توسعه دیواره بتنی هوشمند و چاپ سه بعدی برای پروژه بزرگراه توسط کمبریج

13 جولای 2023توسط سارا کالینز، دانشگاه کمبریج-دیوار حائل پرینت سه بعدی. اعتبار: بزرگراه های ملی

محققان کمبریج که با همکاری صنعت کار می کنند، به توسعه اولین قطعه زیرساخت بتنی چاپ سه بعدی که در پروژه بزرگراه های ملی استفاده می شود، کمک کرده اند.

ساختار چاپ سه بعدی – نوعی دیوار حائل معروف به دیواره سر – بر روی A30 در کورنوال نصب شده است، جایی که به لطف حسگرهای طراحی شده توسط کمبریج که در ساختار آن تعبیه شده است، اطلاعات بلادرنگ را ارائه می دهد. سنسورها اندازه گیری های به روز از جمله دما، کرنش و فشار را ارائه می دهند. این “دوقلوی دیجیتالی” دیوار می تواند به شناسایی و اصلاح عیوب قبل از وقوع کمک کند.

سازه های دیواره سر معمولاً به اشکال محدود از بتن پیش ساخته ساخته می شوند که نیاز به قالب و تقویت فولادی گسترده دارند. اما با استفاده از پرینت سه بعدی، این تیم – از جمله متخصصان Costain، Jacobs و Versarien – می‌توانند یک دیوار توخالی منحنی بدون قالب و بدون تقویت‌کننده فولادی طراحی و بسازند. دیوار استحکام خود را نه از فولاد، بلکه از هندسه می گیرد.

دیوار – که چاپ آن یک ساعت طول کشید – تقریباً دو متر ارتفاع و سه و نیم متر عرض دارد. این چاپگر در گلوسسترشایر در دفتر مرکزی شرکت مهندسی پیشرفته Versarien با استفاده از یک چاپگر بتن مبتنی بر بازوی روباتی چاپ شد. ساخت دیوار با استفاده از پرینت سه بعدی به میزان قابل توجهی در هزینه ها، مواد و انتشار کربن صرفه جویی می کند.

طی شش سال گذشته، تیم پروفسور ابوالطباء در گروه مهندسی در حال توسعه فناوری‌های حسگر جدید و بررسی اثربخشی حسگرهای تجاری موجود برای دریافت اطلاعات با کیفیت بهتر از زیرساخت‌ها بوده است. تیم او همچنین انواع بتن های خود ترمیم شونده «هوشمند» را توسعه داده است. برای این پروژه، آنها سنسورهایی برای اندازه گیری دما در طول فرآیند چاپ تهیه کردند.

تغییرات دما در لایه‌های مختلف دیوار چاپ سه‌بعدی به‌طور مداوم برای شناسایی نقاط داغ، گرادیان‌های حرارتی یا ناهنجاری‌های بالقوه نظارت می‌شد. داده های دما با مشخصات تصویربرداری حرارتی مربوطه برای درک رفتار حرارتی دیوار چاپ سه بعدی مرتبط خواهد بود.

اوگفت: «از آنجایی که برای پرینت سه بعدی به سیمان بسیار سریع گیرش نیاز دارید، مقدار زیادی گرما نیز تولید می کند. ما حسگرهای خود را در دیوار تعبیه کردیم تا دما را در طول ساخت و ساز اندازه گیری کنیم و اکنون در حالی که دیوار در محل است، از آنها اطلاعات دریافت می کنیم.

علاوه بر دما، سنسورها رطوبت نسبی، فشار، کرنش، مقاومت الکتریکی و پتانسیل الکتروشیمیایی را اندازه گیری می کنند. اندازه‌گیری‌ها بینش‌های ارزشمندی در مورد قابلیت اطمینان، استحکام، دقت و طول عمر حسگرها ارائه می‌کنند.

یک سیستم LiDAR همچنین برای اسکن دیوار در حین چاپ برای ایجاد یک ابر نقطه سه بعدی و تولید یک دوقلوی دیجیتالی از دیوار استفاده شد.

وی گفت: «دیجیتالی کردن دیوار به این معنی است که می تواند خودش صحبت کند. و ما می‌توانیم از حسگرهای خود برای درک بهتر این ساختارهای پرینت‌شده سه‌بعدی و تسریع پذیرش آنها در صنعت استفاده کنیم.»

تیم کمبریج نوعی حسگر به نام PZT (Piezoceramic Lead-Zirconate-Titanate) ابداع کرد که پاسخ امپدانس الکترومکانیکی را اندازه گیری می کند و تغییرات این اندازه گیری ها را در طول زمان برای تشخیص هرگونه آسیب احتمالی نظارت می کند. این حسگرهای هوشمند می توانند نحوه سخت شدن ملات چاپ شده با چاپ سه بعدی را در طول زمان نشان دهند، در حالی که به طور همزمان سلامت سازه میزبان را زیر نظر دارند.

هشت حسگر PZT در لایه‌های دیوار در موقعیت‌های مختلف در طول فرآیند پرینت سه‌بعدی تعبیه شده‌اند تا حضور بارگذاری و کرنش را، هم در طول فرآیند ساخت و هم در طول عمر پس از نصب مزرعه، ثبت کنند.

این تیم که شامل متخصصانی در زمینه مواد هوشمند، اتوماسیون و رباتیک و علم داده می‌شد، همچنین یک سیستم جمع‌آوری داده‌های بی‌سیم سفارشی توسعه داد. این امکان جمع آوری داده های پاسخ الکترومکانیکی چند فرکانس سنسورهای تعبیه شده را از راه دور از کمبریج فراهم کرد.

الطبا گفت: «این پروژه به عنوان یک آزمایشگاه زنده عمل خواهد کرد و داده های ارزشمندی را در طول عمر خود تولید می کند. «داده‌های حسگر و «دوقلو دیجیتال» به متخصصان زیرساخت کمک می‌کند تا بهتر درک کنند که چگونه می‌توان از پرینت سه بعدی برای چاپ مواد بزرگ‌تر و پیچیده‌تر مبتنی بر سیمان برای شبکه راه‌های استراتژیک استفاده کرد و طراحی کرد.

اعضای تیم شامل دکتر سریپریا رنگاراجو، دکتر کریستوس ولاچاکیس، دکتر ین فانگ سو، دکتر دامیان پیلین، دکتر حسام طاها، دکتر ریچارد آنوو و دکتر لیلیا پوتسلویکو از کمبریج بودند. و همچنین باو رامراخیانی، رئیس مواد Costain، دکترای پاره وقت. دانشجوی دپارتمان مهندسی، و بن هریس، سرپرست نوآوری معماری در Versarien، که همچنین در حال شروع دوره دکتری پاره وقت است.