Процес на 3D принтиране
Процесът на 3D принтиране с бетон е последователност от контролирани етапи — смесване, помпане, екструзия, полагане слой по слой, отлежаване и довършване — при която времето между етапите тежи колкото самият материал.
Обновено
Принтирането с бетон е верига от операции във времето, а не едно действие. Материалът се смесва, помпа, екструдира и натрупва, и всеки от тези етапи трябва да остане в прозорец, зададен от съседните му. Повечето неуспешни принтове не са отказ на машината; те са разминаване във времето между етапи, всеки от които поотделно е изглеждал наред.
Как работи
Подготовка. Основата се нивелира, а при кранова машина се проверява отвесността на мачтата. Траекторията се зарежда и при нова геометрия се минава на празен ход. Материалите се претеглят, а маркучът се смазва с разредена смес, за да не блокира първият разтвор през него.
Смесване. Сухите компоненти и водата се съединяват до целева консистенция, проверена с прост цехов тест — разстилане или слягане — а не на око. Контролът на консистенцията е дисциплината с най-голям ефект в целия процес, защото всичко надолу я наследява.
Помпане. Разтворът се прехвърля в помпата и се подава по маркуча до дюзата. Налягането се следи: нарастващо налягане обикновено означава втвърдяване в линията, а спряла помпа с разтвор в маркуча е кратък път към запушване, чието отстраняване отнема много повече време от самия принт.
Полагане. Дюзата описва първия контур на зададено разстояние от основата. Нишката трябва да бъде леко притисната към повърхността под нея, а не пусната върху нея. Дебитът и скоростта се донастройват един спрямо друг, докато нишката стане равномерна по правите участъци и престане да се натрупва в ъглите.
Натрупване на слоевете. Всеки следващ слой ляга върху слой, който е започнал да се втвърдява. Интервалът — времето на отворения слой — следва от дължината на контура и скоростта. Долните слоеве трябва да поемат нарастващото тегло без деформация, затова високият принт се забавя или изисква ускорител, дозиран на дюзата.
Завършване и отлежаване. Дюзата се извежда чисто, маркучът се промива незабавно, а елементът се предпазва от течение и слънце. Отлежаването продължава дни.
Довършване. Според замисъла повърхността се оставя със следите от слоевете, четка се, шлайфа се, импрегнира се или се покрива.
Ключови параметри
| Етап | Контролирана величина | Типичен дефект при отклонение |
|---|---|---|
| Смесване | Водно съдържание, доза добавка, време на смесване | Сместа не стои или не се помпа |
| Помпане | Дебит, налягане в линията, без дълги спирания | Запушване, пулсираща нишка |
| Полагане | Височина на дюзата, скорост, дебит | Откъсната или сплескана нишка |
| Натрупване | Време на отворения слой, височина на слоя, ускорител | Свличане или слаба студена фуга |
| Среда | Температура, влажност, течение, слънце | Изместена скорост на втвърдяване, пукнатини |
| Отлежаване | Защита, задържане на влага, продължителност | Пукнатини от ранно съсъхване |
| Довършване | Момент на шлайфане или импрегниране | Повреда на повърхността при прибързване |
Температурата заслужава отделно внимание. Смес, която се държи добре при 12 °C, се втвърдява осезаемо по-бързо при 30 °C, като едновременно скъсява работното време и прозореца на отворения слой. Наборът параметри има смисъл само записан заедно с условията, при които е получен.
Приложения
Описаният процес важи за всеки екструдиран циментов обект: стенни елементи и черупки, неснемаем кофраж, обзавеждане, кашпи, панели, форми и прототипи. Разликите между тях са основно в мащаба и в начина на планиране на принта — къде попадат спиранията, дали се поставят закладни части в хода на работата и как елементът ще бъде манипулиран след отлежаване.
При по-високи елементи планирането включва и разпределение на принта във времето: колко слоя могат да се натрупат наведнъж, къде е разумно да се направи планирана пауза за набиране на якост и как тази пауза да съвпадне с фуга, която по-късно няма да е видима.
Предимства
Процесът е напълно документируем. Всеки етап има измерими входове, така че успешният принт може да се повтори, а неуспешният — да се диагностицира, вместо да се гадае. Кофражът отпада. Една непрекъсната операция произвежда геометрично сложен обект. И тъй като полагането е машинно, физическото усилие се измества към настройка, контрол на материала и довършване.
Ограничения
Работният прозорец е тесен и свързан: промяната на една величина измества няколко други. Процесът е нетолерантен към прекъсвания, защото твърде дълго спиране застрашава едновременно маркуча и шева. Той е чувствителен към околната среда по начин, по който лятият бетон не е, защото материалът е тънкостенен и напълно открит от момента, в който напусне дюзата. Възможностите за поправка са ограничени — свлечен слой обикновено означава започване на елемента отначало. Почистването не е дребна работа: помпата и маркучът се промиват веднага след всеки цикъл. А елементът остава крехък, докато не набере якост, така че манипулацията и превозът се планират преди принтирането, а не след него.
Контекстът на Concreef
В Concreef описаният процес се изпълнява в работилница в София с принтер Crane WASP. Текущата дейност е разработка на процес: тестови стени с височина около един метър, принтирани, за да се очертае кои комбинации от диаметър на дюзата, височина на слоя, скорост и време на отворения слой остават стабилни, плюс експерименти с цименти, пясъци и добавки от българския пазар. На този етап няма завършени сгради, няма изпълнени клиентски проекти и няма регистрирано дружество.
Две практически наблюдения от тази работа заслужават да бъдат казани, защото рядко се подчертават в публикуваните материали. Първо, ограничителят на височината в тези проби е ранната коравина на разтвора, а не машината. Второ, най-постоянният източник на разлики между иначе еднакви принтове е смесването — водното съдържание и времето на разбъркване — затова консистенцията се измерва при всяка партида, а не се преценява на око. Параметрите се записват заедно с цеховите условия, при които са получени, защото параметър без условията си не е преносим.
Често задавани въпроси
- Колко време отнема един принт?
- Продължителността се определя от общата дължина на траекторията, разделена на скоростта, плюс времето, което материалът изисква, за да набере коравина между слоевете. При висок елемент ограничителят обикновено не е скоростта на машината, а това колко бързо долните слоеве могат да поемат допълнително натоварване. Понякога забавянето е единственият начин принтът изобщо да завърши, затова оценките за време важат за конкретна геометрия и конкретна смес.
- Коя е най-честата причина за неуспешен принт?
- Изгубен контрол над консистенцията на сместа. Повече вода или закъсняла доза ускорител дават смес, която не стои; по-малко вода или прекалено дълго спиране водят до запушване на маркуча. Втората по честота причина е несъответствие между скорост и дебит, което се вижда като изтънена нишка в бързите участъци и натрупване в ъглите.
- Може ли принтът да се спре и продължи?
- Технически да, а на практика често се налага — за поставяне на закладни части или за отстраняване на проблем. Цената е студена фуга: спреният слой се втвърдява и се свързва по-слабо със следващия. Планираните спирания се решават с избор къде да попадне фугата и при нужда с обработка на повърхността преди продължаване.
- Как отлежава принтираният елемент?
- Както лят бетон, но по-спешно. Принтираният елемент има много по-голяма открита повърхност спрямо обема си, затова губи вода бързо и може да напука от ранно съсъхване. Покриване с фолио, защита от пряко слънце и течение и контрол на влажността в помещението са обичайните мерки през първите дни.