3д печать в строительстве реферат

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

Ваш е-мэйл

Заполните, если хотите получить ответ

Оцените наш проект

1

2

3

4

5

Автор:   •  Июнь 11, 2019  •  Реферат  •  3,397 Слов (14 Страниц)  •  2,736 Просмотры

Страница 1 из 14

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Строительные конструкции»

Реферат на тему

«3D-печать в строительстве»

по дисциплине

«Введение в специальность»

Выполнил: студент гр. БПС-17-01           ____________          Валеев Э.А.

Преподаватель:                                         ____________           Шаймухаметов А.А.

Уфа

 2018[pic 1]

Содержание.

Введение        3

  1. Общая характеристика 3D-печати в строительстве        4
  2. Технологии 3D-печати        5
  3. Основные методы, используемые в 3D-строительстве        7
  4. Проблемы, возникающие в процессе трёхмерного строительства….11
  5. Выводы и перспективы        12
  6. Список использованной литературы        14

[pic 2]

Введение

Сегодня автоматизированные и роботизированные технологии   используются для производства большого разнообразия продуктов, начиная с  потребительских товаров и заканчивая компонентами электронных устройств     и автомобильными деталями. Печать 3D является одной из новейших технологий, которая получила большую популярность в последние годы. Строительство является одним из крупнейших промышленных секторов, который еще не реализовал роботизированные технологии и продолжает использовать в основном человеческий труд. Применение 3D-технологий в строительстве будет в состоянии произвести революцию в отрасли и решить несколько важных вопросов, таких как высокие затраты на строительство, несчастные случаи на производстве, связанные с ручным трудом, длительное время строительства, большое количество строительных отходов и многие другие.  От 3 до 7 тонн отходов образуется в результате возведения типового дома для одной семьи. Особенно эффективно использовать такие 3D-технологии в малоэтажном строительстве.[1]

Согласно данным, предоставленным ООН, число людей живущих в трущобах, на сегодня составляет более 860 млн человек. Технология 3D-строительства домов может обеспечить людей качественным жильем с относительно низкой стоимостью. Более того, каждый из таких домов может иметь уникальный дизайн, который зависит только от 3D-модели. Еще одним важным преимуществом является то, что строительство с помощью 3D-печати считается прогрессивной технологией, поскольку потребляет меньше природных ресурсов и производит значительно меньше выбросов углекислого газа.

 Целью данного реферата является анализ нынешних 3D-технологий печати и изучение возможности их применения в наших климатических условиях, а также краткий обзор ряда проблем, возникающих в процессе внедрения трехмерных технологий печати в строительную отрасль.

  1. Общая характеристика 3D-печати в строительстве.

Всего несколько лет назад 3D-печать использовалась только дизайнерами и архитекторами для моделирования при создании новых конструкций. Тем не менее, на сегодняшний день существует много компаний на рынке, которые предлагают 3D-принтеры для строительства домов. Например, китайская компания Shanghai, используя оборудование на основе разработок Winsun, сообщила, что ею будет напечатано десять домов за один день в 2014 году. В 2015 году эта же компания завершила строительство шестиэтажного здания площадью 1100 кв. м.

Следует отметить, что существуют не только небольшие проекты, возводящиеся с помощью таких технологий. В 2016 году шейх Мохаммед бин Рашид аль-Мактум, правитель Дубая, запустил 3D-стратегию печати Дубая. Лидер ОАЭ планирует сделать свою страну глобальным центром технологий 3D-строительства к 2030 году. Все эти факторы говорят о том, что во всем мире проявляется недюжинный интерес к технологиям трёхмерного строительства.

Кроме того, появились компании, предлагающие трёхмерное строительное оборудование и технологии для применения в странах с  холодным климатом. Например, российская компания ApisCor.  В 2016 году еще одна отечественная компания напечатала 3D-копию замка из популярного сериала «Игра престолов».

