Dr inż. Tomasz Howiacki z Politechniki Krakowskiej opracował innowacyjny system diagnostyki i monitoringu elementów betonowych drukowanych w technologii 3D z użyciem czujników światłowodowych DFOS. Projekt, który otrzymał dofinansowanie z NCBR w wysokości 1 798 400 zł, ma na celu zapewnienie bezpieczeństwa i jakości konstrukcji drukowanych w technologii 3D, od elementów małej architektury po budynki i mosty.

• System DFOS umożliwia monitorowanie odkształceń i defektów na całej długości elementów betonowych z rozdzielczością 1 mm.
• Technologia druku 3D z betonu pozwala na dowolną geometrię, prefabrykację, redukcję odpadów i automatyzację budowy.
• Elementy drukowane 3D mogą pełnić funkcje konstrukcyjne nośne lub dekoracyjne, od doniczek po mosty.
• Projekt angażuje interdyscyplinarny zespół naukowców z Politechniki Krakowskiej, Politechniki Rzeszowskiej i firm branżowych.
• System diagnostyki ma działać jak „układ nerwowy człowieka”, wykrywając natychmiast lokalne niedoskonałości i zagrożenia.

Analitycy przewidują, że do 2031 r. globalny rynek elementów betonowych w technologii druku 3D osiągnie wartość 1 256,5 mld USD. Technologia druku 3D zyskuje coraz większe znaczenie w budownictwie, doceniana nie tylko za liczne korzyści techniczne, ale także za możliwość redukcji kosztów i ograniczenia odpadów budowlanych.

Jednym z kluczowych wyzwań jest zapewnienie niezawodnej jakości i bezpieczeństwa elementów nośnych wykonanych w tej technologii. W odpowiedzi na to wyzwanie dr inż. Tomasz Howiacki z Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej opracowuje innowacyjny system diagnostyki i monitoringu takich elementów, wykorzystujący zintegrowane w ich wnętrzu liniowe czujniki światłowodowe.

Projekt, którym kieruje doświadczony naukowiec z Politechniki Krakowskiej, uzyskał dofinansowanie w wysokości 1 798 400 zł w ramach XV edycji programu Lider, realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. W pracach badawczo-rozwojowych uczestniczą także naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej oraz praktycy z firm projektowych i zajmujących się monitoringiem. Przed zespołem stoją trzy lata intensywnych badań, których efekty będą istotne dla całej branży budowlanej.

Nowe możliwości

Technologia wytwarzania przyrostowego, znana również jako druk 3D z betonu (3D concrete printing, 3DCP), zyskuje coraz większe znaczenie w inżynierii lądowej dzięki swoim unikatowym zaletom. Do najważniejszych korzyści zalicza się swobodę projektowania skomplikowanych geometrii, eliminację tradycyjnych szalunków, skrócenie czasu budowy, możliwość prefabrykacji, zmniejszenie ilości odpadów i śladu węglowego oraz automatyzację procesów budowlanych.

Beton drukowany w technologii 3D pozwala wytwarzać zarówno elementy małej architektury – takie jak doniczki, rzeźby, fontanny czy ławki – jak i elementy konstrukcyjne pełniące funkcje nośne, a także całe konstrukcje. Przykłady obejmują ściany, schody, stopy fundamentowe, szalunki tracone, słupy, kolumny, zbiorniki, nadproża, domy jednorodzinne, obiekty kubaturowe, a nawet mosty i inne obiekty inżynierskie.

Spośród spektakularnych realizacji warto wymienić serwerownię w Heidelbergu w Niemczech oraz Tor Alva (Biała Wieża) w szwajcarskiej wiosce Mulegns, która obecnie jest najwyższą na świecie budowlą wydrukowaną w technologii 3D z betonu. Technologie 3DCP przyciągają także uwagę agencji kosmicznych – NASA i Europejska Agencja Kosmiczna prowadzą badania nad drukowaniem baz księżycowych z wykorzystaniem lokalnych materiałów, co otwiera nowe perspektywy w budownictwie pozaziemskim.

Rozwój technologii 3DCP jest obecnie realizowany w licznych ośrodkach badawczych na całym świecie. Wciąż jednak istnieją wyzwania, z których kluczowe to brak doświadczeń i danych dotyczących długoterminowej pracy elementów konstrukcyjnych wykonanych tą metodą, potwierdzonych rzetelnymi pomiarami i obserwacjami.

