Wie sich der schnelle Durchbruch im 3D-Metalldruck im Bauwesen als nützlich erweisen könnte

Und sie haben behauptet, dass die neue Technik namens Liquid Metal Printing (LMP) in der Architektur und im Bauwesen Anwendung finden könnte.

Skylar Tibbits, außerordentlicher Professor an der Architekturfakultät des MIT und Hauptautor eines neuen Artikels über diese Technik, erklärte gegenüber Construction Briefing : „Architektonisch sind wir an allen Aluminiumstrukturen interessiert, von der Außenfassade, Fenstern und Sichtschutz bis hin zu äußeren Details wie Geländern, Halterungen und Komponenten sowie inneren Details wie Regalen, Sichtschutz und Möbeln.

„Aluminium wird in der Architektur häufig verwendet, da es leicht, recycelbar und einfach zu verarbeiten ist. Wir würden wahrscheinlich keine Strukturkomponenten oder Bewehrungsstäbe herstellen, da wir nicht mit Stahl drucken, aber das könnte in Zukunft eine Möglichkeit sein.“

Bei LMP wird geschmolzenes Aluminium entlang eines vordefinierten Pfads in ein Bett aus winzigen Glasperlen eingebracht. Das Metall härtet in einem Prozess zu einer 3D-Struktur aus, der den Forschern zufolge zehnmal schneller ist als vergleichbare additive Fertigungsverfahren.

Die im Druckprozess erstellte 3D-Struktur ist dann robust genug, um nachträglichen Bearbeitungen wie Fräsen und Bohren standzuhalten.

Die Forscher hinter dem Verfahren erklärten in dem neuen Artikel , dass die additive Fertigung mittels Lichtbogenschweißen in den Bereichen Architektur und Bauwesen eine der wenigen additiven Metalltechniken sei, mit der sich Teile im großen Maßstab herstellen ließen, und dass dieses Verfahren durch die langsame Druckgeschwindigkeit begrenzt sei.

Es gibt jedoch einen Kompromiss.

Obwohl LMP einen schnelleren Druck im großen Maßstab mit größeren Druckkomponenten ermöglicht als bei langsameren additiven Techniken, können damit keine so hohen Auflösungen erreicht werden.

Beim Flüssigmetalldruckverfahren wird geschmolzenes Aluminium entlang eines vordefinierten Pfads in ein Bett aus winzigen Glasperlen eingebracht (Bild: MIT Self-Assembly Lab)

Das macht das Hinzufügen feiner Details schwierig. Aber die MIT-Forscher argumentierten, dass dies es dennoch für einige Bauanwendungen geeignet mache. In dem Papier sagten sie: „Der Flüssigmetalldruck ist konzeptionell dem Freiformguss ähnlich, bei dem eine große Menge Metall geschmolzen und schnell entlang eines vordefinierten Werkzeugwegs verteilt wird, um eine 3D-Form zu erzeugen.“

„Der Bausektor ist für rund ein Drittel der weltweiten Energie- und Prozessemissionen verantwortlich. Von den über eine Million Tonnen produzierten Materialien pro Jahr wird der überwiegende Teil für strukturelle Zwecke verwendet, darunter Beton, Stahl und Aluminium.“

Sie argumentierten, dass dies bedeute, dass die Lebensdauer eines Materials „erheblich berücksichtigt“ werden müsse und dass der 3D-Druck mit Aluminium aufgrund der „potenziell hohen Metallrückhaltung zwischen Guss und Neuguss beim Recycling“ Umweltvorteile bieten könne.

Vorteile gegenüber WAAM

Prof. Tibbits sagte: „Das ist eine völlig andere Richtung in unserer Denkweise über die Metallherstellung, die einige große Vorteile hat. Es gibt aber auch Nachteile. Aber der Großteil unserer gebauten Welt – die Dinge um uns herum wie Tische, Stühle und Gebäude – braucht keine extrem hohe Auflösung. Geschwindigkeit und Maßstab, aber auch Wiederholbarkeit und Energieverbrauch sind alles wichtige Kennzahlen.“

Die Forscher behaupteten außerdem, dass die neue Technik einen Vorteil gegenüber der additiven Fertigung mit Lichtbogendraht (WAAM) habe, die bereits in der Bau- und Architekturbranche Einzug halte , da sie die Herstellung großer Strukturen mit niedriger Auflösung ermögliche.

Sie sagten, dass WAAM-Strukturen anfällig für Risse und Verformungen sein können, da einige Teile während des Bauprozesses erneut geschmolzen werden müssen, während bei LMP das Material während des gesamten Prozesses im geschmolzenen Zustand bleibt und dadurch einige dieser Strukturprobleme vermieden werden.

So funktioniert es

Das LMP-Verfahren ermöglicht den Druck komplexer Geometrien, wie die hier abgebildete Spirale. (Bild: MIT Self-Assembly Lab)

Beim LMP-Verfahren werden brotlaibgroße Aluminiumstücke in einen Elektroofen gegeben und auf 700 °C erhitzt. Das Aluminium wird in einem Graphittiegel aufbewahrt und durch eine Keramikdüse entlang eines voreingestellten Pfads in ein Druckbett geleitet. Da das geschmolzene Material jedoch in eine körnige Substanz eingespritzt wird, benötigen die Forscher keine Druckstützen, um die Struktur während der Formgebung zu halten.

Der Hauptautor Zain Karsan, der jetzt Doktorand an der ETH Zürich ist, fügte hinzu: „Unsere Prozessrate ist wirklich hoch, aber auch sehr schwer zu kontrollieren. Es ist mehr oder weniger wie das Öffnen eines Wasserhahns. Man muss eine große Menge Material schmelzen, was einige Zeit dauert, aber wenn man es erst einmal zum Schmelzen gebracht hat, ist es wie das Öffnen eines Wasserhahns. Dadurch können wir diese Geometrien sehr schnell drucken.“

Mit der Weiterentwicklung der Technologie wollen die Forscher eine gleichmäßigere Erwärmung in der Düse ermöglichen, um ein Anhaften des Materials zu verhindern und zudem eine bessere Kontrolle über den Fluss des geschmolzenen Materials zu erreichen.