密度と粘度は 重要なパラメータ 3Dセメント印刷では、直接影響を与えるため、 印刷適性, 構造的完全性, 層接着 印刷物の。これらのパラメータをインラインで監視することは、堅牢なリアルタイム制御と品質確保の鍵となります。
図1: 3Dセメントプリント[1]
コンテンツの表
はじめに
積層造形は長年にわたって大きな進歩を遂げ、次のようなさまざまな業界で重要になっています。 3Dセメントまたはコンクリート印刷（3DCP）。 としても知られている コンクリート積層造形これは、セメント系材料を用いた構造物の層ごとの自動構築を可能にする最先端技術です。型枠と膨大な手作業を必要とする従来のコンクリート建設とは異なり、3Dプリントは直接 セメントベースの混合物を押し出す 事前にプログラムされたデジタルモデルに従って造形する方式で、よく知られているポリマー3Dプリントとそれほど変わりません。3DCPにはバインダージェッティングやマテリアルジェッティングなど様々な技術がありますが、主流は押し出し成形です。この技術には、以下のような利点があります。 材料の無駄が減り、建設時間が短縮され、設計の柔軟性が向上します。しかし、これを達成するには、 材料の組成、押し出しパラメータ、硬化条件を監視および最適化します。 均一性を確保する 印刷性、材料の一貫性、層間の正しい結合、環境制御, etc.
この記事では、3Dセメント印刷における粘度や密度などの重要なパラメータの関連性と、 Rheonics センサーにより、監視と制御のためのリアルタイムのインライン測定が可能になります。
PERI 3D建設プリント：ドイツ初の3Dプリント住宅 – [1]
2. セメント添加剤製造プロセス
大まかに見ると、3Dセメントプリントのプロセスは次のステップに分けられます[2]。
プレミックス
3DCP用に特別に開発されたセメントを得るために、プレドーズ材を混合します。プレドーズ材には通常、セメント、砂、添加剤に加え、強度と作業性を向上させるための繊維が含まれる場合もあります。既に複数の企業が、3Dセメントプリント用にプレミックスされた材料を提供しています。初期の開発では、押出成形後に高い降伏応力を確保するために増粘剤が使用されていましたが、近年の開発では、ポンプ圧送工程中の新材料の凝結を防ぐ遅延剤と、遅延剤の効果を打ち消して凝結時間を短縮する促進剤を組み合わせて使用されています。
混合
乾燥材料に主に水を加えて水和させるプロセス。混合はバッチ式または連続式で行うことができます。一部のプロセスでは、使用する流体に応じて、押出直前に第二段階の混合工程を設けます。
輸送
コンクリートの搬送には通常、プログレッシブキャビティポンプが必要ですが、容積式ピストンポンプも使用されています。印刷作業を成功させるには、常に新鮮なコンクリート材料を供給することが不可欠です。一般的には、印刷中の頻繁な停止を避け、速度が材料の最大垂直構築速度を超えないようにすることが目的です。
押し出しは3Dセメントプリントにおいて極めて重要な工程であり、3方向に通常移動可能なロボットアームまたはガントリーシステムに取り付けられたノズルまたはダイを通して材料を押し出すことで、事前にプログラムされたデジタルモデルに沿って材料を成形します。各層は前の層と結合し、徐々に構造を形成していきます。ノズルは、パッシブノズルまたは制御された堆積スクリューノズルのいずれかです。前者は輸送ポンプシステム自体によって押し出しを行い、後者は材料を直接押し出すためのフィーダースクリューを備えたオープンホッパーを備えており、これによりフロー制御の精度が向上します。
3. プロセスと監視の課題
コンクリートの流動挙動は、そのレオロジー特性のモニタリングにおいて多くの課題をもたらします。コンクリートには降伏応力があり、一定のせん断応力以下では固体として挙動し、このせん断応力を超えると流動挙動を示します。さらに、ポンプ圧送中の高い流動性だけでなく、押し出し成形後に形状を維持するために高い剛性と一定の強度も求められます。
粘度は流体の流動抵抗と稠度を示します。一方、密度は流体の均一な混合状態（例えば、水セメント比）を示す指標として用いられ、強度、印刷性、硬化時間に影響を与えます。一般的に、粘度と密度のモニタリングは、以下の事項を決定するために必要です。
- 印刷性（堆積後の形状保持、サポートされる層数）
- 材料強度
- 印刷品質
- 乾燥収縮
- 押し出し機の詰まりを避ける
材料特性の監視に加えて、印刷パラメータと硬化条件を知ることが、3D コンクリート印刷プロセスにおいて重要です。
4. Rheonics インライン密度・粘度センサー
Rheonics コンクリートのリアルタイム監視用のインラインプロセス密度および粘度計を提供します。
Rheonics SRV インライン粘度計このセンサーは、広範囲の粘度と温度をリアルタイムで測定し、タンク内に設置して混合プロセスを監視したり、パイプライン内に設置して流れる流体を連続的に測定するのに適しています。 Rheonics SRV は高速混合プロセスに特に適しており、流体内の気泡や外部の振動の影響を受けません。
Rheonics SRD インライン密度および粘度計このセンサーは、密度、粘度、温度をリアルタイムで測定します。一定の混合速度で稼働するパイプラインやタンクへの設置に最適です。SRDは測定値に密度を加算することで、流体の濃度をさらに計算できます。ただし、SRVと比較して粘度測定範囲が狭く、気泡濃度が高いと密度測定によるノイズが測定値に加算される可能性があります。SRDは外部振動の影響を受けません。
特定の設置要件に合わせて、複数のSRVおよびSRD（タイプSR）センサープローブが提供されています。 SRV 粘度計のバリエーション および SRD 密度および粘度計のバリエーション.
