Использование технологии 3d-печати в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru

Использование технологии 3d-печати в строительстве

Поддубная В.С.

Аннотация

В данной статье представлено применение новой технологии SD-печати в области строительства, рассмотрены особенности и методики описываемой технологии, ее возможные пути развития, проиллюстрированы примеры применения SD-печати для производства зданий.

Использование данного инновационного способа способно внести огромный вклад в строительные процессы, сокращая множество их существующих недостатков.

Ключевые слова: строительство, принтеры, 3D -печать,

стереолитография, аддитивное строительство.

Annotation

Present article presents the application of new 3D-printing technology in the field of construction, describes the features and methods of the discussed technology, its possible ways of development, and illustrates examples of the use of 3D-printing for the production of buildings.

The use of this innovative method can make a huge contribution to construction processes, reducing many of their existing disadvantages.

Key words: construction, printers, 3D-printing, stereolithography, additive construction.

Совершенствование существующих и создание принципиально новых технологий необходимо для дальнейшего развития человечества. Одной из таких перспективных, инновационных технологий является 3D -печать.

3D -печать -- это процесс, при котором физические объекты создаются путем нанесения материалов слоями на основе цифровой модели. В строительной отрасли 3D-печать можно использовать для создания элементов конструкции или для печати целых зданий.

Преимущества ЗИ-печати в строительстве

Сокращение затрат. По сравнению с традиционными зданиями, 3D- печать может сэкономить 50%-75% стоимости времени, 50%-80% стоимости рабочей силы и 30%-60% стоимости материала. Согласно оценкам экспертов, SD-печать зданий может сэкономить 30%-50% от общей стоимости.

График 1. Сравнение затрат на традиционное строительство и технологию 3Б-печати [1]

Воздействие на окружающую среду. Многие компании 3D-печати используют недорогие и устойчивые материалы, в которых используются строительные отходы. Также процесс печати производит мало шума, пыли и сильных вибраций. печать строительство здание

Сложность конструкции. 3D-принтеры могут перемещаться в трехосной плоскости, что позволяет им быть запрограммированными для создания сложных форм, которые трудно и дорого достичь с помощью традиционных методов.

Безопасность для рабочих. 3D-печать обеспечивает здоровье и безопасность сотрудников на строительной площадке, снижает травматизм.

Гибкость дизайна. 3D-печать позволяет вносить изменения в проект непосредственно перед началом печати конструкции.

Применение в экстремальных условиях. Технологию 3D -печати возможно применять в условиях, затрудняющих традиционный ход строительства, например, в космосе или на сильном холоде. [2 -4]

Типы 3Б-принтеров

Роботизированные принтеры - автоматические принтеры, обладающие гибкостью и свободой передвижения за счет роботизированных рук, имеющих шарнирные соединения, двигающиеся вдоль и вокруг нескольких осей и роботизированной печатной платформы, которая может вращаться и наклоняться.

При работе с роботизированными принтерами применяют технологии экструзии (полимеры, бетон, непрерывное углеродное волокно и т.д.) и процессы направленного осаждения энергии.

Рисунок 1. Роботизированная рука KR QUANTEC, печатающая бетон

Портальная система. Наиболее распространенный тип портальной системы использует систему экструзии и представляет собой конструкцию из системы движения, системы экструзии, портативной смесительной установки, системы накачки, блока управления, системы мониторинга, системы безопасности. На сегодняшний день единственной портальной технологией, не основанной на экструзии, является D-образный принтер Дини, применяющий метод распыления материала. [5,6]

Рисунок 2. Система для печати зданий с помощью 3Б-принтеров: 1- сопло, 2-рама, 3- направляющие вдоль здания, 4- механизм передвижения сопла, 5- устройство для поднятия конструкции принтера, 6- автобетоносмеситель для подачи цементного состава

Методы ЭБ-печати

Распыление связующего -- простой метод SD-печати, в котором для соединения различных слоев детали используется промышленный связующий агент. При распылении связующего в качестве исходного материала используется порошок, который принтер наносит тонким слоем. Этот процесс работает с такими материалами, как песок, некоторые полимеры, металлические порошки и металлокерамические соединения. Это один из недорогих методов SD-печати, который позволяет производить большие объемы за короткое время.

Распыление материала. В случае процесса струйной печати 3D - принтер использует капли жидкого материала для создания каждого сл оя. Этот способ делает возможным использование разных типов материалов на одном объекте.

Экструзия материала - это распространенный промышленный процесс, при котором любой материал, проталкивается через небольшое сопло, которое нагревает их до точки плавления, и осаждает по заданной траектории, образуя слой. В большинстве случаев в процессе экструзии используются пластмассы и композитные нити.

Кубовая полимеризация - уникальный процесс 3Э-печати, в котором используется источник света для отверждения фотополимерной смолы. Материалом, подходящим для этого, является только фотополимерная смола. Этот метод обеспечивает исключительную чистоту поверхности и позволяет создавать замысловатые и сложные геометрические формы.

Порошковый метод - перспективный метод, работающий путем фокусировки источника тепла на небольшой площади для организации сплавления между слоями материала в их порошковой форме. Этот процесс работает с большинством термопластов, керамики и металлов, обеспечивая исключительную точность размеров 0,3%. Некоторыми из распространенных процессов печати являются селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM), электронно-лучевое плавление (EBM).

Прямое выделение энергии -- метод 3Э-печати, который не требует опорной конструкции и работает одновременно для осаждения и отверждения слоев. Кроме того, этот метод основан на использовании электронного луча, мощного лазера или плазмы для сильного возбуждения материала вблизи точки его плавления для создания слоев. [5]

Примеры применения

За последние годы несколько проектов продемонстрировали возможность использования бетона и строительных технологий 3D -печати для производства зданий.

