Biopohjaiset muotinirrotusaineet 3D-tulostetuissa betonimuoteissa – käytännön kokemusta irrotettavuudesta ja rajapintakäyttäytymisestä

Biopohjaisten muotinirrotusaineiden toimivuudesta 3D-tulostetuissa betonimuoteissa on vielä vähän tutkimustietoa (De Brito ym. 2000; León-Martínez ym. 2016; Chaudhari ym. 2023). Kasviöljypohjaisten ja biohajoavien irrotusaineiden on aiemmissa tutkimuksissa havaittu vähentävän tartuntaa ja parantavan betonipinnan laatua (De Brito ym. 2000; León-Martínez ym. 2016; Barnat-Hunek & Szafraniec 2021; Chaudhari ym. 2023). Irrotettavuuteen vaikuttavat kuitenkin myös 3D-tulostetun muotin valmistustapa ja siitä syntyvä pintarakenne.

Tässä tutkimuksessa vertailtiin rypsiöljyä, mehiläisvahaa, karnaubavahaa ja kaupallista Teho+ Muottiöljy bio 20:tä PLA-pohjaisissa 3D-tulostetuissa muoteissa sekä toteutettiin vertailusarja ilman muotinirrotusainetta. Tarkastelussa huomioitiin mitatun irrotusvoiman lisäksi betonin murtumistapa, rajapinnan käyttäytyminen sekä levitys- ja käsittelyominaisuudet käytännön työssä.

Kokeellisen työn toteutus ja työvaiheet

Kokeellinen työ toteutettiin laboratoriomittakaavassa vertailukelpoisina koesarjoina. Työvaiheisiin kuuluivat PLA-muottien 3D-tulostus, muottien puhdistus ja kokoaminen, koesarjan mukainen irrotusainekäsittely, betonikappaleiden valu ja kovetus sekä irrotusvoimatestaus.

Ennen betonivalua muotit puhdistettiin, koottiin ja käsiteltiin koesarjan mukaisella irrotusaineella, jotta muotin ja betonin rajapintaan muodostuisi tartuntaa vähentävä kalvo.

Betonimassa valmistettiin mitattujen kuivabetoni- ja vesimäärien perusteella, sekoitettiin betonimyllyssä ja valettiin valmisteltuihin muotteihin. Valun yhteydessä koekappaleisiin asennettiin vetokoetta varten tarvittavat kiinnitysrakenteet, massa tiivistettiin ja koekappaleiden annettiin kovettua 24 tuntia ennen testausta.

Kovettumisen jälkeen koekappaleille tehtiin irrotusvoimatestit Shimadzu-yleiskoekoneella (kuva 1). Testissä seurattiin voima–siirtymäkäyriä ja määritettiin irtoamiseen tarvittava maksimivoima.

Öljyt olivat helppoja käyttää, vahat vaativat enemmän työtä

Käytännön työssä erot näkyivät jo muotinirrotusaineiden levitysvaiheessa. Rypsiöljy ja Teho+ Muottiöljy bio 20 levittyivät siveltimellä helposti ja muodostivat muottipinnalle tasaisen, ohuen kalvon ilman erityisiä valmistelutoimia. Tämän vuoksi öljypohjaiset irrotusaineet olivat nopeita annostella ja soveltuivat hyvin tehokkaaseen muottien käsittelyyn.

Vahapohjaiset aineet käyttäytyivät selvästi eri tavalla. Vahojen käyttö edellytti useita esikäsittelyvaiheita, kuten aineen sulattamista, muottien esilämmitystä sekä lämmön ylläpitämistä levityksen aikana. Tämän vuoksi käsittelyprosessi oli muita tutkittuja irrotusaineita hitaampi ja työvaiheiden onnistuminen riippui merkittävästi levityksen tarkkuudesta ja lämpötilan hallinnasta. Tämä voi rajoittaa vahapohjaisten irrotusaineiden käytännön soveltuvuutta tilanteissa, joissa prosessin tehokkuus ja helppokäyttöisyys ovat keskeisiä vaatimuksia.

Tulostettu pinta jättää jälkensä betoniin

3D-tulostettujen muottien kerroksittainen pintarakenne siirtyi selvästi valmiiden betonikappaleiden pintaan kaikissa koesarjoissa käytetystä muotinirrotusaineesta riippumatta. Kuvassa 2 näkyvät betonipintaan jäljentyneet säännölliset kerroskuviot.

