Stypendysta NAWA dr inż. Paweł Sikora pracuje nad innowacyjnymi materiałami do wykonywania metodą druku 3D unikatowych kształtów z betonu.
Coraz więcej przedmiotów można precyzyjnie wykonywać dzięki drukowi 3D. Przybywa też tworzyw, które przy tej metodzie można wykorzystywać. Wśród nich jest beton, z którego metodą druku 3D można wytwarzać elementy konstrukcyjne o kształtach niemożliwych do uzyskania w inny sposób.
Nad udoskonaleniem mieszanki betonowej, która pozwoli drukować elementy budynków lekkie i wytrzymałe i pozwalające zmniejszyć zużycie energii na ogrzewanie i chłodzenie, pracuje dr Paweł Sikora. Część badań dotyczących rozwoju tego innowacyjnego tworzywa przeprowadził na Uniwersytecie Technicznym w Berlinie, gdzie przebywał na stypendium NAWA w ramach Programu im. Bekkera. Opracowany został wstępny skład mieszanek, które pozwalają drukować ultralekkie elementy betonowe o lepszych właściwościach termicznych.
NAWA: Dlaczego tradycyjny beton nie nadaje się do druku 3D?
Dr inż. Paweł Sikora, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie: Tradycyjna mieszanka betonowa zaprojektowana jest w taki sposób, aby umożliwić wypełnienie szalunków. W przypadku betonu stosowanego w technologii 3D powinien być on odpowiednio zwarty i twardnieć szybciej niż tradycyjny beton, dzięki czemu jest w stanie utrzymać napór kolejnych drukowanych warstw. Celem projektu było opracowanie odpowiednich lekkich mieszanek betonowych do druku 3D.
Jakie kształty i jakie obiekty, można wytwarzać z betonu za pomocą druku 3D, aby uzyskać doskonalszą wydajność termiczną?
Zaletą technologii druku 3D jest (oczywiście w granicach rozsądku) swoboda architektoniczna i geometryczna. Zaletą tej techniki jest możliwość druku elementów o skomplikowanych kształtach. Uzyskanie tego typu kształtów w tradycyjnej technice, polegającej na zastosowaniu szalunków, byłoby niezmiernie skomplikowane i czasochłonne bądź w niektórych przypadkach niemożliwe.
Poprawę parametrów termicznych uzyskiwać możemy poprzez wprowadzenie do mieszanki odpowiedniego rodzaju kruszywa (najczęściej lekkiego) cechującego się niską przewodnością cieplną bądź poprzez zastosowanie odpowiednich domieszek napowietrzających. W naszym projekcie przebadaliśmy podstawowe właściwości nowych mieszanek. Określiliśmy też zależności pozwalające na dalszą optymalizację ich składów. Przebadaliśmy też potencjał zastosowania nanokrzemionki, która - dodana do mieszanki - może korzystnie zmodyfikować strukturę gotowego elementu, przyczyniając się do znacznej poprawy wybranych właściwości betonu.
Dzięki technologii druku 3D możliwe jest także zaprojektowanie odpowiedniego układu (szkieletu) ścian, który może zostać wypełniony materiałami izolacyjnymi. Efektem tego jest poprawa właściwości izolacyjnych budynku.
Jak duże elementy można w ten sposób wytwarzać?
Za pomocą technologii 3D drukować można dowolne obiekty zaczynając od małej architektury ogrodowej aż po budynki mieszkaniowe. Istnieją już pierwsze realizacje obiektów budowlanych przy zastosowaniu tej technologii.
Jakie przykładowe zastosowanie będą miały takie elementy konstrukcyjne betonowe, drukowane? Czy będą tylko „grzały”, czy też „chłodziły” budynki?
Zastosowane elementy konstrukcyjne służyć mogą nie tylko do ochrony budynków przed utratą ciepła, ale mogą być także stosowane np. w krajach o klimacie śródziemnomorskim, gdzie na chłodzenie budynków zużywane są ogromne środki finansowe. W skrócie, powiedzieć można, że elementy te pozwalają na zatrzymanie chłodu w budynkach.
Jakie jeszcze dodatkowe właściwości mogą mieć takie elementy konstrukcyjne?
Dużą zaletą stosowania betonów lekkich jest zmniejszenie masy konstrukcji oraz poprawa jej odporności na oddziaływanie wysokiej temperatury (odporność ogniowa).
Jak stypendium NAWA wpłynęło na Pana rozwój naukowy?
Staż badawczy zrealizowany w ramach stypendium NAWA pozwolił mi na przeprowadzenie rozległych badań wstępnych, dzięki czemu uzyskałem finansowanie na realizację jednego z najbardziej prestiżowych w Unii Europejskiej, indywidualnych grantów badawczo-szkoleniowych w ramach programu Marie Skłodowska-Curie Actions. Umożliwia mi to kontynuację moich prac badawczych nad tym zagadnieniem w Berlinie przez kolejne 2 lata.
Jeśli miałby Pan zachęcić innych naukowców do udziału w Programie im. Bekkera, to jaka jest największa wartość z pobytu na stypendium NAWA?
Poszerzenie horyzontów naukowych i dostęp do aparatury badawczej, która nie jest dostępna w jednostce macierzystej. Spojrzenie na problemy badawcze z innej perspektywy oraz wymiana spostrzeżeń z naukowcami z całego świata, którzy także realizują podobne badania, projekty w danej jednostce. Ponadto nawiązanie kontaktów międzynarodowych, które dają szansę na dalszą współpracę naukową i aplikację o kolejne projekty badawcze.
Dziękujemy za rozmowę.
Dr Paweł Sikora (drugi od prawej) z kolegami z zespołu badawczego na terenie hali laboratoryjnej TU w Berlinie, w której realizowano badania. (Zdjęcie archiwum prywatne dr. P. Sikory)
Dr inż. Paweł Sikora jest adiunktem w Katedrze Budownictwa Ogólnego Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Jego główne zainteresowania badawcze to technologia druku 3D oraz zastosowanie nanometrycznych domieszek do modyfikacji właściwości budowlanych kompozytów cementowych.
Naukowiec uzyskał wiele wyróżnień za swoją pracę badawczą, w tym stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla wybitnych młodych naukowców oraz stypendium START 2019 przyznawane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Obecnie realizuje projekt badawczy „Ultra-Lightweight Concrete for 3D printing technologies (Ultra-LightCon-3D)” w ramach stypendium indywidualnego (programu Marie Skłodowska-Curie Actions – Horyzont2020) na Uniwersytecie Technicznym w Berlinie. Projekt stanowi kontynuację prac badawczych prowadzonych w ramach stypendium NAWA. Dr inż. Pawel Sikora jest członkiem Polonium Foundation.
Jak dostać grant NAWA w ramach Programu im. Bekkera?
Szczegółowe informacje o programie NAWA znajdują się TUTAJ
Zdjęcie na stronie głównej ©AndSus.adobe.com.