En tvärvetenskaplig forskargrupp vid Cornell University har utvecklat en metod för att 3D-printa betong under vatten. Det kan förändra maritim konstruktion och reparationer av kritisk infrastruktur.
Målet är att bygga utan att störa, förklarar Sriramya Nair, biträdande professor i civil och miljöteknik vid David A. Duffield College of Engineering, som leder insatsen.
– Om du har ett fjärrstyrt undervattensfordon som kommer till platsen med minimal störning av havet, finns det ett sätt att bygga smartare och inte fortsätta med samma metoder som vi använder på land, säger hon i ett pressuttalande från Cornell.
Projektet har pågått sedan hösten 2024, då Department of Defense’s Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) gick ut med en uppmaning om hitta lösningar för att 3D-printa betong på ett djup flera meter under vattenytan. Tidsramen var på ett år.
Sriramya Nairs forskarteam antog utmaningen med hjälp av en industrirobot som väger 2,7 ton och kan 3D-printa stora betongstrukturer. Det visade sig att forskarna faktiskt kunde printa under vatten genom att göra vissa justeringar för att hantera vattenflödet.
Betongen ska innehålla sediment
Det finns flera utmaningar med att skriva ut objekt under vatten. Den främsta är att förhindra att cementpartiklar inte kan bindas samman under appliceringen, vilket försvagar materialet. Den vanliga lösningen är att addera tillsatskemikalier, men dessa skapar också sina egna komplikationer.
– När du tillsätter dessa kemikalier blir din blandning mycket viskös, och du kan inte pumpa. Så du balanserar den pumpbarheten med dessa anti-utspolningsmedel. När det extruderas, även om du inte har utspolning, vill du fortfarande att det ska kunna hålla formen och binda väl med de andra lagren. Det finns flera parametrar att ta hänsyn till, säger Nair.
DARPA har ställt ytterligare ett utmanade krav: betongen ska bestå främst av sediment från havsbotten och endast innehålla en liten mängd cement. Detta för att slippa transportera stora mängder cement med fartyg.
Forskarteamet lyckades efter några månader med uppgiften.
– Ingen gör detta just nu. Ingen tar havsbotten-sediment och skriver ut med det. Detta öppnar många möjligheter när det gäller vad betong kan bestå av.
Avslutas med tävling
Den andra fasen av DARPA-utmaningen kommer att kulminera i en tävling, där flera lag i mars ska 3D-printa en båge under vatten. Inför detta har Sriramya Nairs team gjort testutskrifter i en stor vattenbehållare. Laboratoriemiljön gör det möjligt att noggrant övervaka hur lagren deponeras samt styrkan, formen och texturen hos varje båge.
Teamet har också utvecklat sensorer som kan spåra utskriften medan den pågår. Förhållandena i havet gör inte denna process enkel.
– Problemet är att sedimentet är superfinfördelat, och så snart du rör om det, kan du få noll sikt. Vi visste inte hur mycket grumlighet det skulle vara i vattnet, säger Nils Napp, biträdande professor i elektroteknik och datateknik.
Så Napps grupp designade en kontrollbox med flera sensorsystem som kan integreras med robotarmen, för att ge ökad autonomi och kontroll vid betongutskrifter under vatten.
Tävlingens sista demonstration kommer att hållas i mars och de deltagande teamen håller därför just nu på att integrera de framsteg som gjorts för att framgångsrikt kunna printa bågarna.
