Примерно с середины 2000-х годов параллельно друг с другом в различных университетах мира начались исследования, ориентированные на изучение возможности применения 3D печати в строительной сфере. В 2012 году профессор Берох Кошневис из университета Южной Калифорнии провел презентацию своего инновационного проекта – строительство домов с помощью 3D принтера.
Это – устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Для печати зданий и сооружений Кошневис предложил использовать послойный метод создания, который он назвал Контурной обработкой. 3D-принтер в строительстве – это роботизация производства, своего рода конвейер.
На данный момент уже появились 3D принтеры для строительства домов в натуральную величину. Они имеют внушительные размеры и высокую стоимость, работают с различными строительными материалами, такими как цемент, гипс и другие. На данный момент строительные 3D принтеры находится в стадии разработки и те модели, которые имеются в настоящее время, являются экспериментальными моделями. Однако, не смотря на это, такие устройства имеют достаточно большие перспективы.
BigRep: использование 3D-печати в строительстве
Современные модели 3D принтеров размещаются на рельсах по обе стороны здания. На сегодняшний день максимальная высота печатающей головки достигает 6 метров, что равняется высоте обычного двухэтажного дома. Для транспортировки принтера необходим специальный тягач, а для установки на рельсы в месте применения потребуется кран.
Стоит отметить, что для того, чтобы построить здание при помощи строительного 3Д принтера в первую очередь необходимо подготовить площадь, залить фундамент будущего здания и разровнять окружающую местность, чтобы сам принтер стоял максимального ровно. Только после этого можно устанавливать сам принтер.
Главное отличие 3D принтера от любого другого промышленного робота в способе создания продукции. В частности, строительный 3D принтер имеет сопло или экструдер и выдавливает из него быстротвердеющую рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие, называется рабочей зоной и имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла. Причем опалубки не требуется. То есть, строительная машина объемной печати декларируется как самодостаточный механизм, способный, при подключении электроэнергии, буквально на голом месте создать готовое здание.
Известно о трех способах создания объемной конструкции:
1. Послойное эктрудирование вязкой рабочей смеси.
Этот метод используют большинство строительных принтеров. Он заключается в том, что 3D механизм имеет экструдер или же сопло из которого выдавливается быстро затвердевающая бетонная смесь, в которую включено множество различных добавок. Каждый очередной слой выдавливается 3D принтером поверх предыдущего , благодаря чему формируется определенная конструкция.
2. Метод спекания/селективное спекание.
При этой технологии в рабочей зоне 3D машины происходит расплавление рабочей смеси, причем плавление достигается, применительно к строительству, сконцентрированным лазером или солнечным лучом, а рабочей смесью выступает обычный песок.
Применение 3D технологий Leica в повседневном строительстве
3. Метод напыления/ компонентной склейки.
При этом способе из рабочего сопла выходит струя песка, которая тут же смешивается с клеящим составом/катализатором, образуя объем в программно заданной точке.
Методы спекания и напыления экологически безвредны, так как используется солнечная энергия.
Существуют два вида конструкций –в виде мостового крана и в виде стрелы- манипулятора. Интересную концепцию, основанную на идее подачи рабочей смеси под высоким давлением в 3D-принтер, имеющий довольно изящную мостовую конструкцию, предложил промышленный дизайнер Себастьян Бернар.
Технологии 3D печати имеют довольно большой ряд преимуществ . Например, Строительные 3D принтеры могут позволить застраивать территории в рекордно короткие сроки, создавая целые улицы и кварталы за считанные месяцы. При этом весь процесс будет требовать значительно меньше финансовых затрат, нежели строительство традиционными методами.
Еще одно не маловажное преимущество заключается в том, что в процессе строительства до минимума уменьшается влияние человеческого фактора. Ведь количество операций выполняемых принтером может составлять более 90% от обычно выполняемых работ человеком на стройке. Благодаря этому обеспечивается максимальная точность и непрерывность строительного процесса, которая ведет за собой меньшие сроки строительства, а значит и меньшие финансовые затраты. 3D принтер способен работать 24 часа в сутки и 7 дней в неделю, рабочим нужно лишь следить за устройством и по окончанию работ вставить двери и окна в заранее отлитые проемы.
Но, не смотря на все это, широкому применению 3D принтеров в строительстве пока препятствует несколько факторов:
1. В качестве рабочей смеси нельзя применять бетоны, требующие виброобработки, т.к. из- за невозможности использования соответствующих установок значительно снижается прочность материала. Требуется высокая скорость схватывания и твердения смеси. Невозможно бесконечно усиливать действие ускорителя без опасности ухудшения качества. Решением может быть разработка новых/глубокая модификация видов строительных материалов. На данный момент такие составы бетонной смеси слишком дороги для производства .
2. Нет отработанной технологии по установке арматуры, т.к. вертикально устанавливаемые стержни мешают принтеру свободно перемещаться над слоями на нужной высоте. В качестве арматуры может быть применена инновационная технология тканных объемно-сетчатых каркасов. Предлагается соединять арматуру на штифтах, свинчивать и пр. Возможно, проблема армирования будет решена применением двух роботов сразу: один монтирует арматуру, другой укладывает смесь.
3.Невозможность виброобработки. При монолитном и при блочно –панельном строительстве применяется виброобработка для удаления воздуха и воздушных пустот из бетона. Благодаря этому железобетон имеет очень высокую прочность. Но в случае с 3D строительством из-за отсутствия опалубки и краткосрочного размещения поддерживающих формовочных лопаток в контакте с бетонным раствором виброобработка практически невозможна. В результате построенное здание или сооружение по данной технологи е простоит долго.
4. Технология заливки осуществляется волнами, в которых остаётся воздушная прослойка, что по заявлению инженеров компании Contour Crafting обеспечивает необходимую степень утепления дома, но, подобный способ годится лишь для умеренного климата. В более холодных странах дом, созданный по подобной технологии, потребует дополнительного утепления.
