RU2791611C1 - Method for manufacturing three-dimensional building elements by 3d-printing method - Google Patents
Method for manufacturing three-dimensional building elements by 3d-printing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791611C1 RU2791611C1 RU2022113155A RU2022113155A RU2791611C1 RU 2791611 C1 RU2791611 C1 RU 2791611C1 RU 2022113155 A RU2022113155 A RU 2022113155A RU 2022113155 A RU2022113155 A RU 2022113155A RU 2791611 C1 RU2791611 C1 RU 2791611C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- construction
- printing
- layers
- hydrodynamically
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления 3D-объектов методом аддитивной технологии в области строительства, в частности для возведения ограждающих конструкций с применением аддитивных технологий трехмерной печати (3D-печать), и может быть использовано для формирования изделий типа древесных плит и объемных строительных деталей.The invention relates to the production of 3D objects by additive technology in the field of construction, in particular for the construction of enclosing structures using additive three-dimensional printing technologies (3D printing), and can be used to form products such as wood boards and bulk building parts.
Технологические решения и устройства для возведения ограждающих аддитивными методами в большинстве случаев разработаны для материалов и смесей на основе минеральных или воздушных вяжущих, композитов на их основе с волокнистыми материалами или же полимеров. Однако данные решения не позволяют использовать в качестве материала основы древесных или целлюлозных масс. Преимуществом материалов на основе целлюлозно содержащего сырья, является низкая теплопроводность и паропроницаемость.Technological solutions and devices for the construction of enclosing structures by additive methods are in most cases developed for materials and mixtures based on mineral or air binders, composites based on them with fibrous materials or polymers. However, these solutions do not allow the use of wood or pulp as the base material. The advantage of materials based on cellulose-containing raw materials is low thermal conductivity and vapor permeability.
В основе большинства технологий лежит экструзионное формирование слоев при помощи 3D-принтеров. Так известно устройство с печатающей головкой строительного 3D-принтера, предназначенная для печати многокомпонентной смесью, состоящая из сопла и соединенного с ним смесителя-экструдера, включающего в себя корпус, шнек, содержащий цилиндрическую и коническую части, клапана для подачи отдельных компонентов смеси и привод шнека. (Патент RU №179153 (13) U1, опубл. 28.04.2018.)Most technologies are based on the extrusion formation of layers using 3D printers. Thus, a device with a print head of a construction 3D printer is known, designed for printing with a multi-component mixture, consisting of a nozzle and a mixer-extruder connected to it, including a housing, a screw containing cylindrical and conical parts, a valve for supplying individual components of the mixture and a screw drive . (Patent RU No. 179153 (13) U1, published on April 28, 2018.)
Данное решение ввиду своей универсальности имеет ряд существенных недостатков, таких как отсутствие механизма регулирования влажности в процессе экструдирования и регулирования влажности слоев путем их частичной подсушки. Наравне с этим отсутствует механизм фиксации смесей с низким пределом ползучести.This solution, due to its versatility, has a number of significant drawbacks, such as the lack of a mechanism for controlling moisture in the process of extrusion and controlling the moisture content of layers by partially drying them. Along with this, there is no mechanism for fixing mixtures with low creep strength.
Данные недостатки частично, но не в полной мере решаются способом возведения стен печатающим 3D-принтером дискретной печатью, при котором происходит печать конструкции непрерывным послойным нанесением строительной смеси, отличающийся тем, что возведение конструкций выполняется дискретной печатью, при которой экструдер с мини-опалубкой 3D, выполняющей и функцию импульсного нагревателя для подвода теплоты, при этом осуществляется нагрев возводимого объекта от 90 до 98°С, в результате чего элемент быстрее набирает прочность. (Патент RU(11) №2703574 (13) С2, опубл. 30.10.2018).These shortcomings are partially, but not fully, solved by the method of erecting walls with a 3D printing printer by discrete printing, in which the structure is printed by continuous layer-by-layer application of the building mixture, characterized in that the erection of structures is performed by discrete printing, in which an extruder with a 3D mini-formwork, which also performs the function of an impulse heater for supplying heat, while heating the object under construction from 90 to 98 ° C, as a result of which the element gains strength faster. (Patent RU(11) No. 2703574 (13) C2, published on October 30, 2018).