– Brak jest dedykowanych metod diagnostycznych i pomiarowych. Ponadto, na powstawanie różnego rodzaju defektów takich jak zarysowania, imperfekcje (geometryczne i materiałowe) czy delaminacja (rozwarstwianie się połączonych ze sobą warstw) w konstrukcjach wydrukowanych 3D, wpływ mają właściwości mieszanek betonowych, np. konsystencja i nadmierny skurcz, trudności w stosowaniu zbrojenia czy też brak powszechnych doświadczeń praktycznych i standardów projektowania – mówi dr inż. Tomasz Howiacki z Politechniki Krakowskiej. Jego projekt ma dostarczyć narzędzi do kompleksowej diagnostyki konstrukcji 3DCP i być kamieniem milowym w rozwoju tej technologii.

Pomiary elementów betonowych

W tradycyjnej diagnostyce konstrukcji betonowych stosuje się punktowe czujniki, instalowane jedynie w wybranych miejscach. Na ich podstawie możliwe jest monitorowanie zmian, takich jak odkształcenia, jednak wyłącznie w tych konkretnych lokalizacjach. Jak zwraca uwagę dr inż. Tomasz Howiacki, klasyczne podejście nie pozwala na ocenę, co dzieje się pomiędzy punktami pomiarowymi, ani na wykrycie lokalnych uszkodzeń powstających w losowych miejscach pod różnym obciążeniem.

Te ograniczenia stały się impulsem do rozwoju nowoczesnych metod diagnostyki, takich jak pomiary światłowodowe DFOS (ang. Distributed Fibre Optic Sensing). Technologia ta umożliwia zastąpienie setek tradycyjnych czujników jednym światłowodem, który dostarcza informacje o rozkładzie odkształceń wzdłuż całej długości z rozdzielczością nawet 1 mm. Oznacza to, że na każdym metrze czujnika można uzyskać dane z około 1000 punktów pomiarowych.

Dla przykładowej belki o długości 6 metrów oznacza to możliwość monitorowania aż 6000 punktów – instalacja takiej liczby tradycyjnych tensometrów byłaby zarówno technicznie niemożliwa, jak i ekonomicznie nieopłacalna. Z tego powodu dr inż. Tomasz Howiacki wraz z zespołem opracowali metodę integracji czujników DFOS w betonowych elementach wykonanych w technologii 3DCP, umożliwiającą ich efektywną diagnostykę i stały monitoring.

Ambitne cele

Projekt finansowany przez NCBR kwotą niemal 1,8 mln zł ma na celu opracowanie systemu diagnostyki i monitoringu elementów wykonanych w technologii druku 3D. System będzie służył zarówno kontroli jakości poprodukcyjnej, jak i pomiarom w trakcie długotrwałej eksploatacji.

– Chcemy, aby nasz system umożliwiał mierzenie odkształceń mechanicznych i termicznych na całej długości ścieżki druku. Dzięki temu możliwe będzie wykrywanie lokalnych niedoskonałości i mikropęknięć. Można go porównać do układu nerwowego człowieka, który natychmiast informuje o potencjalnych zagrożeniach, niezależnie od miejsca ich wystąpienia – wyjaśnia dr inż. Tomasz Howiacki z Wydziału Inżynierii Lądowej PK, lider projektu.

Zespół badawczy wyróżnia interdyscyplinarność oraz ścisła współpraca nauki z przemysłem. W skład zespołu wchodzą: dr inż. Rafał Walczak – specjalista ds. badań wytrzymałościowych (Wydział Inżynierii Lądowej PK), dr inż. Barbara Kozub – ekspertka ds. materiałów i druku 3D (Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki PK), dr inż. Szymon Gądek – specjalista ds. druku 3D z betonu (WIMiF PK) oraz dr inż. Bartosz Piątek – ekspert ds. światłowodowej diagnostyki betonu (Politechnika Rzeszowska).

W pracach badawczych wspierają ich także eksperci z przemysłu: Kamil Badura, specjalista ds. pomiarów światłowodowych DFOS z firmy SHM System, lidera w rozwoju czujników światłowodowych do ciągłych pomiarów odkształceń, drgań, przemieszczeń i temperatur, oraz Błażej Legut, specjalista ds. modelowania MES z GSBK Biuro Konstrukcyjne, specjalizującej się w projektowaniu konstrukcji budowlanych i inżynierskich.

Dr Howiacki podkreśla, że głównymi beneficjentami projektu będą firmy wykonawcze, które wezmą udział w implementacji nowej technologii.

–Dzięki doświadczeniu i zapleczu technicznemu przedsiębiorstw, przy minimalnych modyfikacjach – np. zastosowaniu specjalnej głowicy drukującej i automatycznego mechanizmu podawania czujnika DFOS – możliwe będzie uzyskanie nowych właściwości użytkowych oraz rzetelnych danych, które posłużą do dalszych optymalizacji” – mówi lider projektu.

Źródło: Politechnika Krakowska