Време на отворения слой при 3D печат с бетон

Времето на отворения слой е периодът, през който циментовата смес остава използваема. При 3D печат с бетон понятието обхваща два различни прозореца и смесването им е един от честите източници на проблеми на площадката. Първият е технологичният: колко дълго сместа остава достатъчно течлива и хомогенна, за да бъде разбърквана, изпомпвана през маркуча и екструдирана чисто. Вторият е междуслойният: колко дълго вече положеният слой може да стои открит, преди да дойде следващият, и все пак да се получи пълноценна връзка. Двата се управляват от сродна химия, но от различни граници, а вторият обикновено е по-кратък, по-неумолим и с по-тежки последици.

Какво е това и защо е важно

Технологичният прозорец се затваря, когато материалът вече не може да бъде придвижван. Обработваемостта се губи по три припокриващи се механизма. Флокулацията възстановява мрежата от частици веднага щом срязването спре, затова маркуч, оставен в покой, се вкоравява по-бързо от маркуч в непрекъснат поток. Хидратацията променя тестото необратимо — отначало бавно през периода на покой, а после бързо след началото на свързване. И накрая се губи вода: чрез изпарение от откритите повърхности и чрез попиване, когато материалът е в контакт със суха основа или поеми добавъчни материали. Смес, загубила дори малка част от водата си за разбъркване, се държи съвсем различно в помпата.

Междуслойният прозорец се затваря по-рано и по по-конкретна причина. Горната повърхност на положения слой изсъхва първа. Образува се кора — по-корава, по-суха и отчасти карбонизирала, — а водата, която би поддържала продължаващата хидратация през бъдещата фуга, вече липсва. Когато следващата лента се екструдира върху тази кора, тя не я навлажнява напълно, част от контактната площ остава заета от захванат въздух и през фугата израстват по-малко хидратни продукти. Резултатът е равнина с понижена якост на опън и срязване вътре в иначе здрав елемент.

Практическата връзка между двата прозореца е траекторията на печат. Интервалът между слоевете изобщо не е свойство на материала — той е дължината на един затворен контур, разделена на скоростта на печат. Голяма площ, дълъг периметър или ниска скорост удължават интервала. Затова една и съща смес се слепва отлично върху малък пробен цилиндър и дава студени фуги при стена в реален размер, и затова отвореното време винаги се обсъжда заедно с геометрията, която ще се печата.

Отвореното време е и в противоречие с носимоспособността при изграждане. Материал, който остава дълго отворен, се изпомпва лесно и се слепва добре, но не се вкоравява достатъчно бързо, за да носи слоевете. Обичайното решение е втвърдяване по заявка: дълго отворено време нагоре по веригата и ускоряване при дюзата.

Как се измерва

Няма единно хармонизирано изпитване за отворено време; то се оценява чрез повтаряне на изпитване за обработваемост във времето.

• Разстилане на разтърсваща маса, EN 1015-3. Стандартното изпитване за консистенция на пресен разтвор. Повтаряно върху подпроби от една порция през определени интервали и нанесено спрямо изтеклото време, то дава кривата на загуба на обработваемост. Отвореното време се отчита като момента, в който разстилането излиза извън годния диапазон.
• Слягане и разстилане, EN 12350-2 и EN 12350-8. Аналогичният подход при по-едрозърнести смеси, използван по същия начин — повтарян през интервали, а не еднократно.
• Съпротивление на проникване. Пенетрометърът следи вкоравяването на откритата повърхност и е най-прекият косвен показател за затварянето на междуслойния прозорец. Това е изследователски и работилничен метод, а не хармонизиран стандарт за печат.
• Време на свързване по Вика, EN 196-3. Стандартизирано изпитване върху циментово тесто с нормална гъстота. Сродно е и е полезно за сравняване на свързващи вещества, но измерва началото и края на свързване на тесто, а не запазването на обработваемост на печатаем разтвор, и не бива да се представя като отворено време.
• Изпитване на междуслойно сцепление. Образци, отпечатани с целенасочено различни интервали и изпитани на директен опън или на опън чрез разцепване, показват количествено какво струва дадено закъснение. Това е единственият метод, който измерва последицата, а не косвен показател.
• Пробни печати. Печат на реалната геометрия с реалната скорост и оглед на фугите остава практическата проверка, защото обхваща едновременно престоя в маркуча, околните условия и дължината на траекторията.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни, взети от литературата за 3D печат с бетон и от общата практика с разтвори. Те не са измервания на Concreef и не са проектни стойности.

