Beton

3 Boyutlu Beton Baskı

1939’dan Günümüze

1939’da mucit William E. Urschel, Indiana, Valparaiso’daki küçük bir deponun arkasında dünyanın ilk 3 boyutlu beton baskı binasını yaptı.  Ertesi yıl, bir “Duvar İnşa Makinesi” için bir dizi patent başvurusunda bulunacaktı ( Şekil 1). Bu basit ama dahiyane makine, tümü kalıpsız betonla basılmış, donatı entegre edilmiş ve kendi kendini taşıyan kubbeli çok katlı yapıları imal etmek için kullanılacaktı. 30’ların sonunda, bu süreç katmanlı yatay kayar kalıp olarak tanımlanmış olabilir. Bu prototiplerle Urschel, 2000’lerin başında Behrokh Khoshnevis tarafından yayımlanan ilk modern 3 boyutlu beton baskı örneklerinden 60 yıl önce Büyük Ölçekli Katmanlı Üretimde (LSAM) bugün gördüğümüz yeniliklerin çoğunu eşleştirdi (Khoshnevis 2004). Urschel geometrik tasarım özgürlüklü, donatı ile güçlendirilmiş, değişken ekstrüzyonlu, sıkıştırılmış malzemeyle ve en önemlisi, hâlâ aktif olan tam ölçekli binalar yarattı. Urschel’in Duvar İnşa Makinesinin detayları ( Şekil 1), mühendisler ve tasarımcılar için 3 boyutlu baskı teknolojisinin hızla büyüyen endüstrisini anlamaları için kritik bir mercek sağlar.

Şekil 1. Duvar İnşa Makinesi merkezi bir eksen etrafında radyal olarak çalışır ve kapladığı alan, oluşturacağı binanınkinden çok daha küçüktür.
Şekil 1. Duvar İnşa Makinesi merkezi bir eksen etrafında radyal olarak çalışır ve kapladığı alan, oluşturacağı binanınkinden çok daha küçüktür.

Neden Binalar İçin 3 Boyutlu Baskı?

3 boyutlu baskının sağladığı avantaj, sürekli malzeme katmanlarını biriktirmek için bilgisayar kontrollü bir kızak veya robot kolu kullanarak işçiliği, inşaat süresini ve malzemeyi en aza indirerek maliyeti düşürmektir. Hesaplamalı bir inşaat süreci olarak, proje maliyetinde önemli artışlar olmadan yapısal olarak sağlam, geometrik olarak karmaşık, toplu olarak özelleştirilebilir tasarımlar elde etmek mümkündür. Bu sürecin teorik sonuçları, dünyanın herhangi bir yerinde birkaç gün içinde inşa edilebilen, verimli, düşük karbonlu yapılardır. Bununla birlikte, kalıp ve geçmeli köprüler olmadan basılan açıklıklı yapıların heyecan verici araştırma örnekleri olsa da (Curth 2021, Bhooshan 2022), gerçek şu ki, günümüzde tamamlanmış 3 boyutlu baskılı binaların çoğu, geleneksel betonarme ile imal edilmiş ve ahşap çerçeve konstrüksiyonu ile kapatılmış ekstrüde dikey duvarlardır. Urschel’in Duvar İnşa Makinesine bakıldığında, temel zorlukların nerelerde devam ettiği ve büyük ölçekli eklemeli üretim için malzeme, donatı takviyesi ve kalıptaki  heyecan verici adımlar fark edilebilir.

Malzemeler

Büyük ölçekli yapılar artık plastik, köpük ve hatta toprakla  basılabilir; ancak çoğu çimentolu karışımlardan üretilmektedir. Çimentolu karışımlar, maliyet ve işlenebilirlik gibi diğer beton yapı modlarıyla paylaşılan birçok net fayda sunarken, buna karşılık basılı malzeme katmanları arasındaki soğuk derzler gibi belirli dezavantajlar mevcuttur. Urschel’in sistemi, soğuk derzleri azaltmak için katmanlar arasında birbirine kenetlenen kanallar içeriyordu ( Şekil 2 ). Şimdi, katmanlar arasındaki anizotropi konusu esas olarak karışımın tasarımı sırasında çalışılmaktadır. Bununla birlikte şirketler, Urschel’in 1940’ta yaptığı gibi, yüzey alanını ve dolayısıyla soğuk derzlerin mekanik dezavantajlarını azaltmak üzere katmanlar arasındaki sürtünmeyi arttırmak için ekstrüzyonlarının yüzeyine oluklar eklemeye başladılar.

Şekil 2. Ekstrüdere eklenen kalıplama elemanları, katmanlar arasında birbirine kenetlenen kanallar oluşturarak ve basılı bir yapının farklı görünümünü vurguluyor. 

Duvar İnşa Makinesi’nde kullanılan malzeme, çoğu modern sistemde kullanılan 3 boyutlu baskı malzemeleri gibi özel olarak formüle edilmiş, çabuk sertleşen bir harç karışımı değildi. Bunun yerine, o zamanın yerel inşaat endüstrisinde yaygın olarak kullanılan oldukça büyük agregalı kuru beton karışımıydı. Bu sistem ile modern sistemler arasındaki en önemli fark, Urschel’in makinesinin, beton karışımını dönen diskler arasında sıkıştırarak, malzeme ekstrüde edilirken baskının her katmanını birleştirip düzleştiren otomatik bir sıkıştırma mekanizması (Şekil 3) içermesidir.

