Екструдируемост при 3D печат с бетон

Екструдируемостта е способността на прясната циментова смес да бъде изтласквана непрекъснато през маркуч и дюза и да се полага като свързана нишка с предвидените ширина и височина, без задръстване, разслояване или разкъсване. Тя е едното от двете изисквания към прясното състояние, които определят един материал като печатаем; другото е носимоспособността при печат — способността да поеме натоварване веднага след полагане. Двете дърпат в противоположни посоки: всичко, което улеснява преминаването през тръба, обикновено влошава способността да се стои след това. Затова екструдируемостта не е едно свойство, а резултат от верига, която започва при помпата, минава през линията и завършва с геометрията на дюзата и движението на машината.

Какво е това и защо е важно

Помпаемостта е условието нагоре по веригата. Разтвор в тръба не тече като срязван континуум. Фините частици и водата се изместват леко от стената и образуват тънък смазващ слой, а по-голямата част от транспорта е приплъзване по този слой, а не срязване в обема. Загубата на налягане на метър маркуч зависи много повече от свойствата на този слой, отколкото от обемния вискозитет, което обяснява защо две смеси с близки реометрични резултати могат да се държат съвсем различно в линията. Диаметърът и дължината на маркуча и броят на огъванията определят общото налягане, което помпата трябва да осигури.

По същата причина типът помпа има значение. Винтовите помпи с прогресивна кухина подават практически непрекъснат поток и са обичайният избор при печат, защото равномерният дебит улеснява управлението; те натоварват материала със силно срязване и износват ротора и статора. Буталните помпи дават по-високо налягане и понасят по-корави и по-едри смеси, но дебитът им пулсира между ходовете, ако не бъде изгладен, а пулсацията се вижда в отпечатаната нишка.

Основната несполука при помпане е разделянето на фазите. Под налягане водата се изтласква от сместа през скелета от твърди частици — филтърно пресоване — и остава втвърдена запушалка, която блокира линията. Същата физика се проявява и като водоотделяне, при което свободна вода излиза на повърхността, и като сегрегация на едрата фракция. Достатъчното съдържание на фини фракции, непрекъснатата зърнометрия и добавката, модифицираща вискозитета, действат по един и същ начин: карат циментовото тесто да задържи водата си под налягане.

Геометрията на дюзата оформя нишката. Кръглата дюза дава заоблено сечение и понася добре промените в посоката; правоъгълната дава нишка с равни страни и по-предвидима контактна площ с долния слой, което подобрява размерната точност и междуслойния контакт. Отношението на стесняване между маркуча и изхода определя колко силно материалът се пресрязва при ускоряването си към отвора: плавното стесняване щади сместа, рязкото повишава налягането на екструзия и провокира повърхностни дефекти. Отстоянието на дюзата — разстоянието между изхода ѝ и предходния слой — решава дали материалът се полага свободно, или се притиска и заглажда; отстояние, по-малко от височината на слоя, превръща устието в оформящ инструмент, който сплесква нишката, с цената на по-високо противоналягане.

Геометрията на нишката следва от дебита и движението. Обемът, полаган за единица време, трябва да е равен на сечението на нишката, умножено по скоростта на дюзата. Ширината на слоя се задава главно от отвора и отстоянието, а височината — от вертикалната стъпка, обикновено част от ширината, така че нишката да се притиска, а не просто да се трупа. Когато дебитът и скоростта се разминат, нишката се влошава: излишъкът дава свръхекструзия, подуване и плаваща геометрия; недостигът дава изтъняване, разкъсване и накрая прекъсване.

Ъглите и ускоренията са мястото, където съгласуването се къса. Принтерът забавя при влизане в ъгъл и ускорява при излизане и ако дебитът не се променя заедно с това, материалът се трупа от вътрешната страна на завоя и не достига на изхода. Малките радиуси, резките промени в посоката и късите отсечки усилват ефекта — затова геометрията на траекторията е част от разговора за материала, а не само за програмирането. Другото геометрично ограничение е дължината на маркуча и времето на престой: дълга линия съдържа голям обем материал, който стои и се втвърдява и изразходва част от отвореното време, преди разтворът изобщо да стигне до дюзата.

Как се измерва

Няма хармонизиран стандартен тест за екструдируемост и това трябва да се каже направо. Съществува набор от методи с различен статут.

Буталният екструдер е основният изследователски инструмент: известен обем разтвор се изтласква от цилиндър през матрица с контролирана скорост, докато се записват силата и преместването. Получената крива разделя съпротивлението при оформяне на входа на матрицата от триенето по цилиндъра и е достатъчно повторяема за сравняване на смеси. Това е лабораторен метод, а не тест, определен в норма.

