3D-geprinte materialen zijn tijdens het printen vaak nog zacht en flexibel, waardoor geprinte muurtjes in elkaar kunnen zakken of om kunnen vallen. Akke Suiker, hoogleraar mechanica aan de TU Eindhoven, had een Eureka-moment en zag de oplossing voor dit constructieve probleem. Hij ontwikkelde een model waarmee ingenieurs nu eenvoudig kunnen bepalen bij welke afmetingen en printsnelheid geprinte muurconstructies stand houden. Zijn vergelijkingen zijn zo elementair dat ze gemeengoed kunnen worden in het snel groeiende terrein van 3D-printen.
Beperkte uithardingstijd 3D-geprint beton
Conventioneel beton krijgt, gestort in bekisting, weken de tijd om uit te harden. Maar 3D-geprint beton niet. Dat heeft geen ondersteunende bekisting, en krijgt toch vrijwel meteen de last te dragen van de volgende laagjes beton die erop geprint worden. Iedereen zal begrijpen dat de spanning stijgt naarmate de constructie hoger wordt. Is die al stijf en sterk genoeg om er nóg een extra laagje bovenop te leggen? Het is een van de belangrijkste kwesties in het nog prille vakgebied van 3D-printen.
Wiskundige oplossing
Deze kwestie lag eigenlijk niet op het bordje van hoogleraar Akke Suiker, die dagelijks in het voorbijgaan de kingsize betonprinter van zijn universiteit aan het werk ziet. Maar op een zaterdagochtend afgelopen maart wordt hij wel wakker met dé manier om het op te lossen. Nog tijdens het ontbijt zet hij de eerste wiskundige vergelijkingen op papier. De zes maanden die daarop volgen is Suiker er helemaal door gegrepen, en werkt koortsachtig aan de uitwerking. De resultaten staan deze week in het International Journal of Mechanical Sciences.
Vijf dimensieloze parameters
Met zijn vergelijkingen kan Suiker vooraf berekenen hoe snel hij laagjes op elkaar kan leggen, bij een bepaalde uithardingssnelheid van het materiaal, en bij bepaalde afmetingen van de muurconstructie – en dat natuurlijk zonder dat die constructie het begeeft. Maar hij kan ook berekenen hoe hij die constructie kan maken met zo min mogelijk materiaal, en wat de invloed van structurele onregelmatigheden is. Of wat er gebeurt als hij een muurtje net iets dikker maakt of sneller laat uitharden, of gebruik maakt van een ander materiaal. Of dat het muurtje de neiging heeft alleen om te vallen of ook de aansluitende constructie met zich meetrekt. In het laatste geval is de gevolgschade die optreedt vanzelfsprekend aanzienlijk groter. Feitelijk zijn er zo’n 15 a 20 factoren waar je rekening mee moet houden, maar doordat Suiker zijn vergelijkingen handig heeft geschaald hield hij uiteindelijk slechts vijf, dimensieloze parameters over. Het probleem is daarmee getackeld met een zeer elegant en inzichtelijk model.
Essentiële basiskennis voor 3D-constructies
Op de vraag of zijn resultaten belangrijk gaan zijn voor het vakgebied van 3D-printen, is Suiker stellig. “Dat zou wel moeten. De inzichten die het model biedt creëren essentiële basiskennis voor iedereen die 3D-constructies print. Voor constructeurs, ingenieursbureaus, maar ook bijvoorbeeld voor bedrijven die dunwandige kunststof protheses printen van kleine afmetingen, want daar gelden mijn vergelijkingen ook voor”. De eerste interesse is er in ieder geval al: hij is op de universiteit van Cambridge uitgenodigd om zijn werk toe te lichten.
Foto: Rob Wolfs
