Robotyka i produkcja przyrostowa prowadzą do mocniejszego betonu.
Naukowcy z Princeton Engineering zwiększyli odporność elementów betonowych na pękanie, czerpiąc inspirację z natury. Połączyli innowacyjne projekty z technikami wytwarzania przyrostowego i wykorzystali roboty przemysłowe do dokładnej kontroli osadzania materiałów.
W artykule opublikowanym 29 sierpnia w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczabadacze pod kierunkiem Rezy Moini, adiunkta inżynierii lądowej i środowiskowej w Princeton, opisują, jak ich projekty zwiększyły odporność na pękanie aż o 63% w porównaniu z konwencjonalnym betonem lanym.
Inspiracją dla badaczy były struktury o podwójnej helisie, które tworzą łuski starożytnej linii ryb zwanej celakantami. Moini powiedział, że natura często wykorzystuje sprytną architekturę, aby wzajemnie zwiększać właściwości materiałów, takie jak wytrzymałość i odporność na pękanie.
Innowacyjne projektowanie i produkcja betonu
Aby wygenerować te właściwości mechaniczne, badacze zaproponowali projekt, w którym beton układa się w pojedyncze pasma w trzech wymiarach. W projekcie zastosowano zrobotyzowane wytwarzanie przyrostowe, aby słabo połączyć każdą nić z sąsiadem. Naukowcy zastosowali różne schematy projektowe, aby połączyć wiele stosów splotów w większe funkcjonalne kształty, takie jak belki. Schematy projektowe polegają na niewielkiej zmianie orientacji każdego stosu, aby utworzyć w belkach układ podwójnej helisy (dwie ortogonalne warstwy skręcone na całej wysokości), co jest kluczem do poprawy odporności materiału na propagację pęknięć.
W artykule opór leżący u podstaw propagacji pęknięć nazywa się „mechanizmem wzmacniającym”. Technika opisana szczegółowo w artykule w czasopiśmie opiera się na kombinacji mechanizmów, które mogą albo chronić pęknięcia przed rozprzestrzenianiem się, blokować spękane powierzchnie, albo odchylać pęknięcia od prostej ścieżki po ich utworzeniu, powiedział Moini.
Rola robotyki w betonie architektonicznym
Shashank Gupta, absolwent Princeton i współautor pracy, powiedział, że tworzenie architektonicznego materiału betonowego o niezbędnej wysokiej wierności geometrycznej na dużą skalę w elementach budynków, takich jak belki i kolumny, czasami wymaga użycia robotów. Dzieje się tak dlatego, że obecnie tworzenie celowych wewnętrznych układów materiałów do zastosowań konstrukcyjnych może być bardzo trudne bez automatyzacji i precyzji produkcji robotycznej.
Produkcja przyrostowa, w której robot dodaje materiał pasmo po pasmie, tworząc struktury, pozwala projektantom badać złożone architektury, które nie są możliwe w przypadku konwencjonalnych metod odlewania. W laboratorium Moiniego badacze wykorzystują duże roboty przemysłowe zintegrowane z zaawansowanym przetwarzaniem materiałów w czasie rzeczywistym, które są w stanie tworzyć pełnowymiarowe elementy konstrukcyjne, które są jednocześnie estetyczne.
W ramach prac badacze opracowali także dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązanie, które pozwala wyeliminować tendencję świeżego betonu do odkształcania się pod własnym ciężarem. Kiedy robot osadza beton w celu uformowania konstrukcji, ciężar górnych warstw może spowodować odkształcenie betonu poniżej, pogarszając precyzję geometryczną powstałej konstrukcji architektonicznej. Aby rozwiązać ten problem, badacze postawili sobie za cel lepszą kontrolę szybkości twardnienia betonu, aby zapobiec odkształceniom podczas produkcji.
Wykorzystali zaawansowany, dwuskładnikowy system wytłaczania zaimplementowany w dyszy robota w laboratorium, powiedział Gupta, który kierował pracami związanymi z wytłaczaniem w ramach badania. Specjalistyczny system robotyczny posiada dwa wloty: jeden na beton i drugi na przyspieszacz chemiczny. Materiały te są mieszane w dyszy tuż przed wytłaczaniem, dzięki czemu przyspieszacz przyspiesza proces utwardzania betonu, zapewniając jednocześnie precyzyjną kontrolę nad konstrukcją i minimalizując odkształcenia. Dzięki precyzyjnej kalibracji ilości akceleratora badacze uzyskali lepszą kontrolę nad konstrukcją i zminimalizowali deformacje na niższych poziomach.
Odniesienie: „Wytrzymały beton architektoniczny z podwójnym bouligandem możliwy dzięki zrobotyzowanemu wytwarzaniu przyrostowemu”, Arjun Prihar, Shashank Gupta, Hadi S. Esmaeeli i Reza Moini, 29 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51640-y
Wsparcie dla projektu zostało częściowo zapewnione przez program zaawansowanej produkcji CMMI National Science Foundation (nagroda nr 2217985).
