Projekt AFChem - Additive Fertigung von Bauteilen für chemisch stark beanspruchte Infrastruktursysteme

05.02.2021

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Im Rahmen des Projektes wird das Verfahren „Laser-Induced Slip Casting“ (LIS) auf reaktive Suspensionen wie z. B. alkaliaktivierte Bindemittel angewendet und hierfür adaptiert bzw. optimiert. Alkaliaktivierte Bindemittel weisen bei geeigneter Formulierung einen sehr hohen Säurewiderstand auf, wodurch die Beständigkeit von Bauteilen erhöht werden kann. Die Bauteile können in Abwasserbauwerken eingesetzt werden. Das Verfahren wurde ursprünglich in Kooperation mit der TU Clausthal für die additive Fertigung von Keramiken entwickelt.

Ziel ist die Entwicklung, Optimierung und Skalierung eines Prozesses zur additiven Fertigung von Bauteilen auf Basis alkaliaktivierter Bindemittel. Diese sind für die Anwendung in chemisch hoch beanspruchten Bereichen vorgesehen, zum Beispiel in Abwasserbauwerken mit starkem Angriff durch biogene Schwefelsäurekorrosion. Bei Projektabschluss soll erstmalig ein Laser-basiertes Verfahren zur additiven Fertigung von geometrisch komplexen Betonbauteilen mit hohem chemischem Widerstand zur Verfügung stehen.

Im LIS-Verfahren wird eine Suspension schichtweise aufgetragen und mit einem Laser selektiv behandelt. Im Laser-behandelten Bereich wird ein Grünkörper erzeugt, der einfach aus der Suspension gehoben werden kann. Für die Laser-basierte additive Fertigung von Bauteilen kommen sowohl Flugasche- und Metakaolin-basierte Bindemittel als auch sog. einkomponentige alkaliaktivierte Bindemittel in Frage. Neben der Bindemitteloptimierung umfasst das Projekt die Adaption einer 100-Watt-Anlage für Prozessparameterstudien, um optimierte Lasereinstellungen für die Materialien zu finden. Anschließend wird der Prozess auf eine 5000-Watt-Laseranlage zur Herstellung von Bauteilen mit bis zu 1,00 m Kantenlänge skaliert, wofür Strategien für eine beschleunigte Fertigung entwickelt werden.

Das Projekt AFChem - Additive Fertigung von Bauteilen für chemisch stark beanspruchte Infrastruktursysteme ist ein BAM-finanziertes Projekt und wird ohne Drittmittel durchgeführt. Die Fachbereiche Baustofftechnologie und Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe der BAM sind beteiligt. Die TU Clausthal unterstützt dieses Projekt mit Laserausstattung.

Additive Fertigung von alkaliaktivierten Materialien

Die additive Fertigung, bekannt auch als „3D-Druck“, ist in den letzten Jahren stärker gewachsen als jede andere Fertigungstechnologie. Die größten Vorteile liegen in den Bereichen:

• komplexe und funktionsintegrierte Strukturen
• Kleinserien/Einzelfertigung und individualisierte Produkte
• Material/Halbzeug und Lager-Reduzierung, z. B. für Ersatzteile.

Besonders großes Potential ist dort, wo die Vorteile der additiven Fertigung (z. B. Herstellung komplizierter Geometrien in kleiner Stückzahl) mit außergewöhnlichen Materialeigenschaften für spezifische Anwendungen kombiniert werden. Ein Beispiel hierfür sind alkaliaktivierte Bindemittel und aus ihnen hergestellte Mörtel und Betone.

Die alkaliaktivierten Materialien sind eine neuartige Klasse von Baustoffen, die üblicherweise durch die Aktivierung reaktiver Stoffe, wie metallurgische Schlacken, Metakaolin oder Kohleflugasche, durch Alkalilösungen hergestellt werden. Die alkaliaktivierten Materialien benötigen in der Regel Wärme zur schnelleren Aktivierung, welche durch den LIS Prozess (Laser-Induced Slip Casting) als Laserstrahlung zugeführt werden kann. Vorteile der alkaliaktivierten Materialien gegenüber traditionellen Zementen sind unter anderem eine verbesserte Säurebeständigkeit, Feuerbeständigkeit und die Möglichkeit, umweltfreundlicher mit reduzierten CO₂-Emissionen hergestellt zu werden. Die alkaliaktivierten Materialien könnten nicht nur im Baubereich, sondern auch in der Abfallstabilisierung, der Herstellung von wärmedämmenden oder feuerfesten Materialien oder als Precursor für Keramik Anwendung finden.

Technologien der additiven Fertigung von Beton

Die additive Fertigung von Beton ist zurzeit ein Schwerpunktthema in der Forschung. Von großem Interesse ist dabei das Extrusionsverfahren (bekannt als 3D Concrete Print – 3D CP), bei dem das Grundmaterial - Beton oder Mörtel - durch eine bewegte Düse gepresst und als Linie Schicht für Schicht aufgetragen wird. Der Nachteil dieser Verfahren liegt darin, dass sie sich nicht für die Herstellung von Elementen eignen, die während der Konstruktion nicht von unten unterstützt werden, z. B. Überhänge, Hinterschneidungen oder Dächer.

So genannte Pulverbett-Methoden stellen hier eine mögliche Alternative dar. Mit dem Pulverbettverfahren sind auch komplexe Geometrien realisierbar, da das Pulverbett während des Fertigungsprozesses kritische Bereiche unterstützt. Bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren wird eine feste Struktur durch den sukzessiven Aufbau von Schichten eines fließfähigen reaktiven Pulvers realisiert, das selektiv durch Flüssigkeitszugabe im Bauteilquerschnitt verfestigt wird. Nachteil der Pulverbettverfahren ist, dass die Eigenschaften (insbesondere hohe Porosität) der hergestellten Bauteile zurzeit stark limitiert sind.

Additive Fertigung von Bauteilen für chemisch stark beanspruchte Infrastruktursysteme

Dieses Projekt adaptiert das Laser-Induced Slip Casting (LIS), das ursprünglich für die Verarbeitung von Keramik entwickelt wurde, für alkaliaktivierte Bindemittel, ein zementartiges Material. Beim diesem Verfahren wird ein Schlicker (Slurry) schichtweise vorgelegt und mittels Laserenergie verfestigt. Dies führt zu einer einzigartigen Art der Herstellung von Bauteilen, ohne Bedarf für Schalungsbau. Zu den Zielen des Projektes gehört es, einen zugänglichen Baustoff für das laserbasierte additive Herstellungsverfahren zu entwickeln und den Prozess auf Bauteile mit einer Kantenlänge bis zu 1,00 m zu skalieren. Die Bauteile werden für den Einsatz in chemisch hoch beanspruchten Bereichen geeignet sein, insbesondere für Abwasserbauwerke mit starkem Angriff durch biogene Schwefelsäurekorrosion.