В 2014 году китайская компания WinSun первой построила несколько домов всего за один день, используя технологию 3D-печати для производства элементов за пределами площадки. Площадь каждого дома составляла 20 квадратных метров, а его строительство стоило 4800 долларов. Компоненты печатались на принтере высотой 6 метров, шириной 10 метров и длиной 4 0 метров. Материал, который выдавливался из сопла принтера представлял собой смесь, состоящую из бетона, цемента, гипса, армированного стекловолокном, и пластика, армированного волокном, соединенных вместе с добавкой, которая позволяет бетону полностью затвердевать в течение нескольких дней. 50% этого материала было получено из переработанных строительных отходов. Компоненты печатались на заводе и после печати они транспортировались на строительную площадку и собирались вместе. Окна и двери не печатались с использованием технологии 3В-печати. [7]

Рисунок 3. Первое напечатанное здание компанией WinSun

В 2016 г. Winsun использовала тот же принтер и материал для создания первого в мире офисного здания с технологией 3D-печати для Национального комитета Объединенных Арабских Эмиратов в качестве штаб -квартиры Фонда будущего Дубая. Весь процесс печати здания площадью 250 квадратных метров занял всего 19 дней и стоил около 140 000 долларов. [8]

Рисунок 4. а) внешний вид офиса в ОАЭ, б) внутренний вид

В 2017 году ApisCor первой в России напечатала целый дом на 3D - принтере в Подмосковье. ApisCor -- российская компания, специализирующаяся на 3D-принтерах, которые могут изготовить контурный дом всего за 24 часа. Бетон представляет собой уникальную смесь, которая быстро затвердевает, что позволяет принтеру работать быстро. Компания также хотела продемонстрировать, что форма зданий не обязательно должна быть квадратной.[9]

Рисунок 5. а)внешний вид здания в Подмосковье, б)процесс строительства

В 2014 г. PWC был проведен опрос среди 114 производителей, изучающий тему использования технологии 3D -печати компаниями. Оказалось, что 67% респондентов либо тестируют преимущества аддитивного производства, либо используют его в производственных целях. Четверть опрошенных компаний используют 3D-печать традиционным способом для быстрого прототипирования, при этом 10% в настоящее время производят компоненты или детали для последующей сборки. Только 1% производителей на данный момент изготавливают полностью готовые изделия с использованием 3D-принтеров. [10]

График 2. Опрос PWC «Обзор прорывных производственных инноваций 2014 г.»

Будущее 3Б-печати в жилищном строительстве

Хотя 3D-печать все еще находится на ранней стадии развития во всех отраслях, потенциальные выгоды продвигают технологию вперед. Некоторые предполагают 3D-принтеры будут использоваться в основном для печати строительных компонентов и панелей либо на заводах, либо на месте, в то время как другие видят 3D-печать как революционную технологию. Вероятно, что 3D-печать будет развиваться наряду с традиционными методами, поддерживая их, особенно в случае более сложных строительных проектов.[11]

В глобальном масштабе существует множество государственных мер, которые поощряют внедрение 3D-печати в строящихся объектах. Несколько городов претендуют на победу в этой гонке, и одним из тех, кто решил возглавить список, является Дубай, где к 2030 году 25% зданий должны быть построены с использованием технологии 3D -печати.

В 2019 г. Нилс О.Е.Олссон и др. провели опрос с возможностью выбрать несколько вариантов среди 36 членов норвежских сетей исследований в области управления проектами и строительством. 75% опрошенных считают, что в ближайшем будущем (от 5 до 10 лет) основной областью применения продуктов 3D-печати в их компании станет печать сложных деталей, 11% респондентов ориентируются на строительство целых зданий и 3% не рассчитывают применять технологию 3D-печати.

График 3. Ожидаемое основное направление 3В-печати

Рассуждая над вопросом успешного внедрения технологии 3D -печати в строительную отрасль 65% производителей отметили возможным решением сотрудничество между поставщиками и подрядчиками, половина - финансирование исследований и разработок. [12]

График 4. Как 3В-печать может быть внедрена в строительство

Список используемой литературы

Международное исследование стоимости строительства - 2016.

Шувалов Н.Е. Целесообразность 3D печати в малоэтажном строительстве / Современные научные исследования и инновации - 2016.

Сембаев Б.Н., Билялова С.А. Применение 3D печати в

строительстве / Электронный научный журнал - 2016.

Мустафин Н.Ш., Барышников А.А. Новейшие технологии в строительстве. 3D принтер /Региональное развитие - 2015.

Грахов В.П., Мохначев С.А., Бороздов О.В. Влияние развития 3D - технологий на экономику строительства /Фундаментальные исследования - 2014.

Лабоннот Н., Ронквист А., Манум Б. и Рютер П. «Аддитивное строительство: современное состояние, проблемы и возможности» - 2016

Winsun - future of construction [Электронный ресурс]. URL: https://www.futureofconstruction. org/ case/ winsun/

News-Yingchuang Building Technique (Shanghai) [Электронный ресурс]. URL: http://www.winsun3d.com/En/News/news_inner/id/465

Apis Cor | Construction with Robotic Precision [Электронный ресурс]. URL: http://apis-cor.com

PWC «Опрос прорывных производственных инноваций 2014» - 2014

Торшин А.О., Потапова Е.Н. Перспективы использования 3D - принтера в строительстве / Успехи химии и химической технологии - 2016.

«Технология 3D-печати в строительстве: результаты

исследования» Нильс О.Э. Олссон, Али Шафкат, Эмра Арика, Андреас Окланд - 2019.

Размещено на Allbest.ru