Forscher vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben ein neuartiges Polymer zum Binden und Verstärken von Quarzsand für das Binder Jetting-3D-Druckverfahren vorgestellt. Damit sollen 3D-gedruckte Objekte entstehen, die das 300-fache ihres Gewichts tragen können. Mit stärkeren Sandteilen soll die Fertigung in großem Maßstab und eine schnelle Teileproduktion zu niedrigen Kosten möglich werden.

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Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ist es gelungen ein neuartiges Polymer zum Binden und Verstärken von Quarzsand für das Binder Jetting zu entwickeln. Das wasserlösliche Polymer macht Sandstrukturen mit filigranen Geometrien und außergewöhnlicher Festigkeit möglich, wie das ORNL in einer Pressemitteilung erklärt.

In einer Arbeit mit dem Titel „Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled by polyethyleneimine binder„, die sie im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht haben, zeigen die Wissenschaftler die Stärke ihre Entwicklung. Sie haben mithilfe ihres Polymers eine 6,5 Zentimeter kleine Sandbrücke mit dem 3D-Drucker hergestellt, die das 300-fache ihres Eigengewichts tragen kann. Die Leistung lässt sich mit 12 Empire State Buildings auf der Brooklyn Bridge vergleichen.

Details zum 3D-druckbaren Polymer

Das kostengünstige Binder Jetting-3D-Druckverfahren ermöglicht die Herstellung von komplexen Strukturen aus vielen pulverförmigen Materialien und bringt Kostenvorteile sowie Skalierbarkeit. Der Druckkopf spritzt ein flüssiges Polymer aus, um pulverförmiges Material wie Sand zu binden und baut so Schicht für Schicht ein 3D-Design auf. Das bindende Polymer sorgt dabei für die Festigkeit. Sie verwendeten Polyethylenimin (PEI), um die Festigkeit von Sandteilen im Vergleich zu herkömmlichen Bindemitteln zu verdoppeln.

Mit Binder Jetting entstandene Teile sind zunächst porös und können mit Cycanacrylat verstärkt werden, das die Lücken ausfüllt. Das führt zu einer achtfachen Festigkeitssteigerung und zu einem Polymer-Sand-Verbund, der stärker als alle bekannten Baumaterialien wurde.

Tomonori Saito vom ORNL, ein leitender Forscher des Projekts, erklärt:

„Unser wichtigstes Ergebnis war die einzigartige Molekularstruktur unseres PEI-Bindemittels, die es mit Cyanacrylat reaktiv macht, um eine außergewöhnliche Festigkeit zu erreichen.“

Saito vor 3D-Drucker von ExOne mit 3D-Druck-Objekt aus Sand
Der hochfeste Sand könnte unter anderem für die Weiterentwicklung von Werkzeugen für die Fertigung mit Verbundwerkstoffen genutzt werden (im Bild: Saito mit 3D-gedrucktem Sandobjekt)(Bild © ORNL).

3D-Druck mit hochfestem Sand

Der hochfeste Sand könnte unter anderem für die Weiterentwicklung von Werkzeugen für die Fertigung mit Verbundwerkstoffen genutzt werden. Der billige und leicht verfügbare Quarzsand wird zunehmend für Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie interessant. Leichte Materialien wie Glas- oder Kohlefaser werden um 3D-gedruckte Sandkerne oder Werkzeuge gewickelt und mit Hitze ausgehärtet. Da Quarzsand beim Erhitzen seine Abmessungen nicht aushärtet, ist er für Werkzeuge attraktiv. Bei Verbundanwendungen ist ein wasserlösliches Bindemittel zur Bildung von Sandwerkzeug von Vorteil, da es einen einfachen Auswaschschritt mit Leitungswasser ermöglicht und eine hohle Verbundform bleibt.

3D-Druck-Brücke mit Objekt
Sie haben mithilfe ihres Polymers eine 6,5 Zentimeter kleine Sandbrücke in 3D gedruckt, die das 300-fache ihres Eigengewichts tragen kann (im Bild: 3D-gedruckte Brücke mit 300-mal so schwerem Objekt darauf)(Bild © ORNL).

Dustin Gilmer, Student am Bredesen Center der University of Tennessee und Hauptautor der Studie, sagte:

„Um die Genauigkeit von Werkzeugteilen zu gewährleisten, benötigen Sie ein Material, das sich während des Prozesses nicht verändert, weshalb Quarzsand vielversprechend ist. Die Herausforderung bestand darin, strukturelle Schwächen in Sandteilen zu überwinden.“

Sandgussformen und -Kerne haben eine begrenzte industrielle Verwendung, denn kommerzielle Verfahren führen dazu, dass Sandteile brechen können. Mit stärkeren Sandteilen soll die Fertigung in großem Maßstab und eine schnelle Teileproduktion möglich werden.

Das Bindemittel wurde 2019 mit dem R&D 100 Award ausgezeichnet und von ExOne für die Forschung lizenziert.

Gilmer sagte:

„Unser hochfester Polymer-Sand-Verbundstoff erhöht die Komplexität von Teilen, die mit Binder-Jetting-Verfahren hergestellt werden können, ermöglicht kompliziertere Geometrien und erweitert die Anwendungen für Fertigung, Werkzeugbau und Konstruktion.“

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