Однако данное техническое решение не позволяет осуществлять в объемной фазе воду, содержащуюся в смеси, а только инициирует процесс твердения минеральных компонентов смеси. Это в свою очередь не позволяет работать с другими материалами. Наравне с этим, ввиду высокой теплоемкости бетонов, процесс является энергозатратным и не позволяет получать строительные элементы с низкой плотностью и, соответственно, теплопроводностью.However, this technical solution does not allow the water contained in the mixture to be carried out in the bulk phase, but only initiates the process of hardening of the mineral components of the mixture. This, in turn, does not allow working with other materials. Along with this, due to the high heat capacity of concrete, the process is energy-intensive and does not allow obtaining building elements with low density and, accordingly, thermal conductivity.
Снизить теплопроводность изделий возможно в данном случае за счет использования способа и устройства с использованием гранул полистиролбетонной смеси в виде гранул, которые после подогрева до температуры не выше 80°С подаются в экструдер, где посредством системы и оттуда, через выпускное сопло выдавливается на поверхность ранее отформованного и потерявшего подвижность слоя. Для обеспечения вспенивания смеси к подвижной опалубке, используемой в данном случае, подводится электрический ток. При температуре более 90°С гранулы полистирола размягчаются и под действием содержащегося в них кипящего изопентана, вспениваются, многократно увеличиваясь в объеме. При этом смесь с невспененными гранулами полистирола превращается в смесь с вспенившимися гранулами полистирола и меняет свое качество, приобретая теплоизоляционные свойства. (Патент RU(11) №239244 (13) С2, опубл. 16.10.2020).It is possible to reduce the thermal conductivity of products in this case by using a method and device using granules of a polystyrene concrete mixture in the form of granules, which, after heating to a temperature not exceeding 80 ° C, are fed into the extruder, where through the system and from there, through the outlet nozzle, it is squeezed onto the surface of the previously molded and the layer that has lost its mobility. To ensure the foaming of the mixture, an electric current is supplied to the movable formwork used in this case. At a temperature of more than 90 ° C, polystyrene granules soften and, under the action of the boiling isopentane contained in them, foam, multiplying in volume. In this case, the mixture with non-foamed polystyrene granules turns into a mixture with foamed polystyrene granules and changes its quality, acquiring thermal insulation properties. (Patent RU(11) No. 239244 (13) C2, published 10/16/2020).
Главным недостатком данного решения является снижение механической прочности материала, особенно динамической вязкости и горючесть полистирола и высокий углеродный след от производства данного компонента смеси.The main disadvantage of this solution is the decrease in the mechanical strength of the material, especially the dynamic viscosity and flammability of polystyrene and the high carbon footprint from the production of this component of the mixture.
Наиболее близким аналогом по технологическим аспектам является способ создания 3D-объекта из материалов, имеющих низкую адгезионную прочность между собой, и устройство для его реализации. Сущностью заявленного технического решения является то, что создание объекта из материалов, имеющих низкую адгезионную прочность между собой, требует предварительного нагрева полимерного материала посредством нагревательного элемента в первой печатной головке до требуемой температуры, который наносят в виде расплавленного основного полимерного материала на платформу. Затем разогревают до требуемой температуры адгезивный материал посредством нагревательного элемента во второй печатной головке, наносят второй слой адгезивного материала из второй печатной головки, после чего на нанесенный адгезионный материал воздействуют СВЧ-излучением, далее повторяют цикл нанесения слоя расплавленного основного полимерного материала из первой печатной головки и адгезивного материала, из второй печатной головки с последующим воздействием СВЧ-излучением, при этом процессы нанесения слоев повторяют до достижения требуемой толщины слоев покрытия. (Патент RU(11) №2751442 (13), опубл. 24.12.2020).The closest analogue in terms of technological aspects is a method for creating a 3D object from materials with low adhesive strength to each other, and a device for its implementation. The essence of the claimed technical solution is that the creation of an object from materials having low adhesion strength to each other requires pre-heating of the polymer material by means of a heating element in the first print head to the required temperature, which is applied in the form of a molten base polymer material to the platform. Then, the adhesive material is heated to the required temperature by means of a heating element in the second print head, a second layer of adhesive material is applied from the second print head, after which the applied adhesive material is exposed to microwave radiation, then the cycle of applying a layer of molten base polymer material from the first print head is repeated and adhesive material, from the second print head, followed by exposure to microwave radiation, while the processes of applying layers are repeated until the required thickness of the coating layers is reached. (Patent RU(11) No. 2751442 (13), published on December 24, 2020).
