Gęstość i lepkość to parametry krytyczne w drukowaniu cementowym 3D, ponieważ mają one bezpośredni wpływ drukowalność, Integralność strukturalna, przyczepność warstw drukowanego materiału. Monitorowanie tych parametrów w trybie on-line jest kluczowe dla niezawodnej kontroli w czasie rzeczywistym i zapewnienia jakości.
Rysunek 1: Drukowanie cementu 3D [1]
Spis treści
- Wprowadzenie
- Proces produkcji dodatków do cementu
- Wyzwania związane z procesami i monitorowaniem
- Rheonics Czujniki gęstości i lepkości w linii
1. Wstęp
Produkcja addytywna poczyniła znaczne postępy na przestrzeni lat i zyskała znaczenie w różnych branżach, takich jak Druk 3D z cementu lub betonu (3DCP). Znany również jako produkcja dodatków do betonu, jest to najnowocześniejsza technologia, która umożliwia zautomatyzowaną budowę warstwową konstrukcji przy użyciu materiałów cementowych. W przeciwieństwie do tradycyjnej konstrukcji betonowej, która wymaga szalunków i ogromnej pracy ręcznej, drukowanie 3D bezpośrednio wytłacza mieszanki na bazie cementu zgodnie z zaprogramowanym modelem cyfrowym, nie różniącym się tak bardzo od dobrze znanych druków polimerowych 3D. Możliwe są różne technologie 3DCP, takie jak drukowanie strumieniowe spoiwem i drukowanie strumieniowe materiałem, ale wytłaczanie jest dominującą metodą. Technologia ta oferuje kilka zalet, w tym mniejsze marnotrawstwo materiałów, szybszy czas budowy i większa elastyczność projektowaniaAby to osiągnąć, kluczowe jest jednak monitorować i optymalizować skład materiału, parametry wytłaczania i warunki utwardzania zapewnić jednolitość drukowalność, spójność materiału, prawidłowe łączenie warstw, kontrola środowiska, itp.
W artykule tym podkreślono znaczenie kluczowych parametrów, takich jak lepkość i gęstość, w drukowaniu cementu w technologii 3D oraz w jaki sposób Rheonics czujniki umożliwiają pomiary w czasie rzeczywistym w celu monitorowania i sterowania.
Drukowanie w budownictwie PERI 3D: Pierwszy budynek mieszkalny drukowany w technologii 3D w Niemczech – [1]
2. Proces produkcji dodatków do cementu
W szerszym ujęciu proces drukowania 3D z cementu można podzielić na następujące etapy [2]:
Wstępne mieszanie
Materiały wstępnie dozowane są mieszane w celu uzyskania cementu specjalnie opracowanego do 3DCP. Obejmuje to zazwyczaj cement, piasek, dodatki, a czasami włókna w celu poprawy wytrzymałości i urabialności. Kilka firm oferuje już ten wstępnie wymieszany materiał gotowy do drukowania cementem 3D. Początkowe opracowania wykorzystywały środki zagęszczające w celu zapewnienia wysokiego naprężenia granicznego po wytłaczaniu, podczas gdy ostatnie opracowania wykorzystują opóźniacze w celu zapobiegania wiązaniu świeżego materiału podczas procesu pompowania, w połączeniu z przyspieszaczami, które przeciwdziałają efektowi opóźniacza i powodują szybsze czasy wiązania.
Mieszanie
Proces hydratacji suchego materiału polega głównie na dodaniu wody. Mieszanie może odbywać się partiami lub w procesie ciągłym. Niektóre procesy wykorzystują drugą fazę mieszania tuż przed wytłaczaniem w różnych celach związanych z używanym płynem.
Transport
Transport betonu zazwyczaj wymaga użycia pomp ślimakowych, można również znaleźć pompy tłokowe wyporowe. Stałe dostarczanie świeżego materiału betonowego jest niezbędne do każdej udanej operacji drukowania. Zasadniczo celem jest unikanie częstych przerw w drukowaniu i aby prędkość nie przekraczała maksymalnej pionowej szybkości budowania materiału.
