Влияние печатающих головок на процесс аддитивного производства: выбор материалов для печати и обеспечение проектных характеристик строительных изделий и конструкций

Проектирование мелкозернистых бетонов для строительной 3D-печати направлено в первую очередь на обеспечение проектных требований, предъявляемых к строительным конструкциям и изделиям. Основными проектными требованиями, как правило, являются прочностные и деформационные характеристики, долговечность, а также технологические характеристики мелкозернистых бетонов, обеспечивающие качественное производство работ при изготовлении строительных изделий и конструкций. При производстве работ 3D-печати наиболее используемым материалом являются сухие строительные смеси, для которых при проектировании состава необходимо учитывать все этапы технологического процесса, начиная с этапа их дозирования. В работе рассмотрены основные аспекты влияния печатающих головок на требования к материалам для строительной 3D-печати, их технологическим свойствам, анизотропии свойств строительных материалов и изделий. Проводится обзор и анализ различных видов печатающих головок, рассматриваются физико-механические процессы, происходящие при печати, основные технологические факторы, влияющие на физико-механические свойства строительных материалов и изделий, которые следует учитывать при проектировании составов.

Д.В. КОНЬШИН¹, инженер, аспирант (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
А.П. ПУСТОВГАР^1,2, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
² Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (101000, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., 4)

