Чому суміш друкується: текти й стояти

За цей урок ви дізнаєтесь: який головний конфлікт є в суміші для друку, як оцінити потрібну міцність свіжого шару і чому важить час між шарами.

Дві протилежні вимоги

У шлангу суміш має текти, а щойно ляже у стіну, має стояти. Коли друк не йде, спершу з’ясуйте, яка з цих вимог порушена: суміш не доходить до сопла чи не тримає форму.

Ключова властивість тут межа текучості: напруження, нижче якого суміш поводиться як тверде тіло, а вище тече. Майонез на ложці стоїть купкою, бо власної ваги не вистачає, щоб він потік. Свіжа суміш для друку поводиться схоже.

Після укладання межа текучості зростає. Спочатку це відбувається через структурування суміші в стані спокою (тиксотропію), а далі через гідратацію цементу. Саме це зростання дає змогу зводити стіну шар за шаром.

Скільки треба, щоб виріб стояв

Для вертикальної стіни чи панелі широко використовують такий критерій (Roussel, 2018):

τ ≥ ρ · g · H / √3

де τ — статична межа текучості нижнього шару в цей момент, ρ — густина суміші, g — прискорення вільного падіння, H — висота над цим шаром.

Приклад: коли виріб за густини 2200 кг/м³ досяг висоти 1 м, нижньому шару потрібно

2200 × 9,81 × 1 / 1,732 ≈ 12 500 Па, тобто близько 12,5 кПа.

Для висоти 0,5 м вистачить удвічі менше. Ця вимога стосується нижнього шару, який уже постояв, а не суміші на виході із сопла. Формула дає просту оцінку і не враховує інших причин обвалу: стіна також може втратити стійкість і вигнутися, особливо тонка й висока. Це приклад розрахунку, а не норма: для своєї суміші межу текучості треба виміряти.

Вікно друку

На схемі межа текучості нижнього шару росте з часом, а вимога росте разом із висотою виробу. Поки крива вища за вимогу, нижній шар не руйнується від ваги стіни, але тонка стіна все одно може вигнутися, тому потрібен запас. Якщо друкувати швидше, вимога зростає крутіше й може перетнути криву: тоді виріб обвалиться. Не стійте поруч зі свіжою високою стіною. На старті суміш, навпаки, має бути нижче межі подачі, щоб пройти шланг.

Вікно друку задають обидві умови. Воно залежить від швидкості, температури, вологості, партії суміші та води, тому суміш, яка добре працювала вчора, сьогодні може поводитися інакше. Тому міряйте й записуйте температуру води й суміші разом із результатом друку.

Час між шарами

Час повернення сопла на те саме місце легко порахувати. Якщо один шар має 40 м маршруту, а швидкість становить 60 мм/с:

40 000 / 60 ≈ 667 с, тобто трохи більше 11 хв.

Для малого виробу той самий розрахунок дає інше: маршрут 3 м за тієї самої швидкості займе лише 50 с. За однакової висоти така мала лавка чи вазон ростуть набагато швидше, тож можуть обвалитися там, де довга стіна стоїть. Допомагають менша швидкість, друк кількох виробів одним маршрутом або прискорювач. Прискорювач скорочує допустимий час зупинки й може знизити міцність, тому дозу перевіряють випробуванням.

Довгий час теж має ціну: шов між шарами слабшає (холодний шов). В одному дослідженні міжшарова міцність на розтяг знижувалася до 40% за паузи 25 хв. В огляді робіт наведено падіння зчеплення на 58% за 10 хв і на 75% за 60 хв порівняно з друком без паузи за швидкості 1,7 см/с, а за вищої швидкості втрати були ще більші. В іншій роботі паузи теж послаблювали шов, а без захисту поверхні від висихання втрати були помітно більші. Ці цифри дуже залежать від суміші й методу випробувань, тож переносити їх на свій випадок не можна. Висновок загальний: бережіть поверхню шару від висихання і перевіряйте зчеплення на своїй суміші.