5.И одним из самых существенных ограничений является то, что бетон, используемый при контурной заливке, застывает лишь при плюсовой температуре, что сводит на нет возможность использования подобных 3D принтеров зимой или в холодном климате.
6. Существует ограничение возводимых зданий по высоте. Они должны быть не более четырёх этажей. Из-за того что в конструкции здания используется специальный облегченный арматурный каркас, который укладывается лишь в процессе заливки бетона. Это сильно снижает прочность здания.
Подведя итого можно сказать, что эта технология имеет огромный потенциал в развитии, но требует существенных доработок и дополнительных финансовых вложений. И пока оправдывает себя лишь при стационарном, промышленном и поточном производстве сложных бетонных изделий, пригодных для строительства быстровозводимых домов по принципу конструктора.
1. Зотов, С.П/Технология 3d-печати зданий и отдельных архитектурных форм/Зотов, С.П., Мензулов, Л.А., Вартанов, О.С
2. Обзорная статья по 3D-строительным технологиям[Электронный ресурс]https://geektimes.ru
3. Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки,образования и устойчивого развития. E. Canessa, C. Fonda и M. Zennaro
Источник: izron.ru
3D печать в строительстве
Технологии 3D-печати завоевывают мир и это настоящая научно-техническая революция, происходящая на наших глазах. Глядя на скорость претворения в обыденную жизнь идей, еще недавно фантастических, таких, как изготовление способом объемной печати протезов кистей рук человека, уже не только футурологи, но и специалисты уверенно говорят о грядущих значительных изменениях в жизни человеческого общества. И если в некоторых отраслях народного хозяйства практическая применимость 3D-печати уже не вызывает сомнений, это медицина, машиностроение, радиотехника и электроника, то в такой весомой отрасли как строительство, роботы объемной печати выглядят дорогими игрушками. Способны ли 3д принтеры на настоящую работу в строительстве?
Как известно, главное отличие 3D-принтера от любого другого промышленного робота в способе создания продукции. В частности, строительный 3D-принтер имеет сопло или экструдер и выдавливает из него быстротвердеющую рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие, называется рабочей зоной и имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла. Причем опалубки не требуется. То есть, строительная машина объемной печати декларируется как самодостаточный механизм, способный, при подключении электроэнергии, буквально на голом месте создать готовое здание.
Известно о трех способах создания объемной конструкции:
1. Послойное эктрудирование вязкой рабочей смеси. В этом случае из рабочего «сопла» выдавливается, подобно зубной пасте из тюбика, сметанообразная смесь бетона с добавками.
Первым сделал публичную презентацию о подобной технологии в строительстве, по видимому, профессор Барух Кошневиц из Южно-Калифорнийского Университета (University of Southern California) в августе 2012 года. Его же группа выдвинула концепт гигантского, собираемого на месте стройки принтера по типу мостового крана.
Группа учёных под руководством доктора Сунгву Лима из британского Университета Лафборо (Loughborough University), напечатали первую в мире пустотелую панель с двойными закруглёнными контурами.
На таком же принципе построены 3D-принтеры китайской компании Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co, которая первой напечатала серию настоящих домов в начале 2014 года.
2. Метод спекания/селективное спекание.
При этой технологии в рабочей зоне 3Д машины происходит расплавление рабочей смеси, причем плавление достигается, применительно к строительству, сконцентрированным лазером или солнечным лучом, а рабочей смесью выступает обычный песок. Известно, на момент написания статьи, о единственном существующем образце подобного устройства изобретателя Маркуса Кайзера, студента королевского Колледжа искусств (Royal College of Art).
3. Метод напыления/ компонентной склейки (стереолитография)
Известен, в частности, рабочий образец группы Каталонского Института передовой архитектуры (IAAC) (группа Петра Новикова) под названием Stone Spray Robot, а так же система D-Shape, разработанная Энрико Дини (Monolite UK, (частная компания)) для строительства зданий. При этом из рабочего сопла выходит струя песка, которая тут же смешивается с клеящим составом/катализатором, образуя объем в программно заданной точке.
Методы спекания и напыления, изящны по идее задумки, так как используется солнечная энергия, экологически безвредны (по крайней мере, пока песка на планете много), на движение песчаных струек можно смотреть часами и изделия выходят очень непривычных форм. Что ж, уже сейчас вполне возможно соорудить таким способом малые архитектурные формы, цветочницу, например, или собачью будку. Пока же сложно даже представить, каков будет получаемый эксплуатационный эффект при создании настоящего, пусть и небольшого, домика из расплавленного и превратившегося в стекловидную массу песка.
Из перечисленных способов формирования объема, внимание строителей привлекает в первую очередь, метод послойного экструдирования во многом потому, что уже сейчас созданы достаточно большие несущие поверхности и даже настоящие дома.
И если Европейские архитекторы демонстрируют в первую очередь, эстетическую и экологическую направленность, то Китайцы в своих разработках предельно прагматичны.
Многих романтиков 3D откровенно разачаровала серия простых и грубовато выглядящих домиков китайской фирмы. Между тем, упускается из виду, что эти прямоугольные простецкие сооружения являются звеном четко обозначенной технологической цепочки.
Планируется массово построить фабрики по переработке строительных отходов и мусора, полученный материал будет использоваться при подготовке рабочей смеси для 3Д принтера. Учитывая большие достижения Китая в области биоэнергетики, а именно распространенность ветровых, солнечных и биоэлектростанций, можно предположить, что на свалках строительного мусора будут установлены гигантские измельчители строительного мусора, питаемые электроэнергией от ближайшей биоэлектростанции.
Построенные из запатентованного материала ( представляющего собой смесь строительного мусора, бетона и добавок), дома, сегментируются в классе недорогого быстровозводимого жилья. Этим и объясняется их неказистый вид.
