Състав на сместа за 3D принтиране

Проектирането на принтируема смес означава избор на свързващо вещество, водно съдържание, зърнометрия, брашно и пакет химични добавки така, че финият разтвор да може да се помпа и екструдира и след това да покоравее достатъчно бързо, за да се изгражда на слоеве. Обикновеното проектиране на състав оптимизира главно якостта и дълготрайността при зададена обработваемост; при принтиране първо трябва да бъде удовлетворен технологичният прозорец в прясно състояние, а характеристиките на втвърдения материал остават ограничение, което не бива да се жертва по пътя. Двете цели си противоречат достатъчно често, за да направят работата наистина итеративна.

Какво е това и защо е важно

Първото решение е свързващото вещество. EN 197-1 определя обикновените цименти — от CEM I (портландцимент) през смесените CEM II до CEM III, IV и V с нарастващ дял на шлака, пуцолана или летяща пепел. CEM I дава най-бързо и най-предвидимо ранно покоравяване, поради което много опити с принтиране започват с него, но той е и вариантът с най-висок въглероден отпечатък и с най-голямо свиване. Смесените цименти, както и CEM I с добавени при смесителя минерални добавки, намаляват съдържанието на клинкер и променят поведението в прясно състояние: шлаката забавя ранното нарастване на якост, летящата пепел подобрява течливостта, силикатният прах рязко повишава кохезията и водопотребността, а системите варовик–калцинирана глина повишават границата на течение и тиксотропията. Степента на заместване следователно не е само екологично решение — тя измества прозореца на принтируемост.

Вторият структурен факт е количеството циментово тесто. Отпадането на едрия добавъчен материал оставя обем, който тестото трябва да запълни, така че принтируемият разтвор носи значително повече свързващо вещество на кубичен метър от обикновен бетон със сходен клас на якост. Това е проблем в две посоки: клинкерът определя основната част от въглеродния отпечатък на бетона, така че смес с високо съдържание на свързващо вещество обезсмисля част от икономията, която геометричната ефективност на принтирането би трябвало да донесе; освен това тестото е фазата, която се свива, затова по-големият му обем означава повече свиване от съсъхване, а при ниски водосвързващи отношения — и повече автогенно свиване. Намаляването на свързващото вещество без загуба на принтируемост, обикновено чрез по-добро опаковане на зърната и чрез минерални добавки, е централното напрежение в областта.

Водосвързващото отношение стои в средата на всичко: то определя порестостта на втвърденото тесто, а оттам якостта и дълготрайността, и определя течливостта в прясно състояние, която прави помпането и екструдирането възможни. При принтируемите смеси то обикновено е ниско, така че течливостта трябва да дойде от опаковането на зърната и от добавките, а не от вода.

Добавъчният материал е пясък, а неговата зърнометрия, форма и съдържание на фини фракции тежат повече, отколкото при лята смес, защото няма едра фракция, която да доминира скелета. Максималният размер на зърното се определя от най-тесния участък в системата: правилото, цитирано в литературата по 3DCP, е една трета до една пета от отвора на дюзата, като се проверяват и диаметърът на маркуча, и колената. Заобленият речен пясък се помпа по-лесно от трошения ъгловат при същото водно съдържание, защото вътрешното триене е по-ниско; по същата причина трошеният пясък често дава по-добра устойчивост в прясно състояние. Съдържанието на фини фракции мести водопотребността и кохезията и се различава между доставките, което го прави проблем на контрола на качеството, преди да е проблем на проектирането.

Плътността на опаковане е лостът, който прави ниското водно съдържание работещо. Моделите за опаковане дават целева зърнометрична крива: разпределението на Андреасен–Андерсен и неговата модифицирана форма, която въвежда минимален размер на зърното в степенния закон, както и близкото уравнение на Функ–Дингер са обичайната отправна точка, а моделът на Дьо Лара за свиваемо опаковане предлага по-физично обосновано третиране, отчитащо стенния ефект и уплътняването. Общото им послание е просто: водата в прясна смес едновременно запълва междините между зърната и ги смазва, затова добре опакована зърнометрия оставя по-малко междини за запълване, освобождава повече вода за смазване и достига същата обработваемост при по-ниско водосвързващо отношение. На практика моделът дава целева крива, към която наличните пясъци, цимент и брашно се приближават, доколкото действителната им зърнометрия позволява.

Брашното, най-често варовиково, има двойна роля. Физически то допълва финия край на зърнометричната крива и подобрява опаковането, кохезията и повърхността на нишката. Химически не е инертно: финият варовик осигурява центрове на кристализация, които ускоряват ранната хидратация, а малка част реагира с алуминатните фази до карбоалуминати. Тъй като замества обем клинкер, без напълно да замества функцията му, то е един от най-евтините начини да се намалят и съдържанието на свързващо вещество, и въглеродният отпечатък.

Пакетът химични добавки е финната настройка. В общи линии: суперпластификаторът понижава границата на течение без добавяне на вода, добавката, модифицираща вискозитета, повишава кохезията и потиска отделянето на вода, ускорителят, дозиран при или близо до дюзата, съкращава прехода от течно към кораво състояние, а забавителят удължава работния прозорец. Дозировките и взаимодействията между добавките са тема на отделна страница, но принципът заслужава да се каже тук: чрез добавките помпаемостта се отделя от носещата способност и никаква дозировка не спасява лошо съставен зърнест скелет.