Критериите за качество на нишката оценяват пряко пробна отпечатана линия: непрекъснатост, липса на разкъсвания, ясни ръбове, ширина и височина спрямо заданието и сечението след определен брой слоя. В литературата се използват няколко схеми за оценка; нито една не е стандарт и всички зависят от дюзата и машината.

Разстилателната маса по EN 1015-3 служи като практичен заместител. Диаметърът на разстилане корелира с границата на течение и оттам с лекотата на екструзия и е достатъчно бърз за контрол между замесите. Той не казва нищо за вискозитета, кохезията под налягане или поведението при матрицата, така че е проверка на постоянството, а не мярка за екструдируемост. Слъмп тестът по EN 12350-2 играе същата роля при бетоните, но рядко разграничава печатаемите смеси, които са твърде корави.

Следенето на налягането при помпата е най-полезният сигнал по време на печат. Стабилната крива показва равномерен дебит; бавното покачване — втвърдяване или начало на филтърно пресоване; резките пикове — частично задръстване. Когато интерес представляват сегрегацията и водоотделянето, изпитванията за устойчивост върху сито и за водоотделяне от групата EN 12350 служат като показатели, а не като тестове за екструдируемост.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни и отразяват данни, публикувани в литературата за екструзионни системи за 3D печат. Те зависят от машината, сместа и дюзата и не представляват измервания на конкретен материал.

Това са прозорци за ориентация. Система извън един от тях не е непременно неизправна, а система в рамките на всички не печата непременно добре.

Какво го променя

От страна на материала водещи са водното съдържание и дозата суперпластификатор: и двете понижават границата на течение и улесняват екструзията, но за сметка на задържането на формата. Добавките, модифициращи вискозитета, и по-високото съдържание на фини фракции — варовиково брашно, летяща пепел, шлака или калцинирана глина — подобряват кохезията и устойчивостта на филтърно пресоване и обикновено са по-надежден път към стабилно помпане от простото добавяне на вода. Зърнометрията и максималната едрина определят риска от задръстване. Фибрите, особено по-дългите полипропиленови или стоманени, повишават чувствително налягането на екструзия и могат да образуват мост в дюзата. Ускорителите и високата околна температура скъсяват времето, през което материалът остава екструдируем.

От страна на системата диаметърът, дължината и огъванията на маркуча задават необходимото налягане; отношението на стесняване и отстоянието определят съпротивлението и оформянето при дюзата; а съгласуването между дебита и реалните ускорения решава дали нишката ще остане постоянна.

Типични дефекти и причини

Задръстването е най-нарушаващият работата дефект и обикновено се дължи на филтърно пресоване, едро зърно, недостатъчни фини фракции или материал, престоял извън отвореното си време. Водоотделянето и сегрегацията се проявяват като свободна вода на повърхността и отделяща се едра фракция, а оттам — неравномерна нишка и слаби слоеве. Пулсацията от бутална помпа или неравномерно подаване се вижда като периодично удебеляване на нишката. Свръхекструзията дава подуване, загуба на размерна точност и изтичане встрани; недостатъчната екструзия дава тънка, слаба нишка и в крайна сметка прекъсната линия. Разкъсването на повърхността е груба, напукана кожа, предизвикана от прекомерно срязване на изхода на матрицата — рязко стеснение, твърде корава смес или прекалено висока скорост на екструзия. Дефектите в ъглите се появяват като натрупване от вътрешната страна на завоя и недостиг на изхода. Деформацията на долния слой под дюзата е проблем на носимоспособността, който се проявява като проблем на екструзията: свличаща се нишка обикновено означава твърде течлив разтвор, а не сгрешен дебит. Накрая, изразходването на отвореното време в линията води до отклонение в хода на дълъг печат — материалът, достигащ дюзата към края, е по-корав от този в началото.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София. Провежда материалови изпитвания в собствената си работилница на принтер Crane WASP, в момента печата с търговски предварително приготвен сух микс, докато разработва собствена суха смес, и няма публикувани данни от изпитвания.

В работилничната практика екструдируемостта решава дали един печат ще бъде завършен. Практическите лостове са обичайните: постоянно дозиране на водата и постоянно смесване, кратко и повторяемо време между смесване и печат, маркучи не по-дълги от необходимото и съгласуване на дебита с реалната, а не с номиналната скорост на машината. Пробна отпечатана линия преди работа е обичайният начин да се провери, че нишката излиза непрекъсната и с правилни размери. Нищо тук не описва смес, рецептура или измерен резултат на Concreef; стойностите по-горе произхождат от публикуваната литература и посочените стандарти и не се твърди, че материал на компанията е сертифициран или изпитан по стандарт.