پرینت سه بعدی بتن چیست؟
نوامبر 20, 2024
بتن چیست؟
بتن یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی موجود در جهان است که هر ساله بیش از 6 میلیارد تن تولید میشود. در طول دو دهه گذشته، سرعت قابل ملاحظهای در استفاده از انواع پودرها، مواد افزودنی، الیاف و … به بتن معمولی برای بهبود کارایی (پمپاژ، پر کردن قالب، عبور از تقویت کنندههای فولادی) و مقاومت مکانیکی صورت پذیرفته است. انواعی از بتنها مانند بتنهای تقویت شده با الیاف، بتن پلیمری، بتنهای خود تراز و غیره توسعه داده شدهاند. هر کدام از بتنهای توسعه یافته ویژگی خاص خود را برای غلبه بر مشکلات و ضعفهای احتمالی دارند.
بتنهای خود تراز بسیار رواناند و به خودی خود فشرده میشوند. این ویژگی مزایایی برای قرارگیری آسان در سازههای تقویت شده متراکم، کیفیت بالای سطح، ساخت و سازهای با دوام و کم هزینه فراهم میکند. در مقایسه با بتن معمولی، خصوصیات رئولوژیکی بتن خود تراز با افزودن افزودنیهای معدنی و شیمیایی بهبود یافته است. با این حال، ایجاد اشکال پیچیده از طریق بتنهای خود تراز نیازمند قالب سازگار است. این نوع قالبها فقط یک بار استفاده میشوند که سبب افزایش ضایعات و هزینه ساخت میشوند. چالش اصلی دیگر مربوط به نیاز به نیروی کار فیزیکی برای ساخت قالبها و قرار دادن آرماتورها به ویژه هنگامی که هندسه سفارشی مورد نیاز است. این موارد منجر به خطرات شغلی و بهداشتی میگردد که باید تا حد امکان از آن جلوگیری کرد. برای غلبه بر این مشکل بسیاری از تکنیکها با ترکیب روشهای ساخت دیجیتال و توسعه علم مواد ساختمانی توسعه یافتهاند. بتن چاپی سه بعدی یکی از چنین روشهایی است که اخیرا به موضوع در حال رشد سریع بسیاری از تحقیقات در سراسر جهان تبدیل شده است. فناوری چاپ سه بعدی با موفقیت در حمل و نقل هوایی، فلزات و رشتههای دیگر مورد استفاده قرار گرفته است. ویژگی اصلی این تکنیک ارتقاء یک پرینتر سه بعدی رومیزی بزرگ در اندازه یک سایت ساخت و ساز است. سیستم چاپ بتن معمولا از یک مخزن اختلاط، یک سیستم پمپاژ مواد، سیستم اکستروژن، یک جعبه کنترل (سیستم الکترونیک، موقعیتیابی و کنترل) و یک سیستم ایمنی تشکیل شده است. مخلوط میتواند یک ترکیب آماده باشد یا قبل از فرآیند چاپ مخلوط شود. سپس مواد پمپ شده از طریق یک لوله عبور کرده و توسط یک نازل تزریق میشوند. در مرحله بعد چاپگر لایههایی از نوارهای بتونی مانند را روی هم قرار میدهد. سپس لایه اول چاپ شده و لایه بعدی باید بلافاصله به دنبال مدل دیجیتالی مورد نظر قرار داده شود.
