Носимоспособност при изграждане (buildability)

Носимоспособността при изграждане е способността на прясно екструдирания циментов материал да поеме слоевете, положени върху него, без да се деформира извън допуска и без да се срути. Това е свойство на прясното състояние, което се измерва в минути, а не якостта на натиск на 28-ия ден. Една смес е годна за печат тогава, когато якостта, която натрупва в покой — така наречената якост в прясно състояние, — расте поне толкова бързо, колкото расте натоварването от всеки нов слой. Затова свойството никога не принадлежи само на материала: то е резултат от съотношението между скоростта на структуриране и скоростта на полагане при конкретна геометрия.

Какво е това и защо е важно

Веднага след екструдиране материалът се държи като меко твърдо тяло с крайна статична граница на провлачане. Тази граница нараства с времето на престой, докато флокулацията и ранната хидратация изграждат свързана мрежа от частици — процес, който обикновено се описва със скорост на структуриране, приблизително линейна във времето (коефициентът Athix в модела на Русел). Носимоспособността при изграждане е практическият израз на този растеж.

В литературата последователно се разграничават два механизма на разрушаване, които изискват различни мерки.

Първият е пластично разрушаване на материала. Напрежението от собствено тегло в основата на изделието нараства пропорционално на вече положената височина. Ако в някой момент това напрежение надхвърли границата на провлачане, достигната от долните слоеве, материалът потича: стената се разстила, слоевете се издуват встрани и геометрията се губи. Тъй като напрежението расте линейно с височината, а границата на провлачане — приблизително линейно с времето, условието за устойчив печат на практика е скоростта на структуриране да изпреварва скоростта, с която се добавя височина и следователно натоварване.

Вторият е еластично изкълчване, тоест геометрична загуба на устойчивост. Тук материалът е достатъчно устойчив на натиск, но стената е тънка, а модулът на еластичност още нисък, и конструкцията губи устойчивост встрани далеч преди да бъде смачкана. Изкълчването се управлява от коравината и стройността, а не от границата на провлачане — затова висока тънка стена може да се срути, докато ниска стена от същата разбърквана смес стои. Кой механизъм е определящ, зависи от геометрията: по-дебелите и ниски елементи обикновено се разрушават пластично, високите и тънки — чрез изкълчване.

Практическата управляваща величина е тактът на слоя, тоест времето, за което дюзата завършва един затворен контур и се връща в същата точка. По-дълъг път на слой дава повече престой и подобрява устойчивостта, но същевременно удължава интервала до слепването със следващия слой. Тактът е мястото, където се срещат геометрията, скоростта на печат и материалът, и е първата величина, която се коригира, когато отпечатаното започне да провисва.

Как се измерва

Няма хармонизиран европейски стандарт за това свойство, затова изброените по-долу методи са предимно изследователски практики от литературата за 3D печат с бетон и от производствени изпитвания.

• Едноосен натиск без странично ограничение върху пресни цилиндри. Оформят се малки пресни образци, оставят се в покой за нарастващи интервали и се натоварват с постоянна скорост на деформация. Кривата „напрежение при разрушаване спрямо време на престой“ дава якостта в прясно състояние, а наклонът ѝ — скоростта на структуриране. Това е най-често описваният метод.
• Изпитване с кръстат накрайник (vane). Бавно въртене в прясната смес дава директно статичната граница на провлачане; повтаря се върху пресни образци при нарастващ престой, за да се проследи нарастването ѝ.
• Пенетрометър / съпротивление на проникване. Бърз и удобен за работилница метод за проследяване на ранното вкоравяване, но измерва косвен показател, а не напрежение, годно за директно изчисление.
• Ротационен реометър. Дава динамична граница на провлачане и пластичен вискозитет за състоянието при изпомпване; полезен контекст, но описва течението, а не стоящата конструкция.
• Печат до разрушаване на цилиндър. Печата се кух цилиндър с постоянен диаметър и постоянна скорост, докато се срути, и се отчита броят достигнати слоеве. Това не е свойство на материала, а изпитване на цялата система, но тъй като включва реалната геометрия, реалната скорост на полагане и реалния принтер, остава практическият приемен тест в бранша.
• Проверки върху втвърден материал. EN 12390-3 (якост на натиск) и EN 12390-13 (модул на еластичност) описват готовия елемент, а не поведението при изграждане, но са необходими, за да се потвърди, че ускореното структуриране не е влошило крайните показатели.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни и произтичат от публикуваната литература за 3D печат с циментови разтвори. Те не са измервания на Concreef и не са проектни стойности.

