Densidade e viscosidade são parâmetros críticos na impressão 3D de cimento, pois afetam diretamente a capacidade de impressão, integridade estrutural e adesão da camada do material impresso. O monitoramento em linha desses parâmetros é fundamental para um controle robusto em tempo real e para garantir a qualidade.
Figura 1: Impressão 3D em cimento [1]
Tabela de conteúdo
- Conheça
- Processo de Fabricação de Aditivos de Cimento
- Desafios de Processo e Monitoramento
- Rheonics Sensores de densidade e viscosidade em linha
1. Introdução
A manufatura aditiva fez progressos significativos ao longo dos anos e alcançou relevância em diferentes indústrias como Impressão 3D em cimento ou concreto (3DCP). Também conhecido como manufatura aditiva de concreto, trata-se de uma tecnologia de ponta que permite a construção automatizada, camada por camada, de estruturas utilizando materiais cimentícios. Ao contrário da construção tradicional em concreto, que exige fôrmas e enorme trabalho manual, a impressão 3D diretamente extruda misturas à base de cimento seguindo um modelo digital pré-programado, não muito diferente das conhecidas impressões 3D de polímeros. Diferentes tecnologias de 3DCP são possíveis, como jato de ligante e jato de material, mas a extrusão é o método predominante. Essa tecnologia oferece diversas vantagens, incluindo redução do desperdício de material, tempos de construção mais rápidos e maior flexibilidade de projeto. Para conseguir isso, no entanto, é fundamental monitorar e otimizar a composição do material, parâmetros de extrusão e condições de cura para garantir uniformidade imprimibilidade, consistência do material, colagem correta entre camadas, controle ambiental, etc.
Este artigo destaca a relevância de parâmetros-chave como viscosidade e densidade na impressão 3D de cimento e como Rheonics sensores permitem medições em linha em tempo real para monitoramento e controle.
Impressão de construção PERI 3D: Primeiro edifício residencial impresso em 3D na Alemanha – [1]
2. Processo de Fabricação de Aditivos de Cimento
Numa visão ampla, um processo de impressão 3D de cimento pode ser dividido nas seguintes etapas [2]:
Pré-mistura
Os materiais de pré-dosagem são misturados para obter cimento especialmente desenvolvido para impressão 3DCP. Geralmente, isso inclui cimento, areia, aditivos e, às vezes, fibras para melhorar a resistência e a trabalhabilidade. Diversas empresas já oferecem esse material pré-misturado pronto para impressão 3D em cimento. Os desenvolvimentos iniciais utilizavam agentes espessantes para garantir um alto limite de escoamento após a extrusão, enquanto os desenvolvimentos recentes utilizam retardantes para evitar a pega do material fresco durante o processo de bombeamento, em combinação com aceleradores que neutralizam o efeito retardante e induzem tempos de pega mais rápidos.
Misturando
Processo de hidratação do material seco, principalmente pela adição de água. A mistura pode ser feita em lotes ou por meio de um processo contínuo. Alguns processos utilizam uma segunda fase de mistura logo antes da extrusão, para diferentes propósitos relacionados ao fluido utilizado.
Transporte
O transporte de concreto normalmente requer o uso de bombas de cavidade progressiva; bombas de pistão de deslocamento positivo também podem ser utilizadas. Um fornecimento consistente de concreto fresco é essencial para o sucesso de qualquer operação de impressão. Geralmente, a intenção é evitar paradas frequentes na impressão e garantir que a velocidade não exceda a taxa máxima de construção vertical do material.
A extrusão é a etapa crítica na impressão 3D de cimento e consiste na extrusão do material através de um bico ou matriz montado em um braço robótico ou sistema de pórtico capaz de se mover normalmente em três direções e seguir um modelo digital pré-programado. Cada camada se liga à anterior, construindo gradualmente a estrutura. Os bicos podem ser bicos passivos ou bicos de parafuso de deposição controlada. O primeiro realiza a extrusão pelo próprio sistema de bombeamento de transporte, enquanto o segundo possui uma tremonha aberta com um parafuso de alimentação para extrudar o material diretamente, permitindo maior precisão no controle do fluxo.
