Dichte und Viskosität sind kritische Parameter im 3D-Zementdruck, da sie sich direkt auf die Bedruckbarkeit, strukturelle Integrität und Schichthaftung des Druckmaterials. Die Inline-Überwachung dieser Parameter ist der Schlüssel für eine robuste Echtzeitkontrolle und zur Qualitätssicherung.
Abbildung 1: 3D-Zementdruck [1]
Inhaltsverzeichnis
- Einführung
- Additiver Zementherstellungsprozess
- Prozess- und Überwachungsherausforderungen
- Rheonics Inline-Dichte- und Viskositätssensoren
1. Einleitung
Die additive Fertigung hat im Laufe der Jahre erhebliche Fortschritte gemacht und ist in verschiedenen Branchen relevant geworden, wie 3D-Druck von Zement oder Beton (3DCP). Auch bekannt als additive Fertigung von Beton, ist dies eine Spitzentechnologie, die den automatisierten Schicht-für-Schicht-Aufbau von Strukturen mit zementgebundenen Materialien ermöglicht. Im Gegensatz zum traditionellen Betonbau, der Schalungen und viel Handarbeit erfordert, ermöglicht der 3D-Druck direkt extrudiert zementbasierte Mischungen Nach einem vorprogrammierten digitalen Modell, ähnlich wie beim bekannten Polymer-3D-Druck. Verschiedene 3DCP-Technologien sind möglich, wie Binder Jetting und Material Jetting, aber die Extrusion ist die vorherrschende Methode. Diese Technologie bietet mehrere Vorteile, darunter weniger Materialabfall, schnellere Bauzeiten und größere Designflexibilität. Um dies zu erreichen, ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, Überwachen und optimieren Sie die Materialzusammensetzung, Extrusionsparameter und Aushärtungsbedingungen um eine einheitliche Bedruckbarkeit, Materialkonsistenz, korrekte Verbindung zwischen den Schichten, Umweltkontrolle, usw.
Dieser Artikel beleuchtet die Bedeutung wichtiger Parameter wie Viskosität und Dichte beim 3D-Zementdruck und wie Rheonics Sensoren ermöglichen Inline-Messungen in Echtzeit zur Überwachung und Steuerung.
PERI 3D-Betondruck: Erstes 3D-gedrucktes Wohngebäude in Deutschland – [1]
2. Additiver Zementherstellungsprozess
Im Großen und Ganzen lässt sich der Prozess des 3D-Zementdrucks in die folgenden Schritte unterteilen [2]:
Vormischung
Um speziell für 3DCP entwickelten Zement zu erhalten, werden Vordosierungsmaterialien gemischt. Dieser enthält in der Regel Zement, Sand, Zusatzstoffe und manchmal Fasern zur Verbesserung der Festigkeit und Verarbeitbarkeit. Mehrere Unternehmen bieten dieses vorgemischte Material bereits für den 3D-Zementdruck an. Erste Entwicklungen verwendeten Verdickungsmittel, um eine hohe Fließgrenze nach der Extrusion zu gewährleisten. Neuere Entwicklungen verwenden Verzögerer, um das Aushärten des frischen Materials während des Pumpvorgangs zu verhindern. In Kombination mit Beschleunigern wirken diese dem Verzögerer entgegen und beschleunigen die Aushärtezeiten.
Vermischung
Hydratisierungsprozess des trockenen Materials durch Zugabe von Wasser. Das Mischen kann chargenweise oder kontinuierlich erfolgen. Manche Verfahren nutzen eine zweite Mischphase unmittelbar vor der Extrusion, um je nach verwendeter Flüssigkeit unterschiedliche Zwecke zu erfüllen.
Transport
Der Betontransport erfordert üblicherweise den Einsatz von Exzenterschneckenpumpen, auch Verdrängerkolbenpumpen kommen hier zum Einsatz. Eine gleichmäßige Versorgung mit Frischbeton ist für einen erfolgreichen Druckvorgang unerlässlich. Häufige Druckstopps sollen vermieden werden und die Geschwindigkeit darf die maximale vertikale Baugeschwindigkeit des Materials nicht überschreiten.
Die Extrusion ist der entscheidende Schritt beim 3D-Zementdruck. Dabei wird das Material durch eine Düse oder Matrize extrudiert, die an einem Roboterarm oder Portalsystem montiert ist. Dieses kann sich in drei Richtungen bewegen und folgt einem vorprogrammierten digitalen Modell. Jede Schicht verbindet sich mit der vorherigen und baut so schrittweise die Struktur auf. Als Düsen kommen passive Düsen oder gesteuerte Schneckendüsen zum Einsatz. Erstere erreichen die Extrusion durch das Transportpumpensystem selbst, während letztere über einen offenen Trichter mit Förderschnecke verfügen, um das Material direkt zu extrudieren und so eine präzisere Durchflussregelung zu ermöglichen.
