Кранов 3D принтер за бетон
Крановият 3D принтер използва въртящо се рамо върху вертикална мачта, което носи екструзионната дюза, така че машината покрива кръгла работна площ вместо правоъгълния обем на порталните системи.
Обновено
Крановият 3D принтер е формат на машина, а не отделен процес. Физиката на полагане е обичайната екструзия на циментов разтвор; различното е начинът, по който се движи дюзата. Вместо правоъгълна рамка, вертикална мачта носи хоризонтално рамо, което се върти около нея, а печатащата глава се движи по рамото. Резултатът е принтер, който покрива кръгла площ, сгъва се за превоз и изисква значително по-малко конструкция от портал, обхващащ същия план.
Как работи
Кинематиката е полярна. Три съгласувани движения позиционират дюзата: завъртане на рамото около мачтата, радиално преместване на главата по рамото и вертикално преместване на рамото по мачтата. Всяка точка от работния обем се достига чрез комбинация от ъгъл, радиус и височина. Траекториите се създават в декартови координати и се преобразуват от контролера, така че операторът обикновено не мисли в полярни величини — но поведението на машината зависи от тях.
Първата последица е, че тангенциалната скорост зависи от радиуса. При постоянна ъглова скорост дюзата се движи много по-бързо във външния край на обема, отколкото близо до мачтата. Контролерът компенсира, за да поддържа зададената скорост по траекторията, но самото движение е различно и поведението при ускорение на малък радиус не е същото както на голям.
Втората последица е, че нивелирането е критично. Мачтата задава вертикалната отправна система за целия принт. Ако не е отвесна, разстоянието на дюзата над основата се мени циклично при въртене на рамото и слоят излиза дебел от едната страна и тънък от другата. Тази грешка не се усреднява — тя се натрупва.
Форматът Crane WASP е модулен по замисъл. Един модул покрива кръгла площ, а няколко модула могат да се разположат така, че кръговете им да се препокриват, което позволява по-голям план да се изпълни с няколко машини или с преместване на една. Производителят обявява работна площ около 6,6 m диаметър и близо 3 m височина на принтиране на модул, като височината се увеличава с добавяне на секции.
Ключови параметри
| Параметър | При кранов принтер | Практически ефект |
|---|---|---|
| Работен обем | Кръгъл, по радиуса на рамото | Планът трябва да се побере в пръстен |
| Височина | По дължината на мачтата, удължаема | Определя максималната височина на елемента |
| Кинематика | Полярна: ъгъл, радиус, височина | Компенсация на скоростта спрямо радиуса |
| Конструкция | Мачта и рамо | Лека, преносима, бърза за сглобяване |
| Критична стъпка при монтаж | Отвес и ниво на мачтата | Циклична грешка във височината на слоя |
| Коравина | Намалява с радиуса | Качеството на нишката варира по обема |
| Разширяване на покритието | Още модули или преместване | Препокриващи се кръгове, планиране на фуги |
Самите параметри на принтиране — диаметър на дюзата, височина на слоя, скорост, дебит, време на отворения слой — са същите както при всяка екструзионна система, но взаимодействат с механичното поведение на рамото. Дълго и слабо натоварено рамо се огъва и трепти; рязко ускорение на голям радиус се проявява като вълна в нишката. По-бавното и плавно движение обикновено дава по-добра повърхност от номиналната максимална скорост на машината.
Приложения
Форматът пасва на обекти, които се вписват в кръгъл план: единични съоръжения, куполи, сводове, извити стенни сегменти, колони, силози и резервоари, и най-вече цехово производство на елементи — обзавеждане, кашпи, панели, форми и прототипи. Преносимостта го прави подходящ за временни или отдалечени внедрявания, където монтажът на портал би бил непропорционален; използван е и в демонстрационни жилищни проекти с глинени и циментови смеси.
