Wie werden 3D-gedruckte Bauwerke stabiler?

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Werkstoffe für den 3D-Druck sind üblicherweise weich und flexibel während des Drucks. Das weckt Besorgnis über die Stabilität gedruckter Wände. Akke Suiker, Professor für angewandte Mechanik an der Technischen Universität Eindhoven hat ein Modell entwickelt, mit dem Ingenieure die Dimensionen und Druckgeschwindigkeiten bestimmen können, bei denen gedruckte Wände stabil bleiben.

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Werkstoffe für den 3D-Druck sind üblicherweise weich und flexibel während des Drucks. Das weckt Besorgnis über die Stabilität gedruckter Wände. Akke Suiker, Professor für angewandte Mechanik an der Technischen Universität Eindhoven hat ein Modell entwickelt, mit dem Ingenieure die Dimensionen und Druckgeschwindigkeiten bestimmen können, bei denen gedruckte Wände stabil bleiben.

Konventioneller Beton für die Schalung kann über mehrere Wochen aushärten. Ganz anders der 3D-gedruckte Beton: Ohne unterstützende Schalung muss er praktisch sofort das Gewicht der darüber gedruckten Betonschichten tragen. Mit jeder zusätzlichen Schicht steigt die Spannung: Ist er schon hart und stark genug, um noch eine weitere Schicht aufzudrucken? Das ist eines der herausragenden Fragen im 3D-Druck.

Sie gehörte ursprünglich nicht zu den Aufgaben von Professor Akke Suiker, der auf dem Weg ins Büro immer die riesigen Beton-3D-Drucker in Aktion sehen konnte. Aber an einem Samstag im März vergangenen Jahres wachte er mit einer Idee auf, das Problem zu lösen und brachte noch beim Frühstück die ersten mathematischen Gleichungen zu Papier. In den Monaten danach war Suiker vollkommen von dieser Idee absorbiert und arbeitete fieberhaft an den Details. Die Ergebnisse wurden diese Woche im International Journal of Mechanical Sciences [1] veröffentlicht.

Mit seinen Gleichungen kann Suiker berechnen, wie schnell er bei gegebenen Aushärtungscharakteristik und Abmessungen der Wände die gedruckten Schichten auftragen kann, und zwar ohne kollabierende Strukturen. Aber er kann auch berechnen, auf welche Weise eine Wand mit so wenig Material wie möglich auskommt und welche Einfluss bauliche Unregelmäßigkeiten ausüben. Oder was passiert, wenn er die Wand etwas dicker macht, das Aushärten beschleunigt, ein gänzlich anderes Material einsetzt oder die Wand umfallen könnte und dabei verbundene Strukturen mit sich reißt. Bei Letzterem entsteht ein beträchtlich größerer Schaden. Eigentlich gibt es 15 bis 20 Faktoren, auf die es zu achten gilt, aber weil Suiker seine Gleichungen zweckmäßig skaliert hat, sind nur fünf dimensionslose Parameter übrig geblieben. Daher wird das Problem mit einem sehr eleganten und intuitiven Modell gelöst.

Ob die Ergebnisse für den 3D-Druck wichtig sein könnten, steht für Suiker außer Zweifel: „Sie sollten es. Die Erkenntnisse aus dem Modell schaffen wichtiges Grundwissen für jeden, der Bauwerke in 3D druckt. Für Bauingenieure, Ingenieurbüros, aber beispielsweise auch für Unternehmen, die dünnwandige, kleine Prothesen aus Plastik drucken, weil auch dort meine Gleichungen gelten.“ Die ersten Interessenten gibt es schon: die Cambridge University hat den Professor für ein Seminar über seine Arbeit eingeladen.

Suiker validierte sein Modell mit Testergebnissen, die PhD-Student Rob Wolfs mit einem Beton-3D-Drucker an der TU Eindhoven gewonnen hatte. Auch dieser entwickelte gleichzeitig mit Suiker ein Computermodell, mit dem er das Verhalten im Druckprozess berechnen kann. Es fußt jedoch auf der Finite-Elemente-Methode [2]. Die Ergebnisse der unabhängig voneinander entstandenen Modelle bestätigen einander.

Das Modell von Wolfs unterscheidet sich in Hinblick auf die Anwendung. Es funktioniert besonders gut für eine detaillierte Untersuchung komplexer Probleme bei besonderen Druckbedingungen, aber mit seinem rein numerischen Charakter und der erforderlichen Rechenzeit eignet es sich weniger dafür, die wichtigsten Effekte des Druckvorgangs zu erfassen und übergreifende Trends zu formulieren.

[1] Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments. A.S.J. Suiker. International Journal of Mechanical Sciences. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.01.010

[2] Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelling and experimental testing.  R.J.M. Wolfs, F.P. Bos, T.A.M. Salet, Cement and Concrete Research. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.02.001

 

Bild: Rechteckige Formen, die mit dem Beton-3D-Drucker an der TU Eindhoven entstanden sind. Professor Suiker hat seine Gleichungen für Formen wie diese ausgearbeitet.  Photo: Rob Wolfs

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