Если говорить о технологиях 3D-строительства. то я бы поставил на первое место отнюдь не сам 3D-аппарат. Строительный принтер является звеном новой технологии, причем не самым, возможно, технически сложным.
Ведь конструкция строительного робота достаточно отработана. а домов пока – только китайская серия. Уже существуют во многих экземплярах два вида конструкций –в виде козлового крана и в виде стрелы-манипулятора.
Гораздо больше вопросов вызывают состав рабочей смеси и концептуальные архитектурные формы. Вообще, при составлении рабочего вопросника по теме с ходу образовалось более 30 пунктов, ответ на некоторые из них, по шутливому замечанию инженера Зотова, требует написания приличной монографии. Группа Зотова уже разработала состав рабочей смеси и 3D-принтер в варианте «мостового крана».
Так же, интересную концепцию, основанную на идее подачи рабочей смеси под высоким давлением в 3D-принтер, имеющий довольно изящную мостовую конструкцию, предложил промышленный дизайнер Себастьян Бернар.
Подача густого бетона под высоким давлением, переводит технологию объемной печати в достаточно реальные рамки. Далее, ведутся разработки материалов специально под применение данной технологии. В России известны исследования в Пензе, на кафедре ТБКиВ Пензенского ГУАС разрабатываются новые виды бетонов. Новые высокопрочные реакционно порошковые бетоны (РПБ) вполне подходят для строительных роботов.
Для выстраивания технологического процесса, помимо рабочей смеси, важным моментом является архитектура самого здания и группы зданий как единого строительного объекта. Самым перспективным направлением для России, по видимому, является строительство поселка из двухэтажных таунхаусов арочных форм. Примерно таких, как куполообразный дом архитектора Гребнева.
Формат арочного дома в два этажа позволит использовать сравнительно небольшие и недорогие 3D-принтеры, решит проблему перекрытий и позволит строить, действительно, быстро, массово и недорого. И красиво. В масштабе поселка, можно будет использовать и мостовые принтеры, так как рельсовый путь (не обязательно из металлических рельс) будет перемещаться по мере продвижения строительства.
Много вопросов вызывает непосредственно технология строительства. Во первых, как на прочность конструкции будут влиять швы, идущие через каждые три-пять сантиметров. Во вторых, существующий (из известных) процесс укладки арматуры достаточно спорен. Китайцы армируют стеклопластиковой сеткой. По крайней мере, она видна на видеозаписи процесса.
Есть мнение о применимости фибробетона и возможно, такой купол в один –два этажа выдержит сертификационную процедуру. Предлагается так же соединять арматуру на штивтах, свинчивать и пр. Конечно, пока это обходные меры. Возможно, проблема онлайн-армирования будет решена применением двух роботов сразу: один монтирует арматуру, другой укладывает смесь. Ситуация автоматизации упрощается тем, что опалубка отсутствует как «класс».
С монтажом инженерных систем в плане вентиляции, канализации и отопления дело решается проще. 3Д принтеры – это роботы с достаточно точной повторяемостью операций и состыковка элементов труб в заданной последовательности вполне осуществима. Естественно, промышленным дизайнерам придется поломать голову над новыми конструкциями элементов инженерных систем.
В целом, большинство подобных технических проблем характерны для переходного периода, в который вступают 3D-принтеры. Какое то время будут сосуществовать старые и новые технологии, время необходимое, в первую очередь, для психологического привыкания. Когда некоторые строители критикуют 3Д процесс, они критикуют эволюцию – «вот, мол, принтер большой, дорогой, шумит и потребляет электричество, а дом ваш развалится. И вообще, связка — панель плюс «таджикстрой» –дешевле не бывает».
Так вот, строительный 3D-принтер — это не эволюция. У многих в голове еще не укладывается именно этот момент, потому как это революция, и ее надо осознать.
Действительно, сегодня сложно представить, насколько изменится структура строительной фирмы, или ее подразделения, специализирующейся на коттеджных поселках. По видимому, не будет приписок и «допников» у прорабов, не будет сменных молдавских, белорусских и прочих бригад.
Лицом фирмы станет небольшая команда специалистов и пара роботов; инженер-оператор 3D-робота ( 3 человека при трех сменах), диспетчер-логист (нынешний снабженец) и далее –смежники –возят рабочую смесь, монтируют ИТ системы. Еще несколько специалистов в ходе процесса монтируют арматуру, закладные и окна с дверьми. В штате строительного подразделения — 12 человек, с фондом зарплаты миллион рублей в месяц. За этот месяц такая команда поселок целиком сдает в эксплуатацию. Фантастически короткие сроки строительства, помимо прочего- это и отсутствие финансовых разрывов в строительном цикле, и снятие проблемы сезонных природных циклов.
3D-принтер в строительстве –это роботизация производства, своего рода конвейер. естественно, все смежные отрасли в этой цепочке соответствуют стандартам эпохи роботов. Где будет производиться рабочая смесь, как будет решаться транспортная логистика (если раствор готовится рядом с возводимым объектом, то доставка не нужна), формат склада комплектующих ( создается общий на весь поселок или смежник подвозит партию на конкретный домик), на эти и многие другие вопросы решение, несомненно, будет предложено. Специалисты, ведущие разработки технологий объемной печати, действуют очень активно, 3D методы внедряются в жизнь общества с небывалой со времен первой НТР скоростью. Если во время презентации Баруха Кошневица, состоявшейся в 2012году, осторожно назывались 2017-2020 годы как порог начала эксплуатации строительных роботов, то в реальности, уже в феврале 2014 года была демонстративно напечатана серия настоящих домов в Китае.
Помимо возможности строить по настоящему недорогое массовое жилье, скажем так, стандартного класса, появляются оригинальные концепты, предлагающие возможность снять остроту нехватки жилья в мегаполисах. В Германии Петер Эбнер и его студенты напечатали дом-ракушку.
