Градско обзавеждане от 3D принтиран бетон

Градското обзавеждане обхваща пейките, седящите блокове, кашпите, антипаркинг колчетата, кошчетата и елементите на спирките, които оформят публичното пространство. При тези изделия 3D принтирането променя главно икономиката на формата: кофражът отпада, затова сложната или неповтаряща се геометрия престава да бъде основен разход. Вместо да се проектира около това, което може да се изпълни с дъски и ламарина, елементът се проектира около траекторията на дюзата.

Какво може да се принтира

Най-естествено се принтират вертикално растящи, затворени в план обеми. Такива са седящите блокове с извит контур, ниските разделителни стени, които едновременно очертават алея и служат за сядане, антипаркинг колчетата с променливо сечение, кашпите с двойна стена и кошчетата с принтиран корпус и метален вътрешен съд.

Практиката е елементът да се принтира като кухо тяло с външна и вътрешна стена и напречни ребра между тях. Кухината се оставя празна, запълва се с трошен камък за баласт или приема техническа инсталация. Така се пести материал, а масата се управлява целенасочено: колчето трябва да е тежко, кашпата на покрив трябва да е лека.

Елементите на спирките и навесите обикновено са хибридни. Принтира се основата, страничната стена или седящата част, а покривът, стъклата и осветлението остават конвенционални. Това е обичайният начин, по който адитивното производство влиза в градската среда: то поема геометрично сложната, но неносеща част, а стоманата и стъклото поемат останалото.

Печатаемата геометрия е удобна и за интегриране на функции, които иначе изискват допълнителна обработка. Каналите за отвеждане на вода, нишите за осветителни тела, жлебовете за дървени летви и гнездата за анкери се залагат директно в модела и се получават при принтирането, без последващо фрезоване.

Съображения при проектирането

Първото ограничение е надвесът. Всеки следващ слой се отлага върху предишния и може да се измести странично само с част от ширината на лентата. Затова наклонените повърхности се проектират като постепенно изместване на контура, а не като рязък конзолен износ. Праговите стойности зависят от сместа, височината на слоя и скоростта на печат и се установяват опитно за конкретната машина.

Второто ограничение е непрекъснатостта на печатния път. Всеки слой е за предпочитане да се изпълнява като един затворен контур без прекъсвания. Спиранията оставят видими дефекти и отслабват връзката между слоевете. Затова се избягват тънки изолирани елементи, остри върхове и части, които на определена височина се разделят на два несвързани обема.

Трето, седящите повърхности изискват специално внимание. Печатният релеф е приятен за окото, но неудобен за сядане и опасен при падане. Обичайното решение е седалката да се изпълни от дърво или от отлят на място бетон в принтирано корито, а релефът да остане по вертикалните страни, където се възприема като текстура.

Накрая, всичко в градската среда трябва да е достъпно и безопасно. Ръбовете се заоблят, изпъкналите части се избягват на височина на главата, а контурите се съобразяват с изискванията за достъпна среда и за движение на хора с намалена подвижност. Тези изисквания се задават от действащата нормативна уредба и от заданието на възложителя, а не от технологията.

Материали и дълготрайност

Печатаемите разтвори са фино зърнести смеси с висок дял на свързващо вещество и с добавки, които управляват реологията. Едрият добавъчен материал е ограничен от отвора на дюзата, което означава, че съставът се различава от обичайния конструктивен бетон и не бива да се приема автоматично за еквивалентен по дълготрайност.

Определящият фактор в българския климат е мразоустойчивостта. Софийската зима дава многократни цикли на замръзване и размразяване, често съчетани с опръскване от разтопен сняг и соли по улиците. Това изисква ниска водопопиваемост, контролирана порова структура и, най-важното, отвеждане на водата от повърхността. Хоризонтални задържащи вода площадки, плоски седалки без наклон и затворени кухини без дренажен отвор са най-честата причина за ранни повреди.

Междусловната връзка е втората чувствителна точка. Ако следващият слой се полага прекалено късно, връзката отслабва и се получава равнина, по която водата прониква по-лесно. Върху вертикална външна повърхност това се вижда като зацапване по хоризонталните фуги. Управлява се с ритъм на печат, с контрол на отвореното време на сместа и с покритие върху готовия елемент.

Отлежаването също влияе. Прясно принтираният елемент има голяма открита повърхност спрямо обема си и губи вода бързо, което води до пукнатини от пластично съсъхване. Затова елементите се покриват или се държат във влажна среда веднага след печат.

Процес и срокове

Последователността е: заданието се превръща в параметричен модел, моделът се нарязва на слоеве и се генерира машинният код, прави се пробен печат на къс участък за проверка на реологията, след това се принтира елементът, оставя се да отлежи, повърхността се обработва и накрая се транспортира и монтира.

Продължителността се определя от няколко неща едновременно. Височината и обемът на елемента задават времето за печат. Броят на различните геометрии определя времето за подготовка на моделите, което при уникални форми е съизмеримо с времето за печат. Отлежаването е фиксиран етап, който не се съкращава без риск. Повърхностната обработка, особено ако включва шлайфане или импрегниране, често отнема повече, отколкото очаква възложителят. Транспортът и монтажът зависят от масата и от достъпа до мястото.

При серия от еднакви елементи времето за подготовка се разпределя и цикълът се скъсява значително. При серия от различни елементи този ефект липсва, но пък отпада изработката на отделен кофраж за всеки.

Ограничения

Армирането остава най-сериозният открит въпрос. Принтираният елемент се изгражда слой по слой и класическата армировъчна мрежа не може да се постави по обичайния начин. За неносещо градско обзавеждане това често е приемливо, но означава, че елементът е крехък на опън и може да се пукне при удар или при неравномерно слягане на основата.

Материалът е анизотропен. Якостта напречно на слоевете е по-малка от якостта в равнината на слоя. Изпитване върху кубче, отлято от същата смес, не описва поведението на принтирания елемент.

Точността по повърхността е ограничена. Лентата има реална ширина и се деформира под тежестта на слоевете над нея, затова геометрията не е толкова точна, колкото при отливане в твърд кофраж. Ако проектът изисква прецизно прилягане към съществуваща настилка или към метален детайл, това се решава с допуск и с регулируема връзка, не с очакване за точност.

Нормативната рамка не е догонила технологията. Няма установен български стандарт за 3D принтиран бетон, а Еврокод 2 е писан за отлят и армиран бетон. За неносещи елементи в градска среда това се заобикаля чрез изпитване на конкретния елемент и чрез договаряне с инвеститорския контрол, но остава източник на несигурност.

Накрая, малките тиражи са скъпи. Един или два елемента носят целия разход по моделирането и настройката на сместа.

Concreef в контекст

Concreef работи в нает цех в София с крановия принтер Crane WASP и екструдер LDM XXL. Направеното дотук са серия пробни стенни отпечатъци с размер около метър и текущи изпитвания на смеси. Няма изградени обекти, няма изпълнени поръчки и няма доставено градско обзавеждане.

Запитване за пейка, кашпа или колче се разглежда като съвместна разработка, а не като поръчка по каталог. Преди каквато и да е уговорка се обсъжда открито какво може машината в момента, докъде е стигнала работата по сместа и кои свойства още не са потвърдени с изпитване. Детайлите и геометрията минават първо през пробни печати, преди да се говори за краен елемент.