La densité et la viscosité sont paramètres critiques dans l'impression 3D de ciment car ils affectent directement la imprimabilité, intégrité structurelle et adhérence des couches du matériel imprimé. La surveillance en ligne de ces paramètres est essentielle pour un contrôle fiable en temps réel et pour garantir la qualité.
Figure 1 : Impression 3D de ciment [1]
Table des matières
La fabrication additive a fait des progrès significatifs au fil des ans et a atteint une pertinence dans différentes industries comme Impression 3D de ciment ou de béton (3DCP). Aussi connu sous le nom fabrication additive du bétonIl s'agit d'une technologie de pointe permettant la construction automatisée, couche par couche, de structures à base de ciment. Contrairement aux constructions traditionnelles en béton, qui nécessitent des coffrages et un travail manuel considérable, l'impression 3D est directement réalisée. extrude des mélanges à base de ciment Suivant un modèle numérique préprogrammé, ce qui n'est pas très différent des impressions 3D polymères classiques. Différentes technologies de 3DCP sont possibles, comme le jet de liant et le jet de matière, mais l'extrusion reste la méthode prédominante. Cette technologie offre plusieurs avantages, notamment réduction des déchets de matériaux, délais de construction plus rapides et plus grande flexibilité de conceptionPour y parvenir, il est toutefois essentiel de surveiller et optimiser la composition du matériau, les paramètres d'extrusion et les conditions de durcissement pour assurer l'uniformité imprimabilité, consistance du matériau, liaison correcte entre les couches, contrôle environnemental, etc.
Cet article met en évidence la pertinence de paramètres clés tels que la viscosité et la densité dans l'impression 3D de ciment et comment Rheonics les capteurs permettent une mesure en ligne en temps réel pour la surveillance et le contrôle.
Impression 3D PERI : Premier bâtiment résidentiel imprimé en 3D en Allemagne – [1]
D'une manière générale, un processus d'impression 3D de ciment peut être divisé en les étapes suivantes [2] :
Pré-mélange
Des matériaux pré-dosés sont mélangés pour obtenir un ciment spécialement développé pour l'impression 3D. Il comprend généralement du ciment, du sable, des additifs et parfois des fibres pour améliorer la résistance et la maniabilité. Plusieurs entreprises proposent déjà ce matériau pré-mélangé, prêt pour l'impression 3D de ciment. Les premiers développements utilisaient des agents épaississants pour garantir une limite d'élasticité élevée après extrusion, tandis que les développements récents utilisent des retardateurs pour empêcher la prise du matériau frais pendant le pompage, en combinaison avec des accélérateurs qui neutralisent l'effet retardateur et accélèrent la prise.
Mixage audio
Processus d'hydratation de la matière sèche par ajout d'eau. Le mélange peut être effectué par lots ou en continu. Certains procédés utilisent une seconde phase de mélange juste avant l'extrusion, pour différents besoins liés au fluide utilisé.
Transports
Le transport du béton nécessite généralement l'utilisation de pompes à vis excentrée, mais on trouve également des pompes volumétriques à piston. Un approvisionnement constant en béton frais est essentiel à la réussite de toute opération d'impression. En général, l'objectif est d'éviter les arrêts fréquents de l'impression et de veiller à ce que la vitesse ne dépasse pas la vitesse verticale maximale de construction du matériau.
Le comportement fluide du béton pose de nombreux défis pour le suivi de ses propriétés rhéologiques. Le béton possède une limite d'élasticité, ce qui signifie qu'il se comporte comme un solide sous une certaine contrainte de cisaillement, et devient fluide lorsque cette contrainte est dépassée. De plus, il est indispensable d'avoir une grande fluidité lors du pompage, mais aussi une rigidité élevée et une certaine résistance pour conserver sa forme après extrusion.
La viscosité indique la résistance à l'écoulement d'un fluide ainsi que sa consistance, tandis que la masse volumique est un indicateur de l'homogénéité du mélange (par exemple, le rapport eau/ciment), qui influence la résistance, l'imprimabilité et le temps de prise. En général, la surveillance de la viscosité et de la masse volumique est nécessaire pour déterminer :
Outre la surveillance des propriétés des matériaux, la connaissance des paramètres d'impression et des conditions de durcissement est essentielle dans le processus d'impression 3D du béton.
Rheonics propose des densimètres et des viscosimètres de processus en ligne pour une surveillance en temps réel du béton.
Rheonics Viscosimètre en ligne SRV:Ce capteur mesure une large gamme de viscosité et de température en temps réel et convient à l'installation dans des réservoirs pour surveiller les processus de mélange et dans des canalisations pour la mesure continue du fluide en écoulement. Rheonics Le SRV est particulièrement adapté aux processus de mélange à grande vitesse et n'est pas affecté par la présence de bulles dans le fluide ou de vibrations externes.
Rheonics Densimètre et viscosimètre en ligne SRDCe capteur mesure la densité, la viscosité et la température en temps réel. Il est particulièrement adapté à une installation dans des canalisations et des réservoirs à vitesse de mélange constante. Le SRD ajoute la densité aux mesures, permettant ainsi des calculs plus précis de la concentration du fluide. Cependant, sa plage de viscosité est plus étroite que celle du SRV, et une forte concentration de bulles peut ajouter du bruit aux mesures en raison de la mesure de la densité. Le SRD n'est pas affecté par les vibrations externes.
