3D принтиране на бетон

3D принтирането на бетон е адитивен процес: помпаем циментов разтвор се подава по маркуч до подвижна дюза, която го полага като непрекъсната нишка. Всяко преминаване добавя слой върху предишния и стената, колоната или мебелният елемент израстват без форма. Технологията не е нов материал, а нов начин той да бъде положен — и почти всяка практическа трудност идва от това, че материалът трябва да е достатъчно течен, за да се изпомпва, и достатъчно твърд, за да стои, в рамките на секунди.

Как работи

Принтирането стъпва върху четири свързани подсистеми. Смесването дава разтвор с контролирано водно съдържание и предвидимо време за работа; малки отклонения във водата или в дозата на добавката изместват целия работен прозорец. Помпването пренася разтвора от смесителя до дюзата, обикновено с ексцентрикова или перисталтична помпа, при дебит, съгласуван със скоростта на движение. Движението е самият принтер — портал, кранова рама или робот — който води дюзата по траектория, генерирана от цифровия модел. Полагането формира нишката: геометрията на дюзата, разстоянието до подложката и дебитът задават ширината и дебелината на слоя.

Смесът се проектира около две противоречащи си изисквания. Трябва да бъде екструдируем — да преминава през маркуча и дюзата без запушване и разслояване. Едновременно с това трябва да показва носимоспособност при изграждане: веднага след излизане от дюзата да развие достатъчно гранично напрежение на срязване, за да поеме слоевете над себе си, преди още да е настъпило химично втвърдяване. Преходът се управлява чрез структурното нарастване на коравината в покой, което се настройва с добавки, съдържание на фини фракции и при много системи с ускорител, дозиран директно на дюзата.

Между слоевете определящата величина е времето на отворения слой — интервалът между полагането на един слой и покриването му със следващия. Прекалено кратко, и долният слой се деформира под натоварването; прекалено дълго, и повърхността му се е втвърдила и вече не се свързва, което дава слаб шев. Това време не се задава директно: то следва от дължината на контура и скоростта на принтиране, което е и причината геометрията и материалът да не могат да се разглеждат поотделно.

Ключови параметри

Нито един от тези параметри не е независим. По-високата скорост скъсява времето на отворения слой, което подобрява сцеплението, но оставя по-малко време долният слой да се втвърди. По-ниският слой дава по-добра повърхност и по-стабилно изграждане, но умножава броя на шевовете — а шевът обикновено е най-слабата равнина в принтирания елемент.

Приложения

Методът се използва там, където геометрията е сложна, количествата са малки или кофражът би доминирал цената. На практика това означава нестандартни стени и черупки, неснемаем кофраж за колони и ядра, градско и градинско обзавеждане, кашпи, фасадни и облицовъчни елементи, акустични и слънцезащитни панели, както и скулптурни и рекламни обекти. Полезен е и за прототипиране на конструктивни детайли в реален мащаб, където принтиран фрагмент 1:1 отговаря на въпроси, които визуализацията не може.

За серийни, правоъгълни и повтарящи се елементи класическото сглобяемо производство обикновено остава по-бързо и по-евтино. 3D принтирането се конкурира с разнообразието, а не с повторението.

Предимства

Кофражът отпада — заедно с материала за него и труда по изграждане и декофриране. Промяната на формата става почти безплатна: извита и права стена с еднаква дължина се принтират за сходно време, така че сложността престава да е ценообразуващ фактор. Материалът се поставя само там, където е нужен, защото кухини, ребра и променлива дебелина не струват допълнително. Процесът е цифрово непрекъснат от модела до обекта, така че промяна в параметричния модел се пренася до траекторията без преначертаване. Намалява и броят на хората, работещи около тежък кофраж и повдигателни операции.

Ограничения

Слоестата структура прави елементите анизотропни: якостта и водонепропускливостта се различават по посока на нишката, напречно на шева и през дебелината. Армирането остава отворен въпрос без наложил се стандартен подход. Конзолните издавания са ограничени, защото всеки слой се опира само на предходния — надвесите се постигат с малко отместване на слой. Принтируемите разтвори съдържат повече свързващо вещество от лятия бетон, което работи против често повтаряните екологични твърдения, освен ако самото свързващо вещество не бъде заместено. Повърхността носи видими следи от слоевете, което за едни клиенти е предимство, за други — не. Отлежаването е по-взискателно, отколкото при лят бетон, тъй като принтираният елемент има много голяма открита повърхност и може да напука от ранно изсъхване, ако не бъде защитен. Накрая, нормативната база изостава: одобрението засега минава през индивидуално доказване, а не по рутинна процедура.

Контекстът на Concreef

Concreef работи с принтер Crane WASP в работилница в София. Досегашната дейност е на ниво разработка на процес, а не изпълнение: тестови стени с височина около един метър, принтирани, за да се изследват носимоспособността при изграждане, геометрията на слоя и качеството на шева, заедно с експерименти върху налични на местния пазар цименти, пясъци и добавки. Няма завършени сгради, няма изпълнени клиентски проекти и все още няма регистрирано дружество.

Резултатът от това е документиран набор работни параметри за конкретен принтер и конкретни местни материали — комбинации от дюза и височина на слой, които стоят, и такива, които се свличат. Публикуваните параметри от чуждестранни изследователски групи са отправна точка, а не рецепта, защото зърнометрията на пясъка и химията на цимента се различават по региони. Настоящият фокус е увеличаване на височината на принтиране при контролирани условия и характеризиране на поведението на шева, преди да бъде направено каквото и да е конструктивно твърдение.