Master's Thesis

Design of a 3D print head for mixing additives into cement mixtures

Final Thesis 5.08 MB Appendix 2.31 MB

Author of thesis: Ing. Daniel Vícha

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: Ing. David Škaroupka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Aleš Dočkal, Ph.D.

Abstract:

The subject of the thesis is the design of a 3D printing head for cement-composite mixtures (concretes). The device enables the addition of the basic component of the mixture by using a liquid solidification accelerator, followed by active homogenization of the mixture and dosing at the printing site. 3D printing of cementitious mixtures often leads to a loss of buckling stability of the printout. Therefore, it is necessary for the printed material to contain additives that accelerate the solidification of the mixture. However, these additives can cause clogging of the hoses when the mixture is pumped into the print head due to premature solidification. Hence, a more suitable solution is to mix these additives in the print head itself. The objective was to develop a 3D print head that allows for homogeneous mixing of the additives in the mixture, thereby eliminating complications associated with pumping. A working prototype of the print head was designed, which consists of a mixing and extrusion chamber. The mixing efficiency of this prototype was verified through numerical simulations using Particleworks. Subsequently, the prototype underwent a mixture experiment without a solidification accelerator to investigate pumpability through the printhead. Based on the numerical simulations, it was determined that the proposed prototype provides sufficient homogeneity of the solidification accelerator with the cement mixture, which should resolve the issues associated with pumping the accelerated mixture. By having a separate mixing chamber, the mixing efficiency can be controlled by adjusting the speed of the motor that drives the mixing shaft. The print head was designed to allow extrusion to be interrupted during print head passes. This was achieved by extruding the mixture into the open space of the chamber using a screw feeder. Therefore, based on the conducted experiments and numerical simulations, it can be concluded that the developed print head has the potential to enhance the quality of 3D printing of cement mixtures and eliminate the problems associated with pumping.

Keywords:

Concrete, 3D, printing, head, accelerator

Date of defence

20.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta: 1) V předběžném návrhu je uvažováno zatížení lopatek míchací hřídele tlakem směsi na plochou část lopatky (prostý ohyb). Míchací hřídel se však také otáčí a samotná lopatka má jednak určitou tloušťku a také sklon. Jak se tyto skutečnosti promítnou do výsledného namáhání? ZODPOVĚZENO 2) Během experimentu došlo k prasknutí ložiskového pouzdra vyrobeného 3D tiskem FDM z materiálu PLA. Tato součástka nebyla pevnostně ověřena a není uvedeno ani řešení uvedeného problému. Jakou úpravu navrhujete? ZODPOVĚZENO 3) Během experimentu došlo k zaplnění horní části šneku betonem, přestože tento prostor měl zůstat prázdný. Jaký vliv mohlo mít nastavení zvolených otáček šneku, případně obecně nízké otáčky? ZODPOVĚZENO 4) Proč byla rychlost tisku během experimentu tolik odlišná od návrhové rychlosti (140 vs. 100 mm/s)? ZODPOVĚZENO 5) Jaká je očekávaná životnost tiskové hlavy, potažmo byla například provedena výpočtová kontrola ložisek? ZODPOVĚZENO 6) V závěru uvádíte hmotnost tiskové hlavy 4,8 kg. Zahrnuje uvedená hmotnost i držák tiskové hlavy, beton a část hmotnosti připojených hadic a kabeláže? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Proč je pouzdro tištěné z plastu? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Jaká je životnost zařízení v provozních hodinách? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek – Jsou v zařízení ložiska s gumovým krytem? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Z čeho je vyrobena část, která brání mazivu výtok z ložiska? NEZODPOVĚZENO doc. Horák – Uvažoval jste o umývání vnitřních komponent tiskové hlavy? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek – Proč jste zvolil nekonvenční způsob těsnění spojky pomocí instalatérské pásky? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek – Jak je řešená konstrukce spojky připojení potrubí? ZODPOVĚZENO doc. Maňas – Máte měření nebo názor na to, jak moc validní je simulace toku cementové směsi? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Jak je ošetřeno naplnění komory, kdyby došlo k zastavení tisku? ZODPOVĚZENO doc. Horák – Nestálo by za to udělat více vstřikových bodů do tlačené směsi po obvodu? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Co za látku je aditivum pro vytvrzení směsi? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Na jakém principu funguje proces urychlování tvrdnutí směsi? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Jak rychle funguje aditivum pro urychlení tvrdnutí směsi? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Je nějaká vazba mezi rychlostí stavby a koncentrací aditiva ve směsi? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Škaroupka, Ph.D.

