Druk 3D kompozytów betonowych metodą przyrostową - doświadczenia zespołu szczecińskiego

• Autorzy: Skibicki Szymon , Kaszyńska Maria , Federowicz Karol , Techman Mateusz , Zieliński Adam , Olczyk Norbert , Wróblewski Tomasz , Hoffmann Marcin

Warianty tytułu

EN

3D printing of concrete composites using additive procedure - experiences of the Szczecin research team

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono problemy związane z rozwojem nowej technologii wykonywania konstrukcji betonowych metodą druku 3D oraz parametry, które wyróżniają ją na tle innych metod addytywnych. Omówiono metody badawcze do oceny właściwości mieszanek betonowych stosowanych w druku przyrostowym oraz doświadczenia w tym zakresie zespołu badawczego pod przewodnictwem prof. Marii Kaszyńskiej z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

EN

The paper deals with the issues connected with the development of a new technology for 3D printing of concrete structures, in comparison with other additive methods. The discussion includes research procedures used for assessment of concrete mix properties in additive printing. Also presented are research observations collected by the research team lead by Professor Maria Kaszynska at the West-Pomeranian University of Technology in Szczecin.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt betonowy; druk 3D; metoda przyrostowa; mieszanka betonowa; właściwości

EN

concrete composite; 3D printing; additive method; concrete mix; properties

• Wydawca: Fundacja Polskiego Związku Inżynierów i Techników Budownictwa
• Czasopismo: Inżynieria i Budownictwo
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 7
• Strony: 328--333
• Opis fizyczny: Bibliogr. 52 poz., il.

