Návrh 3D tiskové hlavy pro míchání aditiv do cementových směsí
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
C
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Předmětem diplomové práce je návrh 3D tiskové hlavy pro cementokompozitní směsi (betony). Zařízení umožňuje aditivování základní složky směsi pomocí tekutého urychlovače tuhnutí, následnou aktivní homogenizaci směsi a její dávkování v místě tisku. Při 3D tisku cementových směsí často dochází ke ztrátě vzpěrné stability výtisku, tudíž je nutné, aby tištěný materiál obsahoval aditiva zajišťující urychlení tuhnutí směsi. Tato aditiva však způsobují ucpávání hadic při čerpání směsi do tiskové hlavy v důsledku předčasného ztuhnutí směsi. Tudíž vhodnějším řešením je přimíchávání těchto aditiv v tiskové hlavě. Cílem tedy bylo vyvinout 3D tiskovou hlavu, která umožní homogenní rozmíchání aditiv ve směsi, čímž dojde k odstranění komplikací, které jsou spojeny s čerpáním. Byl navržen funkční prototyp tiskové hlavy, složený z míchací a extruzní komory. Na tomto prototypu byla ověřena efektivita míchání díky numerickým simulacím v programu Particleworks. Následně byl prototyp podroben experimentu se směsí bez urychlovače tuhnutí, kde byla zkoumána pumpovatelnost skrze tiskovou hlavu. Na základě numerických simulací bylo zjištěno, že navržený prototyp zajišťuje dostatečnou homogenitu urychlovače tuhnutí s cementovou směsí, čímž by mělo dojít k odstranění problémů spojených s čerpáním urychlené směsi. Díky oddělené míchací komoře lze efektivitu míchání řídit změnou otáček motoru pohánějícího míchací hřídel. Tisková hlava byla navržena tak, aby bylo možné extruzi při přejezdech tiskové hlavy přerušit, což bylo zajištěno vytlačením směsi do volného prostoru komory se šnekovým podavačem. Na základě provedených experimentů a numerických simulací lze tedy konstatovat, že vytvořená tisková hlava má potenciál zlepšit kvalitu 3D tisku cementových směsí a také odstranit problémy spojené s čerpáním.
The subject of the thesis is the design of a 3D printing head for cement-composite mixtures (concretes). The device enables the addition of the basic component of the mixture by using a liquid solidification accelerator, followed by active homogenization of the mixture and dosing at the printing site. 3D printing of cementitious mixtures often leads to a loss of buckling stability of the printout. Therefore, it is necessary for the printed material to contain additives that accelerate the solidification of the mixture. However, these additives can cause clogging of the hoses when the mixture is pumped into the print head due to premature solidification. Hence, a more suitable solution is to mix these additives in the print head itself. The objective was to develop a 3D print head that allows for homogeneous mixing of the additives in the mixture, thereby eliminating complications associated with pumping. A working prototype of the print head was designed, which consists of a mixing and extrusion chamber. The mixing efficiency of this prototype was verified through numerical simulations using Particleworks. Subsequently, the prototype underwent a mixture experiment without a solidification accelerator to investigate pumpability through the printhead. Based on the numerical simulations, it was determined that the proposed prototype provides sufficient homogeneity of the solidification accelerator with the cement mixture, which should resolve the issues associated with pumping the accelerated mixture. By having a separate mixing chamber, the mixing efficiency can be controlled by adjusting the speed of the motor that drives the mixing shaft. The print head was designed to allow extrusion to be interrupted during print head passes. This was achieved by extruding the mixture into the open space of the chamber using a screw feeder. Therefore, based on the conducted experiments and numerical simulations, it can be concluded that the developed print head has the potential to enhance the quality of 3D printing of cement mixtures and eliminate the problems associated with pumping.
The subject of the thesis is the design of a 3D printing head for cement-composite mixtures (concretes). The device enables the addition of the basic component of the mixture by using a liquid solidification accelerator, followed by active homogenization of the mixture and dosing at the printing site. 3D printing of cementitious mixtures often leads to a loss of buckling stability of the printout. Therefore, it is necessary for the printed material to contain additives that accelerate the solidification of the mixture. However, these additives can cause clogging of the hoses when the mixture is pumped into the print head due to premature solidification. Hence, a more suitable solution is to mix these additives in the print head itself. The objective was to develop a 3D print head that allows for homogeneous mixing of the additives in the mixture, thereby eliminating complications associated with pumping. A working prototype of the print head was designed, which consists of a mixing and extrusion chamber. The mixing efficiency of this prototype was verified through numerical simulations using Particleworks. Subsequently, the prototype underwent a mixture experiment without a solidification accelerator to investigate pumpability through the printhead. Based on the numerical simulations, it was determined that the proposed prototype provides sufficient homogeneity of the solidification accelerator with the cement mixture, which should resolve the issues associated with pumping the accelerated mixture. By having a separate mixing chamber, the mixing efficiency can be controlled by adjusting the speed of the motor that drives the mixing shaft. The print head was designed to allow extrusion to be interrupted during print head passes. This was achieved by extruding the mixture into the open space of the chamber using a screw feeder. Therefore, based on the conducted experiments and numerical simulations, it can be concluded that the developed print head has the potential to enhance the quality of 3D printing of cement mixtures and eliminate the problems associated with pumping.
Description
Keywords
Citation
VÍCHA, D. Návrh 3D tiskové hlavy pro míchání aditiv do cementových směsí [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
bez specializace
Comittee
prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-06-20
Defence
Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta:
1) V předběžném návrhu je uvažováno zatížení lopatek míchací hřídele tlakem směsi na plochou část lopatky (prostý ohyb). Míchací hřídel se však také otáčí a samotná lopatka má jednak určitou tloušťku a také sklon. Jak se tyto skutečnosti promítnou do výsledného namáhání? ZODPOVĚZENO
2) Během experimentu došlo k prasknutí ložiskového pouzdra vyrobeného 3D tiskem FDM z materiálu PLA. Tato součástka nebyla pevnostně ověřena a není uvedeno ani řešení uvedeného problému. Jakou úpravu navrhujete? ZODPOVĚZENO
3) Během experimentu došlo k zaplnění horní části šneku betonem, přestože tento prostor měl zůstat prázdný. Jaký vliv mohlo mít nastavení zvolených otáček šneku, případně obecně nízké otáčky? ZODPOVĚZENO
4) Proč byla rychlost tisku během experimentu tolik odlišná od návrhové rychlosti (140 vs. 100 mm/s)? ZODPOVĚZENO
5) Jaká je očekávaná životnost tiskové hlavy, potažmo byla například provedena výpočtová kontrola ložisek? ZODPOVĚZENO
6) V závěru uvádíte hmotnost tiskové hlavy 4,8 kg. Zahrnuje uvedená hmotnost i držák tiskové hlavy, beton a část hmotnosti připojených hadic a kabeláže? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Proč je pouzdro tištěné z plastu? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Jaká je životnost zařízení v provozních hodinách? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO
doc. Mazůrek – Jsou v zařízení ložiska s gumovým krytem? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Z čeho je vyrobena část, která brání mazivu výtok z ložiska? NEZODPOVĚZENO
doc. Horák – Uvažoval jste o umývání vnitřních komponent tiskové hlavy? ZODPOVĚZENO
doc. Mazůrek – Proč jste zvolil nekonvenční způsob těsnění spojky pomocí instalatérské pásky? ZODPOVĚZENO
doc. Mazůrek – Jak je řešená konstrukce spojky připojení potrubí? ZODPOVĚZENO
doc. Maňas – Máte měření nebo názor na to, jak moc validní je simulace toku cementové směsi? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Jak je ošetřeno naplnění komory, kdyby došlo k zastavení tisku? ZODPOVĚZENO
doc. Horák – Nestálo by za to udělat více vstřikových bodů do tlačené směsi po obvodu? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Co za látku je aditivum pro vytvrzení směsi? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Na jakém principu funguje proces urychlování tvrdnutí směsi? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Jak rychle funguje aditivum pro urychlení tvrdnutí směsi? ZODPOVĚZENO
prof. Hartl – Je nějaká vazba mezi rychlostí stavby a koncentrací aditiva ve směsi? ZODPOVĚZENO
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Přístup k plnému textu prostřednictvím internetu byl licenční smlouvou omezen na dobu 1 roku/let