Virginia Tech: analisi delle proprietà della miscela fresca di materiali cementizi stampati in 3D
Morgan Christen Jenkins ha recentemente presentato una tesi di laurea magistrale, ” Proprietà del mix fresco e analisi della flessione con la correlazione digitale delle immagini di materiali cementizi fabbricati in modo addizionale “, a Virginia Tech , concentrandosi sui materiali nella stampa 3D e su come questa tecnologia incredibilmente innovativa si adatta alle moderne infrastrutture civili applicazioni. Con l’esigenza di una migliore garanzia della qualità e controllo della qualità, Jenkins spera di affrontare i problemi di test e valutazione standardizzati, oltre ad esplorare le sfide tipiche che si incontrano oggi quando si utilizzano materiali cementizi.
Jenkins presenta un’immagine piuttosto astuta della stampa 3D nell’ambito dell’ingegneria civile, sottolineando che molti progetti sono incentrati sulla “dimostrabilità”, piuttosto che sulla vera realtà, con una mancanza di ricerca completa su ciò che il futuro potrebbe comportare in termini di design, durata, e capacità. Con metodi migliorati per i test, non solo ci sarebbe una migliore garanzia di sicurezza e uso a lungo termine nei progetti, ma gli utenti avrebbero anche un potenziale molto più grande di godere dei benefici e dei successi della produzione additiva.
L’uso del cemento stampato in 3D nel settore delle costruzioni (in particolare per far spazio a abitazioni sostenibili , così come altri progetti con parti come pannelli in calcestruzzo , integrazione con la robotica e altro) sta diventando ben documentato già a causa degli enormi vantaggi disponibili come:
Maggiore velocità ed efficienza nei tempi di costruzione
Accuratezza migliorata
Riduzione dei rifiuti nei materiali
Meno costi nella cassaforma
Diminuzione della necessità di lavoro manuale (e, di conseguenza, minor rischio di infortuni sul cantiere)
Nel frattempo, le sfide includono:
“Requisiti contrastanti” per quanto riguarda le prestazioni del materiale della miscela fresca
Mancanza di veri standard nel controllo di qualità
Il potenziale per la produzione di materiali e parti inferiori a causa della ridotta resistenza nelle proprietà dei materiali
Poiché la stampa 3D con cemento ha continuato ad aumentare di popolarità negli ultimi dieci anni, e soprattutto negli ultimi anni, sono stati utilizzati numerosi metodi:
“Ad esempio, l’estrusione di materiale e il getto di legante (noto anche come fusione del letto di particelle) sono due dei processi AM utilizzati per 3DCP”, afferma Jenkins. “La differenza tra il processo utilizzato può cambiare i parametri che devono essere considerati durante il QA / QC. Tuttavia, i processi di estrusione di materiali sono stati l’approccio AM più comune per 3DCP. “
Jenkins continua a concentrarsi sulla mancanza di coerenza per quanto riguarda l’uso del calcestruzzo nei processi AM, in particolare hardware e software, progetti per mix, documentazione e ancora test.
“Documentare i processi, i materiali, i metodi di prova, ecc. Della ricerca passata, presente e futura può informare lo sviluppo continuo di AM con materiali cementizi aiutando a risolvere le sfide attuali”, afferma Jenkins.
I campioni per questo studio sono stati creati utilizzando il sistema SkyBAAM (Sky Big Area Additive Manufacturing). I test nella prima fase si sono svolti presso le strutture dell’Università del Tennessee (UTK) e presso Virginia Tech (VT) per la seconda fase.
Un progetto di mix, utilizzato per tutti i campioni e i test in questo studio, è stato creato anche dal Oak Ridge National Laboratory per accompagnare il processo SkyBAAM.
Nella prima fase, sono stati testati otto campioni, con tutti i guasti “rapidamente entro uno o due minuti dal caricamento”. I ricercatori hanno attribuito questo ad un alto tasso di caricamento che dovrebbe essere modificato in futuro.
“Sulla base dei risultati preliminari della Fase I, la preparazione del campione ha funzionato; tuttavia, la velocità di carico era estremamente elevata e non regolata in base alla larghezza e all’altezza di ciascuna trave. Inoltre, semplicemente trovare il modulo di rottura non ha fornito molte informazioni su come il carico è stato distribuito o trasferito tra i livelli “, ha spiegato Jenkins.
“L’orientamento B inizialmente sembrava sovraperformare l’orientamento A, ma i mezzi non erano statisticamente diversi a causa di 43 deviazioni standard elevate. A causa dell’elevata velocità di caricamento e dei risultati inconcludenti, sono state necessarie ulteriori indagini. In particolare, sono state interessanti ulteriori indagini, incluso l’impatto dei difetti sulle prestazioni per ciascun orientamento. “
Nella fase due, sono stati usati tre metodi per la valutazione: flusso, tempo di presa e resistenza a compressione precoce, che indica l’efficacia della malta variabile nella stampa 3D. Jenkins ha osservato “una minore variabilità delle proprietà quando è stata misurata e presa in considerazione la condizione di umidità dell’aggregato”. Anche le impostazioni per la sabbia naturale hanno mostrato una riduzione del 67 percento tra i gruppi 1 e 2. La sabbia prodotta ha mostrato una riduzione del 71 percento. Jenkins ha raccomandato che le miscele utilizzate per la fabbricazione di compositi debbano considerare i problemi di umidità per la massima ottimizzazione.
“Per questo studio, l’utilizzo di un peso unitario minimo di 132 PCF è stato in grado di differenziare qualitativamente tra campioni che presentavano difetti significativi che si correlavano bene con le osservazioni e le note prima del test”, ha concluso Jenkins. “Ad esempio, tra il gruppo con pesi unitari inferiori a 132 PCF e il gruppo con pesi unitari superiori a 132 PCF, vi è stato un aumento dell’86% nel modulo di rottura e una riduzione del 68% nella deviazione standard per l’orientamento B. Questo ha inoltre dimostrato la necessità di attuare misure di controllo qualità / controllo qualità; 90 tuttavia, 132 PCF potrebbe non essere lo stesso punto di taglio per altri mortai e potrebbe essere soggetto a modifiche per ogni diverso sistema 3DCP basato sulla tecnica di estrusione.
“Per l’implementazione di strutture in calcestruzzo stampato in 3D, si consiglia vivamente che il design sia una funzione dell’orientamento del carico a causa delle proprietà anisotrope del composito.”