В данном случае невозможно исключить из состава смеси термопластичный адгезив, что предопределяет неоднородность материала и соответственно низкие физико-механические характеристики материала.In this case, it is impossible to exclude a thermoplastic adhesive from the composition of the mixture, which predetermines the inhomogeneity of the material and, accordingly, the low physical and mechanical characteristics of the material.
Задачей заявляемого изобретения является расширение области применения 3D-аддитивных технологий в области строительства и улучшения физико-механических свойств материалов и получаемых изделий.The objective of the claimed invention is to expand the scope of 3D additive technologies in the field of construction and improve the physical and mechanical properties of materials and products.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройств для 3D-печати, за счет использования активированной древесной массы, которая наносится путем холодной экструзии с одновременным внешним СВЧ-излучением, улучшении физико-механических свойств материалов, за счет высокого адгезионного взаимодействия между слоями, однородности свойств материала при послойной укладке.The technical result consists in expanding the functionality of devices for 3D printing, through the use of activated wood pulp, which is applied by cold extrusion with simultaneous external microwave radiation, improving the physical and mechanical properties of materials, due to the high adhesive interaction between layers, uniformity of material properties with layering.
Технический результат достигается за счет того, что способ изготовления объемных изделий строительных элементов методом 3D-печати, включающий формирование слоев из сырьевой массы методом экструзии через сопло послойно, согласно изобретению, в качестве сырьевой массы используют активированную гидродинамическим способом древесную массу, которая выдавливается через сопло экструдера послойно методом холодной экструзии, при этом на каждый нижеуложенный слой активированной гидродинамическим способом древесной массы воздействует СВЧ-излучение для перераспределения влажности в нем.The technical result is achieved due to the fact that the method of manufacturing three-dimensional products of building elements by 3D printing, including the formation of layers from the raw mass by extrusion through the nozzle in layers, according to the invention, hydrodynamically activated wood mass is used as the raw mass, which is squeezed out through the extruder nozzle layer-by-layer by cold extrusion, while each underlying layer of hydrodynamically activated wood pulp is exposed to microwave radiation to redistribute moisture in it.
В качестве сырья для печати используется древесная или целлюлозная масса, активированная гидродинамическим способом подробно описанная в работе [Формирование структуры плит малой плотности из гидродинамически активированных мягких отходов деревообработки / В.Н. Ермолин, М.А. Баяндин и др. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2019. - №5(371). - С. 148-157. - DOI]. Это позволяет снизить в 3-5 раз снизить плотность и соответственно теплопроводность строительных изделий и при этом обеспечить однородность свойств материала и тем самым обеспечить высокие механические свойства изделий.As a raw material for printing, hydrodynamically activated wood or cellulose pulp is used, which is described in detail in [Formation of the structure of low-density slabs from hydrodynamically activated soft wood waste / V.N. Ermolin, M.A. Bayandin and others // News of higher educational institutions. Forest magazine. - 2019. - No. 5 (371). - S. 148-157. - DOI]. This makes it possible to reduce by 3-5 times the density and, accordingly, the thermal conductivity of building products and at the same time ensure the uniformity of material properties and thereby ensure high mechanical properties of products.
