Плотность и вязкость критические параметры в 3D-печати цемента, поскольку они напрямую влияют возможность печати, целостность конструкции и Адгезия слоя печатного материала. Встроенный мониторинг этих параметров имеет ключевое значение для надежного контроля в режиме реального времени и обеспечения качества.
Рисунок 1: 3D-печать цементом [1]
Содержание
- Введение
- Процесс производства цементных добавок
- Проблемы процесса и мониторинга
- Rheonics Встроенные датчики плотности и вязкости
1. Введение
За прошедшие годы аддитивное производство достигло значительного прогресса и стало востребованным в различных отраслях промышленности, таких как 3D-печать цементом или бетоном (3DCP), Также известен как производство добавок к бетону, это передовая технология, которая позволяет производить автоматизированное послойное строительство конструкций с использованием цементных материалов. В отличие от традиционного бетонного строительства, требующего опалубки и огромного ручного труда, 3D-печать напрямую выдавливает смеси на основе цемента следуя предварительно запрограммированной цифровой модели, не сильно отличающейся от известных полимерных 3D-печатей. Возможны различные технологии 3DCP, такие как струйная печать связующего и струйная печать материала, но преобладающим методом является экструзия. Эта технология предлагает несколько преимуществ, включая сокращение отходов материалов, сокращение сроков строительства и большая гибкость проектирования. Однако, чтобы достичь этого, важно контролировать и оптимизировать состав материала, параметры экструзии и условия отверждения для обеспечения единообразия пригодность для печати, однородность материала, правильное соединение слоев, контроль окружающей среды, и т.д.
В этой статье подчеркивается важность таких ключевых параметров, как вязкость и плотность, при 3D-печати цементом, а также то, как Rheonics Датчики позволяют проводить измерения в режиме реального времени для мониторинга и управления.
PERI 3D Construction Printing: первое жилое здание в Германии, напечатанное на 3D-принтере – [1]
2. Процесс производства цементной добавки
В широком смысле процесс 3D-печати цементом можно разделить на следующие этапы [2]:
Предварительная смесь
Материалы предварительной дозировки смешиваются для получения цемента, специально разработанного для 3DCP. Обычно это цемент, песок, добавки и иногда волокна для повышения прочности и обрабатываемости. Несколько компаний уже предлагают этот предварительно смешанный материал, готовый для 3D-печати цементом. Первоначальные разработки использовали загустители для обеспечения высокого предела текучести после экструзии, в то время как последние разработки используют замедлители для предотвращения схватывания свежего материала во время процесса перекачивания в сочетании с ускорителями, которые противодействуют эффекту замедлителя и вызывают более быстрое время схватывания.
Смешивание
Процесс гидратации сухого материала в основном путем добавления воды. Смешивание может осуществляться либо партиями, либо непрерывным процессом. Некоторые процессы используют вторую фазу смешивания непосредственно перед экструзией для различных целей, связанных с используемой жидкостью.
Транспорт
Транспортировка бетона обычно требует использования насосов с прогрессивной кавитацией, здесь также можно обнаружить использование поршневых насосов с положительным вытеснением. Постоянная подача свежего бетонного материала необходима для любой успешной операции печати. Как правило, намерение состоит в том, чтобы избегать частых остановок в процессе печати и чтобы скорость не превышала максимальную скорость вертикального наращивания материала.
Экструзия является критическим этапом в 3D-печати цемента и состоит из экструзии материала через сопло или матрицу, установленную в роботизированной руке или портальной системе, способной нормально двигаться в 3 направлениях и следовать предварительно запрограммированной цифровой модели. Каждый слой связывается с предыдущим, постепенно создавая структуру. Сопла могут быть либо пассивными соплами, либо соплами контролируемого осаждения шнека. Первые обеспечивают экструзию с помощью самой транспортной насосной системы, в то время как последние оснащены открытым бункером с питающим шнеком для прямой экструзии материала, что обеспечивает более высокую точность в управлении потоком.
3. Проблемы процесса и мониторинга
Текучесть бетона создаёт множество сложностей при мониторинге его реологических свойств. У бетона есть предел текучести, то есть он ведёт себя как твёрдое тело при достижении определённого напряжения сдвига, и как текучее вещество при превышении этого напряжения. Кроме того, существует очевидная необходимость в высокой текучести при перекачке, а также в высокой жёсткости и определённой прочности для сохранения формы после экструзии.
Вязкость характеризует сопротивление жидкости течению, а также её консистенцию, в то время как плотность используется как показатель однородности смешивания жидкости (например, соотношения воды и цемента), влияющей на прочность, пригодность для печати и время схватывания. Как правило, мониторинг вязкости и плотности необходим для определения:
- Пригодность для печати (сохранение формы после нанесения, количество поддерживаемых слоев)
- Прочность материала
- Качество печати
- Усадка при высыхании
- Избегайте застревания в экструдере
Помимо контроля свойств материала, ключевым фактором в процессе 3D-печати бетоном является знание параметров печати и условий отверждения.
4. Rheonics Встроенные датчики плотности и вязкости
Rheonics предлагает встроенные измерители плотности и вязкости для мониторинга бетона в режиме реального времени.
Rheonics Линейный вискозиметр SRV: Этот датчик измеряет широкий диапазон вязкости и температуры в режиме реального времени и подходит для установки в резервуарах для контроля процессов смешивания, а также в трубопроводах для непрерывного измерения текущей жидкости. Rheonics SRV особенно подходит для высокоскоростных процессов смешивания и нечувствителен к наличию пузырьков в жидкости или внешним вибрациям.
