Строительная 3D печать: экспериментальная установка строительства бетоном

Строительная 3D печать: экспериментальная установка строительства бетоном

Технология строительная 3D печать бетоном на текущий момент ещё не способна обеспечить печать готовым бетоном с крупными заполнителями. Однако строительное оборудование 3D печати под оптимизированные бетонные материалы уже разработано. Устройство такого типа, рассматриваемое ниже, призвано напрямую вести строительную 3D печать товарным бетоном. Далее подробно описывается строительство 3D печатью, включая оборудование, основное программное обеспечение, подготовку бетона, процесс печати и проверку созданной конструкции. Этот материал представляется ценным опытом для будущих строек.

Принтерное оборудование и необходимые строительные материалы

Коммерческий рынок предлагает различные виды 3D принтеров, — механизмов строительного назначения, использующих материалы:

  • полипропиленовый фибробетон,
  • нейлоновый фибробетон,
  • гелевый порошок,
  • гипс и другие.

Тем не менее, от массового производства до практического применения строительной 3D печати ещё предстоит проделать много технической исследовательской работы, если применять новые строительные материалы. Поэтому исследования и разработка строительного 3D принтера, способного напрямую вести печать бетоном, видятся насущной необходимостью.

Строительная 3D печать и концепция аппаратного оснащения
Строительный 3D принтер – концептуальная конструкция: 1 – верхняя стабилизационная система; 2 – дорожка оси X; 3 – принтер экструдер; 4 – дорожка оси Y; 5 – дорожка оси Z

Конструкция строительного принтера, что на картинке выше, представлена механической концепцией колонного типа. Для реализации строительной 3D печати используется рамка на четырёх колоннах. Как показано рисунком выше, механизм разделён на несколько структурных частей:

  • дорожка оси X,
  • дорожка оси Y,
  • дорожка оси Z,
  • печатающая головка,
  • система верхней стабилизации,
  • автобетононасос.

Дорожки осей X и Y управляют горизонтальным перемещением строительной печатающей головки, в то время как горизонтальная система по осям X и Y обеспечивает вертикальный подъём с помощью тележки по оси Z. Такой подход удовлетворяет движению строительной печатной головки по осям X, Y, Z.

Устройство строительной трёхмерной печати колонного типа имеет ширину оси X и высоту оси Z около 20 метров. Строительный принтер допускает печать зданий шириной и высотой не более 18 м. Длина оси Y допускает увеличение до бесконечности за счёт увеличения числа столбцов оси Z.

Строительная 3D печать - система принтера в аксонометрии
Строительная 3D печать принтером колонного типа, предварительно подготовленной бетонной смесью. Аксонометрический вид конструкции: 1 – бетононасос на базе грузовика; 2 – перепад высот

Таким образом, строительный 3D принтер колонного типа под печать бетоном видится простым в установке устройством, способным создавать бетонные конструкции высотой до шести этажей. Кроме того, строительная печатающая головка и рычаг автобетононасоса приводятся в движение независимо.

Каждый механизм оснащён датчиком положения, определяющим взаимное положение головки и рычага. Когда бетонная смесь непрерывно подаётся на строительную печатающую головку, рычаг автобетононасоса самостоятельно выполняет позиционирование и подачу.

 

Разработка принтера строительной 3D печати

Механическая конструкция колонного типа должна обеспечивать печатную платформу 3D принтеров, использующих классический материальный состав товарного бетона:

  • песок,
  • крупнозернистый заполнитель,
  • цемент,
  • вода.

Однако наличие грубых и крупнозернистых заполнителей в составе готового бетона видится существенной проблемой для разработки оборудования строительной 3D печати. Основная причина заключается в трудностях при разработке строительной печатающей головки, способной работать с материалом, содержащим крупнозернистый заполнитель.

Архитектурная система строительной 3D печати, представленная здесь, — это коммерческая система трёхмерной печати готовым раствором. Механика устройства отличается тем, что содержит строительную печатающую головку с двойной поддержкой, непрерывно печатающей предварительно подготовленной смесью с заполнителем диаметром менее 15 мм.

Строительная 3D печать: структурная схема печатной головки
РИС3. Структурная схема строительной печатной головки: 1 – система подпитки бетоном; 2 – система регулировки смеси; 3 – V-образное вибрационное сито; 4 – выход автобетононасоса; 5, 6 – заслонки «открыто / закрыто»; 7 – система смешивания; П1, П2 – рабочие поршни

На картинке выше показана схема печатающей головки с поддержкой двусторонней печати. Конструкция головки разделена на два загрузочных бункера, оснащённых пятью функциональными системами:

  1. Поршневой подпитки.
  2. Подачи бетона.
  3. Контроля производительности.
  4. Смешивания.
  5. Регулировки структуры смеси.

Двусекционная печатная головка – принцип работы

 

Особенность печатающей головки строительного принтера с двумя вспомогательными устройствами заключается в одновременной работе подающих бункеров A и B.

Когда через один бункер выдавливается бетон и осуществляется строительная печать, автоматическая регулировка подачи и усадки стройматериала начинает работать в другом бункере. Так обеспечивается непрерывная строительная 3D печать.

Система подачи предусматривает наличие пары поршней. Когда бункер A находится в режиме печати, бетон подаётся в бункер B, поршень П1 движется вниз, заслонка A5 открывается. Стройматериал внутри бункера A перемещается вниз под давлением поршня П1 и выводится на строительную 3D печать.

Системный компьютер контролирует скорость печати бетоном за счёт регулировки скорости движения поршня П1 вниз. В то же время поршень П2 поднимается вверх, заслонка B5 закрывается, тем самым открывая систему подачи стройматериала в бункер B.

Важные аспекты строительной 3D печати

Известно, что процессы транспортировки и подачи вносят неопределенные изменения в конкретные рабочие характеристики. В результате проверка работоспособности и регулировка в подающем бункере становятся важными аспектами строительной 3D печати бетоном.

Система смешения компонентов раствора оснащена серводвигателем, автоматикой которого выполняется проверка крутящего момента. Спиральные лопасти бункеров A и B приводятся в движение серводвигателем. Вращение спиральных лопастей возвращает величину крутящего момента серводвигателя.

Посредством повторных тестов взаимосвязь между крутящим моментом и резкой усадкой показана на картинке ниже, когда диаметр спирального ножа составляет 50 мм, шаг составляет 25 мм, а ход винта — 120 мм.

График соотношения усадки бетона с крутящим моментом
График соотношения данных, наглядно демонстрирующий связь между крутящим моментом и усадкой для представленной экспериментальной строительной системы 3D печати бетоном

Оседание бетона в бункере подачи составляет 120-130 мм. При этом эффект печати отмечается оптимальным. То есть, крутящий момент серводвигателя для оптимальной печати составляет 1,25-1,75 Нм. Если крутящий момент двигателя не находится в этом диапазоне, активируется система регулировки производства бетона.

Момент схватывания бетона регулируется путём добавления:

  • воды,
  • суперпластификатора,
  • иных добавок.

В то же время система обнаружения передаёт данные о крутящем моменте каждую секунду. Когда крутящий момент достигает значения 1,25-1,75 Нм, система регулировки подготовки бетона отключается и начинается печать.

Строительная 3D печать — испытания характеристик бетона

Важно отметить: описанная здесь система строительной 3D печати из готового бетона оснащена винтом крутящего момента с учётом испытания характеристик бетона.

Следовательно, диаметр крупного заполнителя в бетоне должен быть не более 15 мм. Поэтому V-образное вибрационное сито используется на верхнем конце системы подачи бетона. Это сито имеет диаметр пор 15 мм для фильтрования заполнителя большего диаметра.

Кроме того, если бетон внутри печатающей головки постоянно вибрирует во время процесса печати, механическая системная ошибка, вызванная процессом вибрации, будет определенно недопустимой.

Однако обычно печатный бетон без какой-либо обработки трудно удовлетворяет требованиям прочности. Сжатая система строительной 3D-печати помогает сделать бетон более плотным под давлением, что сопровождается достижением прочности, соответствующей требованиям.

Процесс запуска программной системы

Процесс запуска для программной системы рассматриваемого 3D-принтера показан картинкой «A)», тогда как система обратной связи сервопривода, адаптированной к программному управлению, показана картинкой «B)» на графическом дополнении, представленном ниже.

