Междуслойно сцепление при 3D печат с бетон

Междуслойното сцепление е механичната якост на контакта между две последователно положени нишки печатан бетон. При екструзионния 3D печат то по правило е най-слабата равнина в готовия елемент: публикуваната литература последователно отчита по-ниска носимоспособност на опън и на срязване през контакта между слоевете, отколкото в самия слой. Това следва пряко от начина на полагане. Монолитният бетон се излива в кофраж и се уплътнява, обикновено чрез вибриране, така че се формира непрекъснато тяло без вътрешни граници. Печатаният бетон се полага като поредица от нишки, всяка върху повърхност, която вече е започнала да се сгъстява, без вибриране, без натиск от кофраж и само с тежестта на екструдирания материал, която да осигури контакта. Затова всичко, което определя конструктивното поведение на печатания елемент, минава през тази контактна зона.

Какво е това и защо е важно

Няколко механизма отслабват контакта едновременно. Липсва вибриране, затова двата слоя никога не се втечняват заедно; зърната на горната нишка се смесват с тези на долната само в тънка гранична зона, а понякога почти никак. Действителната контактна площ е по-малка от номиналната: екструдираната нишка има закръглени или леко издути ръбове, затова на мястото на допира се задържат надлъжни празнини по границата между нишките и отстрани на слоя. Изследванията чрез изображения върху печатани образци редовно откриват повишена порьозност, съсредоточена в тясна ивица около контакта, а тези празнини действат като начални дефекти, от които тръгват пукнатините.

Долната повърхност също се променя с времето. Тя се сгъстява чрез тиксотропно структуриране и ранна хидратация и вече не може да се деформира, за да приеме новата нишка, притисната върху нея. Освен това изсъхва: водата се изпарява от откритата повърхност и в сухо или топло помещение за минути може да се образува кора. Изсъхналата повърхност едновременно ограничава хидратацията, която да свърже двата слоя, и може да изтегли вода от прясната нишка, положена върху нея. Ако интервалът стане достатъчно дълъг, връзката е студена фуга в обичайния бетонов смисъл — слоевете се допират, но не са непрекъснати.

Конструктивната последица е анизотропия. Якостта и коравината зависят от посоката: измерени перпендикулярно на слоевете, стойностите обикновено са по-ниски от измерените успоредно на тях, а резултатите зависят от това как е изрязан и натоварен образецът спрямо посоката на печат. Това не е дефект, който да се изглажда в отчитането — то е свойство на процеса и означава, че печатаният елемент трябва да се третира като анизотропен както при проектиране, така и при изпитване. Всяка отчетена якост на печатан бетон е непълна, ако не е посочена посоката на натоварване спрямо слоевете. Има и пряка практическа последица: печатана стена, натоварена предимно на натиск перпендикулярно на слоевете, може да се държи добре, докато същата стена при огъване извън равнината или при срязване се определя от най-слабия контакт в нея.

Как се измерва

Няма хармонизиран европейски стандарт за междуслойното сцепление при печатан бетон. Методите по-долу са адаптирани стандартни изпитвания или изследователски методи, а резултатите силно зависят от метода — това е една от причините публикуваните стойности да се разсейват широко.

Изпитването на пряк опън (откъсване) върху изрязани призми е най-прекият подход: призма с един контакт се залепва между товарни плочи и се разтяга перпендикулярно на слоевете. Методът измерва точно търсената величина, но е чувствителен към подготовката на образеца, ексцентрицитета и разрушаване на лепилото. Изпитването на откъсване от повърхност следва общите принципи на EN 1542 в областта на ремонта.

Изпитването на цепене по подхода на EN 12390-6, с образец, ориентиран така, че равнината на цепене да съвпада с контакта, се изпълнява по-лесно и е по-малко чувствително към центроване, но дава косвена якост на опън, а не същинска якост на контакта.

Огъване в три или четири точки върху призми с нарез, поставен в равнината на контакта, принуждава пукнатината да мине през фугата и позволява да се оцени и енергията на разрушаване, а не само максималният товар. Този подход адаптира общата схема на EN 12390-5 и методите на механиката на разрушаването.

Изпитванията на срязване, включително пряко срязване и схеми с наклонена равнина, характеризират контакта при плъзгане, което е от значение при натоварване извън равнината. Геометриите се различават между изследователските групи и резултатите не са пряко сравними.

Рентгенова компютърна томография и оптичен анализ на изображения определят порьозността, размера и разпределението на празнините в контактната зона, без образецът да се натоварва. Това са характеризиращи, а не якостни методи, и са най-ясният начин да се види защо даден контакт е слаб.

Стандартните изпитвания на втвърден бетон, като EN 12390-3 за якост на натиск, остават приложими за обема на материала, но казват малко за фугата, освен ако образците не са изрязани и ориентирани целенасочено. Работата на RILEM TC 304-ADC и на предшественика ѝ TC 276-DFC е насочена именно към съгласувани процедури за печатан материал.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни и отразяват тенденции, докладвани в литературата по 3DCP в общ вид, а не измервания на Concreef. Разсейването между изследванията е голямо, защото съставите, принтерите, условията и схемите на изпитване се различават.