1. Адамцевич Л.А., Пустовгар А.П., Адамцевич А.О. Аддитивное строительное производство: прошлое, настоящее, будущее // Жилищное строительство. 2024. № 8. С. 3–10. EDN: ­LYPCLS. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2024-8-3-10
1. Adamtsevich L.A., Pustovgar A.P., Adamtsevich A.O. Additive construction production: past, present, future. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2024. No. 8, pp. 3–10. (In Russian). EDN: ­LYPCLS. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2024-8-3-10
2. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адамцевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производства // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. EDN: ­FOCIIT. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
2. Pustovgar A.P., Adamtsevich L.A., Adamtsevich A.O. International research experience in the field of additive construction manufacturing. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2023. No. 11, pp. 4–10. (In Russian). EDN: ­FOCIIT. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
3. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А. Аддитивное строительное производство: особенности применения технологии // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 7. С. 70–78. EDN: ­VMSBNF.
https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.07.70-78
3. Adamtsevich A.O., Pustovgar A.P., Adamtsevich L.A. Additive construction production: features of technology application. Promyshlennoye i Grazhdanskoye Stroitel’stvo. 2023. No. 7, pp. 70–78. (In Russian). EDN: ­VMSBNF. https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.07.70-78
4. Адамцевич А.О., Адамцевич Л.А., Пустовгар А.П. Аддитивное строительное производство: обзор мирового опыта // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 12. С. 83–97. EDN: ­GVFBHM. https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.12.83-97
4. Adamtsevich A.O., Adamtsevich L.A., Pustovgar A.P. Additive construction production: a review of world experience. Promyshlennoye i Grazhdanskoye Stroitel’stvo. 2023. No. 12, pp. 83–97. (In Russian). EDN: ­GVFBHM. https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.12.83-97
5. Mechtcherine V., Nerella V.N., Will F., Näther M., Otto J., Krause M. Large-scale digital concrete construction – CONPrint3D concept for on-site, monolithic 3D-printing. Automation in Construction. 2019. Vol. 107. 102933. EDN: ­SUKTDH. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102933
6. Bos F., Ahmed Z., Jutinov E., Salet T., Bos F.P., Ahmed Z.Y., Jutinov E.R., Salet T.A.M. Experimental exploration of metal cable as reinforcement in 3D printed concrete. Materials (Basel). 2017. Vol. 10 (11). 1314. https://doi.org/10.3390/ma10111314
7. Zhang N., Xia M., Sanjayan J. Short-duration near-nozzle mixing for 3D concrete printing. Cement and Concrete Research. 2022. Vol. 151. 106616. EDN: ­QBJEEK. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106616
8. Kwon H., Bukkapatnam S., Khoshnevis B., Saito J. Effects of orifice shape in contour crafting of ceramic materials. Rapid Prototyping Journal. 2002. Vol. 8 (3), pp. 147–160. EDN: ­EAQAQB.
https://doi.org/10.1108/13552540210430988
9. Shakor P., Nejadi S., Paul G. A study into the effect of different nozzles shapes and fibre-reinforcement in 3D printed mortar. Materials. 2019. Vol. 12 (10). https://doi.org/10.3390/ma12101708
10. Perrot A., Pierre A., Nerella V.N., Wolfs R.J.M., Keita E., Nair S.A.O., Neithalath N., Roussel N., Mechtcherine V. From analytical methods to numerical simulations: A process engineering toolbox for 3D concrete printing. Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 122. 104164. EDN: ­QUYGWV. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104164
11. Chen H., Zhang D., Chen P., Li N., Perrot A. A review of the extruder system design for large-scale extrusion-based 3D concrete printing. Materials. 2023. Vol. 16. Iss. 7. 2661. EDN: ­AHBYTS. https://doi.org/10.3390/ma16072661
12. Perrot A., Rangeard D., Naidu V., Mechtcherine V. Extrusion of cement-based materials – an overview. RILEM Technical Letters. 2018. Vol. 3. https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2018.75
13. Mélinge Y., Hoang V.H., Rangeard D., Perrot A., Lanos C. Study of tribological behaviour of fresh mortar against a rigid plane wall. European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2013. Vol. 17. Iss. 6, pp. 149–429.
https://doi.org/10.1080/19648189.2013.786242
14. Xueyu Pang, Lijun Sun, Fang Sun, Ge Zhang, Shenglai Guo, Yuhuan Bu. Cement hydration kinetics study in the temperature range from 15^oC to 95^oC. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 148. 106552. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106552
15. Коровкин М.О., Ерошкина Н.А., Саденко С.М., Крайнова К.А. Исследование влияния дозировки фибры и продолжительности перемешивания на свойства мелкозернистого бетона // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2020. № 3. С. 22–25. EDN: ­SIWIYB. https://doi.org/35108/isvp20203(33)22–26
15. Korovkin M.O., Eroshkina N.A., Sadenko S.M., Kraynova K.A. Study of the influence of fiber dosage and mixing duration on the properties of fine-grained concrete. Inzhenerno-Stroitel’nyy Vestnik Prikaspiya. 2020. No. 3, pp. 22–25. (In Russian). EDN: ­SIWIYB. https://doi.org/35108/isvp20203(33)22–26
16. Vallurupalli K., Farzadnia N., Khayat K.H. Effect of flow behavior and process-induced variations on shape stability of 3D printed elements – A review. Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 118. 103952. EDN: ­FAHEIK.
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.103952
17. O’Neill R., McCarthy H.O., Cunningham E., Montufar E., Ginebra M.-P., Wilson D.I., Lennon A., Dunne N. Extent and mechanism of phase separation during the extrusion of calcium phosphate pastes. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2016. Vol. 27. 29. EDN: ­EIAXXC. https://doi.org/10.1007/s10856-015-5615-z
18. Khelifi H., Perrot A., Lecompte T., Rangeard D., Ausias G. Prediction of extrusion load and liquid phase filtration during ram extrusion of high solid volume fraction pastes. Powder Technology. 2013. Vol. 249, pp. 258–268.
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.08.023
19. Nair S., Panda S., Tripathi A., Neithalath N. Relating print velocity and extrusion characteristics of 3D-printable cementitious binders: Implications towards testing methods. Additive Manufacturing. 2021. Vol. 46. 102127. EDN: ­VIUU.
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102127
20. Netto J.M.J., Idogava H.T., Santos L.E.F., Silveira Z.D.C., Romio P., Alves J.L. Screw-assisted 3D printing with granulated materials: A systematic review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 115, pp. 2711–2727. EDN: ­EYRVSG. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07365-z
21. Ji G., Ding T., Xiao J., Du S., Li J., Duan Z. A 3D printed ready-mixed concrete power distribution substation: materials and construction technology. Materials. 2019. Vol. 12 (9). 1540. https://doi.org/10.3390/ma12091540
22. Craveiro F., Nazarian S., Bartolo H., Bartolo P., Duarte J. An automated system for 3D printing functionally graded concrete-based materials. Additive Manufacturing. 2020. Vol. 33. 101146. EDN: ­GTSSTE. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101146
23. Mechtcherine V., Buswell R., Kloft H., Bos F.P., Hack N., Wolfs R., Sanjayan J., Nematollahi B., Ivaniuk E., Neef T. Integrating reinforcement in digital fabrication with concrete: A review and classification framework. Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 119. 103964. EDN: ­KTKHJK. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.103964