Dichtheid en viscositeit zijn kritische parameters bij 3D-cementprinten, omdat ze direct van invloed zijn op de bedrukbaarheid, structurele integriteiten laaghechting van het gedrukte materiaal. Inline monitoring van deze parameters is essentieel voor een robuuste realtime controle en om de kwaliteit te waarborgen.
Figuur 1: 3D-cementprinten [1]
Inhoudsopgave
- Introductie
- Cementadditief productieproces
- Proces- en monitoringuitdagingen
- Rheonics Inline dichtheids- en viscositeitssensoren
1. Inleiding
De additieve productie heeft in de loop der jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt en is relevant geworden in verschillende industrieën zoals 3D-cement- of betonprinten (3DCP). Ook gekend als beton additieve productieDit is een geavanceerde technologie die een geautomatiseerde, laag-voor-laag constructie van constructies met cementmaterialen mogelijk maakt. In tegenstelling tot traditionele betonconstructies, die bekisting en veel handwerk vereisen, kan 3D-printen direct worden toegepast. extrudeert cementgebaseerde mengsels volgens een voorgeprogrammeerd digitaal model, niet zo heel anders dan de bekende polymeer 3D-printtechnieken. Verschillende 3DCP-technologieën zijn mogelijk, zoals binder jetting en material jetting, maar extrusie is de overheersende methode. Deze technologie biedt verschillende voordelen, waaronder: minder materiaalverspilling, snellere bouwtijden en grotere ontwerpflexibiliteitOm dit te bereiken is het echter cruciaal om de samenstelling van het materiaal, de extrusieparameters en de uithardingsomstandigheden bewaken en optimaliseren om uniformiteit te garanderen bedrukbaarheid, materiaalconsistentie, correcte hechting tussen lagen, omgevingscontrole, Etc.
Dit artikel benadrukt de relevantie van sleutelparameters zoals viscositeit en dichtheid bij 3D-cementprinten en hoe Rheonics sensoren maken real-time inline metingen mogelijk voor monitoring en controle.
PERI 3D-bouwprinten: eerste 3D-geprinte woongebouw in Duitsland – [1]
2. Cementadditiefproductieproces
In brede zin kan een proces van 3D-cementprinten worden onderverdeeld in de volgende stappen [2]:
Voormix
Voorgedoseerde materialen worden gemengd om speciaal voor 3DCP ontwikkeld cement te verkrijgen. Dit omvat doorgaans cement, zand, additieven en soms vezels om de sterkte en verwerkbaarheid te verbeteren. Verschillende bedrijven bieden dit voorgemengde materiaal al aan, klaar voor 3D-cementprinten. De eerste ontwikkelingen maakten gebruik van verdikkingsmiddelen om een hoge vloeigrens na extrusie te garanderen, terwijl recente ontwikkelingen gebruik maken van vertragers om te voorkomen dat het verse materiaal tijdens het pompproces uithardt, in combinatie met versnellers die het vertragende effect tegengaan en zorgen voor snellere uithardingstijden.
Mengen
Hydratatieproces van het droge materiaal door voornamelijk water toe te voegen. Het mengen kan batchgewijs of via een continu proces gebeuren. Sommige processen gebruiken een tweede mengfase vlak voor de extrusie voor verschillende doeleinden, afhankelijk van de gebruikte vloeistof.
Vervoer
Voor het transport van beton zijn normaal gesproken excentrische wormpompen nodig, maar ook verdringerzuigerpompen komen hiervoor in aanmerking. Een constante aanvoer van vers betonmateriaal is essentieel voor een succesvolle drukbewerking. Over het algemeen is het de bedoeling om frequente stops tijdens het drukken te vermijden en de snelheid niet hoger te laten zijn dan de maximale verticale opbouwsnelheid van het materiaal.
Extrusie is de cruciale stap bij 3D-cementprinten en bestaat uit het extruderen van het materiaal door een spuitmond of matrijs die is gemonteerd in een robotarm of portaalsysteem dat normaal in drie richtingen kan bewegen en een voorgeprogrammeerd digitaal model volgt. Elke laag hecht zich aan de vorige en bouwt geleidelijk de structuur op. Spuitmonden kunnen passieve spuitmonden of spuitmonden met gecontroleerde depositieschroef zijn. De passieve spuitmond bereikt de extrusie door het transportpompsysteem zelf, terwijl de laatste een open trechter met een doseerschroef heeft om het materiaal direct te extruderen, wat een hogere precisie in de stroomregeling mogelijk maakt.