Ekstruzja jest krytycznym etapem w drukowaniu cementu 3D i polega na wytłaczaniu materiału przez dyszę lub matrycę zamontowaną w ramieniu robota lub systemie bramowym zdolnym do normalnego poruszania się w 3 kierunkach i podążającym za wstępnie zaprogramowanym modelem cyfrowym. Każda warstwa łączy się z poprzednią, stopniowo budując strukturę. Dysze mogą być pasywnymi dyszami lub dyszami ślimakowymi do kontrolowanego osadzania. Pierwsze osiągają wytłaczanie przez sam system pompowania transportowego, podczas gdy drugie mają otwarty lej ze ślimakiem podającym, aby wytłaczać materiał bezpośrednio, umożliwiając większą precyzję w kontroli przepływu.
3. Wyzwania związane z procesami i monitorowaniem
Płynne zachowanie betonu stwarza wiele wyzwań w monitorowaniu jego właściwości reologicznych. Beton charakteryzuje się granicą plastyczności, co oznacza, że zachowuje się jak ciało stałe poniżej pewnego naprężenia ścinającego, a po przekroczeniu tego naprężenia staje się płynny. Ponadto istnieje wyraźna potrzeba wysokiej płynności podczas pompowania, a także wysokiej sztywności i odpowiedniej wytrzymałości, aby zachować kształt po wytłaczaniu.
Lepkość wskazuje na opór cieczy przed przepływem oraz jej konsystencję, natomiast gęstość jest wskaźnikiem jednorodności mieszanki (np. stosunku wody do cementu), co wpływa na wytrzymałość, drukowność i czas wiązania. Zasadniczo monitorowanie lepkości i gęstości jest wymagane w celu określenia:
- Możliwość drukowania (zachowanie kształtu po osadzeniu, liczba obsługiwanych warstw)
- Wytrzymałość materiału
- Jakość wydruku
- Skurcz podczas suszenia
- Unikaj zacięć na wytłaczarce
Oprócz monitorowania właściwości materiału, kluczowa w procesie drukowania 3D z betonu jest znajomość parametrów drukowania i warunków utwardzania.
4. Rheonics Czujniki gęstości i lepkości w linii
Rheonics oferuje mierniki gęstości i lepkości do monitorowania betonu w czasie rzeczywistym.
Rheonics Wiskozymetr liniowy SRV:Czujnik ten mierzy szeroki zakres lepkości i temperatury w czasie rzeczywistym i nadaje się do montażu w zbiornikach w celu monitorowania procesów mieszania oraz w rurociągach w celu ciągłego pomiaru przepływu płynu. Rheonics SRV jest specjalnie przystosowany do procesów mieszania o dużej prędkości i nie jest wrażliwy na obecność pęcherzyków w cieczy ani na wibracje zewnętrzne.
Rheonics Miernik gęstości i lepkości SRD: Ten czujnik mierzy gęstość, lepkość i temperaturę w czasie rzeczywistym. Najlepiej nadaje się do instalacji w rurociągach i zbiornikach o stałej prędkości mieszania. SRD dodaje gęstość do pomiarów, umożliwiając dalsze obliczenia stężenia płynu, jednak ma węższy zakres pomiaru lepkości w porównaniu do SRV, a wysokie stężenie pęcherzyków może powodować szum w odczytach z powodu pomiaru gęstości. SRD nie jest dotknięty drganiami zewnętrznymi.
Oferowane są liczne sondy czujników SRV i SRD (typ SR), aby spełnić określone wymagania instalacyjne. Odwiedź Warianty wiskozymetru SRV oraz Warianty miernika gęstości i lepkości SRD.
instalacja sprzętu
Beton jest ziarnistą cieczą składającą się z cieczy, głównie wody dodawanej podczas mieszania, a zazwyczaj także drobnych cząstek, takich jak pył krzemionkowy, popiół lotny, żużel itp. Ze względu na swój skład i typowe właściwości ścierne, Rheonics ma kolejne wymagania instalacyjne dotyczące pomiaru lepkości i gęstości betonu za pomocą czujników typu SR.
- Montaż w kolanie Sweep
Rheonics czujnik długie sondy wsuwane (Typ-SR-X5) w instalacji kolankowej to bardzo dobre rozwiązanie do pomiarów inline w betonie. Instalacja kolankowa umożliwia przepływ cieczy równolegle lub osiowo do elementu pomiarowego sondy czujnika, podczas gdy konstrukcja długiego wsuwania umieszcza element pomiarowy dalej w linii, gdzie przepływ cieczy jest bardziej równomierny niż w pobliżu ściany. Dzięki temu element pomiarowy pozostaje zawsze czysty (przepływ utrzymuje go w czystości i bez osadów).
