Inženjeri na Univerzitetu Princeton primenjuju lasere kako bi precizno procenili glavni nedostatak 3D štampanog cementa – otpornost materijala na lom. Istraživači se nadaju da bi napredak u ovoj oblasti mogao dovesti do šire upotrebe aditivne proizvodnje u strukturama na bazi cementa. Dugoročni cilj je razvoj boljih materijala koristeći aditivne tehnike koje dovode do inovativnog dizajna i funkcija.
Cement je glavni sastojak betona koji čini većinu moderne gradnje – uključujući zgrade, puteve, piste, mostove i brane. Poslednjih godina, pošto je 3D štampanje pokazalo prednosti u efikasnosti i svestranosti, raste interesovanje za primenu tehnologije u građevinarstvu.
Ali u poređenju sa konvencionalno livenim betonom, 3D štampane alternative mogu biti podložne pucanju, posebno u oblastima između različitih slojeva betona. Istraživači to pripisuju neujednačenim mikrostrukturama koje su uvedene procesom nanošenja slojeva koji se koristi u 3D štampanju. Istraživači sa Prinstona su koristili novi test da bolje razumeju ovo pucanje na mikroskopskom nivou. Njihovi nalazi sugerišu da bi pravilnom karakterizacijom svojstava lomljenja, 3D štampani beton mogao biti jednako jak ili čak jači od livenog betona.
U studiji objavljenoj u časopisu Cement and Concrete Composites, istraživači sa Prinstona demonstriraju novu metodu testiranja koja koristi lasere za sečenje precizno lociranih žlebova u 3D štampanim cementima. Kontrolišući snagu i brzinu lasera, istraživači mogu da kontrolišu kritične karakteristike kao što su dubina i oblik žlebova. Ova kontrola omogućava daleko preciznije testiranje od konvencionalnih metoda.
„Sada možemo da steknemo detaljnije razumevanje svojstava loma 3D štampanih materijala na bazi cementa pod različitim načinima kvara, što je važno za eventualno povećanje ove tehnologije“, rekao je Reza Moini, docent na Odseku za građansko pravo. i Environmental Engineering na Princetonu i viši autor studije. „Postoje nove mogućnosti da se naprave jači i čvršći materijali korišćenjem dizajna arhitekture materijala i slobode proizvodnje koja dolazi sa aditivnim tehnologijama.
Drugi autori studije sa Prinstona, svi članovi Moinijeve laboratorije, su Shashank Gupta i Arjun Prihar, obojica dr. studenti, i Hadi Esmaeeli, bivši naučni saradnik.
Za razliku od livenog betona, koji se sipa u formu i očvršćava, 3D štampani beton uključuje mlaznicu koja istiskuje cementnu pastu jedan po jedan pramen. Mlaznica se kreće napred-nazad, izgrađujući betonski pramen po pramen i na kraju sloj po sloj.
Jedan izazov je da tokom ekstruzije, tanak film bogat vodom ima tendenciju da se formira oko svake štampane niti da bi se olakšao protok. Ovi filmovi bogati vodom mogu dovesti do značajnih unutrašnjih nedostataka i heterogenosti između niti 3D štampanog materijala, doprinoseći strukturnoj slabosti.
Istraživači sa Prinstona su detaljnije ispitali ove interfejse da bi razumeli njihov odnos sa svojstvima loma. Istraživački tim je prvobitno proizveo i izlečio uzorke za testiranje koristeći prilagođeni 3D štampač koji je ekstrudirao cementnu pastu. Tradicionalno testiranje obično uključuje rezanje zareza u materijal, često kružnim testerama. Međutim, za proučavanje mikrostruktura, te testere mogu delovati kao tupi instrumenti koji često dovode do neoštrih zareza. Ovo može učiniti testiranje teškim i nepreciznim.
Umesto da koriste fizički alat kao što je testera za rezanje zareza, Moini i kolege su odlučili da koriste laboratorijski laser. Njihov pristup seče zareze za testiranje tačno tamo gde je to potrebno, na primer na interfejsu između štampanih slojeva.
„Prednost ovog testa za lomljive 3D štampane materijale je u tome što se korišćenjem iste geometrije uzorka može uhvatiti otpornost na pucanje pod zatezanjem, smicanjem ili bilo kojom kombinacijom ovo dvoje“, rekao je Moini.
Shashank Gupta, prvi autor rada, naglasio je da „ovaj pristup može pomoći u informisanju o svojstvima materijala dok istraživači rade sa industrijom na povećanju procesa proizvodnje aditiva za beton za strukturalne i nestrukturne primjene.“
Svršeni studenti u Moiniovoj laboratoriji unapređuju ove ciljeve, istražujući arhitektonske materijale i karakteristike loma. Nedavno, na prolećnoj konvenciji Američkog instituta za beton u San Francisku u aprilu, koautor rada Arjun Prihar osvojio je nagradu za poster za treće mesto, a diplomirani student Kristal Delnoče osvojila je prvo mesto. Priharova istraživanja su se fokusirala na razumevanje mehanike loma sinusno arhitektonskih dizajna betonskih materijala korišćenjem eksperimenta i simulacije. Delnoceovo istraživanje se fokusiralo na prilagođavanje nove metode ispitivanja loma za 3D štampane materijale razvojem zareza unutar putanje alata.
„Naš rad pomaže u rešavanju fundamentalnih pitanja o ponašanju loma 3D štampanog betona“, rekao je Moini.
