Ein numerisches Modell zur Simulation und zum Design des Partikelbett-3D-Druckprozesses

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Lowke; Dr.-Ing. Ksenija Vasilic
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417019981

Der vorliegende Forschungsantrag adressiert die Thematik des Partikelbett 3D-Druckens und schlägt einen innovativen numerischen Ansatz zur Simulation und Vorhersage des Druckprozesses vor. Eine der vielversprechendsten Partikelbett-3D-Druckverfahren ist die selektive Zementintrusion. Dieses Verfahren basiert auf der lokalen Einbringung eines Fluids (Zementleim) in ein Partikelbett (Gesteinskörnung) und dessen anschließende Erstarrung und Erhärtung. Der Hauptvorteil dieser Technik ist die hohe Auflösung und die Möglichkeit nahezu beliebig geformte Bauteile herzustellen. Bisher wurde diese Technik erfolgreich an klein- und mittelskaligen Objekten mit Festigkeiten von bis zu 70 N/mm2 angewendet. Um eine erfolgreiche Anwendung in der Bauindustrie zu realisieren, sind jedoch noch grundlegende Fragen zu klären. Geeignete Modelle zur Beschreibung und Vorhersage des Druckprozesses sind daher unerlässlich.Das Ziel dieses Projektes ist es, den Prozess des Partikelbett-3D-Druckens numerisch zu untersuchen und das Eindringen des Fluides in das Partikelbett zu prognostizieren. Basierend auf den experimentell bestimmten Eingangsparametern, wie den rheologischen Eigenschaften des eindringenden Fluids und der Durchlässigkeit des Partikelbetts, soll die endgültige Eindringtiefe, welche die Qualität des gedruckten Teils (mechanische Eigenschaften, Dauerhaftigkeit und geometrische Präzision) bestimmt, vorhergesagt werden. Als Ergebnis soll ein numerisches Werkzeug stehen, welches den Druckprozess simulieren und prognostizieren kann. Das Werkzeug wird in der Lage sein, das Fließen des Zementleims im Prozess vorherzusagen und zu optimieren. Die Originalität und das Innovationspotential des Forschungsansatzes basiert auf zwei Merkmalen: (I) Beschreibung des Partikelbetts als poröses Medium und (II) explizite Berücksichtigung des Strukturaufbaus im Zementleim infolge Thixotropie. Um diese Ziele zu erreichen, ist Grundlagenforschung im Hinblick auf (a) die spezifische Charakterisierung und Steuerung der rheologischen Eigenschaften des Zementleims für das Partikelbett 3D-Drucken, (b) die Packung und Permeabilität des Partikelbetts und (c) die numerischen Methoden zur Simulation und Vorhersage des Druckprozesses notwendig.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Nicolas Roussel