3. Desafios de processo e monitoramento
O comportamento fluido do concreto apresenta muitos desafios no monitoramento de suas propriedades reológicas. O concreto apresenta uma tensão de escoamento, o que significa que se comporta como um sólido sob uma determinada tensão de cisalhamento aplicada a ele, e um comportamento fluido quando essa tensão de cisalhamento é excedida. Além disso, há uma clara necessidade de alta fluidez durante o bombeamento, mas também de alta rigidez e certa resistência para manter sua forma após a extrusão.
A viscosidade indica a resistência de um fluido ao fluxo, bem como sua consistência, enquanto a densidade é usada como um indicativo da mistura homogênea do fluido (por exemplo, proporção água/cimento), que influencia a resistência, a capacidade de impressão e o tempo de presa. Geralmente, o monitoramento da viscosidade e da densidade é necessário para determinar:
- Capacidade de impressão (forma mantida após a deposição, número de camadas suportadas)
- Resistência do material
- Qualidade de impressão
- Encolhimento de secagem
- Evite emperramento na extrusora
Além do monitoramento das propriedades do material, conhecer os parâmetros de impressão e as condições de cura é fundamental no processo de impressão 3D de concreto.
4. Rheonics Sensores de densidade e viscosidade em linha
Rheonics oferece medidores de densidade e viscosidade de processo em linha para monitoramento de concreto em tempo real.
Rheonics Viscosímetro Inline SRV: Este sensor mede uma ampla faixa de viscosidade e temperatura em tempo real e é adequado para instalação em tanques para monitorar processos de mistura e em tubulações para medição contínua de fluidos em fluxo. Rheonics O SRV é especialmente adequado para processos de mistura de alta velocidade e não é afetado pela presença de bolhas no fluido ou vibrações externas.
Rheonics Medidor de densidade e viscosidade em linha SRD: Este sensor mede densidade, viscosidade e temperatura em tempo real. É mais adequado para instalação em tubulações e tanques com velocidade de mistura constante. O SRD adiciona densidade às medições, permitindo cálculos adicionais de concentração de fluidos; no entanto, possui uma faixa de viscosidade de medição mais estreita em comparação com o SRV, e altas concentrações de bolhas podem adicionar ruído às leituras devido à medição de densidade. O SRD não é afetado por vibrações externas.
Várias sondas de sensor SRV e SRD (Tipo SR) são oferecidas para atender a requisitos específicos de instalação. Visite Variantes do viscosímetro SRV e Variantes do medidor de densidade e viscosidade SRD.
Instalação
O concreto é um fluido granular composto de líquido, principalmente água adicionada durante a mistura, e geralmente partículas finas como sílica ativa, cinza volante, escória, etc. Devido à sua composição e propriedades abrasivas comuns, Rheonics tem os próximos requisitos de instalação para medir a viscosidade e a densidade do concreto com os sensores Tipo SR.
- Instalação em Sweep Elbow
Rheonics sensor sondas de inserção longas (Tipo SR-X5) em instalação em cotovelo é uma solução excelente para medições em linha de concreto. A instalação em cotovelo permite que o fluido flua paralelamente ou axialmente em relação ao elemento sensor da sonda do sensor, enquanto o design de inserção longa posiciona o elemento sensor mais distante na linha, onde o fluxo do fluido é mais consistente do que próximo à parede. Isso garante que o elemento sensor permaneça sempre limpo (o fluxo o mantém limpo e livre de quaisquer depósitos).
Com uma sonda de inserção longa, o cliente pode definir o comprimento de inserção (A) e a conexão do processo (B). A tabela a seguir mostra uma solução comum usando uma conexão roscada NPT de 1.25” e um elbolet.