Şekil 3. Entegre tel takviyesi, modern sürüklenmiş tel baskı sistemiyle hemen hemen aynı şekilde yerleştirildi. 

20 yıllık araştırmadan sonra, büyük ölçekli 3 boyutlu baskı şirketleri, ekstrüderlerinde 4 mm’den daha büyük agregaları kullanmanın yollarını bulmaya yeni başlıyor. 

Yüzey pürüzsüzlüğü elde etmek hâlâ devam eden bir zorluktur çünkü sadece statik düzeltme mekanizmaları kullanılır. Ayrıca, büyük agrega kullanımı, hızlı sertleşme süresi ve uygun işlenebilirliği birleştiren katkı karışımlarının pompalanma sorunu çözülmediğinden, modern baskıların çoğu basit bir şekilde harçtır ve tipik olarak basılmış bir duvar bölümünü gelenekselden daha düşük mukavemet ve daha fazla karbon yoğun bir beton hâline getirir. 

Basım şirketleri pompalama sistemlerini ve karışım tasarımlarını iyileştirdikçe, geleneksel olmayan bir yapı sistemine uyan malzemeler tasarlamak yerine Urschel’in ekstruderi geleneksel yapı malzemelerini kullanacak şekilde tasarlama yaklaşımını dikkate almaya başlayabilir.

Donatı takviyesi

Sadece basıncı karşılamanın ötesinde, betonun donatı ile güçlendirilmesi gerekir 3 boyutlu baskılı duvar yapılarının çoğu oyuktur, bu da dikey donatı elemanlarının yerleştirilmesini ve derz dolgusunu baskı sonrası kolay hâle getirir. Bununla birlikte, yatay donatı takviyesi daha fazla dikkat gerektirir. Urschel’in 1941 tarihli patent çizimleri, gömülü çelik tel takviyesinin gerçek zamanlı olarak biriktirilmesi için bir mekanizma göstermektedir ( Şekil 3), aynı zamanda TU Eindhoven’da (Mechtcherine 2021) birkaç yeni projenin konusudur. Diğer araştırma grupları, çelik ağ ruloları ve hatta ekstrüderi takip eden ve malzeme katmanları arasına birbirine kenetlenen güçlendirme yerleştiren zımba tabancaları ile benzer yaklaşımları denedi. Fiberlerle  takviye edilmiş çimento karışımları da tatmin edici sonuçlarla basılmıştır. Son zamanlarda, Ghent Üniversitesindeki araştırmacılar, ardgermeli kablolar için dâhili kanallara sahip modüler açıklık elemanları ürettiler (Vantyghem 2020).

Şekil 4. Yapım aşamasında, modern bir 3 boyutlu baskılı bina, nispeten geleneksel takviye ve Apis Core tarafından yapılmış bir radyal baskı sistemine sahiptir. 

Genel olarak, 3 boyutlu baskının izin verdiği geometrik esneklik, inşaat demiri soğuk derz uzantıları, yerinde dökmek yerine basılı duvar yapılarındaki dikey boşluklara manuel olarak konumlandırılıp harçla doldurulsa da inşaat demiri takviyesini geleneksel bina standartlarını karşılayacak şekilde detaylandırmayı mümkün kılar. APIS Core’un 2019’da tamamlanan çok katlı yapısı, bu hibrit yaklaşımın bugüne kadarki en büyük ölçekli örneğidir (Şekil 4).

Geleceğe bakmak

3 boyutlu baskı, düşük maliyetle karmaşık kalıp oluşturma imkânı sunar. Urschel sadece duvarların ve kubbelerin inşasını araştırırken (Şekil 5), sürekli bir tasarım sürecinde hem pozitif hem de negatif hacim düşünülebilir. Temeller ve döşeme plakaları, tipik olarak en yüksek düzeyde karbon gömülü yapı elemanlarından ikisidir ve tipik olarak imalat için kalıp gerektirir, beton veya sıkıştırılmış toprak için bir kalıp görevi gören basılı geometri ile yerinde üretilebilir. Ayrıca pencere ve kapılar için kapılar, yapı tamamlandıktan sonra çıkarılmak üzere toprak veya plastik gibi yeniden kullanılabilir bir malzemeye basılabilir, bu da sürekli yazdırmaya olanak tanır (Şekil 1’de). Bir yazıcı ayrıca, basılı ve insan tarafından birleştirilmiş elemanların hibrit yapısında işçiler veya diğer makineler için geri dönüştürülebilir, özelleştirilmiş yapı iskelesi oluşturmak için kullanılabilir.

Şekil 5. Bir kişi ve bir Duvar İnşa Makinesi tarafından kubbeli bir yapı inşa ediliyor, bu ölçekte modern bir baskı sistemi ile henüz elde edilen bir başarı. Eğim arttıkça azalan katman yüksekliğine dikkat, bu, şu anda modern 3 boyutlu baskı sistemlerinde sarkan katmanları yönetmek için kullanılan bir tekniktir. 

Büyük ölçekli baskı için fiziksel ve simülasyon araçlarındaki ilerlemelerle, Urschel’in 1939’da yarattığından çok daha verimli ve işlevsel yapılar üretmek artık mümkün.

Kaynak: https://www.structuremag.org/?p=20944

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

İlginizi Çekebilir
Swansea Üniversitesindeki bir araştırma ekibi, beton yapı kusurlarını azaltmak için…
Cresta Posts Box by CP