تحول صنعت ساخت و ساز به کمک افزودنی های بتن با چاپ سه بعدی

به گزارش می متالز، همانطور که ممکن است بدانید، ساخت و ساز یکی از بزرگترین صنایع جهان است که در سراسر جهان به حدود 13 درصد از تولید ناخالص داخلی جهانی کمک می کند.  قابلیت استفاده از منابع افزودنی بتن در صنعت ساخت و ساز بسیار شگفت آور است و خود پنجاه درصد از کل منابع جهان را در برمی‌گیرد. علاوه بر این، صنعت ساخت و ساز به طور سنتی نسبت به تغییر و تحریک بسیار جدی بوده و به ارزش‎های سنتی، ضعف در ساخت و سازهای نوآورانه و پایین آمدن در بهره وری پایبند است. با این حال، امروزه، شرکت ها به سمت فن آوری مدرن روی آورده و نوآوری هایی را که در زمینه طراحی، مهندسی، تعمیر و نگهداری و عملیات و همچنین زیرساخت ها، معماری، مبلمان شهری، قالب های صنعتی، هوش مصنوعی و مجسمه سازی اتفاق می افتد، تقویت می کنند.

تولید مواد افزودنی بتنی و انواع روان کننده های بتنی و کمک سایش، افق جدیدی را در زمینه مواد بتنی و سیمان محور، نشان می دهد. فعالیت تحقیقاتی در زمینه تولید مواد افزودنی در بخش ساخت و ساز شامل توسعه دو نوع فناوری است: مبتنی بر پودر و مبتنی بر اکستروژن.

تکنیک مبتنی برپودر:

در تکنیک های مبتنی بر پودر، یک محلول چسباننده در قالب پودر سرامیک از طریق نازل چاپی قرار می گیرد و این مناطق را به هم می چسباند تا قسمت جامد از پیش طراحی شده یک لایه را تشکیل دهد. جسم نهایی پس از خشک شدن برداشته می شود و پودرهای اضافی توسط جت هوا از بین می روند.

این تکنیک ها برای تولید قطعات ساختاری پیچیده با وضوح چاپ بالا، درجه بالایی از آزادی هندسی و سرعت مناسب تولید مطابق با تقاضای صنعتی مناسب هستند. با این حال، این روند یک استراتژی نوظهور است و بنابراین هنوز بهینه سازی می شود. مهمترین این تکنیک مربوط به مقدار محدود مواد سیمانی در بازار است که می توان از آن در پرینترهای مبتنی بر پودر، استفاده کرد. یا مراحل پخت اضافی که می تواند بر زمان تولید تأثیر منفی بگذارد.

تکنیک مبتنی براکستروژن:

تولید افزودنی مبتنی بر اکستروژن بتن هنگامی اتفاق می افتد که مواد بر پایه سیمان "قابل چاپ" از طریق نازل های ساخته شده در اندازه های مختلف اکسترود می شوند تا یک ساختار لایه لایه را تشکیل دهند.

در طی بیست سال گذشته، بسیاری از تیم های تحقیقاتی (چه صنعتی و چه دانشگاهی) مطالعات خود را بر اساس پتانسیل تولید افزودنی مبتنی بر اکستروژن برای مصارف ساختمانی انجام داده اند.  وجه اصلی که از بررسی آثار پیش بینی شده پدید می آید، قیاس درمورد مراحلی است که منجر به محصول چاپی نهایی می شود. معمولاً فرآیند چاپ شامل یک قسمت نرم افزاری و یک بخش سخت افزاری است. 

تفاوت اساسی در بین فن آوری های مختلف چاپ به طور عمده مربوط به سه جنبه است:

• طراحی دستگاه چاپ
• ترکیب بتن 
• کاربردهای تکنولوژیکی محصولات نهایی

طراحی دستگاه چاپ

بیشتر دستگاه های چاپ بتن بر اساس بازوی روباتیک متصل به سیستم ذخیره مواد ساخته شده و از طریق سیستم نرم افزاری مناسب منتقل می شوند. نازل چاپ به بازوی رباتیک متصل شده و از طریق لوله شیلنگ به میکسر بتن وصل می شود. سیستم پمپاژ اجازه می دهد تا مخلوط از مخلوط کن به سر رسوب منتقل شود. 

تفاوت اصلی بین مخلوط های سیمانی سنتی و مخلوط های قابل چاپ به دو جنبه مربوط می شود: اندازه مصالح و نسبت آب به سیمان.

