04/09/2024
Door Ad Spijkers
Geïnspireerd door de natuur hebben Amerikaanse onderzoekers de scheurvastheid in betoncomponenten verbeterd.
Onderzoekers aan Princeton University (90 km zuidwestelijk van New York City) konden de scheurbestendigheid van hun ontwerpen met liefst 63% verhogen in vergelijking met conventioneel gegoten beton. Dit realiseerden ze door architectonische ontwerpen te koppelen aan additieve productieprocessen (3D printen) en industriële robots die de afzetting van materialen nauwkeurig kunnen regelen.
De onderzoekers werden geïnspireerd door de dubbel-spiraalvormige structuren die de schubben vormen van een oude vissoort genaamd coelacanten. De natuur gebruikt namelijk vaak slimme architectuur om materiaaleigenschappen zoals sterkte en breukbestendigheid wederzijds te verbeteren.
Nieuw ontwerp
Om deze mechanische eigenschappen te genereren, stelden de onderzoekers een ontwerp voor dat beton in afzonderlijke strengen in drie dimensies rangschikt. Het ontwerp maakt gebruik van additieve productie met een robot om elke streng zwak met zijn buur te verbinden. De onderzoekers gebruikten verschillende ontwerpschema's om veel stapels strengen te combineren tot grotere functionele vormen, zoals balken.
De ontwerpschema's zijn gebaseerd op het licht veranderen van de oriëntatie van elke stapel om een dubbel-helische opstelling (twee orthogonale lagen gedraaid over de hoogte) in de balken te creëren. Deze opstelling is essentieel voor het verbeteren van de weerstand van het materiaal tegen de voortplanting van scheuren.
De onderliggende weerstand tegen voortplanting van scheuren werkt als een verstevigingsmechanisme. De techniek is gebaseerd op een combinatie van mechanismen die scheuren kunnen beschermen tegen voortplanting, de gebroken oppervlakken kunnen vergrendelen of scheuren van een recht pad kunnen afbuigen zodra ze zijn gevormd.
Robot
Het creëren van architectonisch betonmateriaal met de benodigde hoge geometrische getrouwheid op schaal in bouwcomponenten zoals balken en kolommen vereist soms het gebruik van robots. Het kan uitdagend zijn om doelgerichte interne opstellingen van materialen voor structurele toepassingen te creëren zonder de automatisering en precisie van robotfabricage.
Bij additieve productie voegt een robot streng voor streng materiaal toe om structuren te creëren. Hiermee kunnen ontwerpers complexe architecturen verkennen die niet mogelijk zijn met conventionele gietmethoden. In het lab in Princeton gebruiken onderzoekers grote, industriële robots die zijn geïntegreerd met geavanceerde real-time verwerking van materialen. De robots kunnen structurele componenten op ware grootte creëren die ook esthetisch aantrekkelijk zijn.
Extruder
Als onderdeel van het werk ontwikkelden de onderzoekers ook een aangepaste oplossing om de neiging van vers beton om te vervormen onder zijn gewicht aan te pakken. Bij een door een robot gestort beton kan het gewicht van de bovenste lagen ervoor zorgen dat het beton eronder vervormt. Dit brengt de geometrische precisie van de resulterende architectonische structuur in gevaar.
Om dit aan te pakken, wilden de onderzoekers de snelheid van uitharding van het beton beter beheersen om vervorming tijdens de fabricage te voorkomen. Ze gebruikten een, tweecomponenten extrusiesysteem dat bij de spuitmond van de robot in het lab werd geïmplementeerd. Dit robotsysteem heeft twee inlaten: één inlaat voor beton en een andere voor een chemische versneller.
De materialen worden net voor de extrusie in de spuitneus gemengd, waardoor de versneller het uithardingsproces kan versnellen. Tegelijkertijd kan het middel nauwkeurige controle over de structuur garanderen en vervorming minimaliseren. Door de hoeveelheid versneller nauwkeurig te kalibreren, kregen de onderzoekers betere controle over de structuur en minimaliseerden ze vervorming in de lagere niveaus.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Sameer A. Khan/Fotobuddy