Использование в этом, в общем-то известном, концептуальном направлении, 3D технологий, позволяет массово и сравнительно недорого строить и эксплуатировать теплые «домики-раковины» и в «северной» Москве. Очень многие жители ближайшего Подмосковья приобрели бы такие скорлупки на территории внутри МКАДа, для проживания в них с вечера понедельника по утро пятницы.
Можно сказать, что сейчас уже сформировались условия и определенные рамки, когда архитектор, инженер ПГС и технолог-строитель в состоянии выдать реально осуществимый, социально направленный проект в прибыльном бизнес — формате. Естественно, при помощи специалистов- материаловедов, логистов, профильных инженеров проектировщиков. Только комплексное решение вопросов: социально востребованных архитектурных форм и формата поселения, удобно монтируемых инженерных компонентов и специального строительного материала, плюс автоматизированная транспортно-складская логистика, позволят говорить о революции в строительстве. А уж изготовители 3Д принтеров не подкачают.
По матариалам хабрахабр.
Источник: club.cnews.ru
Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы. Часть 1
«Способ строительства жилья не изменялся последние 10 тысяч лет — самые старые постройки также используют столбы и балки. Но это далеко от того, что реально существует в природе», — считает Platt Boyd, основатель проекта Branch Technology (США).
Сегодня строительная промышленность, возможно, стоит перед самым большим выбором будущих направлений развития. Основные причины — демографические изменения (к 2100 г. население планеты достигнет 11 млрд жителей) и растущая глобальная урбанизация (на 2017 г. половина населения живет в городах, к 2050 г. число горожан достигнет 75 %). Традиционные методы строительства не смогут решить возникающие задачи и проблемы. Поэтому требуются новые подходы к строительству жилья и инфраструктуры жилых районов.
Широкое обсуждение аддитивных технологий в последние несколько лет привело к появлению различных приложений АМ (аддитивного производства) в строительстве. Появилось немало разработчиков таких приложений и проектов с их использованием по всему миру. В их числе как энтузиасты-одиночки, так и большие команды, включающие архитекторов, строителей, инвесторов, университеты и крупные производственные компании.
Объем мирового строительного рынка огромен (табл. 1). При этом рынки развивающихся стран показывают темп развития 5,3 %, рынки развитых стран — 2,2 % в год. Наиболее привлекательные регионы для строительства — Ближний Восток и Африка, Южная Америка. Строительство сегодня является одной из самых ресурсозатратных отраслей производства.
Оно расходует 36 % энергии, 30 % сырьевых материалов, 12 % питьевой воды (на примере США [1]). В то же время строительство имеет крайне неэффективную низкую производительность даже в таких странах, как США, Великобритания, Сингапур и Гонконг [2].
| 2010 | 7,4 | 3,1 |
| 2015 | 8,5 | 3,8 |
| 2020 | 10,3 | 3,9 |
Посмотрим, как новые технологии и новые материалы для них способны кардинально изменить ситуацию. Будем рассматривать только те технологии, которые можно отнести к аддитивным (АМ).
Технологии 3D-печати в строительстве
Сущность 3D-печати строительных конструкций заключается в послойном отвердении строительной смеси по 3D-модели, подготовленной методом компьютерного 3D-моделирования (рис. 1).
Рис. 1. Портальный принтер в работе (S‑6044 Long компании «Спецавиа»)
Модель в формате STL или SLC разбивается на слои программой подготовки рабочего файла, который затем отправляется на 3D-принтер для печати. Печатающая головка принтера, двигаясь вдоль направлений X и Y, печатает рисунок сечения модели строительной смесью, например, бетоном, гипсом или каолиновыми смесями. При завершении слоя головка поднимается вдоль направления Z на толщину нового слоя, печатает новый слой, и так до завершения построения изделия.
Печатающая головка конструктивно состоит из бункера (накопителя) с мешалкой, шнекового экструдера (не исключено применение других видов, в том числе и роторного), который формирует необходимый слой бетона (рис. 2). Во время печати можно оперативно корректировать геометрию выдавливаемого слоя, изменять скорость печати, добиваясь максимального качества.
Рис. 2. Печатная головка принтера
Все исходные компоненты смешиваются в подобранном соотношении в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. Затем полученная смесь подается в печатающую головку 3D-принтера. Вес замеса от 10 до 100 кг. Подача готового раствора в головку может производиться в ручном режиме и автоматически. Рабочая смесь может замешиваться непосредственно в печатающей головке, что актуально для быстрой печати или для печати с нависаниями с использованием быстротвердеющих составов.
Армировать изделия можно следующими способами: добавлять в бетонную смесь фиброволокно, укладывать арматуру между слоями во время печати, армировать полости изделий с последующей заливкой этих полостей бетоном. Для армирования лекальных полостей идеально подходит композитная арматура, что значительно уменьшает себестоимость строительства.
После завершения печати печатающая головка извлекается из 3D-принтера и очищается мойкой высокого давления. Сформированное небольшое по размерам изделие остается на поддоне и может сушиться в естественных условиях либо подвергаться нагреву до набора прочности при более высоких температурах. При печати каолиновыми смесями с использованием глины и шамота предполагается последующий обжиг изделий. При печати непосредственно на строительной площадке фундамента или стен следует выдерживать необходимые сроки, чтобы бетон набрал нужную прочность.
С помощью 3D-печати могут быть изготовлены строительные конструкции и другие бетонные и гипсовые изделия сложной геометрии. При этом значительно сокращается время цикла от проектирования до производства (примерно в 8–12 раз), происходит экономия средств и времени за счет отсутствия опалубки, которую обычно приходится изготавливать заранее под каждую конкретную строительную конструкцию.
В зависимости от конструкции строительные 3D-принтеры можно разделить на следующие типы:
1. Портальные — в которых печатающая головка перемещается по направляющим в пределах рабочей зоны, ограниченной по площади (X, Y координаты) опорами и по высоте (Z) — расстоянием до головки при ее максимальном подъеме. Пример — принтеры компаний Winsun (Китай) и ООО «Спецавиа» (АМТ — резидент Сколково, Россия) — рис. 3, 1 соответственно.
