Robotik sistemlerle yerinde inşaat (on-site robotic construction) ve özellikle akışkan ve çabuk donan kil ve beton karışımlarının kullanımı, 3D baskılı evlerin geleceğinde kilit bir rol oynuyor.
Akışkan ve Çabuk Donan Malzemelerin Önemi
3D baskı inşaatında malzeme seçiminin kritik olmasının birkaç nedeni var:
1. Akışkanlık (Rheology): Malzeme, yazıcının nozulundan kolayca akabilmeli ve düzenli bir katman halinde serilebilmeli. Bu, karışımdaki su oranı, katkı maddeleri ve
agregaların (kum, çakıl vb.) boyutu ve şekli ile yakından ilgilidir.
2. Hızlı Priz Alma (Rapid Setting): Her katman serildikten sonra, üzerine yeni bir katman serilene kadar yeterince sertleşmeli ve kendi ağırlığını taşıyabilmeli. Aksi takdirde yapı çöker veya deforme olur. Bu, özellikle yüksek duvarlar inşa edilirken hayati önem taşır. Bu, çimento veya kil bazlı karışımlara eklenen hızlı priz aldırıcı katkılar ile sağlanır.
3. Yeterli Dayanım: Malzeme, sertleştikten sonra yapının taşıyıcı özelliklerini
karşılayacak kadar yüksek basınç ve çekme dayanımına sahip olmalı.
İşlenebilirlik Süresi (Open Time): Malzeme, yazıcının haznesinde veya pompalama
sistemi içinde, priz almadan belirli bir süre boyunca işlenebilir kalmalıdır.
Kil ve Beton Bazlı Karışımlar
1. Kil Bazlı Karışımlar
Kil, doğal ve sürdürülebilir bir malzeme olduğu için 3D baskı inşaatında büyük ilgi görüyor. Ancak, kilin bazı zorlukları var:
1.Priz Alma Süresi: Doğal kilin kuruması ve sertleşmesi zaman alabilir. Bu nedenle, 3D baskı için özel olarak formüle edilmiş hızlı kuruyan kil karışımları geliştirilir. Bu
karışımlar, bağlayıcılar (örneğin az miktarda çimento veya jeopolimerler) ve kuruma
hızını artıran katkı maddeleri içerebilir.
2.Su İçeriği: Akışkanlık için yeterli suya sahip olmalı ancak aşırı su, dayanımı düşürür ve kuruma büzülmesini artırır.
3.Büzülme (Shrinkage): Kil kururken büzülme eğilimindedir. Bu, çatlaklara yol açabilir. Lif takviyeleri veya özel agregalarla bu büzülme kontrol altına alınabilir.
4.Yapısal Dayanım: Tek başına kil, yüksek katlı yapılar için yeterli taşıyıcı gücü
sunmayabilir. Bu durumda, kil form kalıp olarak kullanılıp içi betonla doldurulabilir (kil kalıp 3D baskı) veya kil-polimer kompozitler gibi hibrit çözümler geliştirilebilir.)
Örnekler: Bazı araştırmacılar, yerel olarak temin edilebilen toprağı, suyu ve bazı bağlayıcıları kullanarak 3D baskı için sürdürülebilir ve uygun maliyetli kil karışımları üzerinde çalışıyorlar. "Pylos" gibi projeler, doğal kil bazlı ekstrüzyon malzemeleriyle büyük ölçekli mimari öğeleri basabiliyor.
2. Beton Bazlı Karışımlar
Beton, inşaat sektöründe en yaygın kullanılan malzemelerden biri olması nedeniyle 3D baskı için de doğal bir adaydır. Ancak geleneksel beton, 3D baskı için uygun değildir. Bu yüzden özel olarak formüle edilmiş 3D baskı betonları kullanılır:
Yüksek Akışkanlık (High Flowability): Pompalanabilir ve nozuldan kolayca akabilir
olmalı. Bu genellikle süper akışkanlaştırıcı katkılar ile sağlanır.
1. Yüksek Yapışkanlık (High Buildability): Serilen her katman, anında yeterli şekil tutma özelliğine sahip olmalı ve kendi ağırlığı altında çökmemeli. Bu, hızlı priz aldırıcılar (örneğin alkali aktivatörler) ve viskozite artırıcı katkılar ile sağlanır.
2. Hızlı Priz Alma: Genellikle, betonun baskı sırasında dakikalar içinde priz almaya
başlaması hedeflenir. Bu, betonun "priz başı" ve "priz sonu" sürelerinin hassas bir şekilde ayarlanmasını gerektirir.
3. Agrega Boyutu: Yazıcının nozulunu tıkamaması için agregalar (kum taneleri)
geleneksel betondan daha küçük olmalı, genellikle maksimum 2 mm çapında.
4. Dayanım: Sertleşmiş betonun, geleneksel betonla benzer veya daha yüksek mekanik dayanım özelliklerine sahip olması beklenir.
Örnekler: Çeşitli firmalar ve araştırma kurumları, çimento bazlı, hızlı priz alan, yüksek
performanslı 3D baskı betonları geliştiriyorlar. Bu karışımlar genellikle nanomalzemeler, özel polimerler ve fiber takviyeler içerir.
