diplomová práce

Návrh 3D tiskové hlavy pro míchání aditiv do cementových směsí

Text práce 5.08 MB Příloha 2.31 MB

Autor práce: Ing. Daniel Vícha

Ak. rok: 2022/2023

Vedoucí: Ing. David Škaroupka, Ph.D.

Oponent: Ing. Aleš Dočkal, Ph.D.

Abstrakt:

Předmětem diplomové práce je návrh 3D tiskové hlavy pro cementokompozitní směsi (betony). Zařízení umožňuje aditivování základní složky směsi pomocí tekutého urychlovače tuhnutí, následnou aktivní homogenizaci směsi a její dávkování v místě tisku. Při 3D tisku cementových směsí často dochází ke ztrátě vzpěrné stability výtisku, tudíž je nutné, aby tištěný materiál obsahoval aditiva zajišťující urychlení tuhnutí směsi. Tato aditiva však způsobují ucpávání hadic při čerpání směsi do tiskové hlavy v důsledku předčasného ztuhnutí směsi. Tudíž vhodnějším řešením je přimíchávání těchto aditiv v tiskové hlavě. Cílem tedy bylo vyvinout 3D tiskovou hlavu, která umožní homogenní rozmíchání aditiv ve směsi, čímž dojde k odstranění komplikací, které jsou spojeny s čerpáním. Byl navržen funkční prototyp tiskové hlavy, složený z míchací a extruzní komory. Na tomto prototypu byla ověřena efektivita míchání díky numerickým simulacím v programu Particleworks. Následně byl prototyp podroben experimentu se směsí bez urychlovače tuhnutí, kde byla zkoumána pumpovatelnost skrze tiskovou hlavu. Na základě numerických simulací bylo zjištěno, že navržený prototyp zajišťuje dostatečnou homogenitu urychlovače tuhnutí s cementovou směsí, čímž by mělo dojít k odstranění problémů spojených s čerpáním urychlené směsi. Díky oddělené míchací komoře lze efektivitu míchání řídit změnou otáček motoru pohánějícího míchací hřídel. Tisková hlava byla navržena tak, aby bylo možné extruzi při přejezdech tiskové hlavy přerušit, což bylo zajištěno vytlačením směsi do volného prostoru komory se šnekovým podavačem. Na základě provedených experimentů a numerických simulací lze tedy konstatovat, že vytvořená tisková hlava má potenciál zlepšit kvalitu 3D tisku cementových směsí a také odstranit problémy spojené s čerpáním.

Klíčová slova:

Beton, 3D, tisková, hlava, urychlovač

Termín obhajoby

20.06.2023

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaCznamka

Klasifikace

C

Průběh obhajoby

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

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Fakulta strojního inženýrství

Ústav

Ústav konstruování

Studijní program

Konstrukční inženýrství (N-KSI-P)

Složení komise

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)

Posudek vedoucího
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.
Kritérium hodnocení Známka
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

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
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.
Kritérium hodnocení Známka
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
Otázky k obhajobě:
  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?

Známka navržená oponentem: B

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová