Echipamente pentru imprimarea 3D a betonului

Echipamente pentru imprimarea 3D a betonului

După mai bine de 25 de ani de cercetare, dezvoltare și utilizare, tipărirea tridimensională (3D), în diverse domenii industriale, precum aerospațială, auto și medicală, continuă să crească, odată cu adăugarea de noi tehnologii, metode și aplicații. Una dintre aceste metode explorate în prezent, atât în ​​mediul academic, cât și în practica de construcții, este imprimarea 3D a betonului. Ultimele preocupări în acest sens au fost rezumate în lucrarea cu titlul ”3D printing trends in building and construction industry: a review”, întocmită de Yi Wei Daniel Tay, Biranchi Panda, Suvash Chandra Paul, Nisar Ahamed Noor Mohamed, Ming Jen Tan și Kah Fai Leong, de la Universitatea Politehnică din Singapore.

Imprimarea 3D și protecția muncii

Procesul de construcție convențional pare a fi relativ simplu și sistematic, necesitând desene bidimensionale (2D) și modele la scară (pentru evaluarea proiectelor clădirilor), cofraje greoaie și forță de muncă foarte calificată, pentru a construi orice fel de structuri în formă liberă. La rândul lor, accidentele și bolile legate de muncă reprezintă o amenințare continuă pentru sănătatea și bunăstarea lucrătorilor din construcții (Kittusamy și Buchholz 2014).

Industria construcțiilor continuă să aibă o rată mai mare de decese, vătămări și boli, decât orice alte industrii. Acest lucru obligă introducerea imprimării 3D să fie cuplată cu modelarea informațiilor despre clădiri (BIM), pentru urmărirea și monitorizarea noilor variabile introduse într-un mediu de lucru dinamic, cum ar fi un șantier de construcții (Azhar 2011, Bryde și colab. 2018), și pentru a crește siguranța la locul de muncă.

Combinarea tipăririi BIM și 3D ar face, de asemenea, mai ușoară, crearea componentelor clădirii foarte personalizate și facilitarea designului complex și sofisticat. Cu toate acestea, există încă numeroase provocări legate de scară, materiale, sistem de livrare și adecvarea la medii nefavorabile.

Deși lucrările cercetătorilor din domeniul aerospațial și al producției au arătat că imprimarea 3D ar putea fi soluția de reducere a costurilor, nu există nicio investigație care să susțină că aceleași economii se vor aplica industriei construcțiilor. Cu toate acestea, este încă adecvat să presupunem că utilizarea imprimării 3D ar putea reduce costurile pentru construcția aplicațiilor B&C, cu design estetic, pe baza investigației analizei costurilor efectuate de cercetători din alte domenii (Conner și colab. 2014, Thomas și Gilbert 2014).

Evitarea monotoniei

Având în vedere cererea globală de reducere a emisiilor de CO2, este nevoie de tehnologii inovatoare de construcție, care nu numai să deschidă drumul către un viitor al construcțiilor durabile, ci să reducă și costurile de construcție și de gestionare a instalațiilor, oferind totodată un avantaj competitiv.

Cofrajele de construcție, care reprezintă de obicei 40% din bugetul total pentru lucrări de beton,  pot fi evitate în timpul procesului de construcție, reducând în cele din urmă calendarul proiectului fără a suporta costuri suplimentare (Kothman și Faber 2016).

Cu tehnologia de imprimare 3D, proiectarea structurilor nu se va limita la o colecție de elemente prefabricate monotone. Dezvoltarea variantelor procesului de imprimare a betonului în curs de dezvoltare în întreaga lume va oferi cea mai recentă tendință de cercetare, prin analiza publicațiilor din ultimii 20 de ani.

Cercetările în curs, la Singapore Center for 3D Printing (SC3DP), aduc posibile optimizări ale topologiei și semnificația încorporării BIM. În cele din urmă, analizând tendința, sunt propuse unele teme viitoare care pot elimina sau reduce provocările și limitările pentru imprimarea 3D în industria B&C.

