Process solutions of extrusion-based additive manufacturing for geopolymers and 3D printable material properties
Peltonen, Riku (2019)
Diplomityö
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041712670
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041712670
Tiivistelmä
Use of geopolymers in construction industry instead of traditional concretes has the potential to reduce produced CO2 emissions significantly. 3D printing can be utilized to promote sustainability even more as disposable formwork is not required that generate waste. The aim and goal of this study were to develop sustainable geopolymer material applicable in 3D printing and to find a concept solution for a geopolymer 3D printer. Side streams of paper, mining and construction industries were used as geopolymer raw materials.
The research was divided between the literature review, geopolymer material development, and geopolymer material testing. Literature was used to determine the peculiarities of 3D printing geopolymers and to find existing 3D printer solutions and guidelines for geopolymer material development and testing. Material development was based on a systematic approach by evaluating generated material mixtures with numerical values in multiple steps based on existing data. Fresh material behavior of geopolymer was examined with setting time and shape stability tests. Standardized test methods were utilized in the testing of hardened material properties of compressive and flexural strengths.
Most suitable developed 3D printable geopolymers had 56–58% recycled material content. Heating was found to improve buildability and setting of material significantly. Higher than 20% reactive recyclable material content caused strength and material workability to decrease. Between 7 and 28 days of curing compressive strength increase while flexural strength was observed to decrease. Layers in test samples caused strength to decrease in compressive and increase in flexural strength test. Highest strength values of test samples were 13–45% lower than the lowest strengths in 3D printable geopolymers in general. Geopolymer development was found out to be a compromise between different strength values and recyclable material content. 3D printing of geopolymers can compete in limited markets with traditional manufacturing by focusing on specialized and complex shape products. Geopolymeerien käyttämisellä rakennusteollisuudessa tavallisten betonien sijasta on potentiaalia vähentää tuotettuja CO2-päästöjä merkittävästi. 3D-tulostuksen käyttöönotto lisää kestävää kehitystä entisestään, kun jätteeksi päätyviä kertakäyttöisiä muotteja ei tarvita. Tämän työn tavoitteena oli kehittää kestävä geopolymeerimateriaali, jota voidaan käyttää 3D-tulostamiseen, sekä löytää konseptiratkaisu geopolymeeri 3D-tulostimelle. Paperi- kaivos- ja rakennusteollisuuden sivuvirtoja käytettiin geopolymeerin raaka-aineina.
Tutkimus on jaettu kirjallisuuskatsaukseen, geopolymeerimateriaalien kehitykseen ja geopolymeerimateriaalien testaukseen. Kirjallisuutta hyödynnettiin geopolymeerin 3D-tulostuksen erityispiirteiden, laitteistoratkaisujen, sekä geopolymeerimateriaalin kehittämisen suuntaviivojen ja testauksen selvittämiseen. Materiaalin kehitys perustui systemaattiseen lähestymistapaan, jossa kehitettyjä materiaaliyhdisteitä arvioitiin numeerisesti usealla eri osa-alueella soveltuvan datan mukaisesti. Tuoreen materiaalin ominaisuuksia tutkittiin kovettumisaika- ja muodonsäilyvyyskokeilla. Standartoituja menetelmiä käytettiin kovettuneen materiaalin puristus- ja taivutuslujuuksien kokeissa.