Нито една от тези стойности не бива да се използва за проектиране. Носимоспособността на контакта се установява за конкретен материал, принтер и условия.

Какво го променя

Интервалът между слоевете е факторът, определян най-последователно като водещ. Той не е независим избор: следва от печатната траектория, от площта на обекта и от скоростта на печат, така че планирането на траекторията е планиране на сцеплението. Дълги и тесни обекти с малък периметър се връщат бързо в същата точка, докато голяма основа или единичен обект с дълга обиколка може да остави повърхността да чака твърде дълго.

Влажностното състояние на повърхността на долния слой следва от интервала, но също и от относителната влажност, температурата и движението на въздуха в помещението. Течение над печатания елемент може да изсуши горната повърхност за част от времето, необходимо при спокоен въздух. Топлите условия ускоряват едновременно изсъхването и хидратацията и съкращават използваемия прозорец.

Височината на дюзата над предходния слой и контактният натиск действат пряко. Ако дюзата е твърде високо, нишката пада върху слоя и контактът е лек; ако разстоянието е настроено така, че дюзата да притиска екструдирания материал, нишката се деформира в долния слой, действителната контактна площ нараства и част от задържания въздух се изтласква. Геометрията на дюзата също участва: плосък или заглаждащ край, който изглажда положения материал, е разпространен начин механично да се подобри фугата.

Тиксотропията на материала е компромис. Силно структуриращата се смес стои добре и позволява повече слоеве на час, но повърхността ѝ става невъзприемчива по-бързо. По-слабо тиксотропната смес се свързва по-лесно и се деформира повече под следващия слой за сметка на носимоспособността на пресния материал. Съставът действа през този компромис: забавителите, модификаторите на вискозитета, минералните добавки и водното съдържание изместват мястото на материала върху него.

Мерките за ограничаване в практиката са: по-кратки и по-равномерни времеви цикли на слоя; траектории, които избягват дълги връщания; навлажняване на повърхността с фин воден аерозол или нанасяне на циментов свързващ състав преди следващото преминаване; настройка на геометрията и височината на дюзата така, че нишката да бъде притисната; и контрол на климата в помещението. Фибрите зашиват контакта само отчасти — течението през дюзата подрежда повечето от тях в нишката, а не напречно на фугата — затова подобряват жилавостта на материала много повече от якостта на контакта.

Типични дефекти и причини

Характерният дефект е разслояване: пукнатина, която тръгва от празнина в контактната зона и се развива по фугата, разделяйки слоевете при опън, огъване или срязване. Тъй като порьозността в контакта образува непрекъсната слаба ивица, такава пукнатина се разпространява с малко съпротивление, щом веднъж е започнала.

Студените фуги са крайният случай и се получават при прекалено дълъг интервал, прекъснат печат, непланирана пауза за поддръжка или смес, която се е сгъстила по-бързо от очакваното. Често се виждат като ясна остра линия между слоевете и понякога могат да се отворят на ръка от ръба.

Изсъхването на повърхността води до сроден дефект, при който контактът изглежда приемлив, но връзката е крехка и с ниска якост, защото прясната нишка е загубила вода към изсъхналата повърхност под нея. Прекалено голямата височина на дюзата оставя видими празнини по ръбовете на нишките и води едновременно до слабо сцепление и до пореста, водопропусклива външна повърхност. Обратно, прекомерното притискане може да разшири нишката настрани и да изкриви геометрията, докато подобрява сцеплението — двете цели не винаги съвпадат.

Накрая, системна грешка при отчитането: представяне на една стойност на якостта за печатан елемент без посочване на посоката на натоварване спрямо слоевете. Това скрива анизотропията и може да представи елемента като по-здрав, отколкото е в определящата посока.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София. Тя провежда материалови изпитвания в работилницата си в София с принтер Crane WASP и понастоящем печата с търговски премикс, докато разработва собствена суха смес. Concreef няма публикувани изпитвателни данни и нито една стойност на тази страница не е измерване на Concreef.

В практиката на работилницата междуслойното сцепление се третира като свойство на процеса, а не само на материала. Времевите цикли на слоевете се поддържат възможно най-кратки и равномерни спрямо геометрията, а печатните траектории се обмислят от самото начало през интервала на връщане, а не само през крайната форма. Температурата, влажността и движението на въздуха се записват при всеки опит, защото същата смес и същият цикъл дават различен контакт при различни условия. Височината на дюзата е съзнателна настройка, а не случайна, тъй като определя колко плътно всяка нишка се притиска в долния слой. Когато опитите сравняват контактни зони, се посочва посоката на натоварване спрямо слоевете, а резултатите от изрязани образци се разглеждат като показателни за конкретен материал и конкретни условия на печат, а не като общо свойство на печатания бетон. Тъй като за текущия печат се използва търговски премикс, документираните му характеристики задават изходната база; собствената суха смес в разработка се оценява със същите адаптирани методи, описани по-горе, и Concreef не твърди, че печатан от нея материал е сертифициран или изпитан по стандарт за междуслойно сцепление.