Изпитване на материали за 3D печат

Изпитването на печатаема смес означава един и същ материал да бъде характеризиран три пъти, в три различни състояния: прясно, докато се изпомпва и екструдира; зелено, през първите минути и часове, когато трябва да носи слоевете над себе си; и втвърдено, когато механичните и трайностните показатели са стабилни. Класическото изпитване на бетон покрива първото и третото състояние и почти пренебрегва второто — а точно то решава дали отпечатаното ще се задържи. Затова полезният протокол съчетава утвърдени стандартни методи с малък набор изследователски методи без стандартен аналог и записва за всеки резултат към коя от двете групи принадлежи.

Какво е това и защо е важно

Печатаемият разтвор трябва да удовлетворява изисквания, които си противоречат. Той трябва да тече през маркуча и дюзата без запушване и разслояване, след това да загрубее достатъчно бързо, за да носи следващите слоеве, после да се сцепи с повърхност, която вече е частично коравяла, и накрая да достигне якостта и трайността, за които елементът е проектиран. Нито едно изпитване не покрива това. Значение има последователността на свойствата във времето, затова протоколът се подрежда по състояние на материала, а не по уред.

Втората причина изпитването тук да е по-важно, отколкото при отлят бетон, е анизотропията. Отпечатаният елемент има слоеста структура и междуслойната фуга обикновено е най-слабата равнина. Якост на натиск, измерена перпендикулярно на слоевете, и якост, измерена успоредно на тях, са различни числа за един и същ материал. Резултат без посочена посока на натоварване е непълен, а сравняването на две публикувани стойности без тази информация е безсмислено.

Накрая, областта няма стандарт за приемане. Докато такъв липсва, всяко твърдение за печатаема смес се крепи на документирана изпитвателна програма, а не на сертификат, което прехвърля тежестта върху качеството на самата документация.

Как се измерва

Прясно състояние. Консистенцията се измерва с разстилаща маса по EN 1015-3 или по еквивалентния метод ASTM C1437, както и със слягане и разстилане при слягане по EN 12350-2 и EN 12350-8, когато сместа е достатъчно течлива, за да имат смисъл. Те дават бърз и повторим показател, но не и физиката отдолу. За нея се използва ротационна и лопаткова (vane) реометрия, която разделя статичната и динамичната граница на течене от пластичния вискозитет — двата параметъра, които определят съответно дали нишката държи формата си и какво налягане трябва да развие помпата. Ръчен пенетрометър дава евтин заместител за границата на течене на място. Плътността на пресния разтвор по EN 12350-6 и съдържанието на въздух допълват партидния протокол, а повтарянето на измерването с разстилащата маса през интервали върху една партида очертава загубата на обработваемост във времето — практическата дефиниция на отвореното време.

Зелено, преходно състояние. Тук стандартният инструментариум оредява. Зелената якост и структурното нарастване се характеризират с едноосно изпитване на натиск върху пресни цилиндрични образци при нарастващо време на покой, което проследява колко бързо материалът набира коравина в покой; лопатковото изпитване на срязване дава същото като граница на течене. Най-представително остава изпитването с печат до разрушение на кух цилиндър: печата се непрекъснат цилиндър при фиксирана скорост и височина на слоя и се отчитат височината и броят слоеве при свличане. Това е изследователски, а не стандартен метод и резултатът е сравним само когато с него се докладват геометрията, скоростта и височината на слоя. Свързването се ограничава между иглата на Вика по EN 196-3 и съпротивлението на проникване по ASTM C403, а изотермичната калориметрия следи топлината на хидратация непрекъснато и показва как ускорител или забавител е изместил цялата реакция.

Втвърдено състояние. Якостта на натиск се определя по EN 12390-3, якостта на опън при огъване по EN 12390-5, якостта на опън при цепене по EN 12390-6 и модулът на еластичност по EN 12390-13; EN 1015-11 покрива якостите на разтвори, когато този път е по-подходящ. Смесите с фибри се характеризират по остатъчна якост след напукване чрез изпитването на греда с нарез по EN 14651. Междуслойното сцепление се оценява с директен опън на отлепване през фугата и с изпитвания на цепене или срязване, ориентирани по равнината на фугата; това са адаптации на стандартни методи, а не стандартизирани изпитвания на фуга. Трайността се покрива с проникване на вода под налягане по EN 12390-8, капилярно водопоглъщане, дълбочина на карбонизация по EN 12390-12, устойчивост на замразяване и размразяване по CEN/TS 12390-9, плътност и отворена порьозност. Когато въпросът е самата вътрешна структура, рентгенова компютърна томография и оптична или електронна микроскопия показват порите по фугата, които механичните изпитвания могат само да предполагат.