3. Prozess- und Überwachungsherausforderungen
Das Fließverhalten von Beton stellt viele Herausforderungen bei der Überwachung seiner rheologischen Eigenschaften dar. Beton weist eine Fließgrenze auf, d. h., er verhält sich unterhalb einer bestimmten Scherspannung fest, und verhält sich flüssig, wenn diese Scherspannung überschritten wird. Darüber hinaus ist eine hohe Fließfähigkeit beim Pumpen, aber auch eine hohe Steifigkeit und eine gewisse Festigkeit erforderlich, um nach der Extrusion die Form zu behalten.
Die Viskosität gibt den Fließwiderstand und die Konsistenz einer Flüssigkeit an, während die Dichte ein Indikator für die homogene Mischung der Flüssigkeit (z. B. Wasser-Zement-Verhältnis) ist, die sich auf Festigkeit, Druckbarkeit und Abbindezeit auswirkt. Im Allgemeinen ist eine Überwachung der Viskosität und Dichte erforderlich, um Folgendes zu bestimmen:
- Druckbarkeit (beibehaltene Form nach der Ablagerung, Anzahl der unterstützten Schichten)
- Materialfestigkeit
- Druckqualität
- Trockenschrumpfung
- Vermeiden Sie ein Verklemmen des Extruders
Neben der Überwachung der Materialeigenschaften ist die Kenntnis der Druckparameter und Aushärtungsbedingungen beim 3D-Betondruckprozess von entscheidender Bedeutung.
4. Rheonics Inline-Dichte- und Viskositätssensoren
Rheonics bietet Inline-Prozessdichte- und Viskositätsmessgeräte zur Echtzeitüberwachung von Beton.
Rheonics SRV Inline-Viskosimeter: Dieser Sensor misst einen weiten Bereich von Viskosität und Temperatur in Echtzeit und eignet sich für den Einbau in Tanks zur Überwachung von Mischprozessen und in Rohrleitungen zur kontinuierlichen Messung fließender Flüssigkeiten. Rheonics SRV eignet sich besonders für Hochgeschwindigkeitsmischprozesse und wird durch das Vorhandensein von Blasen in der Flüssigkeit oder externe Vibrationen nicht beeinträchtigt.
Rheonics SRD Inline-Dichte- und ViskositätsmessgerätDieser Sensor misst Dichte, Viskosität und Temperatur in Echtzeit. Er eignet sich optimal für den Einbau in Rohrleitungen und Tanks mit konstanter Mischgeschwindigkeit. SRD berücksichtigt die Dichtemessung und ermöglicht so weitere Berechnungen der Flüssigkeitskonzentration. Der Viskositätsmessbereich ist jedoch im Vergleich zum SRV schmaler, und eine hohe Blasenkonzentration kann aufgrund der Dichtemessung zu Messfehlern führen. SRD ist unempfindlich gegenüber externen Vibrationen.
Für spezifische Installationsanforderungen werden verschiedene SRV- und SRD-Sensorsonden (Typ SR) angeboten. Besuchen Sie Varianten des SRV-Viskosimeters kombiniert mit einem nachhaltigen Materialprofil. Varianten des SRD-Dichte- und Viskositätsmessgeräts.
Installation
Beton ist eine körnige Flüssigkeit, die aus Flüssigkeit besteht, hauptsächlich aus Wasser, das beim Mischen hinzugefügt wird, und normalerweise aus feinen Partikeln wie Silicastaub, Flugasche, Schlacke usw. Aufgrund seiner Zusammensetzung und der üblichen abrasiven Eigenschaften Rheonics hat die folgenden Installationsanforderungen zum Messen der Viskosität und Dichte von Beton mit den Sensoren vom Typ SR.
- Installation im Schwenkwinkel
Rheonics Sensor lange Einstechsonden (Typ SR-X5) in einem Winkelstück ist eine hervorragende Lösung für Beton-Inline-Messungen. Durch das Winkelstück gelangt die Flüssigkeit parallel oder axial zum Sensorelement der Sensorsonde, während das lange Einsteckdesign das Sensorelement weiter in der Leitung platziert, wo der Flüssigkeitsfluss gleichmäßiger ist als in Wandnähe. Dadurch bleibt das Sensorelement stets sauber (durch die Strömung wird es sauber und frei von Ablagerungen).
Bei einer langen Eintauchsonde kann der Kunde die Eintauchlänge (A) und den Prozessanschluss (B) selbst bestimmen. Die folgende Tabelle zeigt eine gängige Lösung mit einem Gewindeanschluss NPT 1.25" und einem Winkelstück.