3. Proces- en monitoringuitdagingen
Het vloeistofgedrag van beton brengt veel uitdagingen met zich mee bij het monitoren van de reologische eigenschappen ervan. Beton heeft een vloeispanning, wat betekent dat het zich gedraagt als een vaste stof onder een bepaalde schuifspanning, en een vloeibaar gedrag wanneer deze schuifspanning wordt overschreden. Daarnaast is er een duidelijke noodzaak voor een hoge vloeibaarheid tijdens het pompen, maar ook voor een hoge stijfheid en een bepaalde sterkte om de vorm te behouden na extrusie.
Viscositeit geeft de vloeiweerstand en consistentie van een vloeistof aan, terwijl dichtheid wordt gebruikt als indicatie voor de homogene menging van de vloeistof (bijv. water/cementverhouding), die de sterkte, bedrukbaarheid en uithardingstijd beïnvloedt. Over het algemeen is viscositeits- en dichtheidsbewaking vereist om het volgende te bepalen:
- Printbaarheid (behoud van vorm na afzetting, aantal ondersteunde lagen)
- Materiële sterkte
- Afdrukkwaliteit
- Krimp door drogen
- Voorkom vastlopen op de extruder
Naast het controleren van de materiaaleigenschappen is kennis van de printparameters en uithardingsomstandigheden essentieel bij het 3D-betonprintproces.
4. Rheonics Inline dichtheids- en viscositeitssensoren
Rheonics biedt inline procesdichtheids- en viscositeitsmeters voor realtime monitoring van beton.
Rheonics SRV Inline-viscositeitsmeter:Deze sensor meet in real-time een groot bereik aan viscositeit en temperatuur en is geschikt voor installatie in tanks voor het bewaken van mengprocessen en in pijpleidingen voor continue meting van stromende vloeistof. Rheonics SRV is speciaal geschikt voor snelle mengprocessen en wordt niet beïnvloed door de aanwezigheid van bellen in de vloeistof of externe trillingen.
Rheonics SRD Inline dichtheids- en viscositeitsmeter:Deze sensor meet dichtheid, viscositeit en temperatuur in realtime. Hij is het meest geschikt voor installatie in pijpleidingen en tanks met een constante mengsnelheid. SRD voegt dichtheid toe aan de metingen, waardoor verdere vloeistofconcentratieberekeningen mogelijk zijn. De sensor heeft echter een smaller meetbereik voor de viscositeit dan de SRV en een hoge concentratie bellen kan ruis veroorzaken in de metingen als gevolg van de dichtheidsmeting. SRD wordt niet beïnvloed door externe trillingen.
Er worden meerdere SRV- en SRD-sensorprobes (Type-SR) aangeboden die voldoen aan specifieke installatievereisten. Bezoek SRV-viscometervarianten en SRD Dichtheids- en viscositeitsmetervarianten.
Installatie
Beton is een korrelige vloeistof die bestaat uit vloeistof, voornamelijk water dat wordt toegevoegd tijdens het mengen, en meestal fijne deeltjes zoals silicadamp, vliegas, slakken, enz. Vanwege de samenstelling en de gemeenschappelijke schurende eigenschappen, Rheonics heeft de volgende installatievereisten om de viscositeit en dichtheid van beton te meten met Type-SR-sensoren.
- Installatie in Sweep Elbow
Rheonics sensor lange inbrengprobes (Type-SR-X5) in een ellebooginstallatie is een zeer goede oplossing voor inline betonmetingen. Een ellebooginstallatie zorgt ervoor dat de vloeistof parallel of axiaal aan het sensorelement van de sensorsonde komt, terwijl het lange insteekontwerp het sensorelement verder in de leiding plaatst, waar de vloeistofstroom constanter is dan bij de wand. Dit zorgt ervoor dat het sensorelement altijd schoon blijft (door de stroming blijft het schoon en vrij van afzettingen).
Met een lange insteeksonde kan de klant de insteeklengte (A) en de procesaansluiting (B) definiëren. De volgende tabel toont een veelgebruikte oplossing met een schroefdraadaansluiting NPT 1.25" en een elleboog.
