Опыт применения пластичных бетонов в 3D печати.

Здравствуйте, уважаемые коллеги и сочувствующие!

Так сложилась жизнь, что последние несколько лет я занимаюсь разработками в области аддитивных технологий и за это время накопил некоторый опыт, который может быть полезны кому-то ещё и которого хватит на небольшой пост с картинками.

Речь пойдёт о строительной 3D печати, а точнее о том, как мы за это взялись, что об этом думали, куда шли, обо что запнулись по дороге и к чему это всё привело.

Небольшой исторический экскурс.

Началось всё с того, что один человек спросил другого '- А вы можете сделать строительный 3Д принтер?', на что другой (ваш покорный слуга) отвечал '- Да, конечно, чё там делать-та?'. Потому что лучший способ избавиться от отсутствия проблем это создать их самому на ровном месте. Вылился этот диалог в тернистую историю с конструирования шевелящейся железяки из того, что было (вплоть до применения в качестве привода асинхронных двигателей с обратной связью по энкодерам, сделанным из старых компьютерных мышек), в условиях работы на пол ставки, чтоб было на что жить, со всеми сопутствующими радостями и печалями начинающего конструктора, а так же лихорадочного обдумывания вариантов того, где же всё-таки найти денег на разработку.

С шевелящейся железкой пробовали немного пошуметь в интернете и набрать денег на краудфаундинговой платформе. Пришлось заодно стать актёром, режиссёром и монтёром (монтажником?) видео, придумать убедительные доводы про то, почему вы должны отдать свои деньги именно нам, пробовать засветиться в эфире и заниматься прочей непрофильной деятельностью. С тех славных времён на 3dtoday даже лежит статья (с видео и картинками) про нас, за что спасибо огромное Мише Шевченко. Благодаря тому, что по запросу 'строительный принтер томск' в топе поисковика вылазила именно эта статья, на нас выходили некоторые забавные личности, вплоть до репортёра Рен-ТВ с предложением выступить в роли эксперта в фильме про печать оружия.

А вот здесь, кому интересно, сслыка на видео, которое выкладывалось на краудфаундинговую платформу.

Люди бывают с разными поворотами головного мозга. Например мне довольно трудно нахваливать себя за то, что ещё не сделано, а это пагубно для продвижения проекта и сбора средств на его реализацию. В общем, нужной суммы мы так и не набрали. Помощь пришла с неожиданной стороны: зашли в интернет, зарегистрировали заявку на грант в фонде Бортника и выиграли миллион (не будучи никому родственниками и не делая откатов). Хотя, конечно, из этого миллиона 400 тысяч в виде налогов ушло обратно государству, а 100 тысяч ушло на оплату работы прекрасной леди, которая занималась бумажным обслуживанием гранта, но оставшиеся 500 сильно помогли.

Конец небольшого исторического экскурса.

Идейным вдохновителем для нашего проекта послужил господин Руденко, который уже тогда напечатал у себя на заднем дворе бетонный замок. Это был прецедент печати бетоном чего-то, что не являлось вертикальными стенами. Действительно, изучение доступных в интернете материалов и научных статей на тему аддитивных технологий в строительстве, навязало мысль, что в основном 3D печать бетонами осуществляется по технологии Contour Crafting (термин предложил Behrokh Khoshevis) которая по существу является скорее 2.5D печатью, так как реологические свойства используемых бетонов делают задачу укладывания слоёв с большим смещением друг относительно друга сложной, что ведёт к печати конструкций с интересной и разнообразной геометрией в плоскости XOY, но довольно не выразительных вдоль оси Z (вертикальные или почти вертикальные стены). Этот нюанс стал ключевым для принятия решения отказаться от использования известных решений (враньё, ключевым было '- Зачем делать что-то, что уже и так сделано, это ж скучно! 8)' ). Кроме этого нюанса существует ещё несколько:

- несмотря на стремление создателей строительных 3D принтеров сделать печатаемое как можно более несущим, выдерживающим изгиб, сжатие и прочие невзгоды, практика применения таких принтеров заключается в печати скорлупы (несъёмной опалубки) в которую засовывается арматура и заливается нормальный бетон, а заявленные сверхпрочности оказываются не у дел.

- приготовление бетона (дозирование компонентов, смешивание) в большинстве технологий отвязано от процесса печати, делается в стандартных смесителях и это порождает некоторые проблемы. В виде, например, творческих филиппинцев, о которых Андрей Руденко упоминает в своей статье. Или в виде необходимости готовить смесь, которая остаётся подвижной достаточно долго, чтоб использовать весь замес (а подвижность хороша ровно до того момента, когда смесь оказывается экструдированной в нужное место стены. Дальше подвижность хотелось бы куда-то убрать.)

- неожиданно 3D печать по технологии DIW, например, керамикой позволяет получать чудесную геометрию с большими отклонениями от вертикали (почему с бетоном так не делают?)

Учтя это всё, а так же собственные амбиции и нежелание ходить проторенными тропами, созрела идея сконструировать такую печатающую головку, которая бы сама готовила смесь и тут же её выдавливала (смеситель-экструдер непрерывного действия, далее СЭ). Идея была не лишина идиотизма оптимизма, потому как совершенно не ясно, насколько сложна и массивна такая конструкция может быть, по какому принципу работать и вообще возможно ли это сделать не умерев в процессе от фрустраций. Так же, в самом начале, было не понятно, а какой вообще смесью оно будет печатать. Я являюсь химиком меньше всего в этой жизни, поэтому предложение формулировалось как 'главное придумать штуку, которая будет мешать и выдавливать, а что туда засунуть станет ясно в процессе.' Действительно, засунуть в неё можно будет как минимум то же самое, что люди обычно суют в свои принтеры. А так как идея СЭ ликвидирует ограничения на время жизни смеси (оно может быть очень коротким) и на её подвижность (не нужно прокачивать по длинному шлангу), то, видимо, туда можно будет засунуть что-то ещё, чего никто до этого не совал. К тому же друзья химики-силикатчики убедили, что, конечно же, смесь с нужными свойствами можно будет придумать.