Parhaiten 3D-tulostukseen kehitetyissä ja soveltuvissa geopolymeereissä oli 56–58% kierrätettyjä materiaaleja. Lämmityksen havaittiin parantavan huomattavasti materiaalin kerrostettavuutta ja kovettumisaikaa. Reagoivien kierrätysmateriaalien kokonaismäärän ollessa yli 20%, materiaalin lujuus ja työstettävyys heikkenivät. 7 ja 28 päivän kovettumisajan välillä lujuudet kasvoivat puristuksessa ja heikkenivät taivutuksessa. Kerrostetut koekappaleet olivat lujuudeltaan heikompia puristuksessa ja vahvempia taivutuksessa. Parhaimpien koekappaleiden lujuudet olivat 13–45% heikompia kuin pienimmät lujuusarvot 3D-tulostettavilla geopolymeereillä yleensä. Geopolymeerin kehityksen havaittiin olevan kompromissien tekoa eri lujuuksien ja kierrätettävien materiaalien määrän välillä. 3D-tulostetuilla geopolymeereillä voi kilpailla rajoitetusti perinteisen valmistuksen kanssa keskittymällä erikoistuneisiin ja monimutkaisiin tuotteisiin.
The research was divided between the literature review, geopolymer material development, and geopolymer material testing. Literature was used to determine the peculiarities of 3D printing geopolymers and to find existing 3D printer solutions and guidelines for geopolymer material development and testing. Material development was based on a systematic approach by evaluating generated material mixtures with numerical values in multiple steps based on existing data. Fresh material behavior of geopolymer was examined with setting time and shape stability tests. Standardized test methods were utilized in the testing of hardened material properties of compressive and flexural strengths.
Most suitable developed 3D printable geopolymers had 56–58% recycled material content. Heating was found to improve buildability and setting of material significantly. Higher than 20% reactive recyclable material content caused strength and material workability to decrease. Between 7 and 28 days of curing compressive strength increase while flexural strength was observed to decrease. Layers in test samples caused strength to decrease in compressive and increase in flexural strength test. Highest strength values of test samples were 13–45% lower than the lowest strengths in 3D printable geopolymers in general. Geopolymer development was found out to be a compromise between different strength values and recyclable material content. 3D printing of geopolymers can compete in limited markets with traditional manufacturing by focusing on specialized and complex shape products.
Tutkimus on jaettu kirjallisuuskatsaukseen, geopolymeerimateriaalien kehitykseen ja geopolymeerimateriaalien testaukseen. Kirjallisuutta hyödynnettiin geopolymeerin 3D-tulostuksen erityispiirteiden, laitteistoratkaisujen, sekä geopolymeerimateriaalin kehittämisen suuntaviivojen ja testauksen selvittämiseen. Materiaalin kehitys perustui systemaattiseen lähestymistapaan, jossa kehitettyjä materiaaliyhdisteitä arvioitiin numeerisesti usealla eri osa-alueella soveltuvan datan mukaisesti. Tuoreen materiaalin ominaisuuksia tutkittiin kovettumisaika- ja muodonsäilyvyyskokeilla. Standartoituja menetelmiä käytettiin kovettuneen materiaalin puristus- ja taivutuslujuuksien kokeissa.
Parhaiten 3D-tulostukseen kehitetyissä ja soveltuvissa geopolymeereissä oli 56–58% kierrätettyjä materiaaleja. Lämmityksen havaittiin parantavan huomattavasti materiaalin kerrostettavuutta ja kovettumisaikaa. Reagoivien kierrätysmateriaalien kokonaismäärän ollessa yli 20%, materiaalin lujuus ja työstettävyys heikkenivät. 7 ja 28 päivän kovettumisajan välillä lujuudet kasvoivat puristuksessa ja heikkenivät taivutuksessa. Kerrostetut koekappaleet olivat lujuudeltaan heikompia puristuksessa ja vahvempia taivutuksessa. Parhaimpien koekappaleiden lujuudet olivat 13–45% heikompia kuin pienimmät lujuusarvot 3D-tulostettavilla geopolymeereillä yleensä. Geopolymeerin kehityksen havaittiin olevan kompromissien tekoa eri lujuuksien ja kierrätettävien materiaalien määrän välillä. 3D-tulostetuilla geopolymeereillä voi kilpailla rajoitetusti perinteisen valmistuksen kanssa keskittymällä erikoistuneisiin ja monimutkaisiin tuotteisiin.