Армирование при 3d печати из бетона
Интерес к 3D печати бетоном продолжает стремительно расти, в конце концов, кто может игнорировать решение, которое позволяет невероятно быстро возвести такие сооружения, как мосты или дома. Специалисты также рассматривают использование армирование при строительной 3D печати. В частности, три студента Университета Штутгарта из института Технологии моделирования. При подготовке проекта дипломной работы Hosna Shayani, Marie Razzhivina, и Jacob Zindroski опубликовали доклад под названием «Производственные стратегии для правильного применения армирования при 3D печати бетоном», в котором обсуждается их проект, имеющий целью использование специального армирования, чтобы «расширить сферу применения в дизайне 3D печати бетоном».
«Бетон – это технологическое перепутье», — утверждает статья. «Применение этого материала существенно не изменилось за последнее столетие его использования, но ситуация изменилась за последние 20 лет. 3D печать бетоном – это реакция на развитие материалов для использования в будущем. В этом исследовании мы рассмотрели расширение сферы дизайна на 3D печать бетоном с помощью специального армирования. Это свяжет процесс предварительного проектирования с его конечной реализацией».
Работа данной команды подпадает под такие цифровые и физические категории, как процесс дизайна, производство роботизированных механизмов и симуляторов; они не погружаются глубоко в параметры дизайна, новые материалы или структурное исполнение прототипов.
Исследователи объяснили важность данной темы с точки зрения:
- Улучшения дизайна;
- Использование бетона для создания сложных проектов;
- 3D печать бетоном;
- Потенциал 3D печати бетоном.
«В настоящее время дизайн имеет две наиболее важные цели – он должен работать до того, как он может быть произведен», пишут исследователи. «С текущими возможностями инструментов, которые мы можем использовать как архитекторы, мы должны знать потенциальные возможности и понимать ожидания от производства масштабных геометрических форм, как через определенные геометрические разработки, так и через оптимизацию конструкций».
Топологически оптимизированные конструкции.
В то время как у нас есть инструменты для создания сложных форм и геометрии, команда заметила, что мы должны рассматривать производство «как основной уровень» в процессе разработки. Бетон был доступен в течение длительного времени и предоставляет дизайнерам большую свободу, чем такие материалы, как камень.
«Выбирая производство из бетона для нашего исследования, мы частично основывались на его широком использовании и потреблении. Чего мы добиваемся — это и далее оптимизировать использование данного материала, поскольку это связано с процессом строительства. Ряд важных характеристик бетона, которые должны быть рассмотрены, — это его внутренние свойства», — объясняют исследователи.
Концептуальное изображение структуры, напечатанное на 3D принтере из бетона.
«Что 3D печать бетоном может дать дизайнерам, так это контроль над применением материала. Формы для литья больше не будут определяющим фактором общей геометрической морфологии».
Бетон — недорогой материал и имеет хорошую прочность на сжатие, но он не выполняет задачу, если на него оказывается усилие на разрыв. Исходя из этого, команда намерена исследовать улучшение возможности материала выдерживать нагрузки на разрыв так же, как и «оптимизировать и улучшить геометрические формы в целом». Мы теперь можем воспользоваться технологией, которая начала заявлять о себе, как о более законченном процессе», утверждает команда.
Но не только это, если 3D печать бетоном, становится законченным процессом, вы сокращаете время, требующееся на выполнение проекта. В результате, то производство, что обычно занимает месяцы, может быть выполнено в течение дней, в зависимости от его сложности. Исключаются формы для литья, строительные леса и физический труд. 3D печать бетоном – это упрощение, которое нужно дизайнерам для строительных технологий будущего».
Однако, как мы знаем, печать бетоном на 3D принтере имеет свои проблемы – ограничение углов наклона, по причине их характеристик, материалу требуется некоторое время, чтобы затвердеть и зафиксировать форму, потому углы менее, чем 60° требуют поддержки материала при непосредственной печати.
Как производится исследование.
В настоящее время материалы, используемые для усиления бетона – это смешанная или стальная арматура, но исследователей интересует использование сегментной стали вместо этого и включение ее в процессе 3D печати, а не после нее.
«Метод, с помощью которого мы видим это достижимым – использование роботизированных инструментов совместно с печатными процессами. Используя моделирование методом послойного наплавления (FDM — проприетарная технология, разработанная Stratasys, Ltd в 1989 году), это исследование намеревается создать процесс «все в одном» при 3D печати с армированием. Усиление должно происходить одновременно с печатью. От этого процесса мы ожидаем добавление элементов для усиления на разрыв в процессе печати для строительного производства без удлинения сроков печати.
