24 nov. 2021
2 minuten
Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuw polymeer ontworpen om silicazand te binden en te versterken voor additieve productie van binderjet, een 3D-printmethode die door industrieën wordt gebruikt voor prototyping en productie van onderdelen.
De printbare polymeer maakt zandstructuren met ingewikkelde geometrieën en uitzonderlijke sterkte mogelijk – en is ook in water oplosbaar. De studie, gepubliceerd in Nature Communications, demonstreert een 3D-geprinte zandbrug (6,5 centimeter) die 300 keer zijn eigen gewicht kan dragen, een prestatie die vergelijkbaar is met 12 Empire State Buildings op de Brooklyn Bridge.
Het binder jet-printproces maakt het mogelijk om 3D-structuren te creëren van een verscheidenheid aan poedervormige materialen. Het concept komt voort uit inkjetprinten, maar in plaats van inkt te gebruiken, spuit de printerkop een vloeibaar polymeer uit om een poedervormig materiaal, zoals zand, te binden, waardoor een 3D-ontwerp laag voor laag wordt opgebouwd.
Het team maakte een polyethyleenimine- of PEI-bindmiddel dat de sterkte van zanddelen verdubbelde in vergelijking met conventionele bindmiddelen.
Sterker dan metselwerk
Onderdelen die via binderjetting zijn geprint, zijn aanvankelijk poreus. Ze kunnen worden versterkt door het ontwerp te infiltreren met een extra superlijmmateriaal, cyanoacrylaat genaamd, dat de gaten opvult. Deze tweede stap zorgde voor een achtvoudige sterktetoename bovenop de eerste stap, waardoor een polymeerzandcomposiet sterker is dan alle andere en alle bekende bouwmaterialen, inclusief metselwerk.
"Weinig polymeren zijn geschikt om als bindmiddel voor deze toepassing te dienen. We waren op zoek naar specifieke eigenschappen, zoals oplosbaarheid, die ons het beste resultaat zouden geven. Onze belangrijkste bevinding was de unieke moleculaire structuur van ons PEI-bindmiddel dat het reactief maakt met cyanoacrylaat om uitzonderlijke sterkte te bereiken, "zei hoofdonderzoeker Tomonori Saito.
Composieten maken
Het supersterke zand is mogelijk geschikt als hulpconstructie bij de fabricage van composieten. Silicazand is een goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar materiaal dat in de automobiel- en ruimtevaartsector in de belangstelling staat voor het maken van composietonderdelen. Lichtgewicht materialen, zoals koolstofvezel of glasvezel, worden hier gewikkeld rond 3D-geprinte zandkernen en uitgehard met warmte. Silicazand is hier aantrekkelijk voor omdat het bij verhitting niet van afmeting verandert en omdat het uitwasbaar is met kraanwater.
De huidige zandgietmatrijzen en kernen hebben een beperkt industrieel gebruik omdat commerciële methoden, zoals uitspoelgereedschap, hitte en druk toepassen die ertoe kunnen leiden dat zanddelen bij de eerste poging breken of falen. Er zijn sterkere zandonderdelen nodig om de productie op grote schaal te ondersteunen en een snelle productie van onderdelen mogelijk te maken.
Anderen lazen ook
