Методи 3D-друку з застосуванням сипкого пінополістиролу та приклади лиття за пінополістирольними моделями металевих деталей будівельної опалубки

Статьи от автора: Дорошенко В.С.

Вступ

Нині важливою та актуальною потребою є підвищення продуктивності будівництва як житлових будинків, так і службових споруд. Саме тому напрямок на створення модульних литих легковагих конструкцій для побудови житлових будівель чи промислових будов є важливим і актуальним. Стремління поєднати в одному матеріалі різні властивості є одним з рушійних напрямів сучасної будівельної науки. Зокрема, холодний і важкий, але міцний бетон вона зробила легким і «теплим», ввівши в структуру полімер, спінений у вигляді кульок-гранул. Новий матеріал отримав назву полістиролбетон (ПСБ).

Автори цієї статті представляють наукову школу у ФТІМС НАН України з досвідом багаторічних досліджень під керівництвом проф. Шинського О.Й. і відпрацювання виготовлення ливарних разових моделей з пінополістиролу (ППС) методами спінювання ППС в оснастці для лиття металу за моделями, що газифікуються (ЛГМ). Моделі з ППС нерідко армують. А також наразі проводиться огляд інформації та виконується дослідження з оптимізації 3D-друку ливарних моделей та форм. Тому звернули увагу на перспективний будівельний матеріал ПСБ [1] (рис. 1), зокрема, на недавно запатентований спосіб адитивного формування з нього стін 3D-друком одночасно зі спінюванням ППС [2, 3]. Задача цієї статті полягає в аналізі досвіду будівництва з ПСБ, та розробці технічного рішення по удосконаленню недавно запатентованого способу 3D-друку стін з ПСБ [2].

Результати огляду і технологічні розробки

Основні переваги ПСБ: високі енергозберігаючі характеристики (відсутня потреба у додатковому утепленні), а також матеріал не потребує гідроізоляції. Міцність на стиск у ПСБ не висока (максимум М35), тому будувати з нього будівлі, висотою більше 2 поверхів не слід. Низька паропроникність ПСБ має свої плюси та мінуси [4]. Блоки з нього практично не вбирають воду, тому мають стійкість при переході температури через 0℃. Саме тому морозостійкість у ПСБ дуже висока. А ось «дихати» стіна з пінополістиролу не буде, бо водяній парі пройти крізь нього дуже важко.

а б

Рис. 1. Приклади ПСБ у вигляді блоку (а) [3] та армованої перемички (б)

Незважаючи на досить високу міцність (для малоповерхового будівництва), блоки з ПСБ досить крихкі. Для уникнення тріщин у стінах та руйнування під панелями перекриття їм потрібний монолітний армований пояс із бетону, виготовлення якого веде до зайвих витрат матеріалів та часу. Нерідко ПСБ має проблеми при оштукатурюванні (погане зчеплення з розчином). Ще один негативний момент – нездатність стін з ПСБ тримати кріплення для полиць та шафок. Оптимальна сфера застосування для ПСБ – не капітальні житлові будинки, а господарсько-побутові та технічні споруди [4]. Деякі виробники роблять із ПСБ густиною 500-600 кг/м3 армовані (металевою арматурою) віконні та дверні перемички різної довжини (від 1,3 до 4,4 метра). Вони виконують відразу дві функції: несучих та теплоізолюючих конструкцій. Самонесуча перемичка виготовляється з армуючим зварним каркасом. При застосуванні в конструкціях будівель збірних стінових блоків з ПСБ, перемичок і плит рекомендується в горизонтальних швах кладок встановлювати штукатурні сітки [1].