در مقایسه با سایر فناوریهای ساخت دیجیتال مانند طراحی رایانه ای(CAD)، مدل سازی اطلاعات ساختمان(BIM) و ابزارهای نرم افزاری قدرتمندی که به خوبی توسعه یافتند، بتن چاپی سه بعدی مزایای خاص اضافی دارد. از یک طرف عناصر بتن میتواند با استفاده از طراحی دیجیتال و دادههای ساخت و ساز ارائه شده توسط مدلسازی اطلاعات ساختمان تولید شود، از طرف دیگر، فرصتی برای ایجاد عناصر منحصر به فرد مطابق با ایده سفارشیسازی انبوه ایجاد میکند. اجزای ساختمان تولید شده توسط بتن چاپی سه بعدی میتوانند طرحهای متفاوتی باشند و دقیقا در جایی قرار بگیرند که فقط نیاز به آن ماده باشد. این امر وضعیت صنعت ساخت و ساز را بهینه میکند، که منجر به کاهش مصرف مواد و به تبع آن ایجاد شرایط سازگار با محیط زیست خواهد شد. از دیگر مزایای مورد انتظار میتوان بازده بالاتر، فرایند ساخت سریعتر، به حداقل رساندن منابع انسانی، اتلاف کمتر مواد زائد، استفاده کارآمد از منابع طبیعی و غیره را نام برد.
برای به حداکثر رساندن مزایای چاپ سه بعدی، در اولین قدم بایستی مواد قابل چاپی که در طول اکستروژن و پس از اکستروژن جریان دارند، توسعه یابند. در این راستا لازم است تا ساختار نهایی بدون تغییر شکل قابل ملاحظهای در طول قرارگیری لایهها بر روی هم حفظ شوند. با توجه به این واقعیت، دانشگاهها و صنایع مختلف درصدد هستند تا پتانسیل بتن چاپی سه بعدی تحقق یابد. اجزای سازنده میتوانند درجا تولید شوند یا مانند پروژه وینستون دیوارهای پیش ساخته چینی در محل تولید و بعدا مونتاژ شده و ساختار نهایی را تولید کنند.
یکی از بزرگترین چالشهای بتن چاپی سه بعدی طراحی مواد چاپی مناسب است. هدف اصلی بهینه سازی مخلوط، تطابق با چاپگر و داشتن حداقل استانداردهای رفتار مکانیکی است. بتن قابل چاپ باید با قابلیت اکسترودپذیری، قابلیت ساخت، چسبندگی و زمان کار مطابق باشد. تلاشهای زیادی برای تحقیق در ارتباط با تاثیر مواد مختلف بر روی افزایش عملکرد بتن انجام میشود. به عنوان مثال در تحقیقی خوش نویس و همکاران بر روی تقویت سطوح نهایی و وضوح هندسه بتن چاپی با استفاده از گچ و مواد رس مانند کار کردند. به این ترتیب مطالعات بسیاری، دیگر خواص مربوط به مواد چاپی را هدف قرار دادند، لذا تحقیقات گستردهای در این زمینه لازم است.
بسیاری از محققان بر این باورند که چاپ سه بعدی مزایای زیست محیطی، کاهش هزینهها و کارایی بهتری را نسبت به سازههای بتنی معمولی ارائه میدهد
پرینت سه بعدی بتن
سیستم های رایج چاپی 3 بعدی
توسعه سریع تکنولوژی بتن چاپی سه بعدی مقیاس بزرگ در بیشتر تحقیقات به دو روش طبقهبندی شده است:
- روش پاشش چسب
- روش رسوب نشانی مواد
روش پاشش چسب
اصل اساسی هر دو تکنیک، ایجاد یک ساختار پیچیده با افزودن لایههای کوچکی از مواد طبق مدل CAD است. مانند سایر فرایندهای چاپ سه بعدی، چاپ بتن سه بعدی با ایجاد مدل سه بعدی شروع میشود، که به چندین لایه 2 بعدی تقسیم شده و سپس لایهها به روش افزایشی با استفاده از یک ماده مشخص برای بدست آوردن نمونه نهایی چاپ میکنند. در این تحقیق از روش رسوب نشانی به عنوان یک فرایند چاپ سه بعدی استفاده شده است.
