Статья 'Модернизация конструкции экструдера строительного 3D принтера и подбор составов для него' - журнал 'Урбанистика' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Урбанистика
Правильная ссылка на статью:

Модернизация конструкции экструдера строительного 3D принтера и подбор составов для него

Колесников Александр Георгиевич

кандидат технических наук

доцент, кафедра городского, дорожного строительства и строительной механики, Юго-Западный государственный университет

305054, Россия, Курская область, г. Курск, ул. 50 Лет Октября, 94

Kolesnikov Aleksandr Georgievich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department of Urban, Road Construction and Structural Mechanics, Southwestern State University

305054, Russia, Kurskaya Oblast' oblast', g. Kursk, ul. 50 Let Oktyabrya, 94

ag-kolesnikov@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 

DOI:

10.7256/2310-8673.2019.2.29597

Дата направления статьи в редакцию:

23-04-2019


Дата публикации:

06-06-2019


Аннотация: В работе рассматривается улучшение характеристик строительного 3D принтера путем изменения его конструкции, составов смесей, подбора необходимых добавок. Объектом исследования являются строительные 3D принтеры и смеси для их эксплуатации. Предметом исследования является влияние добавок и способов их введения в цементно-песчаный раствор на его характеристики. Особое внимание уделяется оценке эффективности применения добавок в цементно-песчаный раствор для строительного 3D принтера на основе экспериментальных и теоретических исследований и возможности оперативного изменения состава смеси при возведении различных конструкций зданий. Для определения влияния различных добавок на свойства смесей для 3D принтера проведены экспериментальные исследования по методикам, предлагаемым действующими нормативными документами (ГОСТ). Для исследования удобства использования смесей в 3D принтере разработана установка, имитирующая процесс экструдирования смеси. В статье предложены рекомендации по подбору состава смесей для строительного 3D принтера в различных конструкциях зданий и сооружений (несущие стены; перегородки; перемычки). Приведены результаты экспериментального исследования работы на прочность и удобоукладываемость смесей с применением добавок. Предложена методика экспериментального исследования удобства прохождения раствора через экструдер 3D принтера при выдавливании. Представлена конструкция экструдера строительного 3D принтера, обеспечивающая вариативность введения добавок в смесь.


Ключевые слова: 3D принтеры, строительные смеси, бетонные смеси, экструдер, аддитивные технологии, прочность, удобоукладываемость, фиброволокно, пластификатор, ускоритель схватывания

Abstract: This article explores the improvement of characteristic of the construction 3D printer through changing its design, mixing ratio, and selection of necessary additives. The object of this research is the influence of additives and methods of their use in cement-sand grout in accordance with its characteristics. Special attention is given to monitoring of the effective doping of additives in cement-sand grout for the construction 3D printer based on the experimental and theoretical studies, and possibility of a prompt change of the mixture ratio in erecting various building structures. For determining the effect of different additives upon the mixture properties for the construction 3D printer, the author conducts experimental research following the method recommended by the All-Union State Standard. For the convenient usage of mixtures in the construction 3D printer is designed a regime imitating the process of extruding the mixture. The article suggests recommendations on the selection of mixture ratio for the construction 3D printer in various buildings and constructs (load-bearing walls, cross-connections, partitions). The article provides the results of experimental study for durability of mixture and placeability of mixtures with the use of additives. The author presents the design of extruder for construction 3D printer that would ensure variability of doping additives in mixture.



Keywords:

fibre, placeability, durability, extruder, additive technologies, concrete mixes, construction mixes, 3D printers, softener, accelerating agent

Введение

В настоящее время становится актуальным использование строительных 3D принтеров для автоматизации процесса возведения зданий и сооружений. Производство строительных работ таким образом пока только набирает обороты, но имеет большие перспективы.

3D принтеры создают реальные объекты на основе компьютерной объёмной модели, используя метод печати по слоям [1,2]. Строители устанавливают на стройплощадке 3D-принтер, настроенный на воспроизведение разработанной модели здания, после чего начинается процесс возведения дома. Так же архитекторы используют данную технологию для создания отдельных элементов, например, дверных ручек, декоративных элементов на фасадах и другого [3,4].

Использование таких принтеров в строительстве открывает возможности, связанные со снижением себестоимости создаваемых объектов, высокой точностью изготовления, с возможностью использования различных материалов в качестве исходных для возводимых объектов, уменьшением времени на само строительство в разы. Однако методика возведения конструкций и состав смеси являются мало исследованными и нуждаются в доработке.

Разработка состава строительных смесей для 3D принтеров

Изучив существующие модели 3D принтеров, можно сделать вывод о том, что за 24 часа строительный принтер может возвести как одноэтажное строение площадью 15 м2, так и двухэтажное общей площадью 200м2. Это говорит о том, что ключевым фактором является не скорость самого принтера, а характеристики строительной смеси, используемой в нем. Смесь нуждается в улучшении и доработке состава.

Для определения необходимого состава и отношения ингредиентов смеси, обеспечивающих оптимальную работу 3D строительного принтера необходимо провести испытания на определение предела прочности образцов бетона на сжатие и определение удобоукладываемости бетонной смеси.

Удобоукладываемость бетонной смеси оценивают показателями подвижности или жесткости по ГОСТ 10181-2000 [5-7]. Результаты экспериментов для различных составов смеси приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты проведения экспериментов на удобоукладываемость смеси

Цементно-песчаный раствор М300

(контрольный образец)

Цементно-песчаный раствор М 300 с добав-лением фиброволокна и пластификатора

Цементно-песчаный раствор М 300 с добавлением фиброволокна, пластификатора и ускорителя схватывания

1

341 мм

387 мм

436 мм

2

338 мм

383 мм

430 мм

3

332 мм

377 мм

426 мм

По результатам экспериментов можно сделать выводы:

- пластификатор повышает подвижность цементно-песчаного раствора;

- ускоритель схватывания не помогает на ранних стадиях затвердивания;

- ускоритель схватывания повышает подвижность цементно-песчаного раствора на ранних стадиях затвердивания.

С целью проверки возможности применения добавок в строительную смесь для 3D принтера, были проведены испытания на прочность образцов-кубов [8-10]. Для проведения испытаний были изготовлены кубы с добавлением фиброволокна и пластификатора; с добавлением фиброволокна, пластификатора и ускорителя схватывания. Результаты испытаний образцов на сжатие приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты испытаний образцов на прочность

Цементно-песчаный раствор М300 (контрольный образец)

Цементно-песчаный раствор М300 с добавлением фиброволокна и пластификатора

Цементно-песчаный раствор М300 с добавлением фиброволокна, пластификатора и ускорителя схватывания

1

112,0 кН

126,5 кН

117 кН

2

109,0 кН

117,5 кН

112 кН

3

112,50 кН

126,0 кН

111 кН

По результатам экспериментов можно сделать выводы:

- фиброволокно и пластификатор увеличивают прочность образцов-кубов;

- ускоритель схватывания уменьшает прочность образцов-кубов;

- ухудшения цементно-песчаного раствора ускорителем схватывания можно компенсировать фиброволокном относительно контрольных образцов;

- целесообразно использовать смесь с добавлением пластификатора (1 литр на 100 кг цемента) и фиброволокна (100 г на 0,11 м3).

Для исследования удобства использования смесей в 3D принтере разработана установка, имитирующая процесс экструдирования смеси (рисунок 1).

Для испытания применяется цементно-песчаный раствор марки М300 без добавок; с добавлением пластификатора и фиброволокна; с добавлением пластификатора фиброволокна и отвердителя [11].

Рисунок 1 – Установка, имитирующая процесс экструдирования смеси:

1 – корпус; 2 – сопло; 3 – площадка загружения; 4 – груз.

Груз на площадке загружения приводит в действие поршень внутри корпуса (цилиндра), находящаяся внутри строительная смесь выдавливается из сопла. Результаты испытаний смесей на удобство прохождения через сопло экструдера приведено в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты испытаний смесей на удобство прохождения через сопло экструдера

Цементно-песчаный раствор М300 (контрольный образец)

Цементно-песчаный раствор М300 с добавлением фиброволокна и пластификатора

Цементно-песчаный раствор М300 с добавлением фиброволокна, пластификатора и ускорителя схватывания

Процент выдавленной смеси от общей массы, %

1

12,7

16,9

19,1

2

12,4

13,8

16,9

3

10,7

11,3

12,0

По результатам экспериментов можно сделать выводы:

- наиболее подходящей является смесь с добавлением фиброволокна, пластификатора и ускорителя схватывания;

- ускоритель схватывания увеличивает пластичность смеси.

