Importance of Fluid and Quickly Freezing Materials

Robotik sistemlerle yerinde inşaat (on-site robotic construction), özelliklede akışkan ve hızlı priz alan kil ve beton karışımlarınınkullanımı, 3D baskılı konutların geleceğinde kritik bir rol oynamaktadır.Malzeme seçimi, yalnızca yapısal dayanım açısından değil, aynı zamanda baskısürecinin başarısı için de belirleyici bir unsurdur.

Akışkan ve Çabuk Donan Malzemelerin Önemi

3D baskı inşaatında malzeme seçiminin kritik olmasının birkaç temel nedenivardır:

1.      Akışkanlık(Rheology): Malzeme, yazıcının nozulundan rahatlıkla akabilmelive düzgün bir katman halinde serilebilmelidir. Bu özellik; karışımdaki suoranı, katkı maddeleri ve agregaların (kum, çakıl vb.) boyut ve şekilleriyledoğrudan ilişkilidir.

2.      HızlıPriz Alma (Rapid Setting): Her katman, bir sonraki katmanserilene kadar yeterli sertliğe ulaşmalı ve kendi ağırlığını taşıyabilmelidir.Aksi halde yapı çöker veya deforme olur. Özellikle yüksek duvarların inşasındabu durum hayati önem taşır. Çimento veya kil bazlı karışımlara eklenen hızlıpriz aldırıcı katkılarla bu özellik sağlanır.

3.      Yeterli Dayanım: Sertleşmenin ardından, malzeme yapının taşıyıcı özelliklerini karşılayacak düzeyde basınç ve çekme dayanımına sahip olmalıdır.

4.      İşlenebilirlik Süresi (Open Time): Malzeme, yazıcının haznesinde veya pompalama sisteminde priz almadan belirli bir süre işlenebilir durumda kalmalıdır.

Kil Bazlı Karışımlar

Kil, doğal ve sürdürülebilir bir malzeme olması nedeniyle 3D baskı inşaatında ilgi çekmektedir. Bununla birlikte bazı teknik zorluklar barındırır:

1.      PrizAlma Süresi: Doğal kilin kuruması uzun sürebilir. Bu nedenlehızlı kuruyan özel kil karışımları geliştirilmekte; az miktarda çimento,jeopolimer veya kuruma hızlandırıcı katkılarla desteklenmektedir.

2.      Suİçeriği: Akışkanlık için yeterli miktarda su gereklidir, ancakfazla su dayanımı düşürür ve büzülmeyi artırır.

3.      Büzülme(Shrinkage): Kil kuruma sırasında büzülmeye meyillidir. Bu daçatlaklara yol açabilir. Lif takviyeleri veya özel agregalarla bu sorun kontrolaltına alınabilir.

4.      YapısalDayanım: Tek başına kil, yüksek katlı yapılar için yeterlitaşıyıcı kapasite sunmayabilir. Bu durumda kil, 3D baskıda kalıp olarakkullanılabilir ve içi betonla doldurulabilir ya da kil–polimer kompozitler gibihibrit çözümler uygulanabilir.

Örnek: “Pylos” gibi projelerde, yerel toprak, suve bağlayıcıların bir arada kullanıldığı kil bazlı karışımlar ile büyük ölçeklimimari elemanların basılabildiği görülmektedir.

Beton Bazlı Karışımlar

Beton, inşaat sektörünün en yaygın malzemelerinden biri olması nedeniyle 3Dbaskı için doğal bir adaydır. Ancak geleneksel beton bu teknolojiye uygundeğildir; bu nedenle özel formüle edilmiş 3D baskı betonları geliştirilmiştir:

1.      YüksekAkışkanlık (High Flowability): Karışım pompalanabilir venozuldan rahatça akabilir olmalıdır. Bu genellikle süper akışkanlaştırıcıkatkılarla sağlanır.

2.      YüksekYapışkanlık (High Buildability): Serilen katman, kendi ağırlığıaltında çökmeden şekil tutabilmelidir. Bu, hızlı priz aldırıcılar ve viskoziteartırıcı katkılarla mümkün olur.

3.      HızlıPriz Alma: Baskı sürecinde betonun dakikalar içinde priz almayabaşlaması hedeflenir. Bu durum, priz başlangıcı ve sonu sürelerinin hassasbiçimde ayarlanmasını gerektirir.

4.      Agrega Boyutu: Nozulun tıkanmaması için agrega boyutu gelenekselbetona kıyasla küçültülür; genellikle maksimum 2 mm çapında tutulur.

5.      Dayanım:Sertleşmiş betonun, geleneksel betonla eşdeğer veya daha yüksek mekanik dayanım göstermesi beklenir.

Örnek: Günümüzde birçok araştırma merkezi ve firma, nanomalzemeler, özel polimerler ve fiber takviyelerle güçlendirilmiş,yüksek performanslı 3D baskı betonları geliştirmektedir.

