T. T. Le, S. A. Austin, S. Lim, R. A. Buswell, A. G. F. Gibb och T. Thorpe (2012) pekar på fyra olika faktorer som är viktiga för att bestämma vilken sammansättning av betong som är lämplig för olika typer av 3D-skrivning. De fyra olika faktorerna är:
1. Extruderbarhet - Enkelheten med vilken betong kan matas genom de olika delarna i ett 3D-skrivarsystem och sedan matas ut ur munstycket till ett 3D-skrivarsystem. Om betongen är trögflytande kan det ta längre tid än önskvärt att extrudera betongen och det kan även uppstå stopp i systemet så att hela byggprocessen stannar upp.
2. Bearbetbarhet - Lättheten med vilken betongen kan användas för att bygga önskvärda objekt. Skjuvhållfastheten av ett material brukar användas som en viktig del i att bestämma dess bearbetbarhet. Ju lägre skjuvhållfasthet desto högre bearbetbarhet.
3. Byggbarhet - Hållfastheten hos betong som ej stelnat, då betongen utsätts för tryck. Betong som ej stelnat måste klara av att bära vikten av ovanpåliggande lager utan att deformeras. Ju snabbare betongen har tillräcklig hållfasthet för att bära ett nytt lager desto snabbare kan 3D-skrivning av en konstruktion genomföras.
4. Öppentid - Tiden från att ett lager adderas till att det inte längre är möjligt att addera ett nytt lager.
Test av lämplig betongblandning
T. T. Le et. al. (2012) gjorde försök där ett flertal olika betongblandningar testades med avseende på ovanstående fyra kriterier för att kunna bestämma vilka betongblandningar som vore mest lämpliga att använda för 3D-skrivare. Blandningarna utgjordes av torrt pulver i form av sand och bindemedel samt vatten. Olika proportioner av sand, i intervallet 55% till 75%, i förhållande till den torra blandningen, och olika proportioner av bindemedel i
utgjordes till 70% av cement, till 20% av flygaska och till 10% av “silica fume”. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel valdes till 0.28, vilket gav en tryckhållfasthet på över 100 MPa.
Extruderbarhet
I de test som T. T. Le et. al. (2012) genomförde visade det sig att extruderbarheten påverkades mycket av halten av de olika materialen i den torra blandningen. Med en hög andel sand, 75% av den torra blandningen, uppstod det stopp i 3D-skrivarsystemet. Efter att ha minskat andelen sand, ökat andelen cement, flygaska, silica fume och även ökat andelen vatten samt tillsatt mjukningsmedel och polypropenfibrer kunde en blandning som var
lämplig utifrån dess extruderbarhet fås. Den torra delen av blandningen bestod till 60% av sand, 28% av cement, 8% av flygaska och 4% av silica fume. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel var 0.28. 1.6 kg polypropenfibrer per kubikmeter tillsattes.
Mjukningsmedel tillsattes även så att mjukningsmedlet utgjorde mellan 1% och 2% av den torra blandningen.
Bearbetbarhet
Bearbetbarheten av en betongblandning påverkas i hög utsträckning av graden av
mjukningsmedel. Den betongblandning som i testerna av T. T. Le et. al. (2012) hade mest önskvärda egenskaper och ansågs lämplig för 3D-skrivare hade 1% mjukningsmedel. Samma blandning utan mjukningsmedel var alldeles för trögflytande och hård. Tillsats av mjukningsmedel till blandningen minskade skjuvhållfastheten och gjorde blandningen mer lättflytande och önskvärd bearbetbarhet kunde fås. Med mjukningsmedel kan andelen vatten i förhållande till cement, för att få en viss bearbetbarhet, vara betydligt lägre än utan
mjukningsmedel. Att ha en låg andel vatten i förhållande till cement möjliggör högre tryckhållfasthet för betongen än en högre andel vatten i förhållande till cement. Därav är användningen av mjukningsmedel av särskilt stor betydelse vid 3D-skrivning med betong, då lämpliga värden för tryckhållfasthet, bearbetbarhet, byggbarhet, extruderbarhet och öppentid är kritiska, med små toleranser för avvikelser, för att betongen ska ha önskvärda
egenskaper.
Öppentid
Genom att variera andelen mjukningsmedel mellan 0-2% i betongblandningen testade T. T. Le et. al. (2012) den öppna tiden för betongblandningen. Den öppna tiden beskriver det tidsintervall från att ett lager extruderats till att nästa lager fortfarande kan extruderas. Efter att den öppna tiden löpt ut för ett extruderat lager är det således inte lämpligt att addera ett
nytt lager ovanpå det föregående. I testerna av Le et. al. definierades den öppna tiden som den tid efter extrudering av betongen, då betongens skjuvhållfasthet ökat med 0.3 kPa från den ursprungliga skjuvhållfastheten. Då denna ökning i skjuvhållfasthet skett bedömdes det inte längre vara möjligt att extrudera ett nytt lager. 0,5% mjukningsmedel gav 3 minuters öppentid, 1% mjukningsmedel gav en öppentid på ungefär 5 minuter och 2%
mjukningsmedel gav en öppentid på 18 minuter.
I allmänhet gäller att det är mer fördelaktigt ju längre öppentid en betongblandning har, så länge byggbarheten är tillräcklig. I testerna av Le et. al. visade det sig att 1,5-2%
mjukningsmedel gav för låg byggbarhet. 1% mjukningsmedel gav önskvärd bearbetbarhet enligt föregående delavsnitt och gav även tillräcklig byggbarhet. En öppentid på 5 minuter är dock alldeles för kort för att kunna bygga en mängd olika konstruktioner. Genom att tillsätta en retarder kunde den öppna tiden förlängas och med 0,5% retarder kunde en blandning med 100 minuters öppentid fås.