インストール
コンクリートは、主に混合時に加えられる水などの液体と、通常はシリカフューム、フライアッシュ、スラグなどの微粒子から構成される粒状流体です。その組成と一般的な研磨特性により、 Rheonics タイプSRセンサーを使用してコンクリートの粘度と密度を測定するには、次の設置要件があります。
- スイープエルボへの取り付け
Rheonics センサー 長い挿入プローブ エルボに取り付けた（タイプSR-X5）は、コンクリートのインライン測定に最適なソリューションです。エルボに取り付けることで、流体はセンサプローブのセンシングエレメントと平行または軸方向に流れることができ、挿入長が長い設計により、センシングエレメントは壁際よりも流体の流れが安定しているラインの奥に配置されます。これにより、センシングエレメントは常にクリーンな状態を保ちます（流体の流れによってクリーンな状態が保たれ、堆積物も除去されます）。
長い挿入プローブを使用することで、お客様は挿入長さ（A）とプロセス接続（B）を定義できます。次の表は、NPT 1.25インチのねじ接続とエルボレットを使用した一般的なソリューションを示しています。
スイープ エルボのその他の設置例については、次の記事をご覧ください。 スイープエルボへのSR型粘度計・密度計の設置
- インストール Rheonics スターゲイト
SRV または SRD Stargate (SG) バリアントは、プローブを直線の中心に配置するウェーハ セル設計を備えているため、プローブへの堆積物と負荷を最小限に抑え、高粘度および高速の流体に適しています。
当学校区の 利点 Stargate設置の利点は、汚れが最も少なく、プローブの摩耗を軽減できることです。この設置における主な考慮事項は、プロセスに接続するためのアダプタの必要性です。 Rheonics オファー Tri-Clamp アダプターは一般的にセメントやコンクリートの用途には適していません。そのため、お客様はStargateの機械インターフェース図面に従って、プロセスに適合させる必要があります。
- 垂直設置
垂直設置では、プローブを流体の流れに対して90°の角度で設置します。この設置方法の主な利点は、そのシンプルさです。通常、 Rheonics ねじ接続（G1/2またはNPT 3/4インチ）のセンサープローブが使用され、取り付けには溶接リードレットが必要です（HAW-12G-OTK or WOL-34NL) 混合後、ホース間、または押し出しダイやプリントヘッドの直前への設置に適しています。
しかし、この設置方法では、プローブ周囲に堆積物や堆積物が生じやすく、センシング素子を覆い、センサーの測定値に影響を与える可能性があります。セメントやコンクリートのような高粘度流体では、流体の堆積物が発生することがよくあります。お客様は、堆積物が発生しやすい領域（デッドゾーン）を避け、堆積物が発生した場合はプローブを清掃する必要があります。
5. 設置に関する考慮事項
侵食による摩耗
コンクリート用途では、流体によるプローブ表面の浸食作用により、センサープローブが摩耗する可能性があります。このような場合、一定期間後にプローブを交換する必要があります。お客様は、センサーケーブルと電子部品をそのまま使用し、新しいプローブをリクエストするだけで済みます。このような条件下でのプローブの寿命は、流量、流体中の粒子、デューティサイクルなどに依存します。事前に予測することはできませんが、 Rheonics センサーを設定すると、摩耗のレベルをユーザーに示し、交換が必要な場合に警告することができます。
接液材料
Rheonics セメント用センサープローブはステンレス鋼316Lで提供されています。プローブ材質の詳細については、こちらをご覧ください。 Rheonics 粘度計 密度 材料 化学的適合性
流速制限
Rheonics SRVおよびSRDプローブは、最大10m/sの流速に対応しています。エルボに並列に設置することで、プローブへの流速の影響を軽減できますが、この範囲の流速では、測定値に過度のノイズが加わる可能性があります。詳しくはこちらをご覧ください。 高粘度・高速度流体用タイプSRプローブ.
流体中の粒子
測定対象流体中の粒子の存在は、プローブの摩耗に関係しています。通常、数ミクロン単位の柔らかい粒子はセンサの測定に影響を与えません。これらの粒子は、センサの電子回路によってフィルタリングされる程度のノイズとして測定値に現れる可能性があります。一方、数ミリメートルまたは数センチメートル単位の大きな粒子や硬い粒子は、測定値に非常に大きなノイズを発生させたり、プローブを損傷したりする可能性があるため、これらの粒子は避けなければなりません。
参考情報
【1] PERI 3D建設プリント：ドイツ初の3Dプリント住宅（英語）
【2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
【3] PCM EcoMoineau™ C 多用途ステンレス鋼製プログレッシブキャビティポンプ
【5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