Robotik Sistemlerin Entegrasyonu

Bu özel malzemelerin kullanılabilmesi için robotik sistemlerin kendileri degelişmiş özellikler sunmalıdır:

1.      Hassas Kontrol: Robotik kollar, malzemenin katmanlar halinde doğru ve tekrarlanabilir biçimde serilmesini sağlamalıdır.

2.      Malzeme Besleme Sistemi: Homojen karışımı sürekli olarak bozulabilecek güçlü pompalar ve karıştırıcılar gerekir.

3.      Sensörler ve Gerçek Zamanlı Geri Bildirim: Baskı sırasında çevresel koşullar (sıcaklık, nem) ve malzeme özellikleri (viskozite, priz hızı)izlenmeli; parametreler anlık olarak ayarlanabilmelidir.

4.      Mobilite(Yerinde İnşaat İçin): Büyük ölçekli yapılar için robotlar,sahada hareket edebilen mobil platformlara entegre edilmeli veya kablo tahriklisistemler gibi esnek çözümler kullanılmalıdır.

‍

ENG

‍

Importance of Fluid and Quickly Freezing Materials

On-site robotic construction, particularly with fluid and fast-setting clay and concrete mixtures, plays a crucial role in the future of 3D-printed housing. The choice of material is critical not only for structural strength but also for the overall success of the printing process.

Why Fluid and Rapid-Setting Materials Matter

Material selection in 3D printing construction is critical for several key reasons:

1. Flowability (Rheology):
   The material must flow easily through the printer nozzle and be deposited in uniform layers. This property is directly related to water content, additives, and the size and shape of aggregates (such as sand or gravel).
2. Rapid Setting:
   Each printed layer must achieve sufficient stiffness to support subsequent layers. Without this, structures can collapse or deform. This is especially critical when printing tall walls. Rapid-setting additives in cement- or clay-based mixes ensure this property.
3. Sufficient Strength:
   Once hardened, the material must meet the required levels of compressive and tensile strength to serve as a load-bearing component.
4. Open Time (Workability Duration):
   The material must remain workable in the printer’s reservoir or pumping system long enough to complete the printing process without setting prematurely.

Clay-Based Mixtures

Clay is attracting attention in 3D-printed construction due to its natural and sustainable properties. However, it presents certain technical challenges:

1. Setting Time:
   Natural clay can take a long time to dry. To address this, faster-drying clay mixes are developed using small amounts of cement, geopolymer, or drying accelerators.
2. Water Content:
   Adequate water is required for flowability, but excess water reduces strength and increases shrinkage.
3. Shrinkage:
   Clay tends to shrink as it dries, which can lead to cracking. This can be mitigated with fiber reinforcements or special aggregates.
4. Structural Strength:
   On its own, clay may not provide sufficient load-bearing capacity for multi-story structures. In such cases, clay can serve as a formwork to be filled with concrete or be used in hybrid solutions such as clay–polymer composites.

Example:
Projects like "Pylos" demonstrate how local soil, water, and binders can be combined in clay-based mixtures to print large-scale architectural components.

Concrete-Based Mixtures

Concrete is a natural candidate for 3D printing due to its ubiquity in construction. However, traditional concrete is not suitable for this technology. Specially formulated 3D printing concretes have therefore been developed:

1. High Flowability:
   The mix must be easily pumpable and pass through the nozzle. This is typically achieved using superplasticizers.
2. High Buildability:
   Each printed layer must hold its shape without collapsing under its own weight. This is achieved with rapid-set accelerators and viscosity-modifying agents.
3. Rapid Setting:
   The goal is for the concrete to begin setting within minutes during the printing process, requiring precise control of setting times.
4. Aggregate Size:
   To avoid nozzle blockages, aggregate size is reduced compared to conventional concrete, usually kept under 2 mm.
5. Strength:
   The hardened concrete should match or exceed the mechanical performance of conventional concrete.

Example:
Numerous research centers and companies are developing high-performance 3D-printable concretes reinforced with nanomaterials, special polymers, and fibers.

Integration with Robotic Systems

To utilize these specialized materials effectively, robotic systems must also be equipped with advanced capabilities:

1. Precision Control:
   Robotic arms must deposit material in accurate, repeatable layers.
2. Material Delivery System:
   Powerful pumps and mixers are required to deliver a consistent, homogeneous mixture to the nozzle.
3. Sensors and Real-Time Feedback:
   Environmental conditions (temperature, humidity) and material properties (viscosity, setting time) must be monitored and adjusted dynamically during the print.
4. Mobility (For On-Site Construction):
   For large-scale structures, robots should be integrated with mobile platforms or flexible systems like cable-driven setups to allow movement across the construction site.

‍