Подготовката на образците е стъпката, която най-често се прави погрешно. Отпечатаният материал се реже или ядково се извлича от отпечатани блокове, а не се отлива в калъпи, защото отливането премахва фугите и историята на полагане, които определят материала. Всеки образец се маркира с посоката на натоварване спрямо слоевете и с позицията си в елемента. Контролни отляти образци от същата партида си струват, но като партиден еталон за постоянство, не като еквивалент на отпечатания материал. Към това вървят партидни протоколи, времената на разбъркване и покой и записана околна температура и относителна влажност, защото резултатите в ранна възраст не се тълкуват без тях. Повторимостта изисква деклариран брой образци на условие, а резултатите от малки лабораторни замеси редовно се разминават с производството в реален мащаб, затова лабораторните стойности се приемат като указание за посоката на даден ефект, а не като стойност, която се пренася.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни и отразяват публикуваното в литературата за 3D печат с бетон и диапазоните, около които са написани цитираните стандарти. Те не са измервания на Concreef.

Какво го променя

Времето между разбъркването и изпитването определя резултатите в прясно и зелено състояние; разлика от няколко минути променя измерената граница на течене повече от умерена промяна в рецептурата.

Температурата и влажността променят скоростта на хидратация и повърхностното изсъхване, а с тях отвореното време, свързването, сцеплението и ранната якост. Мястото им е във всеки протокол.

Произходът и ориентацията на образеца променят резултата за един и същ материал — изрязан или отлят, натоварен напречно или успоредно на слоевете, взет от основата или от върха на отпечатката.

Интервалът между слоевете променя пряко якостта на сцепление и често е най-влиятелната променлива в програма за изпитване на фуги.

Режимът на отлежаване променя и якостта, и свиването. Отпечатаната повърхност е открита от всички страни без кофраж, затова съхне по-бързо от отлят образец и реагира по-силно на начина, по който е защитена.

Броят образци и разсейването между партидите променят не толкова стойността, колкото доверието в нея — затова резултат от един образец не се обявява за свойство.

Типични дефекти и причини

Честите проблеми са процедурни, а не материалови. Сравняване на несравними резултати е най-честият: две якости на натиск при различна посока на натоварване или лабораторна стойност, поставена срещу такава от реален печат. Изпитване при недефинирано време на покой прави данните в зелено състояние невъзпроизводими. Отливане вместо рязане премахва незабелязано фугите и разкрасява материала. Липсващи данни за околната среда правят резултатите в ранна възраст неизтълкуваеми впоследствие. Твърде малък брой образци дава средна стойност без използваемо разсейване. Представяне на изследователски метод като стандартен — обикновено цилиндърът за формоустойчивост — надценява тежестта на числото. А незаписаната позиция на образеца скрива систематичната разлика между долната и горната част на отпечатания елемент.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София и провежда материалови изпитвания в работилницата си в София на принтер Crane WASP. Понастоящем печата с търговски премикс, докато разработва собствена суха смес, и няма публикувани изпитвателни данни. Нищо на тази страница не представя резултат на Concreef и не се твърди, че смес на Concreef е сертифицирана или изпитана по стандарт.

Описаният протокол показва как такава програма се организира в общия случай: измервания в прясно състояние върху партидата, която реално се печата; записани, а не възстановени впоследствие времена на покой и околни условия; формоустойчивост, оценена на машината, която ще върши работата; и втвърдени образци, изрязани от отпечатан материал, с отбелязана посока на натоварване. Тъй като хармонизиран европейски стандарт за приемане на отпечатан бетон засега няма, RILEM TC 276-DFC и ACI 564 са рамките, спрямо които се пише работилничен протокол, а документацията е това, което прави един резултат смислен по-късно.