Доступно только на Essays.club

Лунева Д.А., Кожевникова Е.О., Калошина С.В. Применение 3Б-печати в строительстве и перспективы ее развития // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. – 2017. – Т. 8, № 1. – С. 90-101. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.08

Luneva D.A., Kozhevnikova E.O., Kaloshina S.V. Application and prospects of 3D printing in construction activities. Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Construction and Architecture. 2017. Vol. 8, no. 1. Pp. 90-101. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.08

ВЕСТНИК ПНИПУ. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА Т. 8, № 1, 2017 PNRPU BULLETIN. CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE http://vestnik.pstu.ru/arhit/about/inf/

Б01: 10.15593/2224-9826/2017.1.08 УДК 624.05

ПРИМЕНЕНИЕ 3D-ПЕЧАТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Д.А. Лунева, Е.О. Кожевникова, С.В. Калошина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

АННОТАЦИЯ

Современные инновационные Эй-технологии развиваются достаточно быстро и все больше внедряются в различные сферы деятельности человека. В последнее время значительное внимание уделяется такой разновидности Эй-тех-нологий, как печать объектов на Эй-принтере, в которой используется метод послойного создания физического объекта по цифровой Эй-модели. Эй-принтеры применяются во многих отраслях промышленности: медицине, машиностроении, литейном производстве, радиотехнике и электронике. Их основными преимуществами являются создание объектов с высокой точностью и скоростью без использования ручного труда, а также возможность создания предметов и конструкций по Эй-модели. Строительная область не стала исключением в отношении применения Эй-печати. В настоящее время существуют технологии и устройства для печати как малых архитектурных форм, так и зданий в целом.

В данной статье рассматриваются различные технологии, применяемые в Эй-печати, их преимущества и недостатки, а также области применения и перспективы развития в строительной области. Дано краткое описание устройства и принципа работы Эй-принтера. Рассмотрены основные виды материалов и их комбинации, а также виды армирования конструкций, используемые при Эй-печати зданий и сооружений. Описаны разработки зарубежных компаний, в строительстве домов с помощью Эй-печати. Выявлены основные проблемы практического применения Эй-печати. Рассмотрены направления развития и совершенствования данной технологии.

© ПНИПУ

О СТАТЬЕ

Получена: 15 декабря 2016 Принята: Э0 декабря 2016 Опубликована: Э0 марта 2017

Ключевые слова: Эй-печать, Эй-принтер, аддитивное производство, селективное спекание, компонентная склейка, метод послойного экструдирова-ния, бетонная смесь, фибра, армирование, «контурное» строительство, система й-БИаре

© Кожевникова Елизавета Олеговна – студентка, e-mail: kozhevnikova0811 @yandex.ru. Лунева Дарья Александровна – студентка, e-mail: d.luneva2016@yandex.ru.

Калошина Светлана Валентиновна – кандидат технических наук, доцент, e-mail: kaloshina82@mail.ru.

Elizaveta O. Kozhevnikova – Student, e-mail: kozhevnikova0811 @yandex.ru. Dar’ia A. Luneva – Student, e-mail: d.luneva2016@yandex.ru.

Svetlana V. Kaloshina – Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, e-mail: kaloshina82@mail.ru.

APPLICATION OF 3D PRINTING IN CONSTRUCTION ACTIVITIES AND ITS PROSPECTS

D.A. Luneva, E.O. Kozhevnikova, S.V. Kaloshina

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

ABSTRACT

Modern innovative 3D-technologies are developing and improving extremely fast, they are used in various spheres of human life. Recently much attention is paid to printing objects using a 3D-printer, which entails a layerwise creation of physical objects according to a digital 3D-model. This device is used in many industries, in medicine, machine engineering, casting, radio engineering and electronics. The main advantages of 3D-printers are that they are able to create objects with a high accuracy and speed without manual labor, as well as the ability to create objects and structures according to a 3D-model. Civil engineering is also widely using the 3D-printing technology. Now there are technologies and devices for printing both small architectural forms and buildings.

The article considers various technologies of 3D-printing, their advantages and disadvantages, as well as their applications and prospects in construction activities. There is a brief description of the device and its operating principles of 3D-printers. The main types of materials and their combinations are examined and compared, as well as main types of structural reinforcements used in 3D-printing of buildings and structures. The article contains data about international companies implementing this technology for construction of houses using different materials. The main problems of applying and implementing 3D-printing technologies are identified and discussed; some tendencies and developments of this technology are also described.

©PNRPU

На сегодняшний день строительные технологии непрерывно развиваются. В основном преобразования направлены на сокращение сроков строительства, увеличение периода эксплуатации конструкций, экономию трудовых затрат и рабочей силы, а также извлечение большей экономической выгоды. Немало внимания отводится обеспечению сохранности окружающей среды и повышению безопасности жизнедеятельности на самом производстве.

Новой в сфере строительства является технология 3D-печати. С ее помощью появилась возможность не только создания различных архитектурных конструкций, но и возведения целых зданий и сооружений.