Какво го променя

Температура на околната среда. Определящата величина. Хидратацията се ускорява с топлината, така че смес с удобно отворено време при 15 °C може да затвори прозореца си неприятно бързо в горещ ден.

Вятър и относителна влажност. И двете действат върху откритата повърхност. Движещ се въздух над пресен слой отнема вода многократно по-бързо от неподвижния при същата влажност, а ниската влажност засилва ефекта. Вятърът е причината печатите на открито да губят междуслойно сцепление при условия, които на закрито биха били безобидни.

Попиване от основата. Печат върху суха и порьозна основа или до поеми материали изтегля вода от първите слоеве и скъсява прозореца им локално.

Забавители и добавки за контрол на хидратацията. Те удължават технологичното време, като отлагат бързата хидратация. Това е стандартният инструмент, но забавя и нарастването на якостта, тоест влиза в противоречие с носимоспособността при изграждане и с графика за разкофраване и манипулиране.

Суперпластификатори и вискозитет-модифициращи добавки. Определят изходната обработваемост и скоростта на нейното спадане; някои влияят и на задържането на вода при повърхността.

Ускорител, дозиран при дюзата. Втвърдяването по заявка разделя двата прозореца: дълго отворено време в миксера, помпата и маркуча и бързо вкоравяване непосредствено след полагане. Изисква втора дозираща система и смесител при дюзата, както и внимателно управление, но точно тази схема разрешава конфликта между отворено време и носимоспособност.

Дължина на маркуча и престой в покой. Времето в тръбопровода е част от бюджета на отвореното време. Всяко прекъсване — смяна на инструмент, пауза на оператора, софтуерно спиране — го изразходва, без да произвежда отпечатана височина.

Дължина на траекторията на слой. Както бе казано, най-силното влияние върху междуслойния прозорец, при това произтичащо от проекта на изделието, а не от сместа.

Типични дефекти и причини

Запушване на помпата или маркуча. Материалът се вкоравява в тръбопровода, налягането расте и потокът спира. Обикновено следствие от прекъсване, прекалено дълъг маркуч или твърде дълго стояла порция. Отпушването отнема многократно повече време от паузата, която го е причинила.

Студени фуги. Видими хоризонтални линии със слаба непрекъснатост между слоевете. Причината е превишен междуслоен прозорец; загубата на якост е на опън и срязване през фугата и не се открива с външен оглед.

Повърхностна кора и лошо навлажняване. Изсъхнала корица върху слоя, на която следващата лента ляга, вместо да се слее с нея. Често е придружена от редица пори по фугата.

Неравномерно сцепление в рамките на един слой. При голяма площ началото на контура е чакало значително по-дълго от края му. Качеството на фугата тогава се променя системно по обиколката, а най-слабата зона е там, където започва всеки проход.

Загуба на екструдируемост в края на порцията. Накъсани и прекъснати ленти и повърхностни пукнатини, когато материалът се изтласква отвъд технологичния си прозорец.

Прекомерно забавяне. Обратната грешка: отвореното време е удължено дотам, че изделието не може да носи собствените си слоеве, печатът се проточва и се появява риск от пластично разрушаване.

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 отвореното време определя как се организира една печатна сесия, а не е число, преписано от технически лист. Размерът на порцията се съобразява с това колко материал реално може да бъде положен, преди сместа да се вкорави в тръбопровода; траекторията се планира така, че интервалът между слоевете да остане в прозореца за слепване при конкретната геометрия; а температурата и проветряването в работилницата се третират като величини, които изместват и двата прозореца. Тъй като търговската суха смес и разработваната собствена смес се държат различно в това отношение, отвореното време е сред свойствата, които се проверяват наново с прости повтаряни наблюдения на разстилането и с пробни печати при всяка промяна на материала, сезона или геометрията.