Téma diplomové práce je vývojové a zaměřuje se na výsledné ověření funkčního prototypu 3D tiskové hlavy pro akcelerované cementokompozitní směsy - betony, kde hlavním problémem je homogenita a přesnost depozice materiálu. Podařilo se dosáhnout zadaných cílů, z nichž některé byly ověřeny pomocí počítačové simulace, jiné v reálném provozním experimentu. Ačkoliv výsledky poukazují na nutnost dalšího vývoje, je zřejmé, že bylo dosaženo perspektivního inženýrského návrhu s ambicí nalézt uplatnění v praxi 3DCP tisku. Diplomant pracoval na řešení tématu systematicky a průběžně. Oceňuji jeho proaktivní přístup, entuziasmus a schopnost hledat řešení při vzniku problémových situací. Mé dílčí výtky se týkají popisu vývojového postupu, který by měl být optimálně genezí výsledného návrhu s postupným iterativním směřování k výslednému řešení. Realita průběhu práce, však vedla ke komplikacím viz např. v případě prezentace konceptů. Zde jsou návrhy podány jako skutečné alternativy k finálnímu řešení, ale očekávána by byla spíše volba koncepce, pro výsledný návrh. Důvodem tohoto stavu je však zejména studentovo odhodlání nelpět na původním stavu návrhu, ale hledat stále nové cesty, což je pro výsledné kvality návrhu cennější, než striktní dodržení předpokládaného vzoru.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem 3D tiskové hlavy pro betonové směsi s urychlovačem tuhnutí, s ohledem na dostatečnou homogenitu. Jedná se o aktuální téma z oboru moderního stavebnictví. Práce je logicky členěná a po velmi kvalitní a rozsáhlé rešeršní části následuje analýza zjištěných poznatků, návrhy řešení, konstrukční návrh, výpočty, pevnostní analýzy a simulace, až je nakonec vyrobený funkční prototyp podroben reálnému testování. Zejména je třeba vyzdvihnout výsledky MPS simulace prokazující velmi kvalitní homogenizaci výsledné směsi. Přestože samotný text práce je téměř bez překlepů, dojem kazí chybné odkazy na literaturu nebo obrázky z textu, nekompletní grafy, nekonzistentní uvádění jednotek ve vzorcích, chybějící vysvětlení symbolů a veličin, až po vyloženě chybné číselné hodnoty ve výpočtech (např. (11) a (12)). To se propisuje i do výkresové dokumentace (např. kuličková ložiska bez těsnění). Rovněž název kapitoly (a obrázku) 5.1 „Matematický model“ pokládám za zavádějící. Faktické připomínky jsou alespoň zčásti zformulované do následujících dotazů. I přes uvedené připomínky práce splňuje požadavky zadání, použité postupy a řešení jsou akceptovatelné a dokládají schopnost diplomanta samostatně řešit složité technické úkoly, interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry. Předloženou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Během experimentu došlo k zaplnění horní části šneku betonem, přestože tento prostor měl zůstat prázdný. Jaký vliv mohlo mít nastavení zvolených otáček šneku, případně obecně nízké otáčky?
  2. V předběžném návrhu je uvažováno zatížení lopatek míchací hřídele tlakem směsi na plochou část lopatky (prostý ohyb). Míchací hřídel se však také otáčí a samotná lopatka má jednak určitou tloušťku a také sklon. Jak se tyto skutečnosti promítnou do výsledného namáhání?
  3. Během experimentu došlo k prasknutí ložiskového pouzdra vyrobeného 3D tiskem FDM z materiálu PLA. Tato součástka nebyla pevnostně ověřena a není uvedeno ani řešení uvedeného problému. Jakou úpravu navrhujete?
  4. Proč byla rychlost tisku během experimentu tolik odlišná od návrhové rychlosti (140 vs. 100 mm/s)?
  5. Jaká je očekávaná životnost tiskové hlavy, potažmo byla například provedena výpočtová kontrola ložisek?
  6. V závěru uvádíte hmotnost tiskové hlavy 4,8 kg. Zahrnuje uvedená hmotnost i držák tiskové hlavy, beton a část hmotnosti připojených hadic a kabeláže?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová