АНАЛІТИКО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ ПІДБІР КОНСТРУКЦІЇ ШНЕКА ЕКСТРУДЕРА ДЛЯ АДИТИВНОГО ФОРМУВАННЯ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
DOI:
https://doi.org/10.32347/tb.2025-43.0612Ключові слова:
будівельний 3D-принтер, шнековий екструдер, будівельна суміш, подача матеріалу, крутний момент, параметри шнека, регресійна модель, якість друку, адитивне будівництвоАнотація
У статті розглянуто конструктивно-технологічні особливості процесу подачі будівельних сумішей у зону друку будівельного 3D-принтера із використанням шнекового екструдера. Обґрунтовано визначальний вплив геометричних і кінематичних параметрів шнека на продуктивність екструзії, стабільність потоку та якість формування адитивного шару. Запропоновано аналітичний підхід до опису процесу шнекової екструзії, який враховує взаємодію конструктивних параметрів гвинтового органа (діаметр, крок витка, глибина каналу, ступінь стиснення) з реологічними властивостями в’язкопластичних будівельних сумішей.
Розроблено конструкцію дослідного екструдера та створено 3D-моделі шнеків із різними значеннями кроку гвинтової нарізки. Проведено експериментальні дослідження процесу подачі гіпсової суміші з визначенням крутного моменту на валу шнека та маси матеріалу, що транспортується за один оберт. Отримані експериментальні дані оброблено методами математичної статистики з використанням регресійного аналізу, у результаті чого встановлено кількісну залежність між кроком шнека та енергосиловими параметрами екструзії.
Підтверджено, що зменшення кроку шнека сприяє підвищенню масової продуктивності подачі, однак супроводжується зростанням крутного моменту та навантаження на привод екструдера. На основі побудованої поліноміальної регресійної моделі визначено характер впливу конструктивних параметрів шнека на робочі показники екструзійної системи та обґрунтовано раціональні діапазони їх вибору.
Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні та модернізації екструдерів будівельних 3D-принтерів, підборі електроприводів, а також при оптимізації технологічних режимів адитивного виготовлення будівельних конструкцій із забезпеченням підвищеної якості формування шару та енергоефективності процесу друку.
Посилання
- Shatov, S.V., Savytskyi, N.V., & Karpushyn, S.A. (2017). Obobshcheniye innovatsionnykh tekhnologiy 3D-pechati stroitel’nykh ob’’yektov dlya razrabotki startapov [Generalization of innovative technologies of 3D printing of construction objects for startup development]. Stroitel’stvo. Materialovedeniye. Mashinostroyeniye. Seriya: Sozdaniye vysokotekhnologicheskikh ekokompleksov v Ukraine na osnove kontseptsii sbalansirovannogo razvitiya, 99, 194–200.
- Alwi, A., Karayiannis, S., Starkey, B., Gardner, M., Reodique, K., & Varley, Th. (2013). Construction: MegaScale 3D Printing. Group 1 Final Report. Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey. Retrieved from: http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/R.Webb/MDDP/2012/Report/3D%20Building%20Printer%20-%20Group%201.pdf
- Lipson, H., & Kurman, M. (2013). Fabricated: The New World of 3D Printing. Indiana: Wiley.
- Khoshnevis, B. (2004). Automated construction by contour crafting-related robotics and information technologies. Automation in Construction, 13(1), 5–19. https://doi.org/10.1016/j
- Shatov, S., Savytskyi, M., & Marchenko, I. (2019). Improvement of 3D printing object equipment. Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, 1, 90–101. https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.261119.91.593
- Savytskyi, N.V., Shatov, S.V., & Ozhyshchenko, O.A. (2016). 3D-printing of build objects. Visnyk Prydniprovs’koi Derzhavnoi Akademii Budivnytstva ta Arkhitektury [Bulletin of Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture], 3, 18–26.
- Kuhudzai, R.J. (2022). Apis Cor is ready to scale up the 3D-printed home & building sector with its advanced compact mobile robot tech. Retrieved from: https://cleantechnica.com/2022/02/09/apis-cor-is-ready-to-scale-up-the-3d-printed-home-building-sector-with-its-advanced-compact-mobile-robot-tech/
- Mok, K. (2018). Huge modular 3D printer creates $1,000 tiny house out of mud. Retrieved from: https://www.treehugger.com/gaia-house-d-printed-out-mud-wasp-4857768
- Nesterenko, M., Orysenko, O., Zhyla, I., & Sidan, D. (2023). Mobile complex of equipment for 3D printing. Academic Journal. Industrial Machine Building, Civil Engineering, 1(60), 12–18. https://doi.org/10.26906/znp.2023.59.0000
- Nesterenko, M.M., Orysenko, O.V., Sidan, D.O., & Shokalo, A.V. (2022). Laboratornyi budivelnyi 3D prynter [Laboratory construction 3D printer]. In: Proceedings of the International Scientific and Technical Conference “Automation, Computer-Integrated Technologies and Energy Efficiency Problems in Industry and Agriculture (AKIT-2022)” (pp. 223–224). Kropyvnytskyi: Ekskliuzyv-System.
- Orysenko, O., Nesterenko, M., & Shokalo, A. (2022). The analytical investigation of the concrete mixture deposition process by the concrete 3D printer extruder. Academic Journal. Series: Industrial Machine Building, Civil Engineering, 2(59), 5–10. https://doi.org/10.26906/znp.2022.59.3093
- Orysenko, O.V., Nesterenko, M., Shokalo, A., & Nesterenko, T. (2021). Design of 3D printers analysis for construction and architecture. Academic Journal. Industrial Machine Building, Civil Engineering, 2(57), 105–110.