Швейцарская высшая техническая школа Цюриха RockPrint
Исследователи перечислили ряд примеров усиления при 3D печати бетоном, над которыми в настоящее время работают компании вроде Apis Cor и Contour Crafting и исследовательские институты как ETH Zurich.
После просмотра этих примеров они пришли к выводу, что их структура для армирования должна быть как сегментирована, так и индивидуализирована.
«Элементы усиления в идеале должны быть размещены на свежеположенных слоях бетона последовательно, размещая специальную форму усиления на том же месте, что и напечатанная бетоном 3D форма»,- объясняет команда.
Сегментированное армирование имеем много вариантов и значительный потенциал для использования в строительстве. Роботизированное внедрение сегментированного армирования идеально сочетается с нашим производственным способом, благодаря его аддитивной логике.
Команда использовала как структурное, так и промышленное армирование в их исследовании: первое улучшит конструктивное усиление, в то время как второе будет действовать частично как каркас для поддержки и поможет достичь большего допустимого выступа. Чтобы выяснить, как поведет себя бетон, был использован инструмент моделирования на основе частиц.
В статье исследователи описали весь рабочий процесс, которые разделен на 3 этапа: дизайн, частичные и структурные симуляции и производство. Для исследования материала использовали «готовую бетонную смесь низкого давления с прочностью на сжатие 42.7 МПа и прочностью на разрыв 3.3 МПа». Первый этап тестирования потребовал смешивания материала с различным соотношением воды, чтобы выявить лучшую консистенцию для прессования; соотношение 15,6% было определено, как имеющий наименьший уровень расползания. Затем они проверили смесь в процессе 3D печати и замерили наилучшее время для добавления усиления:
«Мы сделали вывод, что армирование должно быть произведено в течение 60 минут от замешивания смеси, что мы подтвердили опытным путем. Если выполнить это действие позже установленного времени, внедрение разрушит спрессованную структуру, вызывая растрескивание и разрушение».
Временной тест между печатными слоями. Слева – это 1 минута ожидания, справа это 2 минуты ожидания.
Они также изучили возможности для более выраженного нависания бетона посредством усиления выступающего угла. Их производственная система была основана на пользовательском вводе, работающем с ABB роботами, и они также могли напрямую взаимодействовать как с Grasshopper, так и Rhino и с самим производственным процессом.
«Что мы видим в качестве потенциального направления для нас –это применение индивидуально ориентированной арматуры для экструзии. Наиболее сложный вопрос – это какой длины должно быть усиление, и насколько глубоко усиление должно быть размещено», объясняют исследователи. «Другой вопрос в том, угол в сколько градусов мы можем достичь при производственном внедрении армирования. Эти проблемы помогают определить, что является допустимым для производственного применения.
Тестирование углов, частичное моделирование.
Команда также предусмотрела библиотеку с дизайном для форм, которые могут быть легко произведены по их системе, и использовали сканнер высокого разрешения, чтобы подтвердить точность моделей, напечатанных в 3D бетона. В итоге они создали конечную демонстрационную модель: архитектурное ограждение, не требующее несущих конструкций. Исследователям удалось закончить их исследования на Autodesk Buildspace в Бостоне.
«В процессе производства демонстрационной модели были выявлены преимущества и недостатки», утверждали они.
«При печати столкнулись с некоторыми трудностями. Были случаи избыточной экструзии из-за неравномерного давления при выдавливании, что вызывало проблемы в процессе печати».
«Мы преуспели в создании адаптированного усиления при 3D печати бетоном. Было интересно обнаружить, что эта концепция позволила достигать углов больших, чем те, что могли бы быть произведены традиционными методами печати бетона.
Окончательная демонстрационная модель.
Они верят, что с помощью дополнительных технологий могут с помощью этого исследования и далее производить улучшения.
«Существует широкая сфера применения для данного метода, который может быть привнесен в текущий процесс печати бетоном и 3D печати в целом», — пришли к мнению исследователи. «Эта технология становится менее прототипированным процессом и более методикой самостоятельной реализации».
August 9, 2019 by Sarah Saunders 3D Printing3D Printing Materials
Перевод — Елена Данилюк