Uzimajući inspiraciju iz prirode, istraživači iz Princeton Engineeringa poboljšali su otpornost na pucanje u betonskim komponentama spajanjem arhitektonskih dizajna sa procesima aditivne proizvodnje i industrijskim robotima koji mogu precizno da kontrolišu taloženje materijala.
U članku objavljenom 29. avgusta u časopisu Nature Communications, istraživači predvođeni Rezom Moini, docentom za građevinsko inženjerstvo i inženjerstvo zaštite životne sredine na Prinstonu, opisuju kako su njihovi dizajni povećali otpornost na pucanje za čak 63% u poređenju sa konvencionalnim livenim betonom. Rad je naslovljen „Čvrst dvostruki arhitektonski beton omogućen robotskom aditivnom proizvodnjom“.
Istraživači su bili inspirisani dvostrukim spiralnim strukturama koje čine krljušti drevne ribe zvane celakant. Moini je rekao da priroda često koristi pametnu arhitekturu da bi međusobno povećala svojstva materijala kao što su čvrstoća i otpornost na lom.
Da bi se generisala ova mehanička svojstva, istraživači su predložili dizajn koji raspoređuje beton u pojedinačne niti u tri dimenzije. Dizajn koristi robotsku aditivnu proizvodnju da slabo poveže svaki pramen sa svojim susedom. Istraživači su koristili različite šeme dizajna da kombinuju mnoge naslagane niti u veće funkcionalne oblike, kao što su grede.
Šeme dizajna se oslanjaju na neznatnu promenu orijentacije svakog naslaga da bi se stvorio dvostruki spiralni raspored (dva ortogonalna sloja uvrnuta po visini) u gredama što je ključno za poboljšanje otpornosti materijala na širenje pukotina.
Rad se odnosi na osnovni otpor u širenju pukotina kao na „mehanizam učvršćivanja“. Tehnika, detaljno opisana u članku u časopisu, oslanja se na kombinaciju mehanizama koji mogu ili zaštititi pukotine od širenja, ili blokirati polomljene površine, ili skrenuti pukotine sa pravog puta kada se formiraju, rekao je Moini.
Shashank Gupta, diplomirani student na Prinstonu i koautor rada, rekao je da stvaranje arhitektonskog betonskog materijala sa potrebnom visokom geometrijskom vernošću na skali u građevinskim komponentama kao što su grede i stubovi ponekad zahteva upotrebu robota. To je zato što trenutno može biti veoma izazovno stvoriti svrsishodan unutrašnji raspored materijala za konstruktivne primene bez automatizacije i preciznosti robotske proizvodnje.
Aditivna proizvodnja, u kojoj robot dodaje materijal pramen po pramen da bi stvorio strukture, omogućava dizajnerima da istraže složene arhitekture koje nisu moguće sa konvencionalnim metodama livenja. U Moini laboratoriji, istraživači koriste velike industrijske robote integrisane sa naprednom obradom materijala u realnom vremenu koji su sposobni da stvore strukturne komponente pune veličine koje su takođe estetski prijatne.
Kao deo rada, istraživači su takođe razvili prilagođeno rešenje za rešavanje sklonosti svežeg betona da se deformiše pod njegovom težinom. Kada robot taloži beton da bi formirao strukturu, težina gornjih slojeva može prouzrokovati deformaciju betona ispod, ugrožavajući geometrijsku preciznost rezultujuće arhitektonske strukture.
Da bi ovo rešili, istraživači su imali za cilj da bolje kontrolišu brzinu očvršćavanja betona kako bi sprečili izobličenje tokom proizvodnje. Koristili su napredni, dvokomponentni sistem ekstruzije koji je implementiran na mlaznici robota u laboratoriji, rekao je Gupta, koji je vodio napore ekstruzije u studiji.
Specijalizovani robotski sistem ima dva ulaza: jedan za beton i drugi za hemijski akcelerator. Ovi materijali se mešaju u mlaznici neposredno pre ekstruzije, omogućavajući akceleratoru da ubrza proces očvršćavanja betona, istovremeno obezbeđujući preciznu kontrolu nad strukturom i minimizirajući deformacije.
Preciznim kalibracijom količine akceleratora, istraživači su dobili bolju kontrolu nad strukturom i minimizirali deformacije u nižim nivoima.