3D-печать относится к аддитивному производству, иными словами, технология подразумевает создание объектов путем нанесения последовательных слоев материала [1]. Модели, изготовленные таким образом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (быстрое прототипирование), так и в качестве готовых изделий (быстрое производство).

Существуют три основных метода 3D-печати [2], используемых при строительстве (рис. 1).

Метод спекания (селективного спекания) заключается в следующем: 3D-принтер расплавляет рабочую смесь (обыкновенный песок) с помощью сконцентрированного лазера или солнечного луча. На данный момент известно о существовании только одного образца такого устройства. Его изобрел инженер Маркус Кайзер – студент Королевского колледжа искусств (Royal College of Art). Установка включает в себя солнечный резак, оборудованный кулачковым механизмом, при помощи которого задаются траектории резания материала, горизонтальные и круговые разрезы (рис. 2). Механизм перемещения обрабатываемого материала приводится в движение небольшим двига-

ARTICLE INFO

Received: 15 December 2016 Accepted: 30 December 2016 Published: 30 March 2017

Keywords:

3D-printing, 3D-printer, additive manufacturing, selective sintering, bonding component, the method of layering extrusion, concrete mix, fiber, reinforcement, “contour” crafting, D-Shape system

телем, запускающим движение зубчатого ремня привода распределительного вала. Одновременно сфокусированная шаровая линза насквозь прожигает материал, находящийся под ней.

Рис. 1. Основные методы 3Б-печати, используемые при строительстве Fig. 1. Main methods of 3D-printing used in the construction process

Рис. 2. Установка для реализации метода спекания Fig. 2. An example of equipment used using the sintering method

В работе [3] описан другой метод 3D-печати зданий и сооружений – лазерная стерео-литография. Для ее реализации используется лазерная установка с ванной, оборудованной специальным столом. Эту ванну заполняют жидкой фотополимеризующейся под воздействием лазерного луча композицией. Спекание материала выполняется послойно, путем перемещения лазерного луча по намеченной траектории. При завершении обработки первого слоя стол ванны опускается на шаг, и выполняется формирование следующего слоя.

На сегодняшний день известны рабочие образцы группы Каталонского института передовой архитектуры (IAAC) (группа Петра Новикова), полученные методом компонентной склейки, под названием Stone Spray Robot (рис. 3), а также система D-Shape, разработанная Энрико Дини для строительства зданий (Monolite UK).

Методы селективного спекания и напыления являются экологически безвредными, поскольку их реализация подразумевает использование солнечной энергии, а рабочей смесью является песок.

Рис. 3. Рабочие образцы, полученные способом компонентной склейки Fig. 3. Sample of the component bonding method

Метод послойного экструдирования является основным способом ЗБ-печати большинства строительных принтеров. Его суть заключается в том, что рабочее сопло, или экс-трудер, ЗБ-машины выдавливает быстротвердеющую бетонную смесь, в которую включены различные добавки, улучшающие характеристики будущей конструкции [4]. Каждый очередной слой выдавливается ЗБ-принтером поверх предыдущего, благодаря чему формируется определенная конструкция (рис. 4). Впервые о подобной технологии в строительстве было упомянуто в работах профессора Бехроха Хошневиса из Южно-Калифорнийского университета в августе 2012 г. Его научная группа выдвинула идею конструкции гигантского, собираемого на месте стройки ЗБ-принтера по типу мостового крана.

Рис. 4. Изготовление конструкции сооружения методом послойного экструдирования Fig. 4. Р1^исйоп of structural facilities using layering extrusion

Данный метод стал основой для ЗБ-принтеров китайской компании ‘^пБип, которая первой напечатала серию настоящих домов в начале 2014 г. [5]. Уникальность постройки заключается в использовании запатентованного материала, представляющего собой смесь строительного мусора, бетона и добавок. Такие дома относятся к классу недорогого быстровозводимого жилья.

В настоящее время известно о существовании двух видов конструкций ЗБ-принте-ров – в виде мостового крана и в виде стрелы-манипулятора [6]. Строительный ЗБ-прин-тер имеет сопло, или экструдер, и выдавливает из него рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие, называется рабочей зоной и имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла, причем опалубки не требуется. Другими словами, строи-

тельная машина объемной печати – самодостаточный механизм, который способен создать готовое здание, используя электроэнергию. Основными составляющими 3D-машины являются рама, на которой смонтировано устройство, перемещающееся линейно в плане по направляющим, установленным вдоль здания, а также устройства для передвижения сопла и поднятия конструкции принтера. Таким образом, движение осуществляется в трех взаимно перпендикулярных направлениях – по осями x, y, z.

