В 2024 году рынок 3D-печати в России и мире продемонстрировал устойчивый рост и активное внедрение в промышленное производство. 30% пришлось на предприятия топливно-энергетического комплекса, из которых 13% — атомная отрасль, 20% — нефтегазовое и энергетическое машиностроение. Обычно 3D-печать осуществляется методом нанесения слоев строительного материала по модели. В процессе образуются разрывы между ними, поскольку раствор не всегда бывает однородным. Ситуация требует контроля вязкости специалистами, что приводит к потере времени и снижению качества продукта из-за человеческого фактора оценки. Ученики Политехнической школы под руководством ученых Пермского Политеха разрабатали решение этой проблемы.
Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
3D-печать в строительстве работает по принципу послойного нанесения стройматериала. Проект задается на компьютер в виде 3D-модели, а подключенный принтер автоматически воспроизводит ее. Он двигается по заданной траектории и выдавливает смесь через сопло, формируя стены и конструкции прямо на строительной площадке. Она быстро затвердевает, позволяя накладывать следующий слой.
– К принтеру обычно подсоединена штукатурная станция, которая смешивает компоненты для 3D-печати. Проблема в том, что бетонный раствор при замесе бывает неоднородным, из-за чего в процессе нанесения слоев между ними возникают разрывы. Чтобы этого не было, специалистам необходимо постоянно следить за его вязкостью, но наблюдение занимает много времени и при этом есть нюансы, связанные с человеческим фактором и субъективной оценкой. Если недоглядеть за смесью, структуры получатся некачественными, – комментирует Евгения Киланова, ученица Политехнической школы.
Ученики Политехнической школы под руководством ученых Пермского Политеха создают систему контроля вязкости бетона при 3D-печати, чтобы предотвратить возникновение разрывов материала и обеспечить создание более качественных продуктов. Аналоги таких устройств, существующие в стране на текущий момент, не работают с крупнозернистыми смесями и требуют квалифицированного персонала. Также для них требуется предварительная настройка под каждый состав бетона, а стоимость подобной установки варьируется от 1,5 до шести миллионов рублей. Цель политехников – устранить все эти недостатки в своем проекте.
– Вязкость бетона можно контролировать, если знать, какое количество тока тратит электрический двигатель перемешивающей установки на смесь с той или иной густотой. Школьниками разработан прототип устройства, которое определяет это. Оно выглядит, как маленький светофор с подсоединенными к принтеру датчиками. Мы написали пробную программу, с помощью которой они определяют изменение силы тока нагрузки на лабораторный бетоносмеситель. В зависимости от режима его работы консистенция смеси выходит разной. Если все хорошо, светофор подает зеленые сигналы, если она слишком «жидкая» или «густая» – желтый, красный и мигающий. На текущем этапе протестирован макет устройства, который определяет силу тока. В дальнейшем его планируется доработать и подключить к большому 3D-принтеру, чтобы проверить эффективность в реальных производственных условиях, – комментирует Виталий Шаманов, декан строительного факультета ПНИПУ, кандидат технических наук.
Конечный продукт будет представлять собой систему контроля вязкости бетона, подключенную к штукатурной станции 3D-принтера. Пример работы: если смесь слишком густая, система подаст сигнал открытия клапана, после чего в нее будет подаваться больше воды, чтобы улучшить текучесть.
Проект учеников Политехнической школы проходит активное тестирование и усовершенствование. Разработка будет полезна в строительстве, ландшафтном дизайне, промышленности и инженерии.