روش رسوب نشانی مواد
روش رسوبنشانی ماده یک فرایند چاپ سه بعدی پایه اکستروژن است که در آن لایههای اکسترود شده با موفقیت همانطور که در مدل CAD مشخص شده است، قرار گرفتهاند. چالش اصلی توسعه مادهای است که بعد از اکستروژن شکل خود را حفظ کند و بارگذاری چندین لایه را بدون توجه به تغییر شکل نگه دارد. کانتور کرفتینگ اولین تکنولوژی است که از فرایند رسوبنشانی ماده به عنوان یک روش ساخت هسته استفاده میکند و در اواسط دهه 1990 توسط خوش نویس در کالیفرنیا آمریکا تاسیس شد. در این روش چهارچوب عناصر ساختاری عمدتا عمودیاند که توسط نوارهای بتنی اکسترود شده (شکل 2-8 الف) با عرض 2 تا 5 سانتی متر و ارتفاع عموما 1 تا 3 سانتی متر تولید میشوند. این چهارچوبها یک مسیر دائمی ایجاد کرده و قالببندی را یکپارچه میکنند که در نهایت در بیشتر موارد با بتن جریانپذیر پر میشوند. ویژگی کلیدی این روش استفاده از مالههای متصل به نازل است. ماله مواد چاپ شده را برای ایجاد سطوح فوق العاده صاف و دقیق راهنمایی میکند.
روش کانتور کرافتینگ رایج با تکرار ساخت توسط شرکتهایی چون: وین سان، توتال کاستم، اپیس کر معرفی شد و بعدا به عنوان “بتن چاپ سه بعدی” نامیده شدند. محققان دانشگاه لافبورو نیز از این روش برای ساخت انواع ساختارهای دارای شکل پیچیده، شامل کانالهایی برای تقویت اضافی (میلگرد) استفاده نمودند.
فرایند بتن چاپ سه بعدی توسط یک سیستم رباتیک یا سقفی انجام میشود که می تواند اکسترودر (نازل) را نگه دارد و مطابق با مسیر ابزار مشخص شده در مدل CAD حرکت کند. با وجود داشتن درجه آزادی بیشتر، مشخص شد که در سایتهای ساختمانی رباتها کمتر مورد استفاده قرار میگیرند، بلکه یک چاپگر نوع سقفی با یک محور اضافه برای چرخش نوک نازل استفاده میگردد. شکل زیر یک چاپگر معمولی و سقفی رباتیک مورد استفاده برای کاربردهای چاپ بتن نشان میدهد. از مزیت چاپگر رباتیک میتوان برای چاپ سه بعدی سطوح منحنی موقت و توپولوژی بهینه (بدست آوردن بهینه از یک هندسه اولیه با درنظر گرفتن شرایط مساله) هر سازه استفاده نمود.
محدودیت اصلی بتن چاپی بر اساس اکستروژن، ایجاد ویژگیهای مقدماتی بدون استفاده از هر گونه مواد تقویتی است. در چاپ سه بعدی پلاستیک، پلیمرها و فرامادههای لایه نشانی شده به سرعت سخت میشوند، در حالی که در بتن چاپ سه بعدی و دیگر روشهای پایه بتن، نوارها بسته به زمان نشاندن و زمان گیرش همانطور که باس و همکاران ذکر کردند، روی یکدیگر قرار میگیرند. آهسته سخت شدن مواد بتن چاپ سه بعدی ناشی از واکنشهای هیدراتاسیون آهسته است و به هندسه قطعه موردنظر که میتواند با افزودنیها بهبود یابد، بستگی دارد. با این وجود، در برخی روشها سعی شده که ساختارهای تقویتی رو بستر منحنی چاپ شوند، و از این نظر استفاده از چاپگر رباتیک به دلیل حرکت در مسیر ابزاری که در امتداد منحنی بستر چاپ قرار دارد، مفید است.
پارامترهای موثر در چاپ سه بعدی بتن
بارزترین تفاوت بتن چاپ سه بعدی با سایر روشهای چاپ سه بعدی اندازه چاپ است که به نحوه چاپ بسیار مرتبط بوده و بر کیفیت نهایی به خصوص اندازه و پایداری نوارها تاثیر میگذارد.
طراحی قطعه نیز نقش مهمی در مواد و پارامترهای چاپ مانند سرعت چاپ، زمان چاپ، زمان گیرش و فاصله زمانی لایه ایفا میکند