Рис. 3 Портальный 3D-принтер компании Winsun (Китай)
2. Разновидность портальных принтеров с так называемым Дельта-приводом головки. Идея нашла широкое применение в пластиковых 3D-принтерах, работающих по технологии FDM. Пример — принтеры компании WASP (Италия) — рис. 4.
Рис. 4. Образец структуры из биополимера (FILOALFA), который печатается с головкой SPITFIRE на 3D-принтере дельта типа.
3. Мобильные 3D-принтеры, когда 3D-принтер оснащен рукой-роботом и установлен на шасси, которое может перемещаться самостоятельно или с помощью крана (рис. 5).
Рис. 5. Роботизированный комплекс на шасси компании Branch Technology, США
4. Роботизированные комплексы: оснащены рукой-роботом Kuka, ABB и других производителей. Робот может перемещаться в пределах рабочей зоны по направляющим рельсам (рис. 6). При этом зона застройки практически не ограничена.
Рис. 6. Роботизированный комплекс с перемещением по рельсам компании Branch Technology, США
5. Гибридные конструкции:
— комбинация портального 3D-принтера и робота (компания Contour crafting corporation (CCC), рис. 7)
— управление печатающей головкой (с использованием полярных координат) и перемещением по высоте происходит за счет использования телескопического устройства (рис. 8, компания Apis Сor).
Рис. 7. Роботизированный комплекс, оснащенный печатной головкой и манипулятором для укладки элементов дома (компания ССС, США)
Рис. 8. 3D-принтер компании Apis Сor с телескопическим устройством
6. Комплекс для печати сетчатых структур — рука-робот для подачи металла (рис. 5) или пластика (рис. 6).
7. 3D-принтеры большого формата для печати элементов декора, оформления фасадов, входных групп, окон и элементов интерьера, работающие по технологии FDM с использованием широкого круга термопластиков (Россия, ООО «Спецавиа»).
Первые теоретические разработки по использованию роботов в строительной отрасли появились под руководством профессора университета Южной Калифорнии в США Behrokh Khoshnevis [3] еще в 1996 г. Его команда в дальнейшем представила три новые технологии под названием Contour crafting (CC). Преимущества их применения очевидны [4] — наряду со снижением в 5 раз затрат на коммерческое строительство, отсутствием отходов стройматериалов, сокращением времени изготовления акцент по затратам переносится с физической работы на интеллектуальную (табл.
2). А это означает, что строительство становится рынком для потребителей, когда семья может сама проектировать будущий дом для проживания. А также взять в лизинг оборудование СС в ближайшем магазине стройматериалов и в соответствии с инструкцией построить свой дом. Более того, впервые в строительной отрасли можно привлекать труд женщин и пожилых людей для участия в конструировании. В настоящее время СС- технологии могут использоваться для строительства малобюджетного жилья и временного жилья для пострадавших и спасателей в зонах стихийных бедствий и военных конфликтов.
| 20—25% | Финансирование | Короткая продолжительность проекта с быстрым выходом на рынок резко снижают стоимость проекта |
| 25—30% | Материалы | Отсутствие отходов при строительстве |
| 45—55% | Работа | Существенно снижен ручной труд. Физическая работа заменена интеллектуальной. Женщины и пожилые работники могут впервые найти новые возможности по работе в строительстве |
В начале 2018 года компания Contour Crafting Corporation готовится выпустить первую серию роботизированных 3D-принтеров для строительной индустрии. Серийное оборудование будет иметь рабочую зону 8×13 м и может быть увеличено по запросу заказчика. Вес комплекса менее 300 кг, что значительно легче традиционных строительных машин. Оборудование может быть доставлено заказчику и на строительную площадку обычным грузовиком, причем при необходимости в стандартный морской контейнер можно поместить несколько комплексов. Два подготовленных специалиста могут контролировать процесс строительства.
Технология сетчатых металлических форм — МММ (Mesh Mold Metal) Platt Boyd — основатель проекта Branch Technology, предложил создавать сетчатые структуры с помощью роботизированного комплекса (рис. 6) [5]. Комплекс представляет собой робот KUKA на платформе, которая может перемещаться по направляющим рельсам длиной 10 м и печатать из ABS-пластика стены для выставочного стенда компании. Начав опыты с роботом с рабочей зоной 1,3×1,3×1,0 м, сейчас компания использует робот KR90
и способна строить структуры с размерами 8,25×19,1×2,1 м в объеме 324 куб. м.
Platt в течение 15 лет работал в архитектурном бюро в Алабаме и уже тогда начал интересоваться более естественной формой строительства. Он даже стал собирать коллекцию изображений природных форм под названием Beautiful and Amazing Collection (рис. 9) и использовать их в архитектурных проектах [6]. Пример жилого комплекса (рис. 10) показывает одно из решений.
Дом разделен на две зоны – дневную и ночную с двумя огромными окнами в торцах и промежуточной подсветкой посередине.
Рис. 9. Фото из коллекции Beautiful and Amazing Collection
Рис. 10. Пример жилого комплекса
В 2013 г. он пришел к пониманию того, что нужно использовать не одни только послойные технологии выращивания объектов, а, как и в природе, требуется симбиоз различных решений, технологий строительства. Первое открытие он сделал на выставке того же года, когда не нашел ни одного решения использования роботов для печати стен.
Другое открытие касалось возможности архитекторов создавать любые формы для элементов здания. Более того, он убедился, что сетчатые структуры панелей более прочны в сравнении, например, с традиционными деревянными панелями уже при добавлении только пены (примерно на 30 %), а при нанесении бетона на внешнюю поверхность панели ее прочность аналогична прочности цельной бетонной стены такого же размера (рис. 11, 12). При этом панели очень легкие. Так, пластиковая стена весом 0,7 кг выдерживает нагрузку в 700 кг, а пластиковая стена весом 1,1 кг с нанесенной пеной — вдвое выше: 1400 кг.