Robotik Sistemlerin Entegrasyonu
Bu akışkan ve çabuk donan malzemeleri kullanabilmek için robotik sistemlerin kendisi de özel özelliklere sahip olmalıdır:
1. Hassas Kontrol: Robotik kollar, malzemenin hassas bir şekilde serilmesini sağlamak için yüksek derecede doğruluk ve tekrarlanabilirlik sunmalı.
2. Malzeme Besleme Sistemi: Malzemeyi kesintisiz ve homojen bir şekilde karıştırıp
nozula pompalayabilen güçlü ve güvenilir pompalar ve karıştırıcılar gereklidir.
3. Sensörler ve Gerçek Zamanlı Geri Bildirim: Robotlar, baskı sırasında çevresel
koşulları (sıcaklık, nem) ve malzeme özelliklerini (viskozite, priz alma hızı) izleyebilir.
Bu verilerle baskı parametreleri gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir, böylece kaliteden ödün verilmez.
4. Mobilite (Yerinde İnşaat İçin): Büyük ölçekli yapılar için robotlar, inşaat sahası içinde hareket edebilen mobil platformlara monte edilebilir veya kablo tahrikli robotlar gibi esnek sistemler kullanılabiliriz.
ENG
On-site robotic construction with robotic systems, and in particular the use of fluid and quick-freezing clay and concrete mixes, plays a key role in the future of 3D printed houses.
Importance of Fluid and Quickly Freezing Materials
There are several reasons why material selection is critical in 3D printing construction:
1. Rheology: The material must be able to flow easily through the printers nozzle and lay down in an even layer. This is closely related to the water content, additives and the size and shape of the aggregates (sand, gravel, etc.) in the mix.
2. Rapid Setting: After each layer is laid, it must harden sufficiently and be able to support its own weight until a new layer is laid on top of it. Otherwise the structure will collapse or deform. This is especially vital when building high walls. This is achieved with fast-setting admixtures added to cement or clay-based mixtures.
3. Adequate Strength: After hardening, the material must have high enough compressive and tensile strength to meet the load-bearing properties of the structure.
4. Workability Time (Open Time): The material must remain workable in the printers hopper or pumping system for a certain period of time without setting.
Clay and Concrete Based Mixtures
1. Clay Based Mixtures
Clay is of great interest in 3D printing construction because it is a natural and sustainable material.
However, clay has some challenges:
1. Setting Time: Natural clay can take time to dry and harden. For this reason, fast-drying clay mixes specially formulated for 3D printing are developed. These mixtures may contain binders (e.g. small amounts of cement or geopolymers) and additives that increase the drying speed.
2. Water Content: Must have sufficient water for flowability, but excessive water reduces strength and increases drying shrinkage.
3. Shrinkage: Clay tends to shrink as it dries. This can lead to cracks. This shrinkage can be controlled with fiber reinforcements or special aggregates.
4. Structural Strength: Clay alone may not offer sufficient structural strength for high-rise buildings. In this case, clay can be used as a form mold and filled with concrete (clay mold 3D printing) or hybrid solutions such as clay-polymer composites can be developed.
Examples: Some researchers are working on sustainable and cost-effective clay mixes for 3D printing using locally available soil, water and some binders. Projects like “Pylos” can print large-scale architectural elements with natural clay-based extrusion materials.
2. Concrete Based Mixtures
Concrete is a natural candidate for 3D printing as it is one of the most widely used materials in the construction industry. However, traditional concrete is not suitable for 3D printing. Therefore, specially formulated 3D printing concretes are used:
1. High Flowability: It must be pumpable and flow easily through the nozzle. This is usually achieved with super plasticizing additives.
2. High Buildability: Each layer laid must have sufficient immediate shape retention and not collapse under its own weight. This is achieved with fast setting agents (e.g. alkaline activators) and viscosity increasing additives.
3. Rapid Setting: Generally, the aim is for concrete to start setting within minutes during compression. This requires precise adjustment of the “start of set” and “end of set” times of the concrete.
4. Aggregate Size: To avoid clogging the printer's nozzle, aggregates (grains of sand) should be smaller than conventional concrete, usually a maximum diameter of 2 mm.
5. Strength: The hardened concrete is expected to have similar or higher mechanical strength properties than conventional concrete.
Examples: Various companies and research institutions are developing cement-based, fast-setting, high-performance 3D printed concretes. These blends often include nanomaterials, specialty polymers and fiber reinforcements.
Integration of Robotic Systems
In order to handle these fluid and quick-freezing materials, the robotic systems themselves must have special features:
1. Precision Control: Robotic arms must offer a high degree of accuracy and repeatability to ensure precise laying of the material.
2. Material Feeding System: Powerful and reliable pumps and agitators that can continuously and homogeneously mix and pump the material into the nozzle are required.
3. Sensors and Real-Time Feedback: Robots can monitor environmental conditions (temperature, humidity) and material properties (viscosity, setting speed) during printing. With this data, printing parameters can be adjusted in real time so that quality is not compromised.
4. Mobility (for on-site construction): For large-scale structures, robots can be mounted on mobile platforms that can move around the construction site, or we can use flexible systems such as cable-driven robots.
