Глинени и почвени материали за печат

Глинените материали за 3D печат са екструдируеми смеси от местна почва или преработена глина — контролирано съотношение между песъчливата, прахова и глинеста фракция, обикновено с естествени фибри като нарязана слама или коноп, а понякога и с малка добавка стабилизатор: вар, цимент или биологичен свързвател като нишесте или казеин. Печатат се на същата екструзионна техника като циментовите разтвори, но се подчиняват на друга физика: глинестата фракция дава кохезия и формоустойчивост веднага, а окончателната якост се получава чрез отдаване на вода към въздуха, а не чрез химична реакция. Тази разлика обяснява както предимствата на печата с глина, така и неговите ограничения.

Какво е това и защо е важно

Свързващият агент в глинената смес е глинестата минерална фракция. Глинестите частици са изключително фини и носят повърхностен заряд; в присъствие на вода те се държат заедно от електростатично привличане и капилярно засмукване. Затова глинената паста е естествено тиксотропна — тече при срязване в маркуча и дюзата и възстановява коравината си за секунди след спиране. Добре съставена глинена смес не изисква ускорител, пакет от добавки или прецизно управление на структурното нарастване; формоустойчивостта е присъщо свойство, а не заложено в рецептурата.

Съответната слабост е, че нищо не се свързва. Циментът хидратира необратимо; глината само съхне и процесът се обръща, когато водата се върне. Оттук следват три неща. Свиването от съсъхване е голямо — много по-голямо, отколкото при бетона — защото водата, която е разделяла частиците, си отива и структурата се свива около останалия скелет. Изсъхването е бавно и силно зависимо от геометрията: то е дифузия през дебелината, така че дебел елемент съхне отвън навътре и може да задържи мокра сърцевина дълго след като повърхността изглежда готова. И нестабилизираната глина е водоразтворима — нужна е проектирана защита: покривен надвес, повдигнат цокъл над зоната на пръските, дишаща мазилка или стабилизация, която разменя обратимостта срещу дълготрайност.

Якостта се чете в същия контекст. Сухата нестабилизирана глина достига якости на натиск, характерни за зидария от запълващ тип — около порядък под конструктивния бетон — а опънната ѝ способност без фибри е пренебрежима. Затова в почти всички отпечатани приложения глината е неносещ или ниско застроен материал: обвивка, запълване между скелет, преградни стени, слоеве с термична маса, мебели и елементи за ландшафта.

В замяна глината предлага хигротермални и екологични предимства. Плътността ѝ осигурява висока термична маса. Отворената ѝ порова структура буферира вътрешната влажност, като поема и отдава влага в денонощния цикъл — нещо, което циментовите повърхности не правят. Вложеният въглерод е много нисък, защото няма клинкер и често няма транспорт извън площадката. И материалът е напълно обратим: нестабилизирана глинена стена може да се намокри, размеси и отпечата отново, което я прави наистина кръгова, а не просто рециклируема до по-нискокачествен продукт.

Референтната практика за печат с глина е работата, развита около платформата WASP Crane — прототипът Gaia от почва, оризова слама и земеделски остатъци, а по-късно и жилищният прототип TECLA, отпечатан с многораменна кранова система. Тази работа доказа осъществимостта на печатането на цели обвивки от глина и остава основната публична демонстрация на метода.

Как се измерва

Глината се характеризира с методите на почвената механика, а не с бетонните методи, защото значение има съставът и пластичността на почвата, а не реакция на свързващо вещество.

Зърнометричният състав се определя чрез ситов анализ за песъчливата и едропраховата фракция и чрез седиментация (ареометър или пипетен метод) за финия прах и глината. Резултатът е балансът пясък:прах:глина, който управлява както екструдируемостта, така и свиването.

Границите на Атерберг определят водните съдържания, при които почвата сменя състоянието си: граница на течливост, граница на пластичност и числото на пластичност между тях, по EN ISO 17892-12. Работното водно съдържание при печат е в пластичния диапазон, а числото на пластичност е най-полезният единичен показател дали почвата ще задържи отпечатана нишка.

Минералогията на глината има значение, защото не всяка глина се държи еднакво. Каолинитът е сравнително стабилен и слабо набъбващ; монтморилонитът (смектитовата група) има много голяма специфична повърхност и набъбва и се свива драстично с влагата, затова почва с високо съдържание на смектит е далеч по-склонна към пукнатини от съсъхване и обикновено се коригира, а не се използва както е.

Контролът на водното съдържание е ежедневната технологична променлива и се измерва чрез сушене до постоянна маса, а уплътняването по Проктор дава полезно референтно оптимално водно съдържание там, където почвата се уплътнява, а не се екструдира.