Рис. 11. Устройство сетчатой структуры стены
Рис. 12. Сетчатая структура с пеной выдерживает значительную нагрузку
Какой видится перспектива технологии компании Branch Technology? 3D-печать рассматривается только как основа для создания сетчатых структур-матриц для стен зданий с любой сложной геометрией.
Далее могут использоваться традиционные строительные материалы: для внутренней отделки распыляется пена и покрывается гипсокартоном; на внешней поверхности применяется бетон и далее любые отделочные материалы (кирпич, штукатурка и т. д.). Для реализации этой идеи планируется создать производство крупноразмерных отдельных элементов стен по запросам клиентов со всего мира и далее доставлять их заказчикам.
А уже на месте из этих элементов собирается готовый объект с использованием традиционных технологий и материалов. Мнение Platt о возможности использования робота на строительной площадке однозначно: «Пока высокотехнологичное производство недостаточно надежно, чтобы выжить на открытом воздухе». Один из важнейших моментов: получение международных строительных сертификатов и использование технологии в строительстве — процесс долгий. Поэтому пока компания объявила конкурс на дизайн зданий, которые будут строиться методом сотовой сборки.
На конференции «Цифровое производство из бетона» (ETH) в Цюрихе (май 2017 г.) группа авторов (Nitish Kumar, Norman Hack, Kathrin Doerfler и др.) представила доклад «Проектирование, разработка и экспериментальная оценка применения роботизированного комплекса в нестандартном строительстве». В нем описывается технология роботизированного производства стальных сетчатых структур произвольной формы с разными размерами ячеек, которые могут быть использованы как арматура и как опалубка (рис.
13). Технология получила наименование Mesh Mold Metal (MMM) — сетчатая металлическая форма [7, 8]. Она позволяет интегрировать арматуру в конструкцию естественным образом, и в то же время решается проблема появления так называемых холодных стыков. Так как бетон заливается одновременно, то условия гидратации будут одинаковы для всей конструкции.
Рис. 13. Пример сетчатой структуры с различной кривизной по разным направлениям для последующего заполнения бетоном без опалубки и головка робота для ее создания
Размер ячеек сетки, их плотность и расстояние между соседними поверхностями структуры определяются из тех соображений, что свежий бетон должен заполнять весь объем структуры, но при этом не должен выходить наружу через боковые ячейки. Опытным путем было установлено, что оптимальный размер ячейки для проволоки размером до 4 мм составляет 10–15 мм, для повышения производительности нужно увеличить диаметр проволоки до 6 мм, соответственно, будет увеличен и размер ячеек. Пример готовой структуры, залитой бетоном, показан на рис. 14.
Рис. 14. Пример сетчатой структуры, заполненной бетоном с ручной финишной отделкой
В 2018 г. планируется построить пилотный демонстрационный проект размерами 13 м в длину и 3 м в высоту. Это будет реальная стена будущего двухэтажного дома. Концепция сочетает в себе мобильность, гибкость, автономность, модульное построение, построение объекта в заводских условиях (рис. 15).
Рис. 15. Использование роботов для построения сложных пространственных структур
В другой работе, представленной на той же конференции в Цюрихе, автор C. Menna из университета Неаполя изложил некоторые принципиальные положения, которые необходимо рассматривать при использовании АМ-технологий в строительстве.
В частности, он запатентовал четырехшаговую процедуру подготовки 3D-печати балки как основы любого строительства.
1. Заданный вид балки (рис. 16).
2. Переменные высоты поперечного сечения.
3. Разбиение балки на сегменты.
4. Оптимизация топологии и конфигурации арматуры.
Рис. 16. Модульная модель арки для построения моста и профиль вулкана Везувий — как основа дизайна пролета моста
А также он сформулировал требования к материалу из бетона:
1. Свежеприготовленный: применимость — возможность смешивать и подавать насосом в течение требуемого промежутка времени; возможность экструдирования — поддержание непрерывного потока материала; пригодность к строительству — не «плывет» и выдерживает нагрузку в несколько слоев после экструзии;
2. Затвердевший: анизотропия — механические свойства зависят от направления печати и размеров поперечного сечения.
В примере построения пешеходного моста за основу взята модель арки «Везувий» (рис. 16) по аналогии с природным профилем.
Оптимизация проводилась по следующим параметрам:
— минимальный вес при минимальном прогибе при полной нагрузке;
— напряжение на сжатие;
— количество сегментов;
— толщина слоя бетона при построении;
— конфигурация усиления металлическими стержнями;
— взаимное влияние крепления сегментов друг на друга;
— экономия бетона, времени и стоимости.
Элемент балки и балка в сборе показаны на рис. 17, 18.
Рис. 17. Сегмент арки моста (время построения 10 минут)
Рис. 18. Арка моста в сборе с металлическими усилениями
Следует отметить, что если первые попытки роботизации в строительстве (Япония, 1980‑е) были направлены на автоматизацию или замену ручного труда, то нынешняя ситуация с внедрением роботов предполагает их использование архитекторами для создания сложных нестандартных конструкций из бетона как основного строительного материала. Из диаграммы (рис. 19) видно, что при традиционном способе более 58 % стоимости построения приходится на опалубку и работы по ее установке и снятию.
Рис. 19. Вклад в конечную стоимость построения с использованием опалубки
Материалы
В качестве расходных материалов для строительных 3D-принтеров можно использовать готовые сертифицированные смеси (рис. 20) промышленного производства, или готовить самостоятельно на основе доступных компонентов, или использовать местные строительные материалы типа песка или вулканических пористых пород.
После специальной обработки и использования специальных добавок можно получить недорогие строительные материалы для 3D-печати применительно к региону, где планируется использовать 3D-принтер. Это особенно актуально для реализации грандиозных проектов по ликвидации трущоб в мегаполисах Латинской Америки, Индии и др. Рабочим материалом для строительных 3D-принтеров служат следующие материалы: цемент (портландцемент), песок (двуокись кремния, оливин, хромит, циркон, глинозем, муллит, кварцевое стекло, шамот), гипс, модифицирующие добавки, пластификаторы, антизамерзающие добавки, фиброволокна, ускорители (замедлители) отвердения и вода.
Основной строительный материал — армированный бетон. Он хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие, при этом имеет низкую стоимость и широко распространен. У него давняя история в архитектуре, связанная с именами Le Corbusier, Eero Saarinen или Pierluigi Nervi. К сожалению, использование традиционной опалубки при строительстве объектов со сложной геометрией составляет до 75 % стоимости строительства. И чаще всего эта опалубка одноразовая.
Геополимерные смеси для экологически чистого бетона были разработаны компанией Renca [9], основанной предпринимателями из Челябинска Андреем и Мариной Дудниковыми. Геополимерная технология была открыта французским химиком Джозефом Давидовичем в 1978 году и сейчас продолжает изучаться в созданном им же Институте геополимеров (Institut Géopolymère).
Из-за своей структуры геополимеры устойчивы к огню, а также ко многим растворителям и агрессивным средам. Благодаря этим качествам они часто применяются в сфере строительства. Например, в 2014 году компания Wagners построила из геополимерного бетона аэропорт в городе Брисбен (Австралия), а затем создала геополимерные плиты-перекрытия для Квинслендского университета. Кроме того, геополимеры можно использовать для восстановления подземных коммуникаций: американская компания Milliken при помощи роботов разбрызгивает геополимерную пену GeoSpray внутри старых сточных труб, таким образом восстанавливая их и защищая от внешних воздействий.
По сравнению с обычным (портландцементным) бетоном геополимерный бетон более экологичен: он не требует использования ископаемых ресурсов, во время его производства затрачивается в 10 раз меньше электроэнергии и выделяется на 90 % меньше углекислого газа. Кроме того, геополимерный бетон устойчив к огню, кислотам и обладает хорошей водостойкостью. По словам основателей «Геобетона», изготовление смеси для 3D-печати на базе портландцемента с аналогичными характеристиками обходится на 30–40 % дороже.
Материал на основе лигнина — искусственная древесина. Специалистами ООО «ЭкоФорм 3Д» разработан и запатентован способ получения композиций из натуральной древесины, лигнина, целлюлозы и композитов на их основе, а также совместно с ГК «Спецавиа» создана пилотная установка для активации древесины и приготовления формовочной массы и разработана технологическая линия (оборудование и технология) для получения из древесного сырья различных изделий строительного назначения
и мебели.
Технологическая линия включает в себя малоформатный мобильный принтер марки SD‑2020, разработанный и изготовленный ООО «Спецавиа», позволяющий осуществлять 3D-печать изделий строительного назначения и мебели (размер рабочей зоны 2,5×1,6×0,8 м). Принтер смонтирован на базе штатного прицепа к легковому автомобилю. Загрузку и разгрузку принтера (вес 520 кг) легко может сделать один человек при помощи лебедки, входящей в комплектацию прицепа. Принтер оснащен мощными приводами, позволяющими быстро и точно перемещать печатающую головку с накопителем до 32 литров.
Рис. 20. Сертифицированные строительные смеси для 3D-принтеров (РФ)
Искусственная древесина — это термопластичный композиционный материал на основе натурального лигнина, выделенного запатентованным способом гидро- термомеханической (кавитационной) обработки древесины без применения химических реагентов. Исходным материалом для переработки может служить нетоварная древесина (ветки, листья, опилки и др.)
Строительная смесь для печати cодержит зернистый материал с размером зерна более 0,5 мм от 10 до 60 % массы и дисперсный материал с размером зерна менее 0,1 мм от 40 до 90 % массы. Смесь предварительно приготавливают из двух или нескольких компонентов и смешивают до получения однородной массы. Не исключается вариант ее приготовления непосредственно в печатающей головке.
В качестве жидкости используют воду с добавками пластификаторов, фиброволокон и ускорителей (замедлителей) отвердевания, а полученное изделие выдерживают не менее 2 часов с последующей естественной или принудительной сушкой. Дополнительно в смесь можно вводить наполнители, пластификаторы, антизамерзающие добавки, связующие материалы.
Общие положения работы с материалами
Возможности и технические решения. Перспективы АМ в строительстве
Ограничения связаны с отсутствием нормативной базы для использования АМ-технологий в строительстве. Поэтому сейчас в большинстве стран разрешено строительство домов не выше второго этажа. Хотя в Дубае, например, планируется до 25 % жилья, в том числе высотного, строить с применением АМ-технологий к 2030 г.
В РФ: конструкционный бетон для строительства высотных зданий по нормативам содержит не менее 20 % портландцемента. При использовании АМ-технологий это требование выполняется, поскольку материал для принтера нужен только для печати несъемной опалубки при построении многокамерных стен. Одна из камер выполняет функцию армопояса, куда укладывается арматура и заливается затем товарным бетоном нужной марки.
Перспективы АМ можно видеть в новых материалах, таких как самовосстанавливающийся бетон (залечивание трещин), аэрогель (сверхизолирующий материал, 99,98 % воздух), наноматериалы (сверхпрочные, сверхлегкие материалы для замены стальной арматуры), а также в новых подходах к строительству, таких как трехмерная печать и предварительно собранные модули. Все это может снизить затраты, ускорить строительство и повысить качество и безопасность.
Наибольшие перспективы просматриваются в сочетании роботизированных комплексов с традиционными технологиями строительства. ■
Источник: industry3d.ru
Перспективы применения технологии 3D реального времени в архитектуре и строительстве
Узнайте о том, как компании в области архитектуры и строительства осваивают 3D реального времени, меняя подходы к проектированию, строительству и эксплуатации зданий.