Разработка модели экструдера строительного 3D принтера

Каждый участок возводимой строительным 3D принтером конструкции здания или сооружения необходимо рассматривать как частный случай. В различных конструктивных элементах целесообразнее применять различные добавки. Для этого необходима быстрая смена состава смеси строительного принтера [12].

Для быстрой смены состава смеси строительного принтера разработана конструкция, обеспечивающая поступление добавок непосредственно перед выдавливанием строительного раствора (рисунок 2). Это способствует уменьшению времени прохода смеси через 3D принтер и порциально менять состав.

Рисунок 2 – Схема экструдера строительного 3D принтера

Сущность технического решения заключается в том, что на приводе механизма подачи смеси установлен механизм крепления, соединяющий подсоединенную к нему неподвижную трубку подачи смеси и герметичное соединение, к которому подсоединена находящаяся внутри привода механизма подачи и вращающаяся вместе с ним и шнеком трубка подачи смеси, на которой установлены форсунки подачи смеси.

Экструдер строительного принтера состоит из печатающей головки, внутри которой при помощи двигателя привода механизма подачи смеси и привода механизма подачи смеси вращается шнек, выдавливающий строительную смесь из экструдера. На печатающей головке установлено устройство формирования поверхности, которое выравнивает экструдированную строительную смесь. На двигателе привода механизма подачи смеси установлена неподвижная трубка подачи смеси, которая соединена с вращающейся трубкой подачи смеси механизмом крепления и герметичным соединением. Вращающаяся трубка подачи смеси проходит через привод механизма подачи и крепится на оси вращения шнека. На вращающейся трубке подачи смеси установлены форсунки подачи смеси (рисунок 2).

Ускоритель схватывания через неподвижную трубку подачи смеси поступает во вращающуюся трубку подачи смеси через механизм крепления и герметичное соединение, и распределяется в строительном растворе через форсунки подачи смеси.

Разработанная модель позволит производить быструю смену состава смеси строительного принтера, а также обеспечить поступление добавок непосредственно перед выдавливанием строительного раствора.

Заключение

По результатам проведенных экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующие выводы:

- для применения цементно-песчаной смеси в строительном 3D принтере необходимо применять добавки для улучшения характеристик самой смеси и работы строительных конструкций;

- в зависимости от назначения конструкции (несущая стена; перегородка; перемычка) необходимы различные добавки в строительную смесь 3D принтера;

- разработанная модель экструдера позволит производить быструю смену состава смеси строительного принтера.

