-Bindemittels. Die beeindruckende Festigkeit des PEI-Bindemittels ist auf die Art und Weise zurückzuführen, wie das Polymer beim Aushärten mit Cyanacrylat reagiert. Eine mögliche Anwendung für den hochfesten Sand ist die Weiterentwicklung von Werkzeugen für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.

Quarzsand ist ein billiges, leicht verfügbares Material, das in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtbranche für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen an Interesse gewonnen hat. Leichte Materialien wie Kohlenstoff- oder Glasfasern werden um 3D-gedruckte Sandkerne oder “Werkzeuge” gewickelt und mit Hitze ausgehärtet. Quarzsand ist für die Herstellung von Werkzeugen attraktiv, weil er bei Erwärmung seine Abmessungen nicht verändert und weil er einen einzigartigen Vorteil bei abwaschbaren Werkzeugen bietet. Bei Verbundwerkstoffanwendungen ist die Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels für die Herstellung von Sandwerkzeugen von Bedeutung, da der Sand einfach mit Leitungswasser ausgewaschen werden kann und eine hohle Verbundwerkstoffform zurückbleibt.

Weitere Details findet zu der Entwicklung findet man in dem Paper “Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled by polyethyleneimine binder” von Dustin B. Gilmer, Lu Han, Michelle L. Lehmann, Derek H. Siddel, Guang Yang, Azhad U. Chowdhury, Benjamin Doughty, Amy M. Elliott und Tomonori Saito, welches in Nature Communications erschienen ist.