За характеристиките якостта на натиск на неограничени образци се определя върху сухи проби — стойността е безсмислена при частична влажност, затова кондиционирането до равновесие е част от изпитването. Линейното свиване се оценява с изпитване на свиване върху призматична проба с известна дължина, която се изсушава и се измерва промяната. Устойчивостта на вода се оценява с капкови и струйни ерозионни изпитвания, които съществуват в националните указания за почвено строителство в няколко варианта, а не като един хармонизиран метод.

Германската серия DIN 18945–18948 (глинени блокове, зидарски и блокови глинени разтвори, глинени мазилки) и различни национални указания дават най-близките налични критерии. Хармонизиран европейски стандарт за отпечатана глина няма и всеки публикуван резултат от печат с глина следва да се чете като изследователски метод, освен ако не е посочен стандартът, по който е получен.

Типични стойности

Всички стойности по-долу са ориентировъчни, взети в общи линии от литературата за почвено строителство и печат с глина, и не са измервания на Concreef.

Какво го променя

Водещата променлива е самата почва. Две почви от площадки на стотина метра една от друга могат да се различават по зърнометрия и минералогия достатъчно, за да изискват различни корекции — затова почвата винаги се характеризира, преди да се печата. Корекцията означава добавяне на пясък за намаляване на свиването и пластичността, добавяне на глина за повишаване на кохезията или на прах за запълване на междинната фракция.

Водното съдържание измества целия технологичен прозорец. Малко в повече — нишката се сляга и свиването расте; малко в по-малко — налягането на екструзия се вдига, нишката се къса и контактът между слоевете се влошава. Допустимата лента е тясна в сравнение с циментова смес.

Фибрите променят поведението при напукване повече, отколкото якостта. Слама, конопена костра или подобни фибри мостят микропукнатините, които се образуват при свиването, и превръщат няколко широки пукнатини в много фини, а също намаляват сухата плътност.

Стабилизаторите променят категорията на материала. Варта реагира бавно с глинестата фракция и подобрява водоустойчивостта; циментът дава по-бърз, по-як и по-малко дишащ материал; биологични свързватели като нишесте или казеин повишават сухата якост без клинкер. Всяка добавка стабилизатор намалява обратимостта, която прави глината привлекателна, затова количеството се държи възможно най-ниско според експозицията.

Условията на изсъхване — температура, влажност, движение на въздуха и изложената площ на геометрията — определят както скоростта на съхнене, така и риска от повърхностни пукнатини, защото бързото повърхностно изсъхване създава влажностен градиент, който е възпрепятстван от вътрешността.

Типични дефекти и причини

Пукнатини от съсъхване са характерният дефект: широки пукнатини се появяват при свиването на елемента, концентрирани по ъглите, опорите и промените в дебелината. Обичайните причини са твърде много глина, твърде много вода, недостиг на фибри или твърде бързо повърхностно съхнене.

Слягане и деформация на слоевете по време на печат показват водно съдържание над работния диапазон или глинеста фракция, недостатъчна да носи наслагените слоеве. Късане на нишката и запушване на дюзата идват от обратната посока: твърде суха смес или зърно и дължина на фибрите, големи спрямо дюзата.

Разслояване между слоевете възниква, когато долният слой вече е изсъхнал повърхностно, преди да бъде положен следващият, и двата не се сплотяват. За разлика от циментовия печат това е проблем на влажностната непрекъснатост, а не химичен, и се влошава в горещи, сухи или ветровити условия.

Ерозия и загуба на повърхност следват от незащитена експозиция на проливен дъжд или пръски. Деформация от неравномерно съхнене се получава, когато едната страна на елемента съхне значително по-бързо от другата, а при богати на фибри смеси, държани влажни, е възможно и биологично развитие — още една причина съхненето да бъде доведено докрай.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София, която провежда материалови изпитвания в работилницата си в София на принтер Crane WASP. Тъй като това е същото семейство машини, използвано в работите Gaia и TECLA, публикуваната практика по печат с глина е пряко относима към начина, по който е устроена работилницата.

Concreef понастоящем печата с търговски премикс, докато разработва собствена суха смес, и няма публикувани изпитвателни данни. Затова глината тук се разглежда като документирано материалово семейство, а не като продуктова линия: изложеното описва как се държи глината и как се оценява, а не резултати, получени в Concreef. В работилнични мерки ограниченията, които имат значение, са тези, които не могат да се съкратят — времето за съхнене се определя от геометрията и околните условия, свиването се поема от проекта, а не се премахва от сместа, а всеки глинен елемент за външна експозиция изисква защитен детайл или стабилизатор, решен преди печата.