Принцип работы изобретения основан на том, что используемая в качестве сырья древесная масса, представляется собой полидисперсную систему. При нанесении первого слоя влажностью от 300 до 400% прочность его обусловлена силами капиллярной контракции в пористой структуре массы и сил Ван-Дер-Вальса. При нанесении последующих слоев, для обеспечения увеличения механической прочности первого слоя и адгезионного взаимодействия его со следующим слоем необходимо обеспечить влажность в зоне контакта слоев не менее 400-500%. Это обусловлено тем, что первоначально необходимо обеспечить в зоне контакта слоев возможность древесным частицам занять наиболее выгодное термодинамическое состояние и образовать первичные связи. Для этого предлагается перераспределить влажность по толщине слоя. Это позволяет сделать воздействие СВЧ на каждый предыдущий слой. В данном случае СВЧ позволяет за счет нагрева центральной части слоя запустить процесс массопереноса (воды) от центра к поверхности слоя. Наравне с этим снижение влажности позволяет увеличить силы капиллярной контракции и расстояние между частицами в центре слоя и соответственно увеличить его прочность и без существенных деформаций нести нагрузку от выше укладываемых слоев. В процессе высыхания формируется адгезионное взаимодействие межу слоями, при этом формируются однородные структуры материалов из активированной древесной массы. Высокая однородность межслойного контакта и самих слоев обеспечить высокие физико-механические характеристики материалов и изделий, в том числе ограждений зданий с минимальной плотностью и, соответственно, теплопроводностью и паропроницаемостью.The principle of operation of the invention is based on the fact that the wood pulp used as a raw material is a polydisperse system. When applying the first layer with a humidity of 300 to 400%, its strength is due to the forces of capillary contraction in the porous structure of the mass and Van der Waals forces. When applying subsequent layers, to ensure an increase in the mechanical strength of the first layer and its adhesive interaction with the next layer, it is necessary to provide humidity in the contact zone of the layers at least 400-500%. This is due to the fact that initially it is necessary to provide in the contact zone of the layers the opportunity for wood particles to take the most favorable thermodynamic state and form primary bonds. To do this, it is proposed to redistribute the moisture content over the thickness of the layer. This allows you to make the impact of microwave on each previous layer. In this case, microwave allows, by heating the central part of the layer, to start the process of mass transfer (of water) from the center to the surface of the layer. Along with this, a decrease in humidity makes it possible to increase the forces of capillary contraction and the distance between particles in the center of the layer and, accordingly, increase its strength and, without significant deformations, bear the load from the layers laid above. In the process of drying, an adhesive interaction is formed between the layers, while homogeneous structures of materials from activated wood pulp are formed. The high homogeneity of the interlayer contact and the layers themselves ensure high physical and mechanical characteristics of materials and products, including building fences with a minimum density and, accordingly, thermal conductivity and vapor permeability.
Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.
Способ изготовления объемных изделий из древесин методом 3D-печати характеризующийся тем, что в качестве основного сырья используется активированная гидродинамическим способом древесная масса. Способ функционирует следующим образом. Формирование изделий осуществляется путем послойного выдавливания, через сопло экструдера 4. Для обеспечения формирования адгезионного взаимодействия между слоями 1 и 3, осуществляется направленное воздействие СВЧ-излучения магнетронами 2 на слой 1, что приводит к перераспределению влажности по его сечению. Это обеспечивает его механическую прочность величиной соответствующей нагрузки от вушеуложенного слоя 3. На поверхности слоя 1 влажность увеличивается до 400-500%, что при дальнейшем высыхании позволяет получить адгезионную прочность между слоями 1 и 3 равную когезионной прочности слоев.A method for the manufacture of bulk wood products by 3D printing, characterized in that hydrodynamically activated wood pulp is used as the main raw material. The method operates as follows. The formation of products is carried out by layer-by-layer extrusion through the
На фиг. 1 показан принцип заявленного технического решения, где 1 - первый слой, 2 - магнетроны (излучатели СВЧ), 3 - второй слой, 4 - сопло экструдера.In FIG. 1 shows the principle of the claimed technical solution, where 1 is the first layer, 2 is magnetrons (microwave emitters), 3 is the second layer, 4 is the extruder nozzle.