Kerrosrakenne vaikuttaa sekä betonikappaleiden irrotettavuuteen että visuaaliseen ilmeeseen: se voi lisätä irrotusvastusta, mutta samalla mahdollistaa betonipinnan tekstuurin hallinnan. Korkean tarkkuuden 3D-tulostuksessa muottipinnan yksityiskohdat siirtyvät tarkasti betonipintaan, joten muotti määrittää valukappaleen geometrian lisäksi sen pintarakennetta (Naboni & Breseghello 2020). Tätä voidaan hyödyntää arkkitehtonisissa betonituotteissa yksilöllisten pintatekstuurien tuottamiseen ilman erillisiä pintakäsittelyjä (Jipa & Dillenburger 2022; Naboni & Breseghello 2020). Sileää pintaa ja hyvää irrotettavuutta tavoiteltaessa muottipinnan rakenne on puolestaan hallittava huolellisesti.

Rypsiöljy antoi yllättävän kilpailukykyisiä tuloksia

Tutkimuksen ehkä kiinnostavin havainto liittyi tavalliseen rypsiöljyyn. Vaikka kyseessä oli yksinkertainen ja edullinen vaihtoehto, sillä saavutettiin pienimmät keskimääräiset irrotusvoimat näissä koeolosuhteissa. Tuloksissa havaittiin kuitenkin huomattavaa vaihtelua: osa näytteistä irtosi vähäisellä voimalla, kun taas osa jäi tiukasti kiinni muottiin. Tulokset korostavat, että kasviöljypohjaisten irrotusaineiden toimivuus riippuu useista rajapintaan liittyvistä tekijöistä, kuten levitystavan onnistumisesta sekä muotin ja betonin välisten vuorovaikutusten luonteesta.

Kuvassa 3 nähdään selviä eroja eri muotinirrotusaineiden välillä mitatuissa maksimivoimissa. Koska maksimivoima kuvaa tässä irrottamiseen tarvittavaa suurinta voimaa, pienempi arvo tarkoittaa yleensä parempaa irrotustehoa.

Mitä voima-siirtymäkäyrät kertoivat?

Voima–siirtymäkäyrissä näkyi useita peräkkäisiä voiman nousuja ja laskuja, mikä osoitti, että betonikappaleen irtoaminen tapahtui harvoin yhtenä tapahtumana. Useimmissa näytteissä voima kasvoi aluksi lähes lineaarisesti. Maksimivoiman jälkeen käyrissä nähtiin yleensä voimakas voiman aleneminen sekä sitä seuraavia uusia nousuja ja laskuja. Tämä viittaa siihen, että eri tartuntakohdat purkautuivat vaiheittain.

Ilmiö näkyi erityisen selvästi Teho+ Muottiöljy bio 20-koesarjoissa 2–5, joiden voima–siirtymäkäyrät on esitetty kuvassa 4. Ensimmäisen merkittävän tartuntakohdan pettäminen vähensi muotin ja betonin välistä kiinnittymistä, mutta ei yleensä vielä riittänyt vapauttamaan kappaletta kokonaan muotista. Tämän seurauksena voima alkoi jälleen kasvaa siirtymän lisääntyessä.

Tämän vuoksi pelkkä maksimivoima ei kuvaa täysin muotinirrotusaineen tehokkuutta, vaan tuloksia on tarkasteltava yhdessä käyrien muodon ja kokeessa havaittujen murtumis- tai irtoamistapojen kanssa. Tulosten tulkinnassa huomioitiin myös betonin mahdollinen halkeilu, kiinnitysrakenteen toiminta sekä 3D-tulostetun muotin pinnankarheus ja geometria.

Ilman irrotusainetta mitattiin suurimmat voimat

Vertailusarjassa 8 muotinirrotusainetta ei käytetty lainkaan, ja siinä mitattiin tutkimuksen suurimmat irrotusvoimat, noin 5,9–8,0 kN. Verrattuna tähän sarjaan kaikki tutkitut muotinirrotusaineet vähensivät ainakin osassa näytteistä irrottamiseen tarvittavaa voimaa, vaikka mikään niistä ei poistanut tartuntaa kokonaan. Tulos osoittaa, että muotinirrotusaine vaikuttaa betonin ja muotin väliseen rajapintaan.

