Kỹ thuật in

Các nhà nghiên cứu khám phá phương pháp In bê tông 3D Injection để xây dựng

Đề cử cho 2021 Giải thưởng Công nghiệp In 3D hiện đã được mở, hãy nói xem ai là người dẫn đầu ngành hiện nay.

Các nhà nghiên cứu từ TU Braunschweig đã trình bày một loại quy trình in 3D mới có khả năng đẩy các giới hạn của sản xuất phụ gia trong lĩnh vực xây dựng, được gọi là Injection 3D Concrete Printing (I3DCP) đang tạm ngừng.

Trong xây dựng bê tông, các kỹ thuật sản xuất phụ gia hiện nay có xu hướng tập trung vào in từng lớp thông qua ép đùn, phun hoặc đóng vật liệu. Mặc dù những công nghệ này có giá trị của chúng, nhưng chúng có thể được bù đắp bởi những hạn chế về độ phân giải hình học và độ phức tạp, chất lượng bề mặt và tỷ lệ xây dựng thấp.

Ý tưởng cơ bản của I3DCP ở dạng treo là để khắc phục những hạn chế của in 3D nhiều lớp bằng cách bơm một vật liệu lỏng này vào vật liệu khác một cách tự động. Điều này tạo ra một cấu trúc ổn định do các đặc tính lưu biến cụ thể của từng vật liệu hoặc cách chúng chảy khi phản ứng với lực hoặc ứng suất.

Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này mang lại tỷ lệ xây dựng cao hơn và khả năng in ra các quỹ đạo dạng tự do không bị hạn chế bởi lực hấp dẫn. Do đó, I3DCP có thể thiết lập các tính năng và hiệu quả cấu trúc hoàn toàn mới cho các cấu trúc bê tông in 3D.

The prototype for one of the base modules of a bridge, approximately 1 m in width, that the researchers printed to test their I3DCP technique. Photo via TU Braunschweig.
Nguyên mẫu cho một trong những mô-đun cơ bản của một cây cầu, có chiều rộng khoảng 1m, mà các nhà nghiên cứu đã in ra để thử nghiệm kỹ thuật I3DCP của họ. Ảnh qua TU Braunschweig.

I3DCP trong các ứng dụng tạm ngưng

Ứng dụng quy mô lớn đầu tiên của I3DCP được trình bày bởi công ty khởi nghiệp Soliquid của Pháp, công ty này đùn bê tông thành ma trận gel có thể tái sử dụng bằng cách sử dụng một robot 6 trục để tạo ra một rạn san hô nhân tạo quy mô lớn nặng 2,5 tấn. Không cần cấu trúc hỗ trợ vì gel giữ cho thành phần ở vị trí trong suốt quá trình in cho đến khi nó cứng lại và có thể được lấy ra.

Cùng năm đó, một xưởng thiết kế thử nghiệm đã được thành lập tại TU Braunschweig để thiết kế và sản xuất các cấu trúc không gian quy mô nhỏ bằng công nghệ I3DCP. Tuy nhiên, thay vì sử dụng gel, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu thử nghiệm với việc sử dụng huyền phù đá vôi dưới đất làm chất lỏng mang.

Mặc dù các ứng dụng đầu tiên của kỹ thuật này đã cho thấy nhiều hứa hẹn, nhưng cần phải có thêm kiến ​​thức về các yêu cầu lưu biến của bê tông được bơm vào và chất lỏng mang để chuyển công nghệ này sang các ứng dụng quy mô công nghiệp. Các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét khả năng tái chế của chất lỏng mang và các tác động kinh tế và sinh thái của nó.

Injection 3D Concrete Printing processes: (a) Concrete in Suspension, (b) Suspension in Concrete, (c) Concrete in Concrete. Image via TU Braunschweig.
Injection 3D Concrete In quy trình: (a) Bê tông treo, (b) Treo trong bê tông, (c) Bê tông trong bê tông. Hình ảnh qua TU Braunschweig.

Vượt qua những thách thức của quy trình I3DCP

Sự thành công của quy trình I3DCP dựa trên sự cân bằng lực giữa trọng lượng của vật liệu bê tông được bơm vào (A), lực nổi của chất lỏng mang mà nó được bơm vào (B), lực từ vòi in và tính chất lưu biến của cả hai vật liệu. Nếu sự cân bằng phù hợp giữa các lực này không bị va đập, thì nó sẽ dẫn đến một vật thể có hình dạng không thể đẹp hơn.

Trong khi đó, hình dạng của cấu trúc in 3D được xác định bởi tốc độ dòng chảy đùn, vận tốc của vòi phun do rô-bốt dẫn hướng và diện tích mặt cắt ngang của vòi phun.

Potential failures during Injection 3D Concrete Printing. Image via TU Braunschweig.
Các lỗi có thể xảy ra trong quá trình In Bê tông 3D Injection. Hình ảnh qua TU Braunschweig.

Đá vôi mặt đất được coi là vật liệu lấp đầy trơ, có thể tái sử dụng và rẻ tiền. Theo nhóm TU Braunschweig, huyền phù đá vôi trên mặt đất mang lại lợi thế hơn gel về chi phí, khả năng tái sử dụng và kiểm soát các đặc tính lưu biến.

Để vượt qua những thách thức của I3DCP khi tạm ngưng và để kiểm tra tính hiệu quả của kỹ thuật của họ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều thử nghiệm bằng cách sử dụng UR nhẹ 16 người máy. Ba ván khuôn được đặt trên hai mặt liền kề của bàn rô bốt và sáu khuôn được lấp đầy bằng hệ thống treo bằng đá vôi trên mặt đất. Sau đó, robot đùn bê tông vào khuôn với tỷ lệ 0,0000 25 m³ / s.