Прежде чем приступить к обсуждению 3D реального времени, поговорим о том, как ваши коллеги внедряют их в свою деятельность.
Благодаря своим преимуществам, технология 3D реального времени стала завоевывать новые позиции в архитектуре, проектировании, строительстве, энергетике, государственном управлении, здравоохранении, транспорте и во многих других отраслях.
3D реального времени (RT3D) — это технология компьютерной графики, которая генерирует интерактивный контент быстрее человеческого восприятия. Загляните на эту страницу, чтобы узнать подробные сведения об этой технологии.
Интерактивность — это ключевое преимущество 3D реального времени. В отличие от кинематографа, создающего иллюзию движения без возможности активного участия зрителя в процессе, 3D реального времени погружает зрителя в цифровую реальность, создавая ощущение аутентичности и давая возможность управлять происходящим, аналогично видеоиграм.
Приложения с 3D-графикой реального времени имеют две фундаментальные особенности:
- иммерсивность, благодаря приближению цифровой реальности к аналоговому восприятию реального мира;
- интерактивность, благодаря возможности пользователю точно контролировать происходящее и выбирать точку обзора.
Существует много способов применения технологии 3D реального времени, но основное направление для этих компаний — разработка и выпуск приложений, сочетающих цифровые модели зданий с информацией из других источников, например, метаданных и датчиков. Иногда называемые «цифровыми двойниками», эти модели выглядят и ведут себя аналогично реальному продукту. Эти приложения можно запускать на мобильных устройствах, компьютерах, гарнитурах дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальности и на других платформах.
Ознакомившись с технологией 3D реального времени, прогуляйтесь по нашему лондонскому офису, воссозданному в 3D реального времени с помощью Unity.
Загрузка может занять пару минут, но уверяем вас, оно того стоит. Пока идет загрузка, вы можете продолжить чтение.
Знакомьтесь с интерьером и не забывайте, что вы можете менять время суток и отдельные элементы дизайна.
Одна из важнейших проблем у компаний из индустрии архитектуры и строительства — повышение эффективности и продуктивности. Исправление недостатков, вызванных недостаточно эффективной организацией работ, отбирает у компаний строительной отрасли около 450 млрд $ в год. Согласно отчету McKinsey
Для обеспечения производительности при максимальном качестве визуализации на различных платформах 3D-контент обычно требует оптимизации. Этот процесс позволяет сделать из сложных проектов модели, удобные для визуализации и совместимые с процессом разработки приложений с графикой реального времени, поддерживающие нужную степень интерактивности на телефонах и VR-гарнитурах. Компании могут использовать простые и эффективные решения, например, Unity Reflect, которое автоматизирует подготовку данных для графики реального времени, или инструменты, дающие контроль над всеми аспектами процесса, например, Pixyz.
После подготовки ассетов к 3D реального времени можно приступать к разработке приложения. Создание сцен можно ускорить с помощью 3D-моделей, объектов, окружений (то есть виртуального мира) и других ресурсов из Unity Asset Store. Unity ускоряет итерацию и настройку компонентов, например, анимации, звука, видео, кат-сцен, окружений, освещения, пользовательского интерфейса, визуальных эффектов и многое другое. В любой момент разработки пользователь может оценить результаты своей работы в среде реального времени: визуализация происходит мгновенно, не заставляя ждать результатов рендеринга.
Для сложных корпоративных приложений Unity предлагает дополнительную гибкость благодаря следующим компонентам.
- Искусственный интеллект (ИИ): Unity предлагает богатый набор инструментов для машинного обучения (МО) и средства интеграции с множеством платформ для ИИ и МО, что особенно полезно для обучения и проверки систем интеллекта на примере моделей окружений.
- Проектирование систем:Prespective, другой партнер Unity в области проверенных решений, предлагает мощную платформу проектирования систем для интеграции Unity с внешними системами управления, включая программируемые логические контроллеры или программные эмуляции систем управления и внешние математические модели, например, единицы функционального моделирования (FMU) или MATLAB.
Интеграция в предприятие: мощный интерфейс программирования приложений Unity (API), встроенные сетевые функции и интеграция в сторонние сетевые стеки — это надежная и отказоустойчивая система внедрения функций дистанционной совместной работы, интеграции с системами «интернета вещей» (IoT) для цифровых двойников или любыми другими сетевыми приложениями.
Ценность 3D реального времени, как среды потребления, кроется в ее способности создавать параллельную реальность. Наш мир трехмерен — мы передвигаемся, думаем и воспринимаем в трехмерном пространстве. По сравнению со статичным контентом, например, изображениями и видео, расширенный эффект присутствия в моделируемом виртуальной средой пространстве дает ряд преимуществ, например, улучшение процесса решения проблем, повышенное усвоение знаний, улучшение вовлеченности и понимания и многое другое.
Unity предлагает богатый набор моделей взаимодействия, позволяющий в реальном времени взаимодействовать с работающими приложениями на мобильном устройстве, в браузере, в AR-гарнитуре, с полным погружением в VR-окружение и многое другое. 3D реального времени также можно встроить в существующий контент, например, в мобильное приложение или в страницу интернет-магазина.
Потребителями контента с 3D-графикой реального времени могут выступать как участники проекта, например, специалист на площадке, проходящий обучение технике безопасности в VR-гарнитуре, так и сторонняя аудитория, например, потенциальные покупатели со всего света, осматривающие объекты еще до того, как они построены. Это могут быть приложения как для отдельных пользователей, например, для архитекторов, выполняющих анализ проекта в реальном времени, так и для групп, например, для совместного выявления проблем дизайна до начала строительных работ, который проводит коллектив дизайнеров и строителей для снижения необходимости в запросах на внесение изменений, ускорения строительства и сокращения затрат.
Источник: unity.com