Ein neuer Polymerbinder verwandelt zerbrechliche Sandabdrücke in superstarke, industrietaugliche Werkzeuge.
Forscher am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein neuartiges Polymer entwickelt, um Quarzsand für die additive Fertigung mit Binder-Jet-Verfahren zu binden und zu verstärken, ein 3D-Druckverfahren, das in der Industrie für die Prototypenherstellung und Teileproduktion eingesetzt wird.
Das druckbare Polymer ermöglicht Sandstrukturen mit komplizierten Geometrien und außergewöhnlicher Festigkeit – und ist außerdem wasserlöslich.
Die Studie, veröffentlicht inNaturkommunikation, demonstriert eine 3D-gedruckte Sandbrücke, die bei 6,5 Zentimetern (2,6 Zoll) das 300-fache ihres Eigengewichts tragen kann, eine Leistung, die mit 12 Empire State Buildings auf der Brooklyn Bridge vergleichbar ist.
Das Binder-Jet-Druckverfahren ist kostengünstiger und schneller als andere in der Industrie eingesetzte 3D-Druckverfahren und ermöglicht die Erstellung von 3D-Strukturen aus einer Vielzahl von Pulvermaterialien, was Vorteile bei Kosten und Skalierbarkeit bietet. Das Konzept stammt vom Tintenstrahldruck, aber statt Tinte spritzt der Druckerkopf ein flüssiges Polymer aus, um ein pulverförmiges Material wie Sand zu binden und so Schicht für Schicht ein 3D-Design aufzubauen. Das Bindepolymer verleiht dem bedruckten Sand seine Festigkeit.
Das Team nutzte seine Polymerkompetenz, um ein Polyethylenimin- oder PEI-Bindemittel anzupassen, das die Festigkeit von Sandteilen im Vergleich zu herkömmlichen Bindemitteln verdoppelte.
Durch die Sekundenkleberinfiltration wird eine unübertroffene Stärke freigesetzt
Über Binder Jetting gedruckte Teile sind zunächst porös, wenn sie vom Druckbett entfernt werden. Sie können verstärkt werden, indem das Design mit einem zusätzlichen Sekundenkleber namens Cyanacrylat infiltriert wird, der die Lücken füllt. Dieser zweite Schritt sorgte im Vergleich zum ersten Schritt für eine achtfache Festigkeitssteigerung und machte einen Polymersand-Verbundwerkstoff stärker als alle anderen und bekannten Baumaterialien, einschließlich Mauerwerk.
„Nur wenige Polymere eignen sich als Bindemittel für diese Anwendung. Wir suchten nach spezifischen Eigenschaften, wie z. B. Löslichkeit, die uns das beste Ergebnis liefern würden. Unsere wichtigste Erkenntnis lag in der einzigartigen Molekularstruktur unseres PEI-Bindemittels, die es mit Cyanacrylat reaktiv macht, um eine außergewöhnliche Festigkeit zu erreichen“, sagte Tomonori Saito vom ORNL, ein leitender Forscher des Projekts.
Mit herkömmlichen Bindemitteln geformte Teile werden mit Infiltratmaterialien wie Sekundenkleber dichter gemacht, aber keines erreicht annähernd die Leistung des PEI-Bindemittels. Die beeindruckende Festigkeit des PEI-Bindemittels beruht auf der Art und Weise, wie das Polymer beim Aushärten reagiert und sich mit Cyanacrylat verbindet.
Eine mögliche Anwendung für den superfesten Sand ist die Weiterentwicklung von Werkzeugen für die Verbundwerkstoffherstellung.
Waschbare Sandwerkzeuge revolutionieren die Herstellung von Verbundwerkstoffen
Quarzsand ist ein billiges, leicht verfügbares Material, das im Automobil- und Luft- und Raumfahrtsektor für die Herstellung von Verbundteilen an Interesse gewonnen hat. Leichte Materialien wie Kohlefaser oder Glasfaser werden um 3D-gedruckte Sandkerne oder „Werkzeuge“ gewickelt und durch Hitze ausgehärtet. Quarzsand ist für Werkzeuge attraktiv, weil er beim Erhitzen seine Abmessungen nicht verändert und einen einzigartigen Vorteil bei waschbaren Werkzeugen bietet. Bei Verbundanwendungen ist die Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels zur Herstellung von Sandwerkzeugen von Bedeutung, da es einen einfachen Auswaschschritt mit Leitungswasser ermöglicht, um den Sand zu entfernen und eine hohle Verbundform zu hinterlassen.
„Um sicherzustellenGenauigkeitBei Werkzeugteilen benötigen Sie ein Material, das während des Prozesses seine Form nicht verändert, weshalb sich Quarzsand als vielversprechend erwiesen hat. Die Herausforderung bestand darin, strukturelle Schwächen in Sandteilen zu überwinden“, sagte Dustin Gilmer, Student am Bredesen Center der University of Tennessee und Hauptautor der Studie.
Derzeitige Sandgussformen und -kerne sind in der Industrie nur begrenzt einsetzbar, da bei kommerziellen Methoden, wie z. B. Auswaschwerkzeugen, Hitze und Druck angewendet werden, die dazu führen können, dass Sandteile beim ersten Versuch brechen oder versagen. Es werden stärkere Sandteile benötigt, um die Fertigung in großem Maßstab zu unterstützen und eine schnelle Teileproduktion zu ermöglichen.
„Unser hochfester Polymer-Sand-Verbundwerkstoff erhöht die Komplexität von Teilen, die mit Binder-Jetting-Methoden hergestellt werden können, ermöglicht komplexere Geometrien und erweitert die Anwendungen für Fertigung, Werkzeugbau und Konstruktion“, sagte Gilmer.
Der neuartige Ordner gewann 2019 den R&D 100 Award und wurde vom Industriepartner ExOne für Forschungszwecke lizenziert.
Referenz „Additive Fertigung starker Quarzsandstrukturen durch Polyethylenimin-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, 26. August 2021,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-021-25463-0
Die Arbeit wurde vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des DOE gesponsert und nutzte Ressourcen, die vom Office of Science des DOE unterstützt wurden.
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