Строительная 3D печать: схема работы обратной связи
Процесс запуска «A)»: 1А – проект архитектурной проходки; 2А – послойная нарезка и оптимизация пути; 3А – загрузка файла в систему контроля; 4А – запуск 3D печати и обратная связь в реальном времени; К – команды; Д – данные. Обратная связь «B)»: 1В – компьютерный мониторинг; 2В – серво система; 3В – сервомотор; М – мониторинг и контроль

Характеристики этой программной системы следующие:

  1. Обратная связь в режиме реального времени с информацией о координатах устраняет явление отключения, вызванное частым высокоскоростным пуском и остановом двигателя, помогает всей системе работать точно.
  2. Данные обратной связи отображают такие параметры, как нагрузка двигателя, температура двигателя и скорость печати. Как только происходит перегрузка двигателя, увеличивается температура, проявляется фактор короткого замыкания, печать немедленно прекращается. Источник питания отключается для обеспечения безопасности.
  3. Параметры работы строительной 3D-печати устанавливаются вручную, например, максимальная скорость работы, ускорение, скорость печатающей головки и т. д. Максимальная скорость системы находится в пределах 0,5 м / с, а оптимальный диапазон ускорения составляет 0,05 — 0,2 м /с.

Наконец, техника имеет функцию сохранения в точке останова. При возникновении непредвиденной ситуации, например, сбоя питания, сервосистемой немедленно сохраняется текущая координата.

Интерфейс контроля 3D принтера печати строительным бетоном
Возможная конфигурация (дизайн) панели управления для работы с описываемой строительной установкой 3D печати бетоном. Предполагается использование цифровых электронных технологий

Соответственно, позже строительная печать продолжается в точке останова после перезапуска механики. Выше показан возможный интерфейс панели управления операционным устройством.

Строительная 3D печать — экструдируемость и технологичность 

Наиболее важными свойствами для печатного бетона в свежем состоянии являются экструдируемость и технологичность. Экструдируемость относится к способности доставлять свежий бетон через бункер и насосную систему непосредственно к соплу.

Здесь бетон необходимо экструдировать в виде непрерывной нитеобразной струи. В основном этот процесс зависит от времени твердения стройматериала. Причём уже наложенные печатью бетонные слои должны формироваться с учётом минимальной деформации под весом последующих бетонных слоёв.

Кроме того, нижние слои бетона необходимо соединять с верхними слоями для создания монолитных компонентов. Следовательно, печать готовым раствором требует способности к сборке, которая относится к способности печатать определенное количество слоёв (уровень высоты). Возможность сборки также зависит от времени твердения и пропорций бетонной смеси.

Оптимизации диапазона работоспособности бетонной смеси

В этом примере строительства, 3D принтер использовался для оптимизации диапазона работоспособности бетона, готового к экструдированию. Известно, что чрезмерно высокая осадка отрицательно влияет на деформацию бетона после экструзии. Слишком низкая осадка может вызывать непрерывный поток бетона.

Такой поток влияет на способность к сборке и упрочнённые свойства бетона. Соответственно, после серии испытаний строительного 3D принтера отметилась рекомендация на усадку — 110 мм, как наиболее подходящая в данном случае.

После нескольких испытаний соотношение компонентов бетона для строительной 3D печати  оптимизировали согласно таблице ниже. Для бетона использовался цемент PO 42,5. Используемый мелкозернистый заполнитель представлял собой песок с модулем крупности 2,8, крупнозернистый заполнитель имел размер частиц 5-15 мм, а в качестве примеси использовалась летучая зола.

Таблица: Соотношение компонентов под строительную 3D печать готовой бетонной смесью

Расчётная прочность Цемент Песок Заполнитель Вода Дополнения
С20 1 3,20 3,62 0,66 0,024
С25 1 2,98 3,40 0,60 0,032

Количество ускорителя составляло около 3–5% от общего количества цемента в бетоне. Печатный бетон удалось настроить на первоначальном этапе примерно за 5–10 минут. Созданный оптимизированный материал для строительной 3D печати в полной мере обеспечивает непрерывный процесс.

Таблица: Сравнение конкретных испытаний прочности на сжатие

Образец Прочность бетона, МПа Размерность, мм Прочность на сжатие, МПа Отклонение от стандарта, МПа
Напечатанный 20 150х150х150 19,1 0,25
Обычный 20 150х150х150 23,8 0,16
Напечатанный 25 150х150х150 24,1 0,30
Обычный 25 150х150х150 28,8 0,17

Заключительный штрих

Благодаря упомянутым выше технологиям, оборудованию и материалам для строительной 3D печати, внедрение новой методики строительства коммерческим товарным бетоном уже не за горами. Это момент  подтвердили строители Китая, которыми строительный 3D принтер рассмотренной конструкции успешно применялся на практике сооружения электрической подстанции. Как результат, за короткий срок удалось выстроить основу здания длиной 12,1 м, шириной 4,6 м, общей высотой 4,6 м. Часть сооружения, находящаяся под землёй, заглублена на 0,5 м, внешняя остаточная часть имеет высоту — 4,1 м.


При помощи информации: Tongji