Vind meer installatievoorbeelden van bochten in ons artikel: Installatie van Type-SR viscositeits- en dichtheidsmeters in sweep-ellebogen
- Installatie met Rheonics Stargate
De SRV of SRD Stargate (SG)-variant is geschikt voor vloeistoffen met een hoge viscositeit en hoge snelheid, waarbij afzettingen en belasting op de sonde tot een minimum worden beperkt, omdat deze een wafercelontwerp heeft waarbij de sonde in een rechte lijn gecentreerd is.
De gebruik van Het belangrijkste aspect van de Stargate-installatie is dat deze de minste vervuiling veroorzaakt en de slijtage van de sonde vermindert. De belangrijkste overweging voor deze installatie is de noodzaak van adapters voor aansluiting op het proces. Rheonics aanbiedingen Tri-Clamp Adapters die over het algemeen niet geschikt zijn voor cement- of betontoepassingen. Daarom dient de klant de mechanische interfacetekeningen van de Stargate te volgen om deze aan te passen aan het proces.
- Loodrechte installatie
Bij een loodrechte installatie staat de sonde 90° ten opzichte van de vloeistofstroom. Het belangrijkste voordeel van deze installatie is de eenvoud. Normaal gesproken Rheonics sensorsonde met schroefdraadaansluiting (G1/2 of NPT 3/4”) wordt gebruikt en voor de installatie is een weldolet vereist (HAW-12G-OTK or WOL-34NL). Dit kan geschikt zijn voor installaties na het mengen, tussen slangen of vlak voor de extrusiematrijs of printkop.
Deze installatie is echter gevoelig voor afzettingen of ophopingen rond de sonde, die het sensorelement kunnen bedekken en zo de sensorwaarden kunnen beïnvloeden. Vloeistofafzettingen komen vaak voor bij vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals cement of beton. De klant dient ervoor te zorgen dat zones die gevoelig zijn voor afzettingen (dode zones) worden vermeden en de sonde te reinigen indien er afzettingen worden gevormd.
5. Overwegingen bij de installatie
Slijtage door erosie
Toepassingen in beton kunnen de sensorprobes blootstellen aan slijtage door de erosie-effecten van de vloeistof op het oppervlaktemateriaal van de probe. In deze gevallen moeten de probes na verloop van tijd worden vervangen. Gebruikers hoeven alleen een nieuwe probe aan te vragen, terwijl de sensorkabel en elektronica op hun plaats blijven. De levensduur van de probe onder deze omstandigheden is afhankelijk van de stroomsnelheid, de deeltjes in de vloeistof, de bedrijfscyclus, enz. Dit is niet vooraf in te schatten, maar Rheonics Sensoren kunnen zo worden geconfigureerd dat gebruikers de mate van slijtage zien en worden gewaarschuwd wanneer vervanging noodzakelijk is.
Bevochtigd materiaal
Rheonics Sensorsondes voor cement zijn verkrijgbaar in roestvrij staal 316L. Lees hier meer over sondematerialen: Rheonics viscositeitsmeter dichtheid materiaal chemische compatibiliteit
Stroomsnelheidslimiet
Rheonics SRV- en SRD-sondes zijn compatibel met stroomsnelheden tot 10 m/s. Parallelle installatie in de elleboog vermindert de invloed van de stroomsnelheid op de sondes, maar snelheden in dit bereik kunnen nog steeds te veel ruis toevoegen aan de metingen. Lees meer op Type-SR-sondes met vloeistoffen met een hoge viscositeit en snelheid.
Deeltjes in vloeistof
De aanwezigheid van deeltjes in de gemeten vloeistof is gekoppeld aan de slijtage-effecten op de sonde. Normaal gesproken hebben zachte deeltjes ter grootte van een micrometer geen invloed op de sensormeting. Deze kunnen alleen ruis veroorzaken in de metingen, die door de sensorelektronica kan worden gefilterd. Grotere of harde deeltjes ter grootte van een millimeter of centimeter kunnen een zeer hoog ruisniveau in de metingen veroorzaken of zelfs de sonde beschadigen. Deze deeltjes moeten daarom worden vermeden.
Referenties
[1] PERI 3D-bouwprinten: eerste 3D-geprinte woongebouw in Duitsland (EN)
[2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
[3] PCM EcoMoineau™ C multifunctionele progressieve holtepomp van roestvrij staal
[4] Oplossing | COBOD International
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