Przy długiej sondzie wprowadzającej klient może określić długość wprowadzania (A) i przyłącze procesowe (B). W poniższej tabeli przedstawiono typowe rozwiązanie przy użyciu połączenia gwintowanego NPT 1.25” i elboletu.
Więcej przykładów montażu kolan łukowych znajdziesz w naszym artykule: Montaż mierników lepkości i gęstości typu SR w kolankach przelewowych
- Instalacja z Rheonics Stargate
Wariant SRV lub SRD Stargate (SG) nadaje się do płynów o dużej lepkości i dużej prędkości, minimalizując osady i obciążenia sondy, ponieważ ma konstrukcję ogniwa waflowego, która umieszcza sondę w środku linii prostej.
korzyść instalacji Stargate jest to, że będzie miała najmniej zanieczyszczeń i może zmniejszyć ścieranie sondy. Głównym czynnikiem branym pod uwagę przy tej instalacji jest wymóg adapterów do podłączenia do procesu. Rheonics oferuje Tri-Clamp adaptery, które generalnie nie nadają się do zastosowań cementowych lub betonowych. Z tego powodu klient powinien postępować zgodnie z rysunkami interfejsu mechanicznego Stargate, aby dostosować go do procesu.
- Instalacja prostopadła
Instalacja prostopadła umieszcza sondę pod kątem 90° od przepływu cieczy. Główną zaletą tej instalacji jest jej prostota. Zwykle Rheonics stosowana jest sonda czujnika z przyłączem gwintowanym (G1/2 lub NPT 3/4”), a do montażu wymagany jest spaw (HAW-12G-OTK or WOL-34NL). Może to być odpowiednie do instalacji po wymieszaniu, między wężami lub tuż przed matrycą wytłaczającą lub głowicą drukującą.
Jednakże ta instalacja jest podatna na osady lub nagromadzenia wokół sondy, które mogą zakryć element pomiarowy i tym samym wpłynąć na odczyty czujnika. Osady płynów są powszechne w przypadku płynów o wysokiej lepkości, takich jak cement lub beton. Klient powinien upewnić się, że unika stref podatnych na osady (martwe strefy) i wyczyścić sondę, jeśli osady się utworzą.
5. Rozważania dotyczące instalacji
Ścieranie przez erozję
Zastosowania w betonie mogą narażać sondy czujników na ścieranie z powodu erozji cieczy na materiale powierzchni sondy. W takich przypadkach sondy będą wymagały wymiany po pewnym czasie. Użytkownicy muszą jedynie poprosić o nową sondę, podczas gdy kabel czujnika i elektronika pozostają na swoim miejscu. Żywotność sondy w tych warunkach zależy od natężenia przepływu, cząstek w cieczy, współczynnika wypełnienia itp. Nie można tego oszacować z góry, ale Rheonics Czujniki można skonfigurować tak, aby pokazywały użytkownikom poziom ścierania i ostrzegały o konieczności wymiany.
Zwilżony materiał
Rheonics sondy czujnikowe do cementu są oferowane w materiale ze stali nierdzewnej 316L. Dowiedz się więcej o materiałach sond tutaj: Rheonics wiskozymetr gęstość materiał zgodność chemiczna
Ograniczenie prędkości przepływu
Rheonics Sondy SRV i SRD są kompatybilne z prędkościami przepływu do 10 m/s. Równoległy montaż w kolanku zmniejsza wpływ prędkości przepływu na sondy, ale prędkości w tym zakresie mogą nadal powodować zbyt duży szum w odczytach. Przeczytaj więcej na Sondy typu SR z płynami o dużej lepkości i prędkości.
Cząsteczki w płynie
Obecność cząstek w mierzonym płynie jest powiązana z efektami ścierania sondy. Zazwyczaj miękkie cząstki rzędu mikronów nie wpływają na pomiar czujnika. Mogą one jedynie powodować szum w odczytach, który może zostać odfiltrowany przez elektronikę czujnika. Większe lub twarde cząstki rzędu milimetrów lub centymetrów mogą powodować bardzo wysoki poziom szumu w odczytach lub nawet uszkodzić sondę, dlatego należy unikać tych cząstek.
Referencje
[2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
[3] Wielozadaniowa pompa śrubowa ze stali nierdzewnej PCM EcoMoineau™ C
[4] Rozwiązanie | COBOD International
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