Предлагаемое изобретение позволит расширить область применения технологий 3D-печати для строительства энергоэффективных зданий или изделий применимых для данной области, а также улучшить физико-механические свойства за счет того, что в качестве сырья используется только активированная древесная масса. Это позволяет получать однородный по свойствам материал без добавления адгезивов или других веществ, при использовании аддитивных технологийThe proposed invention will expand the scope of 3D printing technologies for the construction of energy-efficient buildings or products applicable to this area, as well as improve the physical and mechanical properties due to the fact that only activated wood pulp is used as a raw material. This allows you to get a material that is homogeneous in properties without the addition of adhesives or other substances, using additive technologies.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791611C1 true RU2791611C1 (en) | 2023-03-13 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2302836A (en) * | 1994-06-02 | 1997-02-05 | Stratasys Inc | Forming three dimensional objects with unsupported overhangs |
RU2703574C2 (en) * | 2017-04-27 | 2019-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) | Method for building walls of printing printer using discrete printing |
RU199530U1 (en) * | 2020-03-11 | 2020-09-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" (КазГАСУ) | C-SHAPED BENCH MADE ON A 3D PRINTER |
RU2751442C1 (en) * | 2020-12-24 | 2021-07-13 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Method for creating 3d object from materials with low adhesive strength to each other, and device for its implementation |
RU2762669C1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-12-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) | Activated wood for 3d printing |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2302836A (en) * | 1994-06-02 | 1997-02-05 | Stratasys Inc | Forming three dimensional objects with unsupported overhangs |
RU2703574C2 (en) * | 2017-04-27 | 2019-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) | Method for building walls of printing printer using discrete printing |
RU199530U1 (en) * | 2020-03-11 | 2020-09-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" (КазГАСУ) | C-SHAPED BENCH MADE ON A 3D PRINTER |
RU2751442C1 (en) * | 2020-12-24 | 2021-07-13 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Method for creating 3d object from materials with low adhesive strength to each other, and device for its implementation |
RU2762669C1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-12-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) | Activated wood for 3d printing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3914359A (en) | Building or constructional material | |
US3274046A (en) | Combined fiber and cellular article | |
JPH03218955A (en) | Inorganic formed board and its production | |
FI91249C (en) | Process for making a building material from a mixture of thermoplastic waste and minerals | |
JPS627146B2 (en) | ||
RU2791611C1 (en) | Method for manufacturing three-dimensional building elements by 3d-printing method | |
JP2000302565A (en) | Foamed mineral building and structural material, production of mineral foamed body, and apparatus for executing the method | |
NO128340B (en) | ||
KR100845020B1 (en) | Making method of non-combustible vermiculite panel | |
DE1961390C3 (en) | Process for the production of lightweight concrete components | |
FI58324B (en) | CONTAINER CONTAINER FOR THE FRAMEWORK OF CONSTRUCTION PLATE | |
UA54416C2 (en) | A PROCESS FOR MANUFACTURING non-combustible moulded articles, PARTICULARLY BUILDING PLATES | |
KR101707608B1 (en) | Coating foamed vermiculite and its manufacturing method and vermiculite pannel using this | |
US3536575A (en) | Construction element of phenolic resin and process for its manufacture | |
Molodin et al. | Work head for 3D printing of insulated walls from one-stage polystyrene concrete | |
BE1003016A3 (en) | Method for manufacturing sandwich boards and sandwich board produced in thisway. | |
US1623989A (en) | Ice concrete | |
JPH0140722B2 (en) | ||
US20050272848A1 (en) | Composite materials | |
RU2790058C2 (en) | Method for production of dielectric composite material | |
SU141796A1 (en) | The method of manufacturing a heat insulating layer on building products | |
Durmuş et al. | A Study on Some Factors Affecting on CO 2 Curing of Expanded Perlite Based Thermal Insulation Panel | |
KR100208511B1 (en) | Autoclaved lightweight concrete and the method of producing thereof | |
JPH09255447A (en) | Production of aerated concrete and production of polymer-impregnated concrete | |
JPH04209861A (en) | Fibrous molded article and its production |