Библиография
1.
Удодов С.А., Белов Ф.А., Золотухина А. Е. 3D-печать в строительстве: новое направление в технологии бетона и сухих строительных смесей // Сб. ст. VI Международной научно-практической конференции МЦНС-Наука и просвещение». Пенза, 2017. С. 58-62.
2.
Wolfs R., Salet T. An Optimization Strategy for 3D Concrete Printing // EG-ICE 2015-22nd Workshop of the European Group of Intelligent Computing in Engineering. 2015. Code 114260
3.
Лесовик В.С., Чернышева Н.В., Глаголев Е.С., Дребезгова М.Ю., Ермолаева А.Э. 3D-аддитивные технологии в сфере строительства // Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. 2016. С. 157-167.
4.
Wаng Yо., Wu H.С., Li V.С. Соnсrеtе rеinfоrсеmеnt with rесyсlеd fibеrs // Jоurnаl оf Mаtеriаls in Сivil Еnginееring. 2000. № 4-12. Р. 314-319.
5.
ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Методы испытаний [Текст]. – Введ. 2001–07–01. – М.: Госстрой России, 2001. С. 29.
6.
Гувалов А.А., Кузнецова Т.В. Влияние модификатора на свойства цементных суспензий // Строительные материалы. 2013. № 8. С. 86-88.
7.
Халиуллин М.И., Алтыкис М.Г., Рахимов Р.З. Эффективные сухие гипсовые смеси с добавками полимерных волокон // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2004. № 3. С. 33-37.
8.
Колесников А.Г. Алгоритм определения оптимальных параметров тонкостенных пространственных конструкций // Кибернетика и программирование. 2016. № 5. С. 54-60.
9.
Мухаметрахимов Р.Х., Изотов В.С. Влияние активных минеральных добавок на гидратацию вяжущего и физико-механические свойства фиброцементных плит // Известия КГАСУ. 2011. № 2 (16). С. 213-217.
10.
Несветаев Г.В., Удодов С.А., Бычкова О.А. О влиянии состава, модифицированного гипсоглиноземистого расширяющегося цемента на прочность и темп твердения // Интернет-журнал Науковедение. 2015. Т. 7. № 6 (31). С. 122.
11.
Мухаметрахимов Р.Х., Изотов В.С. Повышение физико-механических свойств и долговечности фиброцементных плит на основе целлюлозных волокон // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 9 (645). С. 101-107.
12.
Козьев А.Д., Колесников А.Г. Развитие технологии конструирования 3D-принтеров // В сборнике: Инновационные внедрения в области технических наук сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2018. С. 19-22.
References
1.
Udodov S.A., Belov F.A., Zolotukhina A. E. 3D-pechat' v stroitel'stve: novoe napravlenie v tekhnologii betona i sukhikh stroitel'nykh smesei // Sb. st. VI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii MTsNS-Nauka i prosveshchenie». Penza, 2017. S. 58-62.
2.
Wolfs R., Salet T. An Optimization Strategy for 3D Concrete Printing // EG-ICE 2015-22nd Workshop of the European Group of Intelligent Computing in Engineering. 2015. Code 114260
3.
Lesovik V.S., Chernysheva N.V., Glagolev E.S., Drebezgova M.Yu., Ermolaeva A.E. 3D-additivnye tekhnologii v sfere stroitel'stva // Intellektual'nye stroitel'nye kompozity dlya zelenogo stroitel'stva. 2016. S. 157-167.
4.
Wang Yo., Wu H.S., Li V.S. Sonsrete reinforsement with resysled fibers // Journal of Materials in Sivil Engineering. 2000. № 4-12. R. 314-319.
5.
GOST 10181-2000. Smesi betonnye. Metody ispytanii [Tekst]. – Vved. 2001–07–01. – M.: Gosstroi Rossii, 2001. S. 29.
6.
Guvalov A.A., Kuznetsova T.V. Vliyanie modifikatora na svoistva tsementnykh suspenzii // Stroitel'nye materialy. 2013. № 8. S. 86-88.
7.
Khaliullin M.I., Altykis M.G., Rakhimov R.Z. Effektivnye sukhie gipsovye smesi s dobavkami polimernykh volokon // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2004. № 3. S. 33-37.
8.
Kolesnikov A.G. Algoritm opredeleniya optimal'nykh parametrov tonkostennykh prostranstvennykh konstruktsii // Kibernetika i programmirovanie. 2016. № 5. S. 54-60.
9.
Mukhametrakhimov R.Kh., Izotov V.S. Vliyanie aktivnykh mineral'nykh dobavok na gidratatsiyu vyazhushchego i fiziko-mekhanicheskie svoistva fibrotsementnykh plit // Izvestiya KGASU. 2011. № 2 (16). S. 213-217.
10.
Nesvetaev G.V., Udodov S.A., Bychkova O.A. O vliyanii sostava, modifitsirovannogo gipsoglinozemistogo rasshiryayushchegosya tsementa na prochnost' i temp tverdeniya // Internet-zhurnal Naukovedenie. 2015. T. 7. № 6 (31). S. 122.
11.
Mukhametrakhimov R.Kh., Izotov V.S. Povyshenie fiziko-mekhanicheskikh svoistv i dolgovechnosti fibrotsementnykh plit na osnove tsellyuloznykh volokon // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2012. № 9 (645). S. 101-107.
12.
Koz'ev A.D., Kolesnikov A.G. Razvitie tekhnologii konstruirovaniya 3D-printerov // V sbornike: Innovatsionnye vnedreniya v oblasti tekhnicheskikh nauk sbornik nauchnykh trudov po itogam mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. 2018. S. 19-22.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Предмет исследования – совершенствование конструкции экструдера строительного 3D-принтера и подбор составов смесей.

Методология исследования основана на сочетании теоретического, модельного и эмпирического подходов с применением методов анализа, проектирования, эксперимента, сравнения, обобщения, синтеза.

Актуальность исследования обусловлена широким распространением технологии 3D-печати в различных отраслях современной экономики (включая строительство) и, соответственно, необходимостью изучения и проектирования эффективных конструкций строительных 3D-принтеров (в том экструдера), а также подбор составов соответствующих смесей.

Научная новизна связана с обоснованием и разработкой автором конструкции экструдера строительного 3D-принтера, которая позволит производить быструю смену состава смеси, обеспечить поступление добавок непосредственно перед выдавливанием строительного раствора, а также исследованием свойств соответствующих цементно-песчаных смесей и добавок.

