Biegsamer Beton? UNM-Ingenieure entwickeln Material für 3D-Druck im Bauwesen

Beton, das beliebteste Material für den 3D-Druck im Baugewerbe, erhält dank der Forschung an der University of New Mexico (UNM) ein Upgrade. Dort patentierten Forscher ein biegsames Betonmaterial, das speziell für den 3D-Druck entwickelt wurde. Dies war nicht das einzige Forschungsprojekt, das im Jahr 2024 zur Optimierung des 3D-Drucks von Beton durchgeführt wurde. Forscher der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapur) sorgten bereits für Schlagzeilen, da sie eine Technik für den 3D-Betondruck entwickelten, die in der Lage ist, Kohlenstoff zu binden.

Beton ist stark und hält Druck gut aus. Aber wenn es zu Spannungen kommt, hält das Material nicht stand. Er ist spröde und bricht daher leicht. Selbst wenn er mit Stahl bewehrt ist, muss er regelmäßig repariert werden, egal ob es sich um Gebäude, Brücken oder Gehwege handelt. Ein Beton mit besseren Dehnungseigenschaften, wie der an der UNM entwickelte, könnte den Bau stärkerer Infrastrukturen ermöglichen, die länger halten und weniger kostspielig in der Instandhaltung sind. Dies könnte vor allem in Gebieten von Bedeutung sein, die anfällig für Naturkatastrophen wie Erdbeben sind, die die Gebäude seitlich belasten.

Muster des biegsamen, 3D-gedruckten Betons. (Bild: UNM)

Laut der UNM-Mitteilung über die Forschung haben Wissenschaftler weltweit versucht, Materialien und Verfahren zu entwickeln, die diese Probleme lösen könnten. Einige Strukturen wurden bereits teilweise mit 3D-Druckern gebaut, aber bisher erfordern die meisten Verfahren die Platzierung von Materialien wie Balken oder Bewehrungsstäben, was die Automatisierung, die der 3D-Druck bieten sollte, einschränkt. Um etwas ohne eine solche Unterstützung zu drucken, muss das Druckmaterial stark genug sein, um sich selbst zu stützen und gleichzeitig für die Extrusion geeignet sein.

Maryam Hojati, Assistenzprofessorin an der Gerald-May-Abteilung für Bau-, Konstruktions- und Umwelttechnik, suchte nach einer Lösung. Ihr wissenschaftlicher Mitarbeiter Muhammad Saeed Zafar erläuterte ihre Aufgabe: „Wenn es uns gelingt, ultrahochduktiles Material zu entwickeln, ohne herkömmliche Stahlstäbe zu verwenden, [wird] das Problem der Unverträglichkeit von Bewehrung mit dem 3D-Druckverfahren gelöst.“

Wie wurde die Betonmischung hergestellt?

Der Schlüssel dazu waren die Fasern. Zafar stellte Betonmischungen mit unterschiedlichen Mengen an Fasern her, die er dann präzise mischte, abmaß und druckte, um ihre Funktionsfähigkeit zu testen. Der Prozess war kompliziert: Zu wenig Fasern führten dazu, dass die Drucke in sich zusammenfielen, und zu viel Fasern führten dazu, dass die Mischung nicht leicht durch den Drucker lief.

Zafar druckte viele konkrete Designs, darunter kleine Strukturen, Prismen und Hundeknochenformen. Nach dem Druck wurden diese Entwürfe auf ihre Biege- und direkte Zugfestigkeit geprüft. Dieser Prozess wurde dann wiederholt, und das Team stellte verschiedene Mischungen mit Materialien wie Polyvinylalkohol, Flugasche, Silikastaub und Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht her.

Die daraus resultierende Substanz, die sie als „selbstverstärktes ultra-duktiles zementartiges Material“ bezeichneten, wurde im August 2024 von UNM Rainforest Innovations im Namen von Hojati, Zafar und Amir Bakhshi, der zu Beginn der Projektentwicklung als Forschungsassistent tätig war, patentiert. In dem Patent führen sie vier verschiedene Mischungen mit einer bis zu 11,9 Prozent höheren Belastbarkeit auf.

„Aufgrund der großen Mengen an kurzen Polymerfasern in diesem Material kann es den gesamten Beton zusammenhalten, wenn er einer Biege- oder Zugbelastung ausgesetzt wird“, so Hojati. „Wenn wir dieses Material in größerem Maßstab einsetzen, können wir den Bedarf an externer Bewehrung für die gedruckte Betonstruktur minimieren.“

Das Transportation Consortium of South-Central States (Tran-SET) und das University Transportation Center der Region Six gewährten Zuschüsse, um die Entwicklung einer biegsamen, druckbaren betonähnlichen Substanz zu finanzieren. Die UNM berichtete, dass die Finanzierung zu drei Forschungsprojekten führte: „die Entwicklung eines 3D-druckbaren technischen Zementmaterials, die Bewertung der Eigenschaften des Materials in frischem und gehärtetem Zustand und die Entwicklung eines 3D-druckbaren Öko-Betons“. Nachdem die ersten beiden Projekte abgeschlossen waren, haben die Forscher das Material erfolgreich entwickelt und zum Patent angemeldet.

Was könnte biegsamer Beton für den 3D-Druck im Bauwesen bedeuten?

Dieses selbstverstärkte, ultrazähe Zementmaterial wäre optimal für den 3D-Druck von Gebäuden und anderen Infrastrukturen geeignet und würde eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Naturkatastrophen, eine geringere Wartungshäufigkeit und eine stärkere Automatisierung des Baus ermöglichen. Hojati hat jedoch auch den Weltraum im Visier. Zurzeit ist sie an mehreren Projekten beteiligt, die sich mit den Herausforderungen des Weltraumbaus befassen und bei denen der 3D-Druck eine Rolle spielen könnte.

„Dies war eine sehr erfolgreiche Forschung“, sagte Hojati. „Dieses Material hat 3D-Druckeigenschaften und eine sehr hohe strukturelle Lebensfähigkeit, die in der Bauindustrie verwendet werden könnte.“ Erfahren Sie mehr über die Forschung im obigen Video, oder lesen Sie den Artikel der UNM hier.

Was halten sie von dem biegsamen Beton? Teilen Sie uns Ihre Meinung mit und kontaktieren Sie uns. Lassen Sie uns dazu einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook oder LinkedIN mit. Möchten Sie außerdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter.

*Titelbildnachweis: UNM video