Сама система для печати с помощью 3D-принтера (рис. 5) содержит следующие элементы:

– систему движения (козловые краны или роботизированный манипулятор);

– систему экструзии (печатающая головка с насадкой);

– портативную смесительную установку (просеивание и смешивание компонентов);

– систему накачки (контролируется электроникой);

– блок управления (электроника, позиционирование и система управления);

– систему мониторинга (камеры/мониторы слежения за процессом печати);

– систему безопасности (автоматически выключает систему при необходимости).

4 2

Рис. 5. Система для печати зданий с помощью 3D-принтера: 1 – сопло (экструдер);

2 – рама; 3 – направляющие вдоль здания; 4 – механизм передвижения сопла;

5 – устройство для поднятия конструкции принтера; 6 – автобетоносмеситель для подачи цементного состава Fig. 5. The system for printing houses with the help of a 3D-printer, 1 – is the nozzle (extruder);

2 – is the frame; 3 – are the rails along the building; 4 – is the nozzle movement mechanism; 5 – is a device for lifting the printer design; 6 – is the mixer truck for supplying cement mixture

Немаловажную роль в технологии строительной 3D-печати играет состав рабочей смеси. Ее основой является быстротвердеющий бетон, который может включать в свой состав различные добавки для повышения тех или иных характеристик несущих элементов конструкции (стен, перекрытий) [7], а также может комбинироваться либо с различными видами фибр, либо со стальной арматурой (рис. 6).

Бетонная смесь представляет собой высокопрочный бетон класса В50, необходимый для создания «органической структуры стен», прочность которого достигает 650-700 кгс/см2. В первые сутки конструкция на основе бетонной смеси обретает до 25 % проектной прочности, но такие высокие темпы набора прочности не оказывают негативного влияния на конечные свойства бетона. Схватывание смеси происходит в течение 3-120 мин,

при этом достаточно хорошо сохраняется форма, что необходимо при ЗБ-печати. Для бетонной смеси характерны малая усадка (0,6 мм/м в возрасте 28 сут) и минимальное во-доцементное отношение.

Рис. 6. Материалы, используемые при послойном экструдировании Fig. 6. Materials used for the layering extrusion

Быстротвердеющие составы, в основу которых входит бетонная смесь, предполагают:

– применение жесткой бетонной смеси с низкими значениями водоцементного отношения;

– использование добавок – ускорителей твердения (СаС12), глиноземистого цемента и др.;

– сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса (2-5 % от массы цемента) или с применением комплексных специальных добавок;

– активацию цементного раствора.

Из добавок – ускорителей твердения наиболее распространен хлористый кальций, обеспечивающий лучшие результаты по сравнению с другими добавками. В бетонных конструкциях количество такой добавки не должно превышать 3 %. Основные достоинства данного материала:

– малое время сохранения подвижности смеси позволяет печатать элементы большой высоты без промежуточного подсушивания;

– небольшая прочность: на сжатие в возрасте 28 сут – 1,6 МПа, на растяжение при изгибе – 1 МПа;

– хлористый кальций позволяет ускорить твердение бетона в раннем возрасте, несколько снизить расход цемента и улучшить удобоукладываемость смеси;

– готовый материал обеспечивает быстрое нарастание прочности, обладает высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Одной из добавок к бетонной смеси для печати на 3Б-принтере также является фибра, которая представляет собой материал, применяемый в качестве армирующего компонента для улучшения свойств бетона [9]. Она добавляется в сухие строительные смеси

и растворы, выполняя роль микроармирующего компонента, модифицирующего (оптимизирующего) структуру вяжущих веществ строительных конгломератов на микроуровне, поэтому позволяет обойтись без армирования бетона стальной арматурой, так как в достаточной мере обеспечивает прочность и жесткость конструкции, вследствие чего уменьшаются ее вес, а также затраты на армирование (таблица).

Виды фибр, используемые в комбинации с бетонной смесью при 3D-печати зданий и сооружений

Types of fibers used in a combination with a concrete mix by 3D-printing of buildings

Вид фибры Общие свойства Преимущества

Стеклянная – Увеличивается прочность – Повышает ударопрочность;

при сжатии (растяжении) и – достигаются высокая плотность и равномерность

на изгиб; армирования

Полипропиленовая – повышается термическая – Повышает пластичность цементного раствора;

устойчивость; – уменьