nieuws

Vergelijkingen van Suiker voorkomen dat 3D-geprinte muren inzakken of omtuimelen

bouwbreed Premium 1718

Vergelijkingen van Suiker voorkomen dat 3D-geprinte muren inzakken of omtuimelen

3D-geprinte materialen zijn tijdens het printen vaak nog zacht en flexibel, waardoor muurtjes in elkaar zakken of omvallen. Akke Suiker, hoogleraar mechanica aan de TU Eindhoven, had een Eureka-moment en zag de oplossing voor dit constructieve probleem. Hij ontwikkelde een model waarmee ingenieurs nu eenvoudig kunnen bepalen bij welke afmetingen en printsnelheid geprinte wanden stand houden.

Conventioneel beton krijgt, gestort in bekisting, vaak voldoende tijd om uit te harden. Maar 3D-geprint beton niet. Dat heeft geen extra ondersteuning  en krijgt toch vrijwel meteen de last te dragen van de volgende laagjes beton die er bovenop worden gelegd. Iedereen voelt op zijn klompen aan dat de spanning stijgt naarmate de constructie hoger wordt. Is die al stijf en sterk genoeg om er nóg een extra laagje bovenop te leggen? Het is een van de belangrijkste kwesties in het nog prille vakgebied van 3D-printen.

Tijdens het zaterdagontbijt staan de eerste schetsen op papier

Deze kwestie lag eigenlijk niet op het bordje van hoogleraar Akke Suiker. Dagelijks ziet hij in het voorbijgaan wel de kingsize betonprinter van de TU Eindhoven aan het werk. Maar op een zaterdagochtend in maart 2017 wordt hij wel wakker met dé manier om het op te lossen. Nog tijdens het ontbijt zet hij de eerste wiskundige vergelijkingen op papier. De zes maanden die daarop volgen is Suiker er helemaal door gegrepen, en werkt koortsachtig de ideeën verder uit. De resultaten staan deze week in het International Journal of Mechanical Sciences.

Probleem getackeld met elegant overzichtelijk model

Met zijn vergelijkingen kan Suiker vooraf berekenen hoe snel hij laagjes op elkaar kan leggen, bij een bepaalde uithardingssnelheid van het materiaal, en bij bepaalde afmetingen van de muurconstructie. En dat allemaal zonder dat de constructie het begeeft. Maar hij kan ook berekenen hoe hij die constructie kan maken met zo min mogelijk materiaal, en wat de invloed van structurele onregelmatigheden is. Of wat er gebeurt als hij een muurtje net iets dikker maakt of sneller laat uitharden, of gebruik maakt van een ander materiaal. Of dat het muurtje de neiging heeft alleen om te vallen of ook de aansluitende constructie met zich meetrekt. In het laatste geval is de gevolgschade die optreedt vanzelfsprekend aanzienlijk groter. Feitelijk zijn er zo’n 15 a 20 factoren waar je rekening mee moet houden. Doordat Suiker zijn vergelijkingen handig heeft geschaald hield hij uiteindelijk slechts vijf dimensieloze parameters over. Het probleem is daarmee getackeld met een elegant en inzichtelijk model.

Suiker: “Een aantal parameters in het printproces hebben een vergelijkbaar effect op de sterkte en stabiliteit van de constructie. Het vergroten van de uithardingssnelheid van het gebruikte mengsel heeft hetzelfde effect als wanneer je de printkop langzamer laat lopen. Die twee kun je dus op elkaar delen, en terugbrengen tot één dimensieloze parameter met een grote voorspellende waarde. Zo zijn er meer parameters die je kunt combineren, en hou je een overzichtelijk en handzaam model over dat snel inzicht geeft in het printproces.”

Essentiële basiskennis over het printproces

De inzichten die het model biedt creëren volgens de hoogleraar essentiële basiskennis voor iedereen die 3D-constructies print. Voor constructeurs, ingenieursbureaus, maar ook bijvoorbeeld voor bedrijven die dunwandige kunststof protheses printen van kleine afmetingen, want daar gelden de vergelijkingen ook voor. De eerste interesse is er al: binnenkort licht Suiker zijn werk toe op de universiteit van Cambridge.

Veel sneller dan eindige elementenmethode

Suiker was in de gelegenheid zijn model direct te valideren aan de hand van experimenten van promovendus Rob Wolfs op 3D-geprinte betonconstructies. Wolfs voert veel experimenteel onderzoek uit met de printer maar berekent de constructies ook met de bekende eindige-elementenmethode. Zijn gedetailleerde berekeningen, die veel rekenkracht vragen, vallen mooi samen met de snellere resultaten die Suiker met zijn vergelijkingen krijgt. De hoogleraar: “Onze methoden vullen elkaar mooi aan. De eindige-elementenmethode is natuurlijk heel breed inzetbaar, ook voor dubbelgekromde vlakken en schaalconstructies, maar elke berekening geldt alleen voor dat ene specifieke geval onder die bepaalde condities. Mijn methode geeft juist veel meer inzicht in het proces van het printen als geheel, en wat het algehele effect is wanneer je procesparameters varieert. Het model leert je eigenlijk in essentie hoe het 3D-printproces in elkaar steekt voor een willekeurig materiaal, en wat de meest relevante parameters zijn. Het heeft daardoor ook een belangrijke didactische waarde voor iedereen die zich met 3D-printing bezighoudt. Maar voorlopig is het alleen van toepassing op constructies opgebouwd uit rechte wanden. Dat is vaker van toepassing dan je zou denken. Een kokerprofiel is bijvoorbeeld niet meer dan vier gekoppelde rechte wanden. De methoden vullen elkaar in dat opzicht prachtig aan. Ik heb nog wel wat ideeën om de vergelijkingen uit te breiden zodat ze ook voor complexere vormen van toepassing zijn, maar daar zou ik echt even tijd voor moeten vrijmaken om dat verder uit te werken.”

 

Reageer op dit artikel