Plusieurs sondes SRV et SRD (type SR) sont proposées pour répondre à des exigences d'installation spécifiques. Visitez Variantes du viscosimètre SRV et Variantes de densimètres et de viscosimètres SRD.
Le béton est un fluide granulaire composé de liquide, principalement d'eau ajoutée lors du mélange, et généralement de fines particules comme de la fumée de silice, des cendres volantes, des scories, etc. En raison de sa composition et de ses propriétés abrasives courantes, Rheonics a les exigences d'installation suivantes pour mesurer la viscosité et la densité du béton avec les capteurs de type SR.
Rheonics capteur sondes à insertion longue L'installation coudée (Type-SR-X5) est une excellente solution pour les mesures en ligne du béton. L'installation coudée permet au fluide de circuler parallèlement ou axialement par rapport à l'élément sensible de la sonde, tandis que la conception à insertion longue place l'élément sensible plus loin dans la conduite, là où le débit est plus régulier qu'à proximité de la paroi. Cela garantit que l'élément sensible reste toujours propre (le débit le maintient propre et exempt de tout dépôt).
Avec une sonde d'insertion longue, le client peut définir la longueur d'insertion (A) et le raccordement au procédé (B). Le tableau suivant présente une solution courante utilisant un raccord fileté NPT 1.25" et un coude.
Retrouvez plus d'exemples d'installation de coudes de balayage dans notre article : Installation de viscosimètres et de densimètres de type SR dans les coudes de balayage
La variante SRV ou SRD Stargate (SG) est adaptée aux fluides à haute viscosité et à grande vitesse, minimisant les dépôts et les charges sur la sonde, car elle possède une conception de cellule de plaquette qui place la sonde centrée sur une ligne droite.
Le avantage L'avantage de l'installation Stargate est qu'elle présente le moins d'encrassement possible et peut réduire l'abrasion de la sonde. Le principal enjeu pour cette installation est la nécessité d'adaptateurs pour se connecter au procédé. Rheonics offre Tri-Clamp Adaptateurs généralement inadaptés aux applications ciment ou béton. Pour cette raison, le client doit suivre les plans de l'interface mécanique du Stargate pour l'adapter au procédé.
Une installation perpendiculaire place la sonde à 90° par rapport à l'écoulement du fluide. Le principal avantage de cette installation est sa simplicité. Normalement, une Rheonics une sonde de capteur avec raccord fileté (G1/2 ou NPT 3/4”) est utilisée et un weldolet est requis pour l'installation (HAW-12G-OTK or WOL-34NL). Cela peut convenir aux installations après le mélange, entre les tuyaux ou juste avant la matrice d'extrusion ou la tête d'impression.
Cependant, cette installation est sujette à des dépôts ou des accumulations autour de la sonde, qui peuvent recouvrir l'élément sensible et affecter les mesures du capteur. Les dépôts de fluides sont fréquents avec les fluides à haute viscosité comme le ciment ou le béton. Le client doit veiller à éviter les zones sujettes aux dépôts (zones mortes) et à nettoyer la sonde en cas de formation de dépôts.
Abrasion par érosion
Les applications concrètes peuvent exposer les sondes à l'abrasion en raison de l'érosion du fluide sur leur surface. Dans ce cas, il est nécessaire de remplacer les sondes après un certain temps. Il suffit aux utilisateurs de demander une nouvelle sonde, tandis que le câble et l'électronique du capteur restent en place. Dans ces conditions, la durée de vie de la sonde dépend du débit, des particules présentes dans le fluide, du cycle de service, etc. Il est impossible de l'estimer à l'avance, mais Rheonics les capteurs peuvent être configurés pour montrer aux utilisateurs le niveau d'abrasion et avertir lorsqu'un remplacement est nécessaire.
Rheonics Les sondes pour ciment sont proposées en acier inoxydable 316L. Pour en savoir plus sur les matériaux des sondes, cliquez ici : Rheonics compatibilité chimique des matériaux de densité du viscosimètre
Rheonics Les sondes SRV et SRD sont compatibles avec des débits allant jusqu'à 10 m/s. Une installation parallèle dans un coude réduit l'impact de la vitesse d'écoulement sur les sondes, mais ces vitesses peuvent néanmoins ajouter un bruit excessif aux mesures. En savoir plus Sondes de type SR avec fluides à haute viscosité et vitesse.
La présence de particules dans le fluide mesuré est liée à l'abrasion de la sonde. Normalement, les particules molles, de l'ordre du micron, n'affectent pas la mesure du capteur. Elles peuvent seulement générer du bruit dans les mesures, lequel peut être filtré par l'électronique du capteur. Les particules plus grosses ou dures, de l'ordre du millimètre ou du centimètre, peuvent générer un bruit très important dans les mesures, voire endommager la sonde ; il est donc essentiel de les éviter.
Références
[1] Impression 3D de construction PERI : premier bâtiment résidentiel imprimé en 3D en Allemagne (EN)
[2] https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
[3] Pompe à vis excentrée multi-applications en acier inoxydable PCM EcoMoineau™ C
[4] Solution | COBOD International
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
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