Twórcy

autor

Skibicki Szymon

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0002-2918-7759

autor

Kaszyńska Maria

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0002-8867-6974

autor

Federowicz Karol

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0002-6622-4539

autor

Techman Mateusz

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0001-7809-9280

autor

Zieliński Adam

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0001-7949-1831

autor

Olczyk Norbert

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0002-4261-4946

autor

Wróblewski Tomasz

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0003-3731-1542

autor

Hoffmann Marcin

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0003-2418-4759

Bibliografia

• [1] Pegna J.: Exploratory investigation of solid freeform construction. "Automation in Construction", No. 5(5)/1997, https://doi.org/10.1016/S0926-5805(96)00166-5.
• [2] Khoshnevis B., Hwang D., Yao K.-T, Zhenghao Y.: Mega-scale fabrication by contour crafting. "International Journal of Industrial and Systems Engineering", No. 1(3)/2006.
• [3] Khoshnevis B.: Automated construction by contour crafting-related robotics and information technologies. "Automation in Construction", No. 13(1)/2004, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2003.08.012.
• [4] Bos F., Wolfs R., Ahmed Z., Salet T.: Additive manufacturing of concrete in construction: Potentials and challenges of 3D concrete printing. "Virtual and Physical Prototyping", No. 11(3)2016, https://doi.org/10.1080/17452759.2016.1209867.
• [5] Wangler T., Lloret E., Reiter L., Hack N., Gramazio F., Kohler M. et al.: Digital Concrete: Opportunities and Challenges. RILEM Letters 1/2016.
• [6] Le T.T., Austin S.A., Um S., Buswell R.A., Gibb A.G.F., Thorpe T.: Mix design and fresh properties for high-performance. "Materials and Structures", No. 45/2012. .
• [7] Le T.T., Austin S.A., Lim S., Buswell R.A., Law R., Gibb A. et al.: Hardened properties of high-performance printing concrete. "Cement and Concrete Research", No. 42(3)/2012. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.12.003.
• [8] Lim S., Buswell R.A., Le T.T., Austin S.A., Gibb A.G.F., Thorpe T.: Developments in construction-scale additive manufacturing processes. "Automation in Construction", No. 21/2012. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2011.06.010.
• [9] Cesaretti G., Dini E., Kestelier X.D., Colla V., Pambaguian L.: Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology. "Acta Astronautica", No. 93/2014. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.07.034.
• [10] Langenberg. Available from: http://www.3dprinting architecture.net/?p=601, posted 20/03/2015 [Accessed January 2018] 2015.
• [11] Matta A.K., Raju D.R., Suman K.: The Integration of CAD/CAM and Rapid Prototyping in Product Development: A Review. Materials Today: Proceedings, 2(4-5)/2015. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.07.319.
• [12] Kazemian A., Yuan X., Cochran E., Khoshnevis B.: Cementitious materials for construction-scale 3D printing: Laboratory testing of fresh printing mixture. "Construction and Building Materials", No. 145/2017. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.015.
• [13] Wangler T., Roussel N., Bos F.P., Salet T.A., Flatt R.J.: Digital Concrete: A Review. "Cement and Concrete Research", 2019; 123:105780. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105780.
• [14] Perrot A., Rangeard D., Pierre A.: Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques. Materials and Structures, No. 49(4)/2016. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0571-0.
• [15] Khoshnevis B.: Patent nr WO/2005/070657, Automated construction including robotic systems, Data publikacji: 04.08.2005 (https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docld=W02005070657&tab=PCTBIBLlO).
• [16] Khoshnevis B.: Patent nr WO/2007/050968, Deployable contour crafting. Data publikacji: 03.05.2007 (https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docld=W02007050968).
• [17] Buswell R.A., Leal de Silva W.R., Jones S.Z.., Dirrenberger J.: 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. "Cement and Concrete Research", No. 112/2018. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006.
• [18] Labonnote N., Rønnquist A., Manum B., Rüther P.: Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities. "Automation in Construction", No. 72/2016. https://doi.org/10.1016/j. autcon.2016.08.026.
• [19] Secrieru E., Fataei S., Schröfl C., Mechtcherine V.: Study on concrete pumpability combining different laboratory tools and linkage to rheology. "Construction and Building Materials", Vol. 144/2017. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.199.
• [20] Billberg P.: Form pressure generated by self-compacting concrete: Influence of thixotropy and structural behaviour at rest / Peter Billberg [Thesis (PhD)]. Stockholm Sweden: Royal Institute of Technology; 2006.
• [21] Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 1999.
• [22] Thrane L.N., Pade C., Nielsen C.V., Jeknavorian A.A., Schemmel J.J., Dean S.W.: Determination of Rheology of Self-Consolidating Concrete Using the 4C-Rheometer and How to Make Use of the Results. Journal of ASTM International 2010;7(1 ):102003. https://doi.org/10.1520/JAI102003.
• [23] Kaszyńska M., Hoffmann M., Skibicki S., Zieliński A., Techman M., Olczyk N. et al.: Evaluation of suitability for 3D printing of high performance concretes. MATEC Web Conf. 2018;163:1002. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816301002.
• [24] Jacobsen S., Haugan L., Hammer T.A., Kalogiannidis E.: Flow conditions of fresh mortar and concrete in different pipes. "Cement and Concrete Research", No. 39(11)/2009. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.07.005.
• [25] Ma G., Li Z., Wang L.: Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing. "Construction and Building Materials", 2018;162:613-27. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.051.
