Ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής σκυροδέματος και μερικά προηγμένα εργαλεία μέτρησης υποστηρίζουν την ομάδα από το Τμήμα Πολιτικών, Κατασκευών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Gerald May, το οποίο επικεντρώνεται στην αντιμετώπιση μακροχρόνιων προκλήσεων στον τομέα των κατασκευών και της συντήρησης υποδομών.
Το νέο αυτοενισχυμένο, εξαιρετικά όλκιμο τσιμεντοειδές υλικό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για ασφαλέστερα, πιο ανθεκτικά κτίρια και γέφυρες, ενώ θα μειώσει σημαντικά την ανάγκη για συχνές επισκευές.
Οι παραδοσιακές μέθοδοι κατασκευής απαιτούν συχνά βαριά μηχανήματα και χειρωνακτική εργασία για την τοποθέτηση δοκών από χάλυβα ή ξύλο, μια διαδικασία που δεν είναι μόνο δαπανηρή αλλά και επικίνδυνη. Η Maryam Hojati, επίκουρη καθηγήτρια στο UNM, ηγείται των προσπαθειών για την αυτοματοποίηση και την καινοτομία αυτής της διαδικασίας με την εκτύπωση 3D.
Το σκυρόδεμα, ενώ είναι ισχυρό σε συμπίεση, είναι εμφανώς εύθραυστο υπό τάση. Αυτό το χαρακτηριστικό οδηγεί σε συχνές ρωγμές και συνεχή συντήρηση, είτε πρόκειται για πεζοδρόμια, κτίρια ή γέφυρες. «Το σκυρόδεμα από μόνο του δεν παρουσιάζει ιδιότητες εφελκυσμού, που σημαίνει ότι εάν έχετε ένα κομμάτι σκυρόδεμα και αρχίσετε να το ξεκολλάτε, μπορεί εύκολα να σπάσει. Είναι ένα πολύ εύθραυστο υλικό», όπως εξηγεί η Hojati.
Οι φυσικές καταστροφές, όπως οι σεισμοί και οι ισχυροί άνεμοι, ενισχύουν το πρόβλημα. Αυτές οι δυνάμεις ασκούν πίεση στις κατασκευές, εκθέτοντας περαιτέρω τις αδυναμίες του σκυροδέματος. «Το υλικό θα πρέπει να συγκρατεί και να αντέχει τόσο την τάση όσο και τη συμπίεση. Το σκυρόδεμα είναι ένα εξαιρετικό υλικό για συμπίεση, αλλά όταν πρόκειται για τάση, είναι ένα αδύναμο υλικό», προσθέτει η ίδια.
Σε παγκόσμιο επίπεδο, οι ερευνητές εργάζονται για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, αλλά οι υπάρχουσες τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης εξακολουθούν να βασίζονται σε παραδοσιακές ενισχύσεις, όπως δοκοί ή ράβδοι οπλισμού, που περιορίζουν το πλήρες δυναμικό αυτοματισμού της 3D εκτύπωσης.
Οι ερευνητές του UNM έχουν αναπτύξει μια λύση που αντιμετωπίζει αυτούς τους περιορισμούς. Ο απόφοιτος Ph.D. Muhammad Saeed Zafar δημιούργησε ένα μείγμα υλικών που είναι ταυτόχρονα δυνατό και ευέλικτο. «Αν μιλάμε για τρισδιάστατη εκτύπωση ή κατασκευή προσθέτων στον τομέα των μετάλλων και των πλαστικών, είναι σε πολύ προχωρημένο στάδιο, αλλά η εκτύπωση σκυροδέματος εξακολουθεί να αναπτύσσεται», σημειώνει ο Zafar.
Η νέα ουσία ενσωματώνει υψηλή συγκέντρωση πολυμερικών ινών, παρέχοντας αντοχή σε εφελκυσμό και ευκαμψία. «Λόγω της ενσωμάτωσης μεγάλων ποσοτήτων κοντών πολυμερικών ινών σε αυτό το υλικό, θα μπορούσε να συγκρατήσει όλο το σκυρόδεμα μαζί όταν υποβληθεί σε οποιοδήποτε φορτίο κάμψης ή τάσης», σύμφωνα με τη Hojati.
Το κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας υλικό, προσφέρει τέσσερα διαφορετικά μείγματα, με χωρητικότητα παραμόρφωσης έως και 11,9% υψηλότερη από τα συμβατικά υλικά. Αυτό το μείγμα διατηρεί το απαραίτητο ιξώδες για ομαλή τρισδιάστατη εκτύπωση χωρίς να φράζει το ακροφύσιο. Η επίτευξη αυτής της ισορροπίας δεν ήταν εύκολο κατόρθωμα. Η δοκιμή περιελάμβανε εκτύπωση μικρών δομών όπως πρίσματα και οστά σκύλου, ακολουθούμενη από αυστηρή αξιολόγηση της αντοχής σε κάμψη και σε εφελκυσμό. Δοκιμάστηκαν διάφορα υλικά, όπως πολυβινυλική αλκοόλη, καπνός πυριτίας, τέφρα και ίνες πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους.
«Ο βασικός σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η αντιμετώπιση του προβλήματος του οπλισμού στην τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος», εξήγησε ο Zafar. «Υποστηρίζουμε ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος είναι μια αυτοματοποιημένη διαδικασία. Αλλά οι συμβατικές μέθοδοι ενίσχυσης διακυβεύουν την αυτοματοποίηση αυτής της διαδικασίας».
Οι συνέπειες αυτής της ανακάλυψης εκτείνονται πολύ πέρα από τη Γη. Διαστημικές υπηρεσίες όπως η NASA διερευνούν την τρισδιάστατη εκτύπωση ως λύση για την κατασκευή οικοτόπων σε άλλους πλανήτες. Η μεταφορά βαρέων δοκών από χάλυβα και μεγάλου εργατικού δυναμικού στο διάστημα δεν είναι πρακτική, καθιστώντας τα καινοτόμα υλικά όπως το εύκαμπτο σκυρόδεμα της UNM πιθανό να αλλάξουν το παιχνίδι.
Επιστρέφοντας στον πλανήτη Γη, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον κατασκευαστικό κλάδο, επιτρέποντας κατασκευές που είναι πιο ανθεκτικές σε φυσικές καταστροφές και απαιτούν λιγότερο συχνή συντήρηση. Προωθεί επίσης μεγαλύτερο αυτοματισμό, μειώνοντας το κόστος και τους κινδύνους που σχετίζονται με τις παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής.
Πηγή: Interesting Engineering
