Оценка качества напечатанного на 3D принтере бетона с помощью лазера
Команда Мойни стремится лучше понять сильные и слабые стороны печатных цементов. Предоставлено: Принстонский университет
Инженеры из Принстонского университета используют лазеры, чтобы точно оценить главный недостаток цемента, напечатанного на 3D-принтере, — устойчивость материала к разрушению. Исследователи надеются, что прогресс в этой области может привести к более широкому использованию аддитивного производства в конструкциях на основе цемента. Долгосрочная цель состоит в том, чтобы разрабатывать более совершенные материалы с использованием аддитивных методов.
Цемент является основным ингредиентом бетона, который составляет большую часть современного строительства, включая здания, дороги, взлетно-посадочные полосы, мосты и плотины. В последние годы, когда 3D-печать продемонстрировала преимущества в эффективности и универсальности, растет интерес к применению этой технологии в строительстве.
Но по сравнению с обычным бетоном, альтернативы, напечатанные на 3D-принтере, могут быть подвержены растрескиванию, особенно в областях между различными слоями бетона. Исследователи связывают это с неоднородными микроструктурами, введенными процессом наслоения, используемым в 3D-печати. Исследователи из Принстона использовали новый тест, чтобы лучше понять это растрескивание на микроскопическом уровне. Их результаты показывают, что, правильно используя свойства трещин, бетон, напечатанный на 3D-принтере, может быть таким же прочным или даже более прочным, чем обычный бетон.
В исследовании, опубликованном в журнале Cement and Concrete Composites, исследователи из Принстона демонстрируют новый метод тестирования, который использует лазеры для вырезания точно расположенных канавок в цементах, напечатанных на 3D-принтере. Контролируя мощность и скорость лазера, исследователи могут контролировать критические особенности, такие как глубина и форма канавок. Этот контроль позволяет проводить гораздо более точные испытания, чем обычные методы.
«Теперь мы можем получить более полное представление о свойствах разрушения 3D-печатных материалов на основе цемента при различных способах разрушения, что важно для в конечном итоге расширения этой технологии», — сказал Реза Мойни, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии в Принстоне и старший автор исследования. «Появляются новые возможности для создания более прочных и прочных материалов, используя архитектуру дизайна материалов и свободу изготовления, которая приходит с аддитивными технологиями».
В отличие от литого бетона, который заливается в форму и затвердевает, бетон, напечатанный на 3D-принтере, подразумевает использования сопла, которое выдавливает цементную пасту по одной пряди за раз. Сопло движется вперед и назад, наращивая бетонную прядь за прядью и, в конечном итоге, слой за слоем.
Одна из проблем заключается в том, что во время экструзии вокруг каждой напечатанной нити образуется тонкая водная пленка, увеличивающая текучесть материала. Эти насыщенные водой пленки могут привести к значительным внутренним дефектам и неоднородностям между нитями материала, напечатанного на 3D-принтере.
Первоначально исследовательская группа изготовила и отверждала образцы для тестирования с использованием специального 3D-принтера, который экструдировал цементную пасту. Традиционное тестирование обычно включает в себя вырезание насечек в материале, часто с помощью циркулярных пил.
Вместо того, чтобы использовать физический инструмент, такой как пила, для резки насечек, Мойни и его коллеги решили использовать лабораторный лазер. Их подход сокращает тестовые выемки прямо там, где это необходимо, например, на границе раздела между печатными слоями.
«Преимущество этого теста для хрупких материалов, напечатанных на 3D-принтере, заключается в том, что, используя одну и ту же геометрию образца, можно определить устойчивость к растрескиванию при растяжении, сдвиге или любой их комбинации», — сказал Мойни.
Оригинал статьи: Shashank Gupta et al, Fracture and transport analysis of heterogeneous 3D-Printed lamellar cementitious materials, Cement and Concrete Composites (2023).
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.