Проектирането трябва да реши и как ще се произвежда материалът. Фабричната суха смес — свързващо вещество, пясък, брашно и прахообразни добавки, смесени предварително, като на място се добавя само вода — дава най-добро постоянство между замесите, срещу по-висока цена на тон и почти без възможност за корекция. Дозирането на място от отделни съставки е по-евтино и позволява корекции, но излага процеса на всички източници на изменчивост едновременно.

Как се измерва

Съставът се проверява чрез последователност от изпитвания, а не с единично приемно изпитване. Консистенцията в прясно състояние се определя с разстилателната маса по EN 1015-3 — методът за разтвори, подходящ за тези фини смеси — или с ASTM C1437 извън Европа; слягането по EN 12350-2 е изпитване за бетон и разграничава слабо. Свързването се измерва с апарата на Вика по EN 196-3, а границата на течение, пластичният вискозитет и скоростта на структурно нарастване се получават от ротационни или лопаткови реометри — изследователски уреди, а не стандартизирана приемна апаратура.

Опаковането се проверява чрез изчисление спрямо целевата зърнометрична крива, въз основа на ситов анализ на действителните съставки, или опитно чрез съдържанието на кухини в уплътнената суха смес; водопотребността се установява с проби. Екструдируемостта и носещата способност се оценяват на самата машина, тъй като никакво лабораторно изпитване не възпроизвежда съчетанието от налягане, история на срязване и геометрия.

Проверката на втвърдения материал ползва стандартния набор: EN 12390-3 за якост на натиск, EN 12390-13 за модул на еластичност, EN 12390-8 за водонепропускливост, ASTM C157 за изменение на дължината и ASTM C1698 за автогенна деформация, а за възпрепятствано свиване — пръстеновото изпитване. При принтирани образци посоката на натоварване спрямо слоевете трябва да се записва, защото променя резултата. EN 206 дава рамката за съответствие по отношение на съставките и класовете на въздействие, но не обхваща послойното екструдиране и не задава критерии за приемане по принтируемост, междуслойно сцепление или анизотропия.

Типични стойности

Ориентировъчни стойности от литературата по 3DCP и от общата практика за разтвори, а не измервания на Concreef. Всяка стойност се мести със съставките и машината.

Какво го променя

Влажността на пясъка най-често мести сместа, без някой да е променял рецептата. Складираният пясък носи свободна вода, която се променя с времето и с дълбочината в купа, а тъй като принтируемите смеси използват малко вода в абсолютно изражение, разлика от един-два процента във влажността е реална промяна на ефективното водосвързващо отношение — коригира се единствено с измерване на влажността и корекция на добавената вода при всеки замес.

Разликите в зърнометрията между доставките действат по същия начин, като местят плътността на опаковане и съдържанието на фини фракции. Цимент от друг завод или от друга производствена дата променя ранното покоравяване, а добавките взаимодействат с химията на свързващото вещество, така че дозировка, настроена за един цимент, не се пренася непроменена към друг.

Самото смесване е проектна променлива. Видът на смесителя и вложената енергия определят колко добре се диспергира суперпластификаторът и колко пълно тестото обвива пясъка, затова различни смесители дават измеримо различно поведение при едни и същи съставки. Температурата на водата и на средата променя скоростта на хидратация, а оттам отвореното време и структурното нарастване.

Затова проектирането е итеративно. Модел за опаковане и оценка на водопотребността дават изходна рецептура; малки замеси се изпитват за разстилане, структурно нарастване, екструдиране и носеща способност; променя се по една величина и цикълът се повтаря — така резултатите остават разчетими.

Типични дефекти и причини

Смес с прекалено много циментово тесто се принтира отлично и след това се свива и напуква — най-честият отказ на рецептура, оптимизирана само за прясното състояние. Прекалено постна или лошо степенувана смес запушва маркуча, отделя вода под налягане или се разкъсва при дюзата. Твърде много суперпластификатор дава помпаемост без носеща способност, твърде малко дава смес, която помпата не може да движи, а прекалено рано дозиран ускорител коравее в тръбопровода, вместо при дюзата.

От страната на производството характерният отказ е непостоянството: замеси, които се държат различно, защото влажността на пясъка не е коригирана, претеглянето е неточно, времето на смесване е варирало или съставка е заменена. Тъй като прозорецът е тесен, изменчивост, която при лята работа би била безобидна, извежда сместа изцяло извън него, а симптомът е необяснен неуспешен принт, а не резултат от изпитване.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D принтиране с бетон със седалище в София. Тя провежда изпитвания на материали в работилницата си в София на принтер Crane WASP и понастоящем принтира с търговски премикс, докато разработва собствена суха смес. Компанията няма публикувани резултати от изпитвания.

При търговски премикс свързващото вещество, зърнометрията и пакетът добавки са фиксирани от доставчика, затова практиката в работилницата се съсредоточава върху водата, режима на смесване и параметрите на принтиране. Собствената суха смес отваря всички изброени решения, заедно с производствените въпроси — постоянство на зърнометрията, влажност на пясъка, енергия на смесване — които определят дали рецептура, проработила веднъж, ще проработи отново. Работата затова върви с малки пробни замеси и къси пробни стени. Нищо тук не е рецептура на Concreef и не се твърди, че материал на Concreef е сертифициран, изпитан по стандарт или предлаган на пазара.