Роутер принтера был спроектирован под головку массой до 400 кг (на всякий случай, хотя в итоге получилось всего 40). Чтобы вы понимали, в чём здесь проблема, стоит упомянуть, что в общем-то нормальным людям не приходит в голову объединять процесс смешивания (тем более затворения сухой смеси жидкостью) с процессом экструзии, так как это два совсем разных процесса, для одного из которых (смешивание порошка с жидкостью) даже нет нормального математического описания. То есть можно замоделировать в ANSYS или ещё где экструдер, зная реологические свойства готовой смеси. Можно замоделировать насос для жидкости. Можно, в принципе, замоделировать питатель для порошка. Процесс превращения жидкости и порошка в готовую смесь замоделировать негде. Открыть книжку и посмотреть, как эту задачу решали в середине прошлого века (как делается обычно с техническими инновациями) тоже не получается, потому что эту задачу там не решали (или не считали нужным об этом писать). Никому не нужно было устройство с такой смешной производительностью и для таких странных задач.

(Ладно, хватит набивать себе цену. Идея итоговой конструкции была подсмотрен в старой книжке и лет ей (идее), не соврать, 50, но он там она использовалось для других целей. И она там была не одна.)

Так или иначе, из-за отсутствия мозгов возможности моделирования пришлось броситься в пучину эмпиризма, как в старом добром XIX веке, от чего поиск удачной конструкции подзатянулся. Примерно на 2,5 года. Было опробовано по крайней мере 4 разных по принципу работы устройства, одно из которых не работало вообще, два работали, но для задач 3D печати не особо подходили, а одно, о чудо, заработало нормально.

История со смесью тоже забавная, и сводится к тому, что один профессор сказал '- да я в 70-х годах вот такую штуку делал, вам ею надо печатать...'. Технология 1911 года, получается прочно и ведёт себя как глина.

Вести себя как глина это очень хорошо и правильно. Почему? Потому что глина является т. н. Бингамовской жидкостью. Если не вдаваться в тонкости и рисование картинок, то Бингамовская жидкость ведёт себя как упругое тело до тех пор, пока приложенные усилия не превысят определённой пороговой величины (минимальное напряжение сдвига), после чего она начинает вести себя как Ньютоновская жидкость (течь). Это её свойство человечество использует последние несколько тысяч лет, чтобы лепить всякое. Вы давите глину пальцами, она течёт. Вы перестаёте давить, она сохраняет принятую форму (либо растекается под собственным весом, но это только когда собственный вес слишком велик, а вы скверный гончар). Так же это свойство используется в керамических 3D принтерах, где глина подаётся в экструдер по длинной трубке совершенно без проблем, если обеспечить достаточное давление. Однако после экструзии она фиксируется ровно в том положении, в какое была экструдирована, так как больше на неё ничто не давит.

Бетон 1911 года как нельзя кстати подошёл для наших целей, потому как, с одной стороны, он Бингамовский, с другой, простой и дешёвый по составу, с третьей, печатать им можно максимум в течении 5-10 минут после затворения жидкостью, а СЭ позволяет такое проделывать.

(Кстати. Джентельмены из WASP тоже печатают смесью с предположительно подобными свойствами, но она у них не быстротвердеющая.)

В начале всей этой затеи моей голубой мечтой было напечатать бетоном (который твердеет сам) что-нибудь с углом нависания хотя бы 30 градусов (от вертикали), а лучше 45. Потому что 45 это уже нормальная крыша, а если вести речь о строительной печати, то 45 - это возможность делать более-менее своды и всяческие украшательства, дома в форме луковок и прочие непременно кому-то нужные вещи. В итоге 45 градусов печатается вообще без каких-либо проблем:

https://www.youtube.com/watch?v=pSUEcM-JPosПосле этого возникло желание дерзнуть на нависание в 60 градусов (а это уже возможность печати всего того (почти), что печатают пластмассой без поддержек). С такими градусами возникли проблемы, но проблемы решаемые. То есть слои вполне укладываются с нужным смещением, только пространственной жёсткости скорлупы может не хватать на то, чтоб выдерживать саму себя.

https://www.youtube.com/watch?v=KkqDeVG-DKoВ заключение хотелось бы сказать, что до печати домов нам ещё далековато. Ближе, чем было раньше, но теперь надо всё экспериментальное оборудование, сделанное из ветвей и детрита, переделать на нормальное, переехать на местное сырьё, соорудить роутер побольше, раздобыть на всё это средства и прочие и прочие скучные и непринципиальные вещи. Однако это не суть. Суть в том, что, оказывается, можно ещё вот таким способом печатать и это работает.

Спасибо всем за внимание, надеюсь кому-то этот пост показался интересным. Конечно, было бы здорово, если бы тут были выложены чертежи печатающей головки и рецептуры смеси, но по некоторым причинам делать этого пока не стоит. Вместо этого вот инстафотография:P.S.: И ещё смешные картинки про то, что бывает, когда напряжения, вызываемые давлением вышележащих слоёв, превышают минимальное напряжение сдвига:--