Weitere Einbaubeispiele für Bogenrohre finden Sie in unserem Artikel: Einbau von Viskositäts- und Dichtemessgeräten Typ SR in Krümmer
- Installation mit Rheonics Stargate
Die SRV- oder SRD-Stargate-Variante (SG) eignet sich für hochviskose und schnell fließende Flüssigkeiten und minimiert Ablagerungen und Belastungen der Sonde, da sie über ein Waferzellendesign verfügt, bei dem die Sonde zentriert in einer geraden Linie platziert ist.
Die haben Vorteile für Der Vorteil der Stargate-Installation liegt darin, dass sie die geringste Verschmutzung aufweist und den Abrieb an der Sonde reduzieren kann. Der Hauptaspekt dieser Installation ist der Bedarf an Adaptern für den Anschluss an den Prozess. Rheonics bietet Tri-Clamp Adapter, die im Allgemeinen nicht für Zement- oder Betonanwendungen geeignet sind. Aus diesem Grund sollte der Kunde die mechanischen Schnittstellenzeichnungen des Stargates befolgen, um es an den Prozess anzupassen.
- Senkrechte Installation
Bei einer senkrechten Installation wird die Sonde im 90°-Winkel zum Flüssigkeitsstrom positioniert. Der Hauptvorteil dieser Installation ist ihre Einfachheit. Normalerweise Rheonics Es wird eine Sensorsonde mit Gewindeanschluss (G1/2 oder NPT 3/4") verwendet und für die Installation ist ein Weldolet erforderlich (HAW-12G-OTK or WOL-34NL). Dies kann für Installationen nach dem Mischen, zwischen Schläuchen oder direkt vor der Extrusionsdüse oder dem Druckkopf geeignet sein.
Bei dieser Installation können sich jedoch Ablagerungen oder Ansammlungen um die Sonde bilden, die das Sensorelement verdecken und so die Sensorwerte beeinträchtigen können. Flüssigkeitsablagerungen treten häufig bei hochviskosen Flüssigkeiten wie Zement oder Beton auf. Der Kunde sollte daher unbedingt ablagerungsgefährdete Bereiche (Totzonen) vermeiden und die Sonde bei Ablagerungen reinigen.
5. Hinweise zur Installation
Abrieb durch Erosion
Betonanwendungen können die Sensorsonden durch die Erosion der Flüssigkeit auf deren Oberflächenmaterial einem gewissen Verschleiß aussetzen. In diesen Fällen müssen die Sonden nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden. Der Anwender muss lediglich eine neue Sonde anfordern, während Sensorkabel und Elektronik an Ort und Stelle bleiben. Die Lebensdauer der Sonde hängt unter diesen Bedingungen von Durchflussrate, Partikeln in der Flüssigkeit, Arbeitszyklus usw. ab. Dies lässt sich im Voraus nicht abschätzen, aber Rheonics Sensoren können so konfiguriert werden, dass sie den Benutzern den Grad der Abnutzung anzeigen und warnen, wenn ein Austausch erforderlich ist.
Benetztes Material
Rheonics Sensorsonden für Zement werden aus Edelstahl 316L angeboten. Erfahren Sie hier mehr über Sondenmaterialien: Rheonics Viskosimeter Dichte Material chemische Verträglichkeit
Fließgeschwindigkeitsbegrenzung
Rheonics SRV- und SRD-Sonden sind für Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s geeignet. Die parallele Installation im Winkelstück reduziert den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Sonden, Geschwindigkeiten in diesem Bereich können jedoch immer noch zu starkem Messrauschen führen. Lesen Sie mehr dazu Typ-SR-Sonden mit Flüssigkeiten mit hoher Viskosität und Geschwindigkeit.
Partikel in Flüssigkeit
Das Vorhandensein von Partikeln in der Messflüssigkeit führt zu Abriebeffekten auf die Sonde. Normalerweise beeinträchtigen weiche Partikel im Mikrometerbereich die Sensormessung nicht. Sie verursachen lediglich Rauschen in den Messwerten, das von der Sensorelektronik gefiltert werden kann. Größere oder harte Partikel im Millimeter- oder Zentimeterbereich können zu sehr starkem Rauschen in den Messwerten führen oder sogar die Sonde beschädigen. Daher müssen diese Partikel vermieden werden.
Referenzen
[1] PERI 3D-Betondruck: Erstes 3D-gedrucktes Wohnhaus in Deutschland (EN)
[2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
[3] PCM EcoMoineau™ C Mehrzweck-Exzenterschneckenpumpe aus Edelstahl
[4] Lösung | COBOD International
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