نسبت آب به سیمان بر روان پذیری مخلوط و خصوصیات مکانیکی مواد سخت شده تأثیر می گذارد.  به حداکثر رساندن مقاومت مکانیکی در مخلوط به معنای به حداقل رساندن نسبت آب به سیمان است. با این وجود برای اطمینان از کارایی مناسب بتن باید مقدار معینی از آب حفظ شود. علاوه بر این، مخلوط موجود در سیستم باید روان باشد اما پس از ریختن باید قابل ساخت باشد و قادر به نگه داشتن خود و لایه های بعدی باشد. مطابق با الزامات فوق، مخلوط های مناسب برای تولید افزودنی با نسبت آب / سیمان  مناسب ساخته می شوند، با این وجود، در پایه های مختلف، هیدراتورها و مواد افزودنی سیمانی برای پیشبرد هیدراتاسیون اضافه می شوند و به آن در حفظ شکل خود کمک می کنند. 

برای به حداقل رساندن ترک ها یا ریزش جسم، می توان با افزودن پرکننده ها یا مواد تقویت کننده، مخلوط را بهینه کرد. هدف از این استراتژی به دست آوردن عملکرد بهتر است.محققی یک مخلوط سیمانی قابل چاپ را با اضافه کردن درصد مشخصی از بام های مس به منظور بهینه سازی ماسه برای بهبود عملکرد مکانیکی بتن بهینه سازی کرده است.

خواص مخلوط قابل چاپ

مخلوط سیمان قابل چاپ باید به گونه ای تدوین شود که هم مواد تازه و هم سخت آن از خاصیت مناسب برخوردار باشد. لازم است تعادل مناسب بین خواص مکانیکی و قابل چاپ بودن مخلوط پیدا شود.

اهمیت آزمایش خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مواد سخت شده به ساختار لایه بندی خاصی که تولید افزودنی های مبتنی بر اکستروژن تولید می کند، مربوط می شود. اگر چسبندگی سطحی بین لایه ها بهینه نباشد، حفره هایی ایجاد می شوند (شکل 4) که به عنوان منبع ضعف مکانیکی برای ساختار عمل می کنند.

شکل 5: تولید خلاء در سازه بتونی. تحقیقات سیمان و بتن

علاوه بر این، بسته به استحکام ساختاری لایه چاپی، به حداکثر رساندن مقاومت فشاری در مخلوط، به معنای محدود کردن نسبت آب بتن و در عین حال تخریب میزان کارایی است. وجود یک ساختار لایه ای وابسته به جهت بارگیری، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، دارای رفتار مکانیکی متفاوتی است.

شکل .5 مقاومت فشاری نمونه های چاپ شده سه بعدی

جوانب مثبت، منفی و آینده نگرانه های چاپ بتنی سه بعدی در مقایسه با ساخت و سازهای سنتی

کاهش هزینه: تولید افزودنی یک فناوری ساختمانی است که از یک قالب معمولی استفاده نمی کند. در ساخت و سازهای سنتی، قالب کاری 35-60٪ از هزینه کل سازه بتونی را نشان می دهد.

کاهش آلودگی محیط زیست: در دوره توسعه، هیچگونه زباله یا زباله وجود ندارد که نیاز به اخراج محل های ساخت و ساز و بازیافت داشته باشد.

کاهش میزان نیروی کار مرتبط با توسعه و در نتیجه کاهش هزینه های خدمت رسانی کارکنان (به عنوان مثال حمل و نقل، پخت و پز، هزینه پوشاک)، محافظت، هزینه، کلینیک های اورژانس و غیره. توسعه سازه ها با یک نوع مهندسی نوع. چاپگرهای سه بعدی به اشکال مستطیل محدود نمی شوند.

کاهش زمان تولید: پرینتر سه بعدی برای ناهار و آخر هفته نیاز به استراحت ندارد، می تواند بدون وقفه و سریعتر از نیروی انسانی کار کند.

بهبود کیفیت و کیفیت غیرقابل باور یک ساختار با در نظر گرفتن عامل انسانی: کمبود کارکنان و خطاهای توسعه. این جنبه همچنین با کاهش صدمات و تلفات در محیط کار مرتبط است.

کاهش زمان و کار برای ایجاد تاسیسات، زیرا سازه های چاپی فضایی را برای ایجاد مکاتبات ساختمان، ارتباطات مهندسی و سایر تجهیزات در خود جای داده اند.

آزادی معماری: این ویژگی امکان توسعه اشکال و هندسه بسیار پیچیده را فراهم می کند.