ΑρχικήΑφιέρωμαΜηχανικοί χτίζουν το μέλλον του εύκαμπτου σκυροδέματος με τρισδιάστατη εκτύπωση

Μηχανικοί χτίζουν το μέλλον του εύκαμπτου σκυροδέματος με τρισδιάστατη εκτύπωση

Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού, εξοπλισμένη με έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή σκυροδέματος, εργαλεία ακριβείας και τα σωστά συστατικά, εργάστηκε σκληρά για να σχεδιάσει τα δομικά στοιχεία του μέλλοντος. Πλέον, ο σχεδιασμός του εύκαμπτου σκυροδέματός τους είναι επίσημα κατοχυρωμένος με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.

Οι ερευνητές στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Κατασκευών και Περιβάλλοντος Gerald May εργάζονται για την ανάπτυξη των απαραίτητων υλικών για την τρισδιάστατη εκτύπωση κατασκευών από σκυρόδεμα.

Η ανάγκη για νέα υλικά στην κατασκευή

Η παραδοσιακή κατασκευή βασίζεται σε χειριστές βαρέων μηχανημάτων που τοποθετούν χαλύβδινες ή ξύλινες δοκούς για τη δημιουργία του σκελετού ενός κτιρίου. Αυτή η διαδικασία μπορεί να είναι επικίνδυνη και δαπανηρή. Αυτό είναι μόνο ένα από τα προβλήματα υλικών και κατασκευής που η Maryam Hojati, επίκουρη καθηγήτρια στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Κατασκευών και Περιβάλλοντος Gerald May, ελπίζει να επιλύσει.

Ένα άλλο πρόβλημα είναι η συντήρηση των υποδομών. Οι ρωγμές στα πεζοδρόμια είναι ένα συχνό φαινόμενο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σκυρόδεμα, αν και πολύ ισχυρό στην συμπίεση, είναι επίσης εύθραυστο στην εφελκυσμό. Ακόμη και το ενισχυμένο με χάλυβα σκυρόδεμα απαιτεί συνεχή επισκευή, γεγονός που συνεπάγεται τακτική συντήρηση σε κτίρια, γέφυρες και πεζοδρόμια. Ένα πιο ανθεκτικό υλικό θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των δημόσιων υποδομών και να μειώσει το κόστος συντήρησής τους.

Η ευθραυστότητα του παραδοσιακού σκυροδέματος

«Το σκυρόδεμα από μόνο του δεν παρουσιάζει εφελκυστικές ιδιότητες. Αυτό σημαίνει ότι αν τραβήξετε ένα κομμάτι σκυροδέματος, μπορεί εύκολα να σπάσει. Είναι ένα πολύ εύθραυστο υλικό», δήλωσε η Hojati.

Η τάση του σκυροδέματος να σπάει υπό πίεση είναι ιδιαίτερα προβληματική σε περιπτώσεις φυσικών καταστροφών και καιρικών φαινομένων, όπως σεισμοί και άνεμοι, που ασκούν πλευρική πίεση, ή εφελκυσμό, στα κτίρια.

«Το ιδανικό υλικό θα πρέπει να αντέχει τόσο στην εφελκυστική, όσο και στη θλιπτική καταπόνηση. Εν τούτοις, το σκυρόδεμα παρόλο που θεωρείται ένα εξαιρετικό υλικό απέναντι στη θλιπτική καταπόνηση, αλλά είναι αδύναμο στην εφελκυστική καταπόνηση», εξήγησε.

Η ανάπτυξη του νέου υλικού

Ερευνητές σε όλο τον κόσμο έχουν διερευνήσει υλικά και διαδικασίες που θα μπορούσαν να λύσουν αυτά τα προβλήματα. Ορισμένες κατασκευές έχουν χτιστεί εν μέρει με τρισδιάστατους εκτυπωτές, αλλά μέχρι στιγμής, οι περισσότερες διαδικασίες βασίζονται στην τοποθέτηση βασικών υλικών, όπως δοκών ή ράβδων οπλισμού, περιορίζοντας την αυτοματοποίηση που θα έπρεπε να προσφέρει η τρισδιάστατη εκτύπωση. Για να εκτυπωθεί κάτι χωρίς αυτές τις στηρίξεις, το υλικό πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να στηρίζεται μόνο του χωρίς να κολλάει στον εκτυπωτή.

