Der 3D-Druck in der Baubranche ist nachhaltiger und umweltfreundlicher als mit traditionellen Methoden. Die Herstellung von Zement jedoch verschlechtert jedoch die Umweltbilanz 3D-gedruckter Betonstrukturen. Ein internationales Forscherteam will dies mit dem 3D-Druck von Metakaolin und Sand ändern, als Alternative zu Zement und konzentrierte sich in seiner Forschungsarbeit auf den 3D-Druck von Geopolymerstrukturen.

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Ein internationales Forscherteam hat Geopolymerstrukturen mit dem Binder Jetting-3D-Druckverfahren hergestellt. Diese sollen mit Strukturbeton für verschiedene Anwendungen konkurrenzfähig sein. Die Forscher wollten Metakolin, eine dehydroxylierte Form des Tonminerals Kaolinit ohne Zement mit 3D-Druck verarbeiten. Das Ausgangsmaterial, mit dem das Team prismenförmige Geopolymerkomponenten mit fehlerfreien Pulverschichten in einem laut den Forschern saubereren und nachhaltigeren Produktionsprozess herstellte, besteht aus Sand und Metakaolin.

Die Studie wurde von der Stein-3D-Druck-Firma Desamanera, der Universität Padua, dem ägyptischen National Research Center, der Pennsylvania State University und dem Ceramic and Mineral Resources Technology Center (CETMIC) aus Argentinien durchgeführt. Die Forscher haben ihre Arbeit in einem Artikel mit dem Titel „Additive Manufacturing of Inorganic Components Using a Geopolymer and Binder Jetting“ vorgestellt.

Geopolymere als umweltfreundliche Alternative zum Zement

Der 3D-Druck ist in der Baubranche eine sehr geeignete Technologie, um nachhaltig zu arbeiten. Doch die Herstellung von Zement, die für höhere Treibhausgasemissionen und einem höheren Energieverbrauch verantwortlich ist, verschlechtert die Gesamtnachhaltigkeit 3D-gedruckter Betonstrukturen. Die Hydrationswärme, hohe Kosten und die hohe autogene Schwindung, denen der Zement unterliegt, sind zusätzliche Kritikpunkte. Geopolymere hingegen sind eine schnell abbindende, umweltfreundliche und kostengünstige Alternative und zudem feuerbeständiger und haltbarer als Zementverbundwerkstoffe.

Wissenschaftler der Nanyang Technological University Singapur nutzten im Jahr 2017 Flugasche, um daraus einen 3D-druckbaren Geopolymer-Mörtel herzustellen.

Um Metakaolin zementfrei zu drucken, entwickelten die Forscher eine Granulierungstechnik, mit der sie ein Ausgangsmaterial aus Sandkörnern mit Metakaolin bedeckt mit „angemessener“ Fließfähigkeit herstellen konnten. Mit dem Binder-Jet-3D-Druckverfahren konnten sie den Geopolymerisationsprozess nutzen, der auftritt, wenn Metakaolin mit einer alkalischen Lösung reagiert.

3D-Druck mit Metakaolin und Sand
Ein internationales Forscherteam untersucht den 3D-Druck von Geopolymeren mit Metakaolin und Sand (im Bild: Weg von den einzelnen Materialien bis zum 3D-gedruckten Teil)(Bild © Additive Manufacturing Journal).

Granulationsverfahren

Durch das Aufspritzen einer alkalischen Lösung auf das Pulverbett ermöglichte das Granulationsverfahren einen höheren Anteil an Metakaolin und sie konnten fehlerfreie Pulverschichten drucken. Die aufgesprühte alkalische Lösung reagierte mit den im Granulat enthaltenen Metakaolin-Pulvern und bildete ein Geopolymer. Die Forscher nutzten einen großformatigen, kommerziell erhältlichen Binder-Jet-3D-Drucker, um ihre strukturellen Geopolymerkomponenten aus zwei Rohstoffen herzustellen. Eine Probe wurde mit Metakaolin und Sand gedruckt, eine andere enthält eine kleine Menge an handelsüblichem schnell abbindenden Zement in der Pulvermischung. Alle 3D-gedruckten Proben waren wasserbeständig und zeigten keine Unterschiede nach 7 Tagen Wassereinwirkung. Die mit 30 Gew.-% Metakaolin hergestellten 3D-gedruckten Geopolymerteile hatten eine Druckfestigkeit von 20 MPa, auch bei einem Volumen von 30 % Restporosität.

Die 3D-gedruckten Geopolymere aus nur Metakaolin hatten die gleiche Druckgenauigkeit und Auflösung wie jene, die Zement enthielten. Die Granulationstechnik des Teams ermöglichte es, einen höheren Gewichtsprozentansatz an feinen und reaktiven Metakaolin-Partikeln in das Pulverbett einzubringen, um die Fließfähigkeit des Ausgangsmaterials aufrechtzuerhalten und defektfreie Schichten drucken zu können. Das Hinzufügen von schnell abbindendem Zement zum Pulverbett wirkte sich nicht auf die Druckgenauigkeit oder Festigkeit der Geopolymerteile aus. Nachdem sie die 3D-gedruckten Geopolymerstrukturen in Wasser eingetaucht hatten, zeigten sich keine Änderungen in der Festigkeit, weshalb das Team glaubt, dass seine Formulierung im Außenbereich und in der Anwendungen mit Wasserwechselwirkung verwendet werden könnte. Abonnieren Sie unseren Newsletter und bleiben Sie über aktuelle Themen aus der Welt des 3D-Drucks informiert.

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