• [26] Nerella V.N., Krause M., Nätner M., Mechtcherine V.: Studying printability of fresh concrete for formwork free Concrete on-site 3D Printing technology (CONPrint3D). In: 25th Conference on Rheology of Building Materials; 2016.
• [27] Roussel N., Cussigh F.: Distinct-Iayer casting of SCC: The mechanical consequences of thixotropy. "Cement and Concrete Research", No. 38(5)/2008. https://doi.org/10.1016/j.cemconres. 2007.09.023.
• [28] Wolfs R., Bos F.P., Salet T.: Hardened properties of 3D printed concrete: The influence of process parameters on interlayer adhesion. "Cement and Concrete Research", Vol. 119/2019. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.02.017.
• [29] Malaeb Z., Hachem H., Tourbah A., Maalouf T., El Zarwi N., Hamzeh F.: 3d concrete printing: Machine and mix design. "International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET)", No. 6(6)/2015.
• [30] Khoshnevis B., Hwang D.: Contour Crafting. In: Kamrani A., Nasr E.A., editors. Rapid Prototyping: Theory and Practice. Boston, MA: Springer US; 2006.
• [31] Anell L.H.: Concrete 3d printer (master thesis). Lund University, 2015.
• [32] Nylund J., Järf A., Kekäle K., Rönnskog J., AI-Neshawy F., Kiviluoma P. et al.: Implementation of contour crafting system to a 3-dimensional concrete printer. In: 10th International DAAAM Baltic Conference "Industrial Engineering", 2015.
• [33] Gosselin C., Duballet R., Roux P., Gaudillière N., Dirrenberger J., Morel P.: Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete - a new processing route for architects and builders. "Materials & Design", Vol. 100/2016. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.03.097.
• [34] Kaszyńska M., Olczyk N., Techman M., Skibicki S., Zieliński A., Filipowicz K. et al.: Thermal-humidity parameters of 3D printed wall. IOP Materials Science and Engineering 2019;471.
• [35] Kaszyńska M., Skibicki S., Hoffmann M.: 3D Concrete Printing for Sustainable Construction. "Energies", No. 13(23)/2020. https://doi.org/10.3390/en13236351.
• [36] Skibicki S., Kaszyńska M., Techman M.: Maturity testing of 3D printing concrete with inert microfiller. MATEC Web Conf. 2018;219(1):3008. https://doi.org/10.1051/matecconf/2018219 03008.
• [37] Hoffmann M., Skibicki S., Pankratow P., Zieliński A., Pajor M., Techman M.: Automation in the Construction of a 3D-Printed Concrete Wall with the Use of a Lintel Gripper. "Materials", No. 13(8)/2020. https://doi.org/10.3390/ma13081800.
• [38] Skibicki S., Kaszyńska M., Wahib N., Techman M., Federowicz K., Zieliński A. et al.: Properties of Composite Modified with Limestone Powder for 3D Concrete Printing. In: Bos FP, Lucas SS, Wolfs RJ, Salet TA, editors. Second RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication. Cham: Springer International Publishing; 2020.
• [39] Federowicz K., Kaszyńska M., Zieliński A., Hoffmann M.: Effect of Curing Methods on Shrinkage Development in 3D-Printed Concrete. "Materials", No. 13(11)2020. https://doi.org/10.3390/ma13112590.
• [40] Hoffmann M., Żarkiewicz K., Zieliński A., Skibicki S., Marchewka Ł.: Foundation Piles-A New Feature for Concrete 3D Printers. "Materials", No. 14(10)/2021. https://doi.org/10.3390/ma14102545.
• [41] Skibicki S., Pułtorak M., Kaszyńska M.: Evaluation of Material Modification using PET in 3D Concrete Printing Technology. IOP Conference Series.: Materials Science and Engineering. 2021; 1044(1): 12002. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1044/1/ 012002.
• [42] Chougan M., Ghaffar S.H., Sikora P., Chung S.-Y., Rucinska T., Stephan D. et al.: Investigation of additive incorporation on rheological, microstructural and mechanical properties of 3D printable alkali-activated materials. "Materials & Design", 2021;202:109574. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109574.
• [43] Sikora P., Chung S.-Y., Liard M., Lootens D., Dorn T., Kamm P.H. et al.: The effects of nanosilica on the fresh and hardened properties of 3D printable mortars. "Construction and Building Materials", No. 281 (23)/2021. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122574.
• [44] Toutou Z: Roussel N., Lanos C.: The squeezing test: A tool to identify firm cement-based material's rheological behaviour and evaluate their extrusion ability. "Cement and Concrete Research", No. 35(10)/2005. https://doi.org/10 1016/j.cemconres.2004.09.007.
• [45] Hager I.: Rewolucja technologiczna w budownictwie - druk 3D budynków i obiektów inżynieryjnych. [W:] Knapik K., Gromysz K., redakcja. Ujęcie aktualnych problemów budownictwa. Prace naukowe doktorantów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2018.
• [46] Hager I., Czwakiel K., Tekieli M., Putanowicz R.: Anisotropy of 3D Printed Materials in Tension Testing protocol and chain of activities. In: Sixth International Conference on Advances in Civil, Structural and Environmental Engineering - ACSEE 2017. Institute of Research Engineers and Doctors, 2017.
• [47] Hager I., Golonka A., Putanowicz R.: 3D Printing of Buildings and Building Components as the Future of Sustainable Construction? "Procedia Engineering", Vol. 151/2016. https://doi.org/10.1016/j. proeng.2016.07.357.
• [48] Katzer J., Skoratko A.: Concept of Using 3D Printing for Production of Concrete-Plastic Columns with Unconventional Cross-Sections. "Materials", No. 14(6)/2021. https://doi.org/10.3390/ma14061565.
• [49] Katzer J., Szatkiewicz T.: Properties of concrete elements with 3-D printed formworks which substitute steel reinforcement. "Construction and Building Materials", Vol. 210(3)/2019. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.204.
• [50] REbuild. https://mamstartup.pl/startup-wydrukowal-pierwszy-w-polsce-betonowy-budynek-z-drukarki-3d (data dostępu: 03.04.2020).
• [51] Lootens D., Czołgosz R.: Drukowanie 3D w betonie. [W:] XVIII Konferencja Naukowo-Techniczna, Reologia w technologii betonu, 2019.
• [52] Gieroń D.: Testy drukarki 3D oraz zapraw przeznaczonych do stosowania w technologii druku 3D. [W:] Pokorska-Silva I., Gromysz K., redakcja. Współczesne zagadnienia z inżynierii lądowej. Prace naukowe doktorantów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2020.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).