Rheonics Линейный измеритель плотности и вязкости SRD: Этот датчик измеряет плотность, вязкость и температуру в режиме реального времени. Он лучше всего подходит для установки в трубопроводах и резервуарах с постоянной скоростью смешивания. SRD добавляет плотность к измерениям, позволяя проводить дальнейшие расчеты концентрации жидкости, однако имеет более узкий диапазон измерения вязкости по сравнению с SRV, а высокая концентрация пузырьков может добавлять шум к показаниям из-за измерения плотности. SRD не подвержен внешним вибрациям.
Предлагаются несколько датчиков SRV и SRD (тип SR) для удовлетворения особых требований к установке. Посетить Варианты вискозиметра SRV и Варианты измерителя плотности и вязкости SRD.
Установка:
Бетон представляет собой гранулированную жидкость, состоящую из жидкости, в основном воды, добавляемой во время смешивания, и обычно мелких частиц, таких как микрокремнезем, летучая зола, шлак и т. д. Благодаря своему составу и общим абразивным свойствам, Rheonics Для измерения вязкости и плотности бетона с помощью датчиков Type-SR предъявляются следующие требования к установке.
- Установка в Sweep Elbow
Rheonics датчик длинные зонды для вставки (Тип-SR-X5) в коленчатой установке является очень хорошим решением для измерений в бетоне. Коленчатая установка позволяет жидкости поступать параллельно или аксиально к чувствительному элементу зонда датчика, в то время как длинная вставная конструкция помещает чувствительный элемент дальше в линию, где поток жидкости более равномерен, чем около стенки. Это гарантирует, что чувствительный элемент всегда остается чистым (поток сохраняет его чистым и свободным от любых отложений).
При использовании длинного вставного зонда клиент может определить длину вставки (A) и технологическое соединение (B). В следующей таблице показано распространенное решение с использованием резьбового соединения NPT 1.25" и elbolet.
Больше примеров монтажа отводов смотрите в нашей статье: Установка измерителей вязкости и плотности типа SR в отводах
- Установка с Rheonics Звездные врата
Вариант SRV или SRD Stargate (SG) подходит для высоковязких и высокоскоростных жидкостей, сводя к минимуму отложения и нагрузки на зонд, поскольку имеет конструкцию пластинчатой ячейки, которая размещает зонд по центру прямой линии.
Команда преимущество установки Stargate заключается в том, что она будет иметь наименьшее количество загрязнений и может уменьшить абразивный износ зонда. Главным соображением для этой установки является необходимость адаптеров для подключения к процессу. Rheonics предложения Tri-Clamp адаптеры, которые обычно не подходят для цементных или бетонных приложений. По этой причине клиент должен следовать чертежам механического интерфейса Stargate, чтобы адаптировать его к процессу.
- Перпендикулярная установка
Перпендикулярная установка размещает зонд под углом 90° к потоку жидкости. Главное преимущество этой установки — ее простота. Обычно Rheonics Используется датчик с резьбовым соединением (G1/2 или NPT 3/4”), для установки требуется приварная бобышка (HAW-12G-ОТК or ВОЛ-34НЛ). Это может быть пригодно для установки после смешивания, между шлангами или непосредственно перед экструзионной головкой или печатающей головкой.
Однако эта установка склонна к отложениям или накоплениям вокруг зонда, которые могут покрывать чувствительный элемент и таким образом влиять на показания датчика. Отложения жидкости обычны для жидкостей с высокой вязкостью, таких как цемент или бетон. Клиент должен убедиться, что избегает зон, склонных к отложениям (мертвых зон), и очищать зонд, если отложения образуются.
5. Рекомендации по установке
Абразия эрозией
Применение в бетоне может подвергать зонды датчика абразивному износу из-за эрозионного воздействия жидкости на материал поверхности зонда. В этих случаях зонды необходимо заменять через определенное время. Пользователям нужно только запросить новый зонд, в то время как кабель датчика и электроника остаются на месте. Срок службы зонда в этих условиях зависит от скорости потока, частиц в жидкости, рабочего цикла и т. д. Это невозможно оценить заранее, но Rheonics Датчики можно настроить так, чтобы они показывали пользователю уровень износа и предупреждали, когда требуется замена.
Смачиваемый материал
Rheonics Датчики для цемента предлагаются из материала Нержавеющая сталь 316L. Узнайте больше о материалах датчиков здесь: Rheonics вискозиметр плотность материала химическая совместимость
Ограничение скорости потока
Rheonics Датчики SRV и SRD совместимы со скоростью потока до 10 м/с. Параллельная установка в колене снижает влияние скорости потока на датчики, но скорости в этом диапазоне все еще могут добавлять слишком много шума к показаниям. Подробнее на Зонды типа SR с жидкостями высокой вязкости и скорости.
Частицы в жидкости
Наличие частиц в измеряемой жидкости связано с эффектами абразивного износа зонда. Обычно мягкие частицы порядка микрон не влияют на измерения датчика. Они могут только вносить шум в показания, который может быть отфильтрован электроникой датчика. Более крупные или твердые частицы порядка миллиметров или сантиметров могут создавать очень высокий уровень шума в показаниях или даже повредить зонд, поэтому этих частиц следует избегать.
Референсы
[1] PERI 3D Construction Printing: первое жилое здание в Германии, напечатанное на 3D-принтере (EN)
[2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
[3] Многоцелевой винтовой насос PCM EcoMoineau™ C из нержавеющей стали
[4] Решение | COBOD International
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
