مقدمه
چاپ سه‌بعدی بتن امکان ساخت معماری‌های پیچیده الهام‌گرفته از طبیعت را فراهم می‌کند که خواص مکانیکی و سازه‌ای را بهبود می‌بخشند. این پژوهش چارچوبی دیجیتال برای تولید معماری‌های داخلی بتن مسلح به الیاف روی سطوح غیرتخت ارائه می‌دهد. تیرهای قوسی با الگوی بولیگاند چاپ و ریزساختار و خواص آن‌ها بررسی شدند. نتایج نشان داد این ساختار تخلخل را کاهش داده و مقاومت برشی-خمشی را افزایش می‌دهد. در مقایسه با تیرهای تخت، تأثیر بولیگاند در تیرهای قوسی برجسته‌تر است و الگوی شکست را از ترد به شکل‌پذیر با ترک‌های متعدد تغییر می‌دهد. همچنین، «انحنای قوس» و «الگوی پرکننده» در حفظ یکپارچگی سازه حیاتی هستند. تردی و مقاومت کششی پایین از ضعف‌های بتن است و به دلیل محدودیت هندسی، مسلح‌سازی سازه‌های چاپ سه‌بعدی بتن با میلگرد دشوار است؛ بنابراین استفاده از بتن مسلح به الیاف اهمیت یافته است. مزیت کلیدی این کامپوزیت، امکان کنترل جهت‌گیری الیاف از طریق «طراحی مسیر ابزار» است که مشابه لمینیت‌های پلیمری بر عملکرد سازه اثرگذار است. با این حال، به دلیل پیوند ضعیف فلامان‌ها و کوتاهی الیاف، دستیابی به تداوم تنش دشوار می‌ماند و رفتار ناهمسانگردی مشابه مواد طبیعی پدید می‌آورد. ازاین‌رو «طراحی زیست‌الهام» جایگاهی محوری در چاپ سه‌بعدی بتن یافته است. طبیعت طی تکامل طولانی ساختارهایی بهینه برای حفاظت ایجاد کرده و منبع غنی الهام طراحی محسوب می‌شود. نمونه شاخص آن، «ساختار بولیگاند» است که چینش مارپیچی الیاف در پوسته خرچنگ نعل‌اسبی، گرز میگو و عاج فیل را تقلید می‌کند.
شکل 1 ساختار بولیگاند را نشان می‌دهند که در (a) لایه‌های میانی برون‌اسکلت قوسی خرچنگ نعل‌اسبی ، (b) ناحیه تناوبی (II) در گرز پنجه میگو که به دلیل جذب انرژی زیاد و مقاومت در برابر آسیب شناخته می‌شود نیز شامل ساختار بولیگاند است. همچنین، (c) طرح واره‌ای از ساختار بولیگاند با زاویه‌های گام (P) برابر با صفر درجه ، 45 درجه و 90 درجه است.
ویسکوریولوژی بتن تازه در آزادی هندسی چاپ نقش تعیین‌کننده دارد: مخلوط باید میان پمپاژپذیری و پایداری لایه‌ها تعادل برقرار کند. محدودیت‌های ذاتی ساخت، تولید سازه‌های اورهنگ (نظیر قوس‌ها) را دشوار کرده است. دل‌اندیچه و همکاران پلی قوسی را مشابه منطق آجری مونتاژ کردند، همچنین، لی و همکاران قوس‌های بتنی با الگوی زیگزاگ چاپ نمودند. بااین‌حال، به علت ضعف مقاومت بتن تازه، بازتولید معماری سه‌بعدی الیاف هنوز چالش‌برانگیز است و اغلب مطالعات پیشین به تیرها، منشورها و دیسک‌های تخت محدود مانده‌اند. اگرچه قابلیت چاپ روی سطوح غیرتخت نشان داده شده، اغلب پژوهش‌ها بر پوسته‌های نازک و سازه‌های توخالی با ملات ساده متمرکز بوده‌اند و بتن مسلح به الیاف کمتر بررسی شده است. همچنین پژوهش‌های اندکی به عملکرد مکانیکی، جهت‌گیری الیاف و ریزساختار مصنوعات هم‌پیکره پرداخته‌اند؛ در نتیجه، اثر چاپ سه‌بعدی روی سطوح غیرتخت همچنان مبهم مانده و کمبود داده‌های آزمایشگاهی مانعی جدی برای توسعه آینده است.