За правоъгълни сградни планове порталът обикновено е по-подходящ, защото кръглият обем губи покритие върху правоъгълно петно. Крановите принтери се оправдават там, където обектът е компактен, геометрията е ротационна или свободна, или машината трябва да се мести.
Предимства
Монтажът е несравнимо по-лек, отколкото при портал със същото покритие: мачта и рамо вместо цяла рамка на релси. Машината се превозва и се изправя от малък екип. Височината се увеличава просто с добавяне на секции, което при портал е по-трудно. Механичната простота означава по-малко възли за поддръжка и центроване. И тъй като принтерът покрива кръг, той естествено пасва на ротационните и извитите геометрии, в които 3D принтирането е най-силно.
Ограничения
Кръглият обем ограничава плана, а зоната около мачтата е мъртва. Коравината на рамото пада с радиуса, така че качеството не е еднакво по целия обем. Допускът при нивелиране е безкомпромисен по начин, който изненадва новите оператори. Няма управление на ориентацията на дюзата, затова надвесите се постигат с отместване на слоевете, а не с наклон на инструмента. Покриването на голям план изисква повече модули или премествания, а всяко преместване създава фуга, която трябва да бъде планирана, а не открита впоследствие. Както при всеки екструзионен принтер, резултатът е толкова добър, колкото сместа, която му се подава — форматът на машината не компенсира ненастроен разтвор.
Контекстът на Concreef
Concreef работи с принтер Crane WASP в работилница в София. Досегашната дейност е разработка на процес: тестови стени с височина около един метър, принтирани, за да се установи кои комбинации от диаметър на дюзата, височина на слоя и скорост остават стабилни, както и експерименти с цименти, пясъци и добавки, налични на българския пазар. На този етап няма завършени сгради, няма платени клиентски проекти и няма регистрирано дружество.
Работата в закрито помещение върху подготвена и нивелирана основа изважда от уравнението атмосферните условия и променливостта на основата — а това е смисълът на текущия етап: параметри, записани при контролирани условия, имат стойност по-късно, докато параметри, записани на ветровит обект, нямат. Практическите наблюдения досега засягат точно изброените по-горе въпроси — дисциплината при нивелиране на мачтата, поведението на скоростта при различен радиус и обстоятелството, че ограничителят на височината е ранната коравина на разтвора, а не самата машина.
Често задавани въпроси
- Какво представлява принтерът Crane WASP?
- Това е модулен кранов 3D принтер за бетон на италианския производител WASP. Един модул се състои от вертикална мачта с въртящо се хоризонтално рамо, което носи печатащата глава, а производителят обявява работен обем от около 6,6 m диаметър и близо 3 m височина на модул. Няколко модула могат да се комбинират така, че кръговете им да се препокриват и да покрият по-голям план.
- По какво крановият принтер се различава от порталния?
- По кинематиката. Порталът движи дюзата по декартови оси X, Y и Z в твърда правоъгълна рамка. Крановият работи в полярни координати: завъртане на рамото, радиално преместване по него и вертикално преместване по мачтата. Порталът дава правоъгълен обем и равномерна коравина; крановият дава кръгъл обем, по-бърз монтаж и по-малка машина за същата покрита площ.
- Целият работен обем ли се използва реално?
- Не. Зоната непосредствено около мачтата е неизползваема, така че реалната работна площ е пръстен, а не пълен кръг. Освен това огъването на рамото нараства с радиуса, което означава, че качеството на нишката може да се различава между вътрешната и външната част на обема, ако скоростите не се коригират. Разпределението на обекта трябва да отчита и двете.
- Колко време отнема монтажът на кранов принтер?
- Монтажът се свежда до сглобяване и отвесиране на мачтата, прецизно нивелиране на основата, поставяне на рамото и прокарване на маркуча. Нивелирането е критичната стъпка: при полярна машина малък наклон на мачтата се превръща във височинна грешка, която се мени по обиколката, и тази грешка се пренася през всеки следващ слой.