Какво го променя

Свързващо вещество и химични добавки. Ускорителите, вискозитет-модифициращите добавки и глините повишават скоростта на структуриране; забавителите и високите дози суперпластификатор я понижават. Минералните добавки (летяща пепел, шлака, силикатен прах, калцинирана глина) променят както ранното изграждане на мрежата, така и по-късното нарастване на якостта.

Температура. Хидратацията и флокулацията са температурно зависими. В топла работилница сместа се вкоравява осезаемо по-бързо, затова рецепта, проверена през лятото, може да се държи различно през зимата и обратно.

Височина на слоя. По-дебелите слоеве добавят повече собствено тегло на проход и достигат критичното напрежение по-рано; по-тънките натоварват постепенно, но изискват повече проходи за същата височина и удължават печата.

Геометрия. Дебелината на стената влиза силно в съпротивата срещу изкълчване. Кривината и затворените контури укрепват конструкцията и са много по-устойчиви от правите стени. Конзолите и издадените участъци изместват товара извън оста и внасят местно огъване, на което прясният материал се съпротивлява слабо.

Скорост на полагане. По-бързият печат означава по-малко време в покой на слой. Една и съща смес може да бъде напълно устойчива при един такт и да се разруши при друг.

Водно съдържание и история на срязване. Излишната вода понижава границата на провлачане; продължителното срязване в миксера, помпата и маркуча разрушава вече изградената структура, така че материалът стига до дюзата по-мек, отколкото показва пробата от миксера.

Типични дефекти и причини

Пластично смачкване на долните слоеве. Равномерно издуване и загуба на височина по целия отпечатък, най-силно изразено в основата. Причината е недостатъчно нарастване на границата на провлачане спрямо скоростта на изграждане: намалява се скоростта, намалява се височината на слоя или се повишава скоростта на структуриране.

Еластично изкълчване. Внезапно странично прегъване на висока тънка стена, често при напълно запазени долни слоеве. Мярката е геометрична — по-дебели стени, кривина, укрепващи участъци или разделяне на печата на етапи, — защото само по-корав материал може да не е достатъчен.

Постепенно изместване и овализиране. Бавно странично пълзене на затворен контур, което се вижда като нарушена окръглост. Признак, че материалът е близо до пластичната си граница, без още да я е преминал.

Местна деформация под конзола. Неподпряният ръб провисва и долният слой се притиска несиметрично. Обикновено се решава с ограничаване на отстъпа на слой, а не с промяна на сместа.

Прекомерно вкоравяване. Огледалният дефект: силно ускорена смес, която се изгражда безупречно, но се слепва лошо между слоевете и оставя видими студени фуги. Носимоспособността при изграждане не може да се оптимизира отделно от времето на отворения слой и междуслойното сцепление.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София. Тя провежда изпитвания на материали в работилницата си в София с принтер Crane WASP и понастоящем печата с търговска суха смес, докато разработва собствена. Concreef няма публикувани изпитвателни данни и стойностите в тази страница произхождат от общата литература, а не от собствени измервания.

В работилничната практика именно това свойство определя как се планира един пробен печат. Тъй като тактът свързва геометрията със сместа, една и съща търговска смес се държи различно при малък затворен цилиндър и при дълга права стена, а температурата в работилницата променя скоростта на вкоравяване между проходите. Пробни печати на прости затворени форми до разрушаване са най-прекият начин да се установи къде е границата за дадена смес и сезон, а изводите насочват настройката на собствената суха смес по отношение на скоростта на структуриране, без това да се прави за сметка на времето на отворения слой и междуслойното сцепление.