Стиль изложения научный. Статья написана русским литературным языком.

Структура рукописи включает следующие разделы: Введение (использование строительных 3D-принтеров для автоматизации процесса возведения зданий и сооружений, метод печати по слоям, методика возведения конструкций и состав смеси), Разработка состава строительных смесей для 3D-принтеров (модели 3D-принтеров, скорость печати, характеристики строительной смеси, определение состава и соотношения ингредиентов, определение предела прочности образцов бетона на сжатие и удобоукладываемости бетонной смеси, результаты экспериментов на удобоукладываемость смеси, результаты испытаний образцов на прочность, установка, имитирующая процесс экструдирования смеси, результаты испытаний смесей на удобство прохождения через сопло экструдера), Разработка модели экструдера строительного 3D-принтера (схема экструдера строительного 3D-принтера, сущность технического решения), Заключение (выводы), Библиография.

Текст включает три таблицы, два рисунка. Указание единиц измерения следует вынести из ячеек в название таблиц, на рисунке 2 назвать элементы схемы 1–10.

Содержание в целом соответствует названию. В то же время не ясно, о модернизации какой конструкции идёт речь (что, возможно, должно найти отражение в названии), особенности исходной установки не охарактеризованы. Обзор изученных существующих моделей 3D-принтеров следует привести более подробный. Число экспериментов (три) нужно обосновать, провести статистическую обработку полученных данных. В целом объём рукописи желательно расширить.

Библиография включает 12 источников отечественных и зарубежных авторов – научные статьи, материал научных мероприятий, ГОСТ. Библиографические описания некоторых источников нуждаются в корректировке в соответствии с ГОСТ и требованиями редакции, например:
1. Удодов С.А., Белов Ф.А., Золотухина А. Е. 3D-печать в строительстве: новое направление в технологии бетона и сухих строительных смесей // International innovation research : сборник статей VI Международной научно-практической конференции. Пенза : Наука и Просвещение, 2017. С. 58–62.
2. Wolfs R., Salet T. An Optimization Strategy for 3D Concrete Printing // EG-ICE 2015 : 22nd Workshop of the European Group of Intelligent Computing in Engineering. Место издания ???, 2015. P. ???–???.
3. Лесовик В.С., Чернышева Н.В., Глаголев Е.С., Дребезгова М.Ю., Ермолаева А.Э. 3D-аддитивные технологии в сфере строительства // Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. 2016. № ???. С. 157–167.
5. ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Методы испытаний. – М. : Госстрой России, 2001. ??? с.
12. Козьев А.Д., Колесников А.Г. Развитие технологии конструирования 3D-принтеров // Инновационные внедрения в области технических наук : сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Место издания ???, 2018. С. 19–22.
Номера конкретных цитируемых страниц следует указывать в сносках в основном тексте (например, [5, с. 29]), в библиографическом описании – общее число страниц.

Апелляция к оппонентам (Удодов С. А., Белов Ф. А., Золотухина А. Е., Лесовик В. С., Чернышева Н. В., Глаголев Е. С., Дребезгова М. Ю., Ермолаева А. Э., Гувалов А. А., Кузнецова Т. В., Халиуллин М. И., Алтыкис М. Г., Рахимов Р. З., Колесников А. Г., Мухаметрахимов Р. Х., Изотов В. С., Несветаев Г. В., Удодов С. А., Бычкова О. А., Козьев А. Д., Wolfs R., Salet T., Wаng Yо., Wu H. С., Li V. С.) имеет место.

Замечен ряд опечаток: 3D принтера – 3D-принтера (ЗДЕСЬ И ДАЛЕЕ); Производство строительных работ таким образом пока только набирает обороты, но имеет большие перспективы – Производство строительных работ, таким образом, пока только набирает обороты, но имеет большие перспективы; на ранних стадиях затвердивания – на ранних стадиях затвердевания; Это способствует уменьшению времени прохода смеси через 3D принтер и (ПОЗВОЛЯЕТ?) порциально (ПОРЦИОННО, ПАРЦИАЛЬНО?) менять состав.

В целом материал представляет интерес для читательской аудитории и после доработки может быть рассмотрен на предмет публикации в журнале «Урбанистика» (рубрика «Градостроение»). Соответствие тематике журнала желательно усилить.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"