روش تحقیق
این بخش گام‌های ایجاد مسیر ابزار (toolpath) روی سطح غیر تخت بر مبنای راهبرد «جهت-موازی» و تبدیل مدل‌های دیجیتال به GCode برای چاپ سه‌بعدی را تشریح می‌کند. سپس نمونه‌ها برای تحلیل Micro-CT و آزمون خمش سه‌نقطه‌ای با قیود افقی آماده می‌شوند و چیدمان آزمایش توضیح داده می‌شود. فرآیند معمول با مدل‌سازی CAD آغاز می‌شود؛ برش‌های لایه‌ای به مقاطع دوبعدی تبدیل و در نهایت به کدهای کنترلی ماشین ترجمه می‌شوند که نوع حرکت، مختصات نقاط هدف، سرعت و حجم برون‌ریزی را تعریف می‌کند. اما برای چاپ سه‌بعدی روی سطح غیر تخت باید راهبردی متفاوت به کار برد، زیرا نازل باید انحنای تکیه‌گاه را دنبال کند.
در این پژوهش پس از ایجاد هندسه تکیه‌گاه، مسیر پرکننده زیگزاگ (راهبرد جهت-موازی) روی انحنای تکیه‌گاه ساخته می‌شود تا هم آرایش هلیکویی الیاف و هم انحنای برون‌اسکلت‌های طبیعی تقلید گردد. الگوریتم، آرایه‌ای از خطوط راست با فواصل ثابت را در راستای عمود بر «جهت مرجع» تولید می‌کند و نقاط ابتدا/انتها را به‌صورت زیگزاگ پیوست می‌دهد. در لایه‌های متوالی، جهت مرجع به‌اندازه «زاویه گام» به‌صورت پادساعتگرد می‌چرخد، مسیر دوبعدی ساخته‌شده روی سطح تکیه‌گاه پرتو افکنی و به‌اندازه «ارتفاع لایه» افست عمودی داده می‌شود. این عملیات برای همه لایه‌ها تکرار می‌شود تا آرایش بولیگاند شکل گیرد. همه نمونه‌ها ۷ لایه دارند و زاویه گام P در سه حالت صفر درجه، 45 درجه یا 90 درجه تنظیم شده است. و در پایان، مسیر ابزار به GCode گردآوری شده است. شکل 2 فرآیند چاپ سه بعدی بتن را نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری
ریزساختار تیرهای قوسی چاپ‌شده، شامل تخلخل کلی، توزیع اندازه حفرات، و مورفولوژی ترک‌مانند، به کمک Micro-CT بازسازی و تحلیل شد. این ارزیابی نشان داد که افزودن ساختار بولیگاند در مقایسه با الگوی زیگزاگ معمولی، تخلخل کلی را کاهش می‌دهد و آرایش حفرات یکنواخت‌تر می‌شود. بولیگاند باعث کاهش تخلخل، توزیع یکنواخت‌تر حفرات و حذف کانال‌های ضعیف‌کننده می‌شود. این موضوع می‌تواند مقاومت مکانیکی و پایداری ترک‌ها را بهبود دهد.
نمونه‌های قوسی با الگوهای مختلف تحت بارگذاری خمش سه‌نقطه‌ای آزمایش شدند. نتایج هم منحنی‌های نیرو-جابجایی و هم الگوهای ترک را پوشش می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد، قوس‌های بولیگاند در مقایسه با زیگزاگ ظرفیت باربری بالاتری دارند و رفتار نرم‌تر از خود نشان می‌دهند. نمونه‌های زیگزاگ پس از رسیدن به بار اوج به‌سرعت گسیخته می‌شوند، در حالی‌که بولیگاند با ایجاد ترک‌های متعدد انرژی بیشتری جذب می‌کند. شکل 3 نشان می‌دهد زاویه گام اثرگذار است؛ زاویه ۴۵ درجه بهترین عملکرد را دارد، در حالی‌که زاویه ۹۰ درجه با وجود بهبود نسبت به زیگزاگ، کارایی کمتری نشان می‌دهد. تصاویر شکست حاکی از آن بود که الیاف فولادی در مقاطع ترک‌خورده نقش پل ایفا کرده و از بازشدگی سریع ترک جلوگیری می‌کنند؛ ترکیب این اثر با الگوی بولیگاند موجب شکل‌پذیری و جذب انرژی بیشتر شد. همچنین، آزمایش‌ها نشان دادند اعمال قید افقی در دو انتهای قوس حیاتی است؛ بدون آن، جدایش سریع از تکیه‌گاه و گسیختگی ناگهانی رخ می‌دهد. با وجود بهبود رفتار مکانیکی، ناهمسانگردی همچنان شدید است و مقاومت خمشی در برخی آرایش‌ها کمتر از بتن معمولی باقی می‌ماند؛ ازاین‌رو، بهینه‌سازی طراحی مسیر و ترکیب مواد ضروری است. در مجموع، الگوی بولیگاند (به‌ویژه در زاویه ۴۵ درجه) همراه با انحنای مناسب و حضور الیاف فولادی، شکست ترد را به شکست شکل‌پذیر با ترک‌های متعدد تغییر داده و ظرفیت جذب انرژی را به‌طور چشمگیر افزایش می‌دهد.
دانلود نسخه کامل مقاله