Темп зведення стіни

За нашим досвідом, стіну будинку зі звичайною сумішшю зводять приблизно так: близько 500 мм висоти, далі перерва близько 12 год. Точні цифри залежать від температури й суміші.

Для порівняння, опубліковані проєкти. Шоурум зі стінами 6,2 м: 55 годин друку за вісім днів. Поверх зі стінами до 3 м: чотири дні. Це близько 0,8 м висоти за день друку (наш підрахунок за їхніми цифрами). Про перерви ці сторінки не пишуть.

Кожна така перерва створює холодний шов. Заздалегідь визначте, як берегти поверхню від висихання й готувати її перед відновленням, і перевірте зчеплення випробуванням.

Для випробування можна вивести стіну швидше, додавши багато прискорювачів. Тоді стає сумнівною міцність, особливо щодо вимог до житла. Крім того, стіна будинку зазвичай вузька, а вузький шар швидше втрачає стійкість, тому така стіна може просто завалитися.

Деякі компанії досягають кращого темпу, але, за нашою оцінкою, з набагато дорожчими сумішами й обладнанням. Тому окремі приклади швидкого друку, як-от модуль 2,4 м за 4,5 год з уроку 1, не є орієнтиром для звичайної суміші. Запитайте, якою сумішшю це зроблено і скільки вона коштує.

З чого складається суміш

Цемент є в’яжучим. Вода запускає реакцію, а заповнювач (пісок) дає об’єм і зменшує усадку. Суміші для друку часто містять добавки: пластифікатори для подачі, прискорювачі для набору міцності, стабілізатори, фібру. Чим більше у суміші цементу й чим менше крупного заповнювача, тим сильніша усадка, тому свіжий шар треба берегти від висихання.

Обережно: мокрий цемент лужний і може спричинити опіки шкіри, а сухий пил містить кристалічний кремнезем і шкодить легеням. Працюйте у водонепроникних рукавицях, захисних окулярах і респіраторі для пилу (FFP2 або вище). Якщо суміш потрапила на шкіру, зніміть забруднений одяг і негайно промийте шкіру водою: лужний опік може проявитися із запізненням. Якщо в очі, промивайте великою кількістю води щонайменше 15 хв і зверніться до лікаря.

Головне

Суміш для друку є компромісом між подачею й стійкістю. Цей компроміс не можна взяти з чужого рецепта: його треба вимірювати на своїх матеріалах, машині й умовах.

Перевірка

1. Що таке межа текучості? а) Температура схоплювання; б) напруження, вище якого суміш починає текти; в) висота стіни.

2. Яка приблизно потрібна межа текучості для стіни 2 м за густини 2200 кг/м³ за цим критерієм? а) 2,5 кПа; б) 25 кПа; в) 250 кПа.

3. Що відбувається зі швом, коли пауза між шарами стає довшою? а) Шов слабшає; б) шов міцнішає; в) нічого.

4. Шар має 60 м маршруту, швидкість 50 мм/с. Який час повернення сопла? а) 2 хв; б) 20 хв; в) 200 хв.

5. Чому малий виріб може обвалитись, хоча велика стіна з тієї самої суміші стоїть? а) За тієї самої висоти сопло повертається швидше, і шари не встигають набрати міцності; б) малий виріб важчий; в) на малому виробі не працює G-code.

Показати відповіді

1 б, 2 б, 3 а, 4 б, 5 а.

Де почитати більше

• Roussel, 2018. Реологічні вимоги до бетонів для друку: звідки взято критерій стійкості, англ.
• Wolfs, Bos, Salet, 2019. Вплив параметрів друку на зчеплення шарів, вільний доступ, англ.
• Maroszek та ін., 2025. Анізотропія і час між шарами, вільний доступ, англ.
• Babafemi та ін., 2021. Короткий огляд міжшарової міцності, вільний доступ, англ.
• Вимірювання в режимі друку кишеньковою крильчаткою: недорогий спосіб оцінити межу текучості, вільний доступ, англ.
• Sergis та ін., 2022. Автоматизований підбір складу суміші, англ.