Ο Muhammad Saeed Zafar, ο οποίος έλαβε το διδακτορικό του το καλοκαίρι του 2024 και εργάστηκε ως βοηθός ερευνητής για την Hojati, δημιούργησε μια ουσία που θα μπορούσε να ανταποκριθεί σε αυτές τις απαιτήσεις.

«Αν μιλάμε για τρισδιάστατη εκτύπωση ή προσθετική κατασκευή στον τομέα των μετάλλων και των πλαστικών, βρισκόμαστε σε ένα πολύ προχωρημένο στάδιο, αλλά η εκτύπωση σκυροδέματος εξακολουθεί να αναπτύσσεται», δήλωσε ο Zafar. «Αν μπορέσουμε να σχεδιάσουμε με επιτυχία ένα εξαιρετικά όλκιμο υλικό χωρίς τη χρήση συμβατικών χαλύβδινων ράβδων, θα λύσουμε το πρόβλημα της ασυμβατότητας του οπλισμού με τη διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης».

Η πατέντα και οι δοκιμές

Η ουσία που προέκυψε, γνωστή ως αυτοενισχυόμενο εξαιρετικά όλκιμο τσιμεντοειδές υλικό, κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τον περασμένο Αύγουστο από την UNM Rainforest Innovations για λογαριασμό της Hojati, του Zafar και του Amir Bakhshi, ο οποίος εργάστηκε στο έργο ως βοηθός ερευνητής και μεταπτυχιακός φοιτητής στα πρώτα στάδια της ανάπτυξής του. Ο Zafar δημοσίευσε την έρευνά του για τις ουσίες στα δομικά υλικά πέρυσι.

«Ο βασικός σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η αντιμετώπιση του προβλήματος του οπλισμού στην τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος», δήλωσε ο Zafar. «Διατείνομαστε ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος είναι μια αυτοματοποιημένη διαδικασία. Όμως οι συμβατικές μέθοδοι οπλισμού θέτουν σε κίνδυνο την αυτοματοποίηση αυτής της διαδικασίας».

Το εξαιρετικά όλκιμο τσιμεντοειδές υλικό πρέπει να περιέχει αρκετές ίνες ώστε να στέκεται σταθερά από μόνο του, διατηρώντας παράλληλα ένα ιξώδες που του επιτρέπει να περνάει από το ακροφύσιο εκτύπωσης χωρίς να κολλάει. Αν και μπορεί να ακούγεται απλό, η εύρεση της σωστής ισορροπίας είναι μια σύνθετη ερευνητική πρόκληση. Αν υπάρχουν λίγες ίνες στο μείγμα, τα εκτυπωμένα σχήματα μπορεί να καταρρεύσουν. Αν υπάρχουν πάρα πολλές ίνες, το υλικό δεν θα προχωρήσει πολύ στη διαδικασία εκτύπωσης.

Οι δοκιμές της βιωσιμότητας των υλικών απαιτούν ακριβή ανάμειξη, μέτρηση και εκτύπωση. Ακόμη και μετά την εκτύπωση σχεδίων σε διάφορα σχήματα, συμπεριλαμβανομένων μικρών κατασκευών, πρισμάτων και ειδικών δοκιμίων, πρέπει να ελεγχθούν για την αντοχή τους στην κάμψη και την άμεση εφελκυστική αντοχή.

Οι ερευνητές επανέλαβαν αυτή τη διαδικασία και διερεύνησαν μείγματα από πολλά υλικά και ίνες, όπως πολυβινυλική αλκοόλη, ιπτάμενη τέφρα, άχνα πυριτίου και ίνες πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους.

Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που προέκυψε προσφέρει τέσσερα διαφορετικά μείγματα με έως και 11,9% υψηλότερη ικανότητα παραμόρφωσης.

Τα πλεονεκτήματα του νέου υλικού

«Λόγω της ενσωμάτωσης μεγάλων ποσοτήτων κοντών πολυμερικών ινών σε αυτό το υλικό, θα μπορούσε να συγκρατήσει όλο το σκυρόδεμα όταν υποβάλλεται σε οποιαδήποτε κάμψη ή εφελκυστική φόρτιση», δήλωσε η Hojati. «Αν χρησιμοποιήσουμε αυτό το υλικό σε μεγαλύτερη κλίμακα, μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε την ανάγκη για εξωτερικό οπλισμό στην εκτυπωμένη κατασκευή από σκυρόδεμα».

Μετά τις δύο πρώτες φάσεις του έργου και πολλά σχέδια, οι ερευνητές σχεδίασαν με επιτυχία το υλικό που η ομάδα υπέβαλε για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.

Εφαρμογές στη Γη και στο διάστημα

Στο μέλλον, η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης σκυροδέματος θα μπορούσε να βοηθήσει τους αστροναύτες να εξερευνήσουν άλλους πλανήτες. Οι περιορισμοί των διαστημικών ταξιδιών καθιστούν την παραδοσιακή κατασκευή απίθανη, αν όχι εντελώς αδύνατη. Βαριά υλικά όπως οι χαλύβδινες δοκοί και το μεγάλο εργατικό δυναμικό που απαιτείται για την τοποθέτησή τους είναι πολύ δύσκολο να μεταφερθούν. Η NASA και άλλες διαστημικές υπηρεσίες αναζητούν εναλλακτικές μεθόδους κατασκευής με την ελπίδα ότι ρομπότ εξοπλισμένα με τρισδιάστατους εκτυπωτές μπορεί μια μέρα να λύσουν το πρόβλημα. Η Hojati συμμετέχει σε διάφορα έργα που αφορούν τις προκλήσεις της διαστημικής κατασκευής.

Εδώ στη Γη, νέα υλικά όπως αυτό που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού θα μπορούσαν τελικά να προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε φυσικές καταστροφές, λιγότερο συχνή συντήρηση και περισσότερη αυτοματοποίηση στην κατασκευαστική διαδικασία.

«Αυτή ήταν μια πολύ επιτυχημένη έρευνα. Αυτό το υλικό έχει ιδιότητες τρισδιάστατης εκτύπωσης και πολύ υψηλή δομική βιωσιμότητα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευαστική βιομηχανία», κατέληξε η Hojati.

Η συμβολή της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην Αειφορία

Η τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος, πέρα από τα πλεονεκτήματα στην ανθεκτικότητα και την αυτοματοποίηση, συμβάλλει και στην αειφορία. Μειώνοντας την ανάγκη για μεταφορά βαρέων υλικών και ελαχιστοποιώντας τα απόβλητα μέσω της ακριβούς χρήσης υλικών, η τεχνολογία αυτή μπορεί να μειώσει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των κατασκευών. Επιπλέον, η δυνατότητα δημιουργίας σύνθετων γεωμετριών με λιγότερα υλικά ανοίγει νέους δρόμους για την αρχιτεκτονική και τον σχεδιασμό, επιτρέποντας την κατασκευή πιο αποδοτικών και φιλικών προς το περιβάλλον κτιρίων.

Οι προκλήσεις και οι προοπτικές

Παρά τα σημαντικά βήματα προόδου, υπάρχουν ακόμα προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν στην τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος. Η βελτίωση της ταχύτητας εκτύπωσης, η διασφάλιση της ομοιογένειας του υλικού σε μεγαλύτερες κατασκευές και η ανάπτυξη τυποποιημένων διαδικασιών ελέγχου ποιότητας είναι μερικές από αυτές. Ωστόσο, οι προοπτικές είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικές. Με τη συνεχή έρευνα και ανάπτυξη, η τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην κατασκευή του μέλλοντος, προσφέροντας λύσεις για πιο ανθεκτικές, οικονομικές και βιώσιμες κατασκευές.

Στέλιος Θεοδωρίδης
Στέλιος Θεοδωρίδης
Ο ήρωας μου είναι ο γάτος μου ο Τσάρλι και ακροάζομαι μόνο Psychedelic Trance
RELATED ARTICLES

Πρόσφατα άρθρα

Tηλέφωνα έκτακτης ανάγκης

Δίωξη Ηλεκτρονικού Εγκλήματος: 11188
Ελληνική Αστυνομία: 100
Χαμόγελο του Παιδιού: 210 3306140
Πυροσβεστική Υπηρεσία: 199
ΕΚΑΒ 166