Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2021

Bindemittel für den ultraschnellen "flüssig-fest" Übergang von hochgefüllten Suspensionen

Prof. Dr. Torben Gädt
Technische Universität München
Lehrstuhl für Bauchemie - Fakultät Chemie

Prof. Dr. Gaurav N. Sant
University of California, Los Angeles (UCLA)
Samueli School of Engineering

Die additive Fertigung von Bauwerksteilen mit topologieoptimierten Strukturen ermöglicht signifikante Materialeinsparungen. Das lasttragende Material wird nur dort eingesetzt, wo es aufgrund der Geometrie und der Spannungen des Bauwerkteils benötigt wird. Dabei ist während des Fertigungsvorgangs (dem Druckprozess) die räumlich-zeitliche Kontrolle des flüssig-fest Übergangs des gedruckten Materials von zentraler Bedeutung. Nur ultra-schnelle Verfestigungsmechanismen ermöglichen zum Beispiel das Drucken von überhängenden Strukturen. Zusätzlich erfordert die großvolumige Anwendung als Baumaterial äußerst kosten- und ressourceneffiziente Materialkonzepte. Somit sind die im Bereich des Kunststoff-3D-Drucks etablierten Prozesse und Materialien kaum geeignet zur Fertigung von Häusern oder Infrastrukturbauten. Andererseits weisen die stark zunehmenden Forschungsaktivitäen zum 3D-Druck von Beton darauf hin, dass Bindemittelkonzepte basierend auf Portlandzement zu langsame "flüssig-fest" Übergänge zeigen, um beliebig überhängende Strukturen mit hoher Genauigkeit drucken zu können.

In diesem Projekt untersuchen wir Ansätze für ultra-schnelle Bindemittelkonzepte, welche das Freiformdrucken von Baumaterialien ermöglichen. Dabei konzentrieren wir uns auf füllstoffreiche Suspension und hybride Bindemittel aus einer anorganischen und einer polymeren Komponente.

Abschlussbericht
Im Rahmen des geförderten Projekts wurde ein neuartiges hybrides anorganisch-organisches Bindemittelsystem für die additive Fertigung mit wässrigen Suspensionen entwickelt. Dieses System durchläuft einen ultraschnellen Übergang von flüssig zu fest, sobald eine bestimmte Initiierungstemperatur erreicht wird. Während des Entwicklungsprozesses konzentrierte sich das Team der TU München um Prof. Gädt auf die chemische Zusammensetzung des organischen Binders. Das Zwischenziel, ein organisches Bindemittel zu entwickeln, das in einer stark basischen Umgebung funktioniert und eine Initiierungstemperatur von etwa 60°C aufweist, wurde in dieser Phase erreicht. Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse wurden dann in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Sant an der UCLA genutzt. Dort wurden die rheologischen Eigenschaften der Mischung aus organischem Bindemittel und wässrigen Suspensionen für den 3D-Druck eingestellt. Die mit diesem Verfahren gewonnene neuartige Druckpaste ermöglicht nun den Druck komplexer Strukturen (z. B. überhängende Formen, nicht planar), die mit herkömmlichen, auf Suspensionen basierenden Systemen nicht druckbar sind. Mit BaCaTeC-Mitteln wurde ein dreiwöchiger Besuch eines Studenten aus München in Los Angeles ermöglicht, um praktische Erfahrungen zu sammeln. Dies ermöglichte den Austausch von Arbeitsmethoden und direkte Gespräche zwischen den Beteiligten. Die gute Zusammenarbeit führte zu mehreren Publikationen und Konferenzbeiträgen [1-4].

Weitere Forschung konzentriert sich auf die Anwendung des organischen Bindemittels auf andere wässrige Suspensionen und eine temperatur-unabhängige Initiierungsmethode für das organische Bindemittel, welche ebenfalls für hochbelastete Suspensionen geeignet ist.

[1] S. B. Kandy, I. Mehdipour, N. Neithalath, A. Kumar, M. Bauchy, E. Garboczi, S. Srivastava, T. Gaedt, G. Sant, Materials &. Design 2022, 221, 110905.
[2] S. Remke, G. Sant, T. Gädt, ce/papers - Proceedings in Civil Engineering 2023, 6, 818–824.
[3] S. Remke, S. B. Kandy, O. Rindle, G. Sant, T. Gaedt, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113598.
[4] S. B. Kandy, S. Remke; T. Ranganathan, S. Kiran Wani, X. Dai, N. Neithalath, A. Kumar, M. Bauchy, E. Garboczi, T. Gädt, S. Srivastava, G. Sant, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105905.