Tendința actuală a imprimării 3D în tehnologia betoanelor

Interesul pentru imprimarea 3D pentru prefabricate și construcții (B&C), a crescut drastic în ultimii ani. În timp ce creșterea interesului a îmbogățit literatura de specialitate din această disciplină, aceasta prezintă provocări pentru cercetători,  pentru a capta o imagine de ansamblu asupra dezvoltării cercetării.

Un studiu sistematic de cartografiere propus de Petersen și colab. (2018), oferă o prezentare generală a unei zone de cercetare, identificând calitatea și tipul rezultatelor cercetării disponibile. Este important să examinăm literatura în mod sistematic,  pentru o înțelegere eficientă a dezvoltării cercetării în cadrul disciplinei, ca sursă inspiratoare pentru tendințele de cercetare privind imprimarea 3D pentru B&C. Dar, iată câteva metode.

Metoda jetului de liant

Jetul de liant este un proces de imprimare 3D care creează obiecte prin depunerea de liant strat cu strat, peste un strat de pulbere. Liantul este ejectat sub formă de picături pe un strat subțire de material pulbere, întins deasupra tăvii de construcție. Această metodă lipește în mod incremental secțiunile transversale 2D ale componentei intenționate, pe fiecare strat de pulbere de material (Perkins și Skitmore 2015). Ciclul se repetă, până când întregul obiect 3D este complet.

Orice materie primă care nu este lipită de liant rămâne în interiorul containerului de construcție, și este utilizată pentru a susține straturile ulterioare. Materialul nelegat poate fi îndepărtat de pe patul de imprimare folosind un aspirator, după imprimare, care poate fi reciclat și implementat pentru o altă sarcină de imprimare (Khoshnevis și colab. 2016). Această metodă încurajează proiectele să aibă goluri și caracteristici care depășesc limitele actuale și care permit imprimarea geometriilor complexe.

Metoda are o rezoluție relativ ridicată, care are ca rezultat o bună finisare a suprafeței datorită distanței minime dintre straturi. Această valoare a grosimii stratului este determinată de pătrunderea liantului. Dacă grosimea stratului este prea mare, liantul nu poate pătrunde suficient de adânc, pentru a lipi curentul și stratul anterior împreună (Cesaretti și colab. 2014).

În prezent, Voxeljet și Monolite UK Ltd (D-Shape), lucrează cu această tehnologie pentru a tipări componente pe scară largă pentru arhitectură și industria construcțiilor. Dar, această tehnică poate fi ușor influențată de vreme rea și este dificil de utilizat acest proces pentru aplicații de construcții in situ (Dini 2019).

Metoda de depunere a materialelor (MDM)

Similar cu modelarea de depunere fuzionată (FDM), metoda de depunere a materialelor (MDM), este un proces de imprimare 3D care depune succesiv material conform modelului CAD (Panda și colab. 2016). Materialul extrudat trebuie să fie capabil să-și susțină propria greutate dar și greutatea fiecărui strat ulterior, pentru a atinge proiectul final fără nicio deformare (Hwang și colab. 2014).

Există mai multe sisteme automate care utilizează MDM ca proces de fabricație principal, dar se pare că cel mai evoluat este Contur crafting (CC). Contour crafting (CC) este un sistem bazat pe portic, care extrudează materialul strat cu strat. Caracteristica cheie a CC este utilizarea gletelor atașate la duză. ”Mistria” ghidează materialul imprimat pentru a crea suprafețe excepțional de netede și precise.

Această mistrie poate fi deviată la unghiuri diferite (prin controlul computerului), pentru a crea diverse structuri neortogonale. O astfel de abordare permite depunerea unei grosimi mai mari a stratului, fără a compromite în mod semnificativ finisajul suprafeței (Khoshnevis 2004). Structurile realizate din contur folosesc material ceramic și beton.

Compoziția detaliată a materialului și procedura de imprimare sunt descrise în Hwang și Khoshnevis (2005) și Lim și colab. (2011). Se raportează, de asemenea, că este posibilă printarea de pereți imprimați cu conducte încorporate, atât pentru electricitate, cât și pentru instalații sanitare, precum și armarea structurală pot fi realizate prin CC (Khoshnevis 2014). Deci, echipamentele de imprimare 3Dîncep să devină o realitate și în Industria de Construcții.

infoconstruct