Для підвищення продуктивності праці в будівництві створено спосіб виготовлення стін з ПСБ за допомогою 3D-принтера [2, 3]. Цей спосіб включає попереднє підігрівання в'яжучого матеріалу в екструдері, подачу цього матеріалу з сопла екструдера для формування конструкційної і теплоізолюючої частини стіни, який відрізняється тим, що в'яжучим матеріалом служить ПСБ з неспіненим полістиролом, який через сопло подають на поверхню раніше покладеного шару на всю його ширину, після чого нагрівають електричним струмом, що пронизує його, подається на бічні шпателі-електроди до температури спінювання полістиролу і формується в новий шар за допомогою верхнього притискного шпателя і шпателів-електродів. Цим досягається пошарове виготовлення стін будівель з необхідними теплоізоляційними та конструкційними властивостями.

Стіни виконуються одночасно на всю їх товщину за один прохід друкуючої голівки-екструдера, що видавлює в'яжучий матеріал з одного сопла за допомогою однієї системи подачі в'яжучого матеріалу, на відміну від раніше відомих способів друку бетонних стін, зокрема (за критикою в способі [2]) складною роботизованою системою автоматизованого будівництва за допомогою 3D-принтера з подачею в'яжучого матеріалу з екструдера, який видавлює в'яжучий матеріал через три сопла для формування стіни в два етапи. При цьому спочатку з бокових сопел формують одним в'язким матеріалом зовнішню та внутрішню версти стіни. Потім, дочекавшись втрати його плинності, слід заповнити іншим в'язким матеріалом порожнину, що сформувалася між зовнішньою та внутрішньою верстами стіни. В останньому випадку потрібні дві системи різних в’яжучих, а також швидке тверднення бічних шарів, щоб утримували бічний тиск середнього шару. Приклад описаної роботизованої системи 3D-друку показано на рис. 2 [5].

Рис. 2. Приклад будівництва з застосуванням 3D-принтера [5]

У способі [2] рівномірно розподілені в об’ємі в’яжучого матеріалу гранули полістиролу знижують тепловтрати від конструкції в навколишнє середовище, збільшуючи тривалість дії високих температур та забезпечуючи тим самим інтенсивне наростання міцності бетону. Змінюючи в рецептурі вміст в’язкого матеріалу, що твердне, та полістиролу, залежно від потреби, можна збільшувати або зменшувати теплоізоляційні або конструкційні властивості стіни.

Друкувальна головка 3D-принтера для друку теплоізолюючих стін із ПСБ на рис. 3 [2] має екструдер 1, обладнаний системою попереднього підігріву 2 в'яжучого матеріалу 9 з неспіненими гранулами полістиролу, підключеною до електричної мережі 7, системою подачі 3 в'яжучого матеріалу 9 і випускним соплом 4, через яке в'яжучий матеріал - ПСБ 9 видавлюється на поверхню раніше відформованого шару ПСБ 11, що втратив рухливість. Ширина випускного сопла 4 дорівнює ширині стіни, що зводиться. До випускного сопла 4 жорстко закріплені бічні шпателі-електроди 5 з технологічними відгинами. Шпателі-електроди 5 за допомогою кабелів 6 підключено до електричної мережі 7. Між шпателями-електродами 5 у верхній частині закріплений притискний шпатель 8, разом вони формують новий шар в'яжучого матеріалу 10 з спіненими гранулами полістиролу. Випускне сопло 4 і шпатель притискний 8 виконуються з електроізоляційного матеріалу.

Рис. 3. Схема способу виготовлення стін з ПСБ за допомогою 3D-принтера, види частини друкувального пристрою в аксонометрії і розрізі

Наше технічне рішення по удосконаленню цього способу полягало в запровадженні армування кожного чи окремих шарів, які нарощуються при друкування стіни, шляхом установки котушки 12 поряд з друкувальною головкою і подачі з неї неметалевої сітки 13 (базальт, скловолокно, полімер). Таке армування збільшує жорсткість конструкції і бажане для зони кріплення до стіни навісних полиць, стендів тощо. Сітка сприяє паропроникності вдовж своїх прутів. Також з такої котушки за потреби можливо прокладання в стіні кабелів, гофрованого рукава чи трубки для електропроводки чи комунікацій, або дроту в ізоляції, виводячи їх за межі стіни в кутках приміщення, щоб уникнути додаткового вирізання каналів у стіні з наступними штукатурними роботами. Для покращення плинності суміші і змочуваності сітчастої арматури рекомендується добавка в ПСБ поверхнево-активної речовини, наприклад, смоли омиленої деревної (СДО) за ТУ 13-0281078-02-93 в кількості 0,1-0,3% від маси цементу.

З метою удосконалення способу 3D-друку ливарних моделей (та будь-яких тривимірних об'єктів) і застосування цих 3D-друкованих моделей в економній технології ЛГМ у вакуумованих формах з сипкого піску нами розроблено спосіб виробництва моделей для ЛГМ з подрібнених відходів ППС як метод їх утилізації за місцем їх утворення [6]. Це науково-технологічне рішення обґрунтовано результатами наших досліджень і сформульовано так, що в способі 3D-друку разових ливарних моделей, який включає процес витікання формотвірного матеріалу із сопла, переміщуваного в просторі за заданою програмою траєкторією, в якості формотвірного матеріалу запропоновано застосування розплаву подрібнених відходів ППС. Також в якості сипких відходів придатне застосування відходів чи стружки, що утворюються при виготовленні фрезеруванням виробів з ППС на верстатах з числовим програмним управлінням (ЧПУ, 3D-фрезерах), а також термокомпактовані відходи ППС [7], що мають більш високу насипну густину ніж стружка.

В галузі будівництва для виготовлення в стінах з ПСБ армованих металом монолітного поясу з бетону під панелі перекриття, а також перегородок, блоків, плит чи панелей для перекриття застосовують опалубку, металеві деталі кріплень якої налагоджено виготовляти методом ЛГМ з невисокою собівартістю. При цьому стальні гайки для горизонтальних стяжок (що виготовлені способом прокатки) опалубки (як правило, дощатої дерев’яної), а також вузлові деталі будівельних рамних лісів серійно ллють, як правило, з литою різьбою від М16 і більшого розміру, що не потребує їх механічної обробки. Приклади такого литого металевого кріплення, виконаного методом ЛГМ в ливарних цехах ФТІМС НАН України, показано на рис. 4.

Рис. 4. Приклади металевих кріплень, зокрема з литою різьбою, їх моделей з ППС (білого чи рожевого кольору) та модельних кластерів (кущів) для формування їх в ливарному контейнері з кварцовим піском при ЛГМ.

Висновки.

В статті виконано короткий аналіз застосування в будівництві пілістиролбетону (ПСБ) та способи підвищення автоматизації будівництва з ПСБ за допомогою 3D-друку. Недавно запатентований спосіб друкування стін зі спіненням полістиролу безпосередньо в плинному шарі ПСБ, яким нарощують 3D-друком стіни будівель накладанням на раніше затверділі шари, удосконалено технічним рішенням армування стиків між шарами. Цим пропонується збільшити міцність будівельних конструкцій, а також створюється можливість аналогічним чином прокладання в стінах кабелів, гофрованого рукава чи трубки для електропроводки чи комунікацій. Для виготовлення в стінах з ПСБ армованих металом монолітного поясу з бетону під панелі перекриття, перегородок, блоків, плит чи панелей для перекриття застосовують опалубку, металеві деталі кріплень якої налагоджено виготовляти методом лиття. При цьому стальні гайки для стяжок опалубки, а також вузлові деталі будівельних рамних лісів серійно ллють, як правило, з литою різьбою від М16 і більшого розміру, що не потребує їх механічної обробки, це показано на прикладах литого металевого кріплення.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Полистиролбетон. Технические условия: ГОСТ 33929-2016. М.: ФГУП Стаидартинформ, 2016. – 20 с. – (Межгосударственный стандарт).
Патент 2739244 РФ, МПК: E04B2/02, B33Y30/00, B33Y10/00, B29C64/106. Устройство и способ для изготовления теплоизолирующих стен из полистеролбетона при помощи 3d-принтера. Опубл. 22.12.2020, Бюл. № 36.
Молодин В.В. (Сибстрин): "Идея печати полистиролбетоном появилась три года назад, а шел к ней 30 лет". URL: https://additiv-tech.ru/publications/vladimir-viktorovich-molodin-sibstrin-ideya-pechati-polistirolbetonom-poyavilas-tri
Полистиролбетонные блоки: характеристики, плюсы и минусы, размеры и цены. URL: https://greensector.ru/strojjmaterialy/polistirolbetonnye-bloki-kharakteristiki-plyusy-i-minusy-razmery-i-ceny.html
Чечуга А.О. Преимущества и перспективы развития АМ-технологий в строительстве // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 11. – С. 311-314.
Позитивне рішення від 17.01.2022 по заявці u202105814 Україна, МПК: МПК8 B22C 9/02, B22C 15/02, В29С47/78. Спосіб адитивного виробництва полістирольної ливарної моделі чи іншого тривимірного об'єкту складної конфігурації / О.Й. Шинський, В.С. Дорошенко, П.Б. Калюжний, О.В. Михнян, О.В. Нейма.
Шинский О.Й., Тихонова О.А., Стрюченко А.А., Дорошенко В.С. Исследование процессов термокомпактирования отходов пенополистирола. Твердые бытовые отходы. 2011. № 4. С. 48–50.

Анотація. Актуальною потребою є підвищення продуктивності будівництва як житлових будинків, так і службових споруд. А одним із рушійних напрямів сучасної будівельної науки є стремління поєднати в одному матеріалі різні властивості. Холодний і важкий, але міцний бетон наука зробила легким і «теплим», ввівши в структуру спінені кульки-гранули полістирола, і цим створила полістиролбетон (ПСБ). Незважаючи на досить високу міцність для малоповерхового будівництва, блоки з ПСБ досить крихкі. Для уникнення тріщин у стінах та руйнування під панелями перекриття їм потрібний монолітний армований пояс із бетону, виготовлення якого веде до зайвих витрат матеріалів та часу. Для автоматизації будівництва з ПСБ відомо способи 3D-друкування стін безпосередньо на будівельному майданчику. Розглянуто такий новий спосіб зі спіненням полістиролу безпосередньо в плинному шарі ПСБ шляхом пропускання крізь цей шар ПСБ електричного току, який нагріває цей шар та призводить до спінення гранул цього полімеру і пришвидшення тверднення ПСБ. Цей спосіб удосконалено нами технічним рішенням армування стиків між шарами при адитивному їх нарощуванні. Це дозволить збільшити міцність будівельних конструкцій та дає можливість аналогічним чином прокладання в стінах кабелів, гофрованого рукава чи трубки для електропроводки чи комунікацій. Для виготовлення в стінах з ПСБ армованих металом монолітного поясу з бетону під панелі перекриття, перегородок, блоків, плит чи панелей для перекриття застосовують опалубку, металеві деталі кріплень якої налагоджено серійно виготовляти методом лиття. При цьому стальні гайки для стяжок опалубки, а також вузлові деталі будівельних рамних лісів за технологією ФТІМС НАН України ллють за моделями, що газифікуються, як правило, з литою різьбою від М16 і більшого розміру, що не потребує їх механічної обробки. Це показано на прикладах литого металевого кріплення.

Ключові слова: будівництво, 3D-друк, полістиролбетон, армування, пінополістирол, 3D-принтер, литі деталі, будівельна опалубка.

О.В. Нейма, наук. співр., e-mail: neima_alex@ukr.net. В.C. Дорошенко, д-р техн. наук, ст. наук. співр., пров. наук. співр., e-mail: doro55v@gmail.com. Фізико-технолічний інститут металів та сплавів НАН України

Литье Украины, 2022, №10, стр. 8-12