Byggbarhet
Byggbarhet kan beskrivas som hur många lager som kan adderas till varandra utan att sprickbildning, deformation eller förskjutningar uppstår. Ju högre tryckhållfasthet och ju högre skjuvhållfasthet, desto högre är även byggbarheten under förutsättning att lagrena som adderas fäster i varandra. Ju lägre andel vatten och ju högre andel sand, desto högre blir i allmänhet tryckhållfastheten och skjuvhållfastheten. Hög skjuvhållfasthet kan dock innebära att sammanfogningen mellan två lager blir för svag för att lagrena ska fästa
ordentligt i varandra vilket gör att byggbarheten blir lägre. Vid skjuvhållfasthet på 0,3 kPa var hållfastheten för låg för att kunna bygga mer än några lager. Vid skjuvhållfasthet på 0,9 kPa uppstod brytpunkter i filamenten på den extruderade betongen. En skjuvhållfasthet på 0,55 kPa visade sig vara optimal för att uppnå hög byggbarhet.
Lämplig blandning
Den betongblandningen i testerna av T. T. Le et. al. som visade sig mest lämplig för 3D-skrivning bestod till 60% av sand, 28% av cement, 8% av flygaska och 4% av silica fume, avseende den torra delen utan tillsatser. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel var 0.28. 1% av bindemedlet (d.v.s. 1% av cement, flygaska och silica fume) utgjordes även av tillsatt mjukningsmedel och 0.5% av bindemedlet utgjordes av en tillsatt retarder. 1,2 kg polypropenfibrer per kubikmeter tillsattes även.
Allmänt kan sägas att andelen sand bör ökas och andelen vatten bör minskas om
skjuvhållfasthet blir dock blandningen mer trögflytande och bindningen mellan varje lager blir svagare. För att göra en blandning mindre trögflytande och öka styrkan i bindningen mellan två lager kan mjukningsmedel tillsättas. Det minskar dock även tryckhållfastheten och skjuvhållfastheten i viss utsträckning, men inte lika mycket som om andelen vatten skulle ökas för att få motsvarande egenskaper. För att den öppna tiden ska vara så lång som möjligt, då det är möjligt att fortfarande extrudera ett nytt lager, kan en retarder tillsättas till blandningen.
Jämförelse med andra tester
Det finns flera andra försök som gjorts för att ta fram lämpliga betongblandningar för 3D-skrivare. C. Gosselin et. al. (2016) beskriver hur en blandning av olika betongmaterial med, 40-50% crystalline silica (sand), 30-40% Portland cement CEM I 52.5N, 10% silica fume och 10% limestone filler kan användas som material vid materialadderande
CC-tillverkning. Två tillsatsmedel användes även för att ge starkare sammanfogning mellan varje lager och för att ge minskad setting time för betongen. Den första tillsatsen var en polymerbaserad harts som användes för att ge starkare sammanfogning mellan två lager. Den andra tillsatsen var en accelerator som tillsattes för att få en önskvärd setting time. Denna uppsättning material tillsammans med sand blandades sedan med en liten mängd vatten för att få önskvärda egenskaper. Vattnet utgjorde ungefär 9% av blandningens totala vikt. Denna blandning påminner till viss del om den blandning som T. T. Le et. al. (2012) fann lämplig för 3D-skrivare. Andelen sand är dock lägre än i den blandning T. T. Le et al. fann lämplig för 3D-skrivning och istället för flygaska användes limestone filler. Den mest anmärkningsvärda skillnaden är dock att C. Gosselin et. al. (2016) använde en accelerator istället för en retarder. En accelerator gör så att den öppna tiden blir kortare men i gengäld blir skjuvhållfastheten och tryckhållfastheten högre vid varje tidpunkt efter extruderandet av betongen i jämförelse med om en retarder istället använts. A. Perrot et. al. (2016) använde ytterligare en annan betongblandning för extruderandet av betong. Det visar på att det finns en mängd olika betongblandningar som kan användas för 3D-skrivning.
För att få ytterligare ökad hållfasthet kan glasfiber tillsättas i själva betongblandningen. Företaget WinSun var 2006 först med att använda glasfiber i betong, s.k. SRC (special glass fiber reinforced concrete) (WinSun). Christ et. al. (2015) testade en blandning med 1% glasfiber med gott resultat, särskilt för tryck vinkelrätt från utmatningsriktningen av
betongblandningen. Det finns även andra tillsatser som har möjlighet att öka hållfastheten i en betongblandning (Christ et. al., 2015) och att använda armeringsjärn vore ett sätt att öka tryckhållfastheten betydligt, vilket beskrivs under avsnittet Armeringsjärn.
Målet med avsnittet om material har inte varit att ta fram någon definitiv
materialsammansättning som vore lämplig för att använda med 3D-skrivare. Utan syftet har snarare varit att visa på betydelsen av materialval samtidigt som det finns flera olika typer av materialsammansättningar som kan vara lämpliga. Beroende på vilken byggnad som ska göras, vilken 3D-skrivare eller vilket 3D-skrivarsystem som används, så skiljer det sig också åt vilka betongblandningar som är lämpliga. Luftfuktighet och temperatur är även
förhållanden i omgivningen som också påverkar vilken betongblandning som är lämplig, vilket gås igenom i avsnittet Klimatförhållanden.
Sammantaget spelar proportionerna av olika material i betongblandningen stor roll för att 3D-skrivare ska kunna användas inom byggbranschen med betong som material. Särskilt för hållfasthet och bygghastighet spelar materialet stor roll. Att hitta lämpliga betongblandningar är en central del för att möjliggöra implentering av 3D-skrivare inom byggbranschen. Mer utveckling inom området vore gynnsamt för att 3D-skrivare ska kunna användas i större skala inom byggbranschen.