Samalla vertailusarja korosti 3D-tulostetun pinnan merkitystä. Ilman irrotusainetta betonin ja muotin välinen tartunta oli erittäin voimakas, mikä näkyi sekä korkeina irrotusvoimina että voima–siirtymäkäyrien portaittaisena käyttäytymisenä (kuva 5).

Muotin geometrian ja irrotusaineen yhteisvaikutus

Tutkimuksessa havaittiin, että betonin irrotettavuus riippui muotinirrotusaineen lisäksi 3D-tulostetun muotin geometriasta ja kerroksellisesta pintarakenteesta. Tulostuskerrosten aiheuttama pinnankarheus ja muotojen synnyttämä mekaaninen lukkiutuminen lisäsivät betonin ja muotin välistä tartuntaa, mikä näkyi suurina irrotusvoimina lähes kaikissa koesarjoissa. Ensimmäisen koesarjan rypsiöljyllä käsitellyt muotit muodostivat poikkeuksen, sillä ne irtosivat betonikappaleista jo ennen vetokoetta eikä irrotusvoimaa voitu siksi mitata. Seuraavia koesarjoja varten muottigeometriaa muutettiin, minkä jälkeen betonin ja muotin välinen tartunta lisääntyi huomattavasti.

Tämä osoittaa, että sama irrotusaine voi toimia eri tavoin muotin muodosta ja pintarakenteesta riippuen. FGF-tulostuksessa (Fused Granulate Fabrication) syntyvät kerrosjäljet muodostavat tartuntapintoja, joihin betonimassa voi ankkuroitua. Samansuuntaisia havaintoja ovat raportoineet Wang ym. (2024), joiden mukaan 3D-tulostetun muotin ja valubetonin välinen tartunta selittyy merkittävältä osin rajapinnan mekaanisella lukkiutumisella.

Kohti toimivampia 3D-tulostettuja betonimuotteja

Tulokset osoittavat, että biopohjaisten muotinirrotusaineiden teho 3D-tulostetuissa betonimuoteissa määräytyy irrotusaineen ja muotin ominaisuuksien yhteisvaikutuksesta. Tehokas ja ympäristöystävällinen ratkaisu edellyttääkin tarkoitukseen sopivan irrotusaineen yhdistämistä huolellisesti suunniteltuun muottiin.

Muotin suunnittelussa on huomioitava pinnanlaatu, tulostuskerrokset, geometria, päästökulmat ja materiaalin vuorovaikutus betonin kanssa. Erityisesti pinnankarheus ja muodon aiheuttama mekaaninen lukkiutuminen voivat voimistaa tartuntaa niin, ettei sopivakaan pintakäsittely yksin varmista irrotettavuutta.

Käytännön käsiteltävyyden perusteella rypsiöljy ja kaupallinen bioöljy olivat nopeita ja helppoja levittää, kun taas vahapohjaiset aineet edellyttivät sulatusta, muottien esilämmitystä sekä levityslämpötilan tarkkaa hallintaa. Vahat voivat kuitenkin muodostaa tasaisen käsittelypinnan, jos levitysolosuhteet hallitaan.

Kokonaisuutena onnistunut irrotusratkaisu edellyttää muotin ja irrotusaineen tarkastelua yhtenä järjestelmänä. Kun muottimateriaali, geometria, pinnanlaatu, päästökulmat ja levitysmenetelmä sovitetaan yhteen, biopohjaiset muotinirrotusaineet voivat edistää sekä valuprosessin sujuvuutta että ympäristöystävällisempien betonivaluratkaisujen kehittämistä.

Jatkossa lupaavia tutkimussuuntia ovat erityisesti kasviöljyjen ja vahojen yhdistelmät, muottipintojen jälkikäsittely sekä eri 3D-tulostusmateriaalien ja tulostusasetusten vaikutukset betonin ja muotin rajapintaan. Myös muottien uudelleenkäytettävyys, puhdistettavuus ja irrotusainejäämien vaikutukset vaativat lisätarkastelua. Näiden kysymysten selvittäminen tukee teknisesti toimivien ja ympäristökestävien 3D-tulostettujen muottiratkaisujen kehittämistä.