Encontre mais exemplos de instalação de cotovelos de varredura em nosso artigo: Instalação de medidores de viscosidade e densidade tipo SR em cotovelos de varredura
- Instalação com Rheonics Stargate
A variante SRV ou SRD Stargate (SG) é adequada para fluidos de alta viscosidade e alta velocidade, minimizando depósitos e cargas na sonda, pois tem um design de célula tipo wafer que posiciona a sonda centralizada em uma linha reta.
O método da vantagem A principal vantagem da instalação do Stargate é que ele terá a menor quantidade de incrustação possível e poderá reduzir a abrasão na sonda. A principal consideração para esta instalação é a necessidade de adaptadores para conexão ao processo. Rheonics ofertas Tri-Clamp adaptadores que geralmente não são adequados para aplicações em cimento ou concreto. Por esse motivo, o cliente deve seguir os desenhos de interface mecânica do Stargate para adaptá-lo ao processo.
- Instalação Perpendicular
Uma instalação perpendicular posiciona a sonda a 90° do fluxo do fluido. A principal vantagem desta instalação é a sua simplicidade. Normalmente, uma Rheonics sonda sensora com conexão roscada (G1/2 ou NPT 3/4”) é usada e um weldolet é necessário para instalação (HAW-12G-OTK or WOL-34NL). Isso pode ser adequado para instalações após a mistura, entre mangueiras ou logo antes da matriz de extrusão ou do cabeçote de impressão.
Esta instalação, no entanto, é propensa a depósitos ou acúmulos ao redor da sonda, que podem cobrir o elemento sensor e, assim, afetar as leituras do sensor. Depósitos de fluidos são comuns em fluidos de alta viscosidade, como cimento ou concreto. O cliente deve evitar áreas propensas a depósitos (zonas mortas) e limpar a sonda caso haja formação de depósitos.
5. Considerações sobre a instalação
Abrasão por erosão
Aplicações em concreto podem expor as sondas do sensor à abrasão devido aos efeitos de erosão do fluido no material da superfície da sonda. Nesses casos, as sondas precisariam ser substituídas após um certo tempo. Os usuários precisam apenas solicitar uma nova sonda, enquanto o cabo do sensor e os componentes eletrônicos permanecem no local. A vida útil da sonda nessas condições depende da vazão, das partículas no fluido, do ciclo de trabalho, etc. Não é possível estimar isso com antecedência, mas Rheonics Os sensores podem ser configurados para mostrar aos usuários o nível de abrasão e avisar quando uma substituição é necessária.
Material Molhado
Rheonics Sondas sensoras para cimento são oferecidas em aço inoxidável 316L. Saiba mais sobre os materiais das sondas aqui: Rheonics compatibilidade química do material de densidade do viscosímetro
Limite de velocidade do fluxo
Rheonics As sondas SRV e SRD são compatíveis com velocidades de fluxo de até 10 m/s. A instalação paralela em cotovelo reduz o impacto da velocidade do fluxo nas sondas, mas velocidades nessa faixa ainda podem adicionar muito ruído às leituras. Saiba mais em Sondas tipo SR com fluidos de alta viscosidade e velocidade.
Partículas em fluido
A presença de partículas no fluido medido está relacionada aos efeitos de abrasão na sonda. Normalmente, partículas macias, da ordem de mícrons, não afetam a medição do sensor. Elas podem apenas gerar ruído nas leituras, que pode ser filtrado pela eletrônica do sensor. Partículas maiores ou duras, da ordem de milímetros ou centímetros, podem gerar níveis muito altos de ruído nas leituras ou até mesmo danificar a sonda, portanto, essas partículas devem ser evitadas.
Referências
Impressão 3D PERI: Primeiro edifício residencial impresso em 3D na Alemanha (EN)
https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1814422/SUMMARY01.pdf
Bomba de cavidade progressiva multiaplicação em aço inoxidável PCM EcoMoineau™ C
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300714