Injection 3D Concrete Printing setup: mixer, pump, robot, and formwork filled with ground limestone suspension. Photo via TU Braunschweig.
Thiết lập in bê tông 3D phun: máy trộn, máy bơm , rô bốt, và ván khuôn chứa đầy hệ thống treo bằng đá vôi trên mặt đất. Ảnh qua TU Braunschweig.

Các phần tử in I3DCP được gia cố kết quả đã tạo thành một phiên bản thu nhỏ của cầu giàn hình vòm, mà các nhà nghiên cứu khẳng định cho thấy tiềm năng to lớn đối với các cấu trúc bê tông nhẹ mới. Không giống như sự lắng đọng từng lớp của các sợi ngang vốn có trong hầu hết các công nghệ in bê tông 3D, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra các cấu trúc bê tông phức tạp bằng cách in các quỹ đạo tự do trong không gian mà không bị hạn chế bởi lực hấp dẫn trong quá trình in.

Về phía trước, nhóm Braunschweig sẽ tìm cách nâng cao kỹ thuật I3DCP của họ bằng cách điều chỉnh đường kính sợi của bê tông được bơm vào thông qua kiểm soát dòng lực thay đổi của nó. Họ tin rằng điều này có thể chứng kiến ​​sự hình thành của một “ngôn ngữ kiến ​​tạo hoàn toàn mới, chưa từng thấy trước đây” và cải thiện hiệu quả cấu trúc để xây dựng các kết cấu bê tông.

Thông tin thêm về nghiên cứu có thể được tìm thấy trong bài báo có tiêu đề: “In bê tông 3D phun trong chất lỏng mang – Vật lý cơ bản và ứng dụng cho các cấu trúc khung không gian nhẹ, ” đăng trên tạp chí Xi măng và Vật liệu tổng hợp. Nghiên cứu do D. Lowe, A. Vandenberg, A. Pierre, A. Thoman, H. Kloft và N. Hack đồng tác giả.

Result of the researchers' experiment showing a slight seam on the bottom side. Photo via TU Braunschweig.
Kết quả thí nghiệm của các nhà nghiên cứu cho thấy một đường may nhỏ ở mặt dưới. Ảnh qua TU Braunschweig.

Những tiến bộ gần đây trong in 3D bê tông

Công nghệ in 3D bê tông có thể mang lại lợi ích đáng kể về chi phí và thời gian so với các kỹ thuật xây dựng thông thường. Công nghệ này cũng có thể mang lại lợi ích bền vững, với các công ty xây dựng có khả năng cắt giảm lượng chất thải liên quan của họ lên đến 60 phần trăm bởi phụ gia tái chế ván khuôn được sản xuất , chẳng hạn như phụ gia được phát triển bởi Công ty con BigRep BASF Chuyển tiếp AM .

Nghiên cứu gần đây về vật liệu xây dựng có thể in 3D đã cho phép các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Swinburne Đại học Công nghệ Hà Bắc để biến cốt liệu bê tông tái chế, hạt ceramite và cát sa mạc thành vật liệu xây dựng đùn giá rẻ . Vật liệu in 3D mới có thể được sử dụng trong các ứng dụng xây dựng hạng nặng.

Ở những nơi khác, các nhà nghiên cứu từ Đại học RMIT ở Úc đã tìm cách chế tạo bê tông in 3D cấu trúc mạnh mẽ hơn bằng cách lấy cảm hứng từ các mẫu vỏ tôm hùm , trong khi Các nhà khoa học của UC Berkeley đã khám phá ra việc kết hợp Mạng lưới bát phân polyme in 3D vào kết cấu bê tông để gia cố chúng.

Gần đây nhất, các kiến ​​trúc sư và kỹ sư từ Nhóm nghiên cứu khối của ETH Zurich đã tạo ra thứ được cho là cây cầu bê tông in 3D đầu tiên được xây dựng mà không có cốt thép . Ổn định chỉ nhờ vào hình dạng của nó, cây cầu được hình thành từ một loại bê tông mới phát triển được in ở các góc cụ thể trong các khối có khả năng tự chống đỡ.

Printing around pre-installed steel reinforcement bars using the I3DCP process. Photo via TU Braunchsweig.
In xung quanh cài đặt sẵn thép thanh gia cố bằng quy trình I3DCP. Ảnh qua TU Braunchsweig.

Đề cử cho 2021 Giải thưởng Công nghiệp In 3D hiện đã được mở, hãy nói xem ai là người dẫn đầu ngành hiện nay.

Đăng ký Bản tin Công nghiệp In 3D để biết tin tức mới nhất về sản xuất phụ gia. Bạn cũng có thể giữ kết nối bằng cách theo dõi chúng tôi trên Twitter và thích chúng tôi trên Facebook.

Tìm kiếm một nghề nghiệp trong sản xuất phụ gia? Chuyến thăm Công việc In 3D để lựa chọn các vai trò trong ngành.

Đăng ký kênh YouTube của chúng tôi cho các video ngắn, đánh giá và phát lại hội thảo trên web in 3D mới nhất.

Hình ảnh nổi bật hiển thị in xung quanh các thanh cốt thép được lắp đặt sẵn bằng quy trình I3DCP. Ảnh qua TU Braunchsweig.

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button