Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments ( Rendimiento mecánico de estructuras de pared en procesos de impresión 3D: teoría, herramientas de diseño y experimentos )

Sección: Materiales

El uso de materiales blandos y flexibles durante la impresión en 3D deja las fachadas impresas susceptibles de colapsar o caerse. El hormigón convencional depositado en el encofrado normalmente se endurece durante un período de varias semanas, pero el hormigón impreso en 3D no no tiene encofrado de soporte. Casi de inmediato, tiene que soportar el peso de las capas subsiguientes de hormigón que están impresas encima.

Akke Suiker, profesor de Mecánica Aplicada en la universidad de Tecnología de Eindhoven (Países Bajos), ha desarrollado un modelo con el que los ingenieros ahora pueden determinar las dimensiones y velocidades de impresión para las cuales las estructuras impresas de la pared permanecen estables. La universidad dijo que sus fórmulas son tan elementales que podrían convertirse en algo común en el campo de la impresión 3D de rápido crecimiento. "Todos pueden sentir la tensión aumentando en su cuerpo a medida que la estructura aumenta", dijo la universidad. "¿Ya es rígido y lo suficientemente fuerte como para agregar otra capa en la parte superior? Es uno de los problemas más importantes en el nuevo campo de la impresión 3D ".

El problema no era algo en lo que Suiker estuviese trabajando, pero regularmente veía la impresora de hormigón de la universidad en acción en el camino a su oficina. Un sábado por la mañana se despertó con una idea de cómo resolver el problema, anotando las primeras ecuaciones matemáticas en el papel durante el desayuno. En los meses que siguieron, Suiker se ocupó completamente del problema, trabajando "febrilmente" en los detalles. Los resultados se publican esta semana en el International Journal of Mechanical Sciences.

Utilizando sus ecuaciones, Suiker puede calcular la rapidez a la que puede colocar capas de impresión, dadas las características de secado del material y las dimensiones de la pared. También puede calcular cómo hacer la estructura con el menor material posible y cuál es la influencia de las irregularidades estructurales. Las ecuaciones también se pueden usar para explorar lo que sucede cuando hace que una pared sea un poco más gruesa o aumenta la velocidad de curado del material, o utiliza un material completamente diferente. En total, hay alrededor de 15 a 20 factores que uno debe tener en cuenta, pero debido a que Suiker ha escalado sus ecuaciones, finalmente se le dejaron solo cinco parámetros adimensionales.

"Las ideas proporcionadas por el modelo crean conocimiento básico esencial para todos los que imprimen estructuras 3D", dijo Suiker. "Para los diseñadores estructurales, las empresas de ingeniería, pero también, por ejemplo, para las empresas que imprimen prótesis de fachadas delgadas de plástico de pequeñas dimensiones, porque ahí es donde también se aplican mis ecuaciones".

Suiker validó su modelo con los resultados de las pruebas realizadas con la impresora de hormigón 3D en la Universidad de Tecnología de Eindhoven, llevada a cabo por el estudiante de doctorado Rob Wolfs. Desarrolló un modelo de computadora al mismo tiempo que Suiker, con el que también puede calcular el comportamiento estructural durante el proceso de impresión, pero basándose en el método de elementos finitos. Los resultados de sus modelos desarrollados independientemente se confirman mutuamente.

El modelo de Wolfs es diferente en términos de aplicación. Funciona bien para un análisis detallado de problemas complejos en condiciones de impresión específicas, pero debido al carácter puramente numérico y el tiempo de cálculo requerido, no es tan adecuado para identificar los efectos más importantes del proceso de impresión y para trazar las tendencias generales.  

 

1 Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments. A.S.J. Suiker. International Journal of Mechanical Sciences. DOI:

 https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.01.010

2 Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelling and experimental testing.  R.J.M. Wolfs, F.P. Bos, T.A.M. Salet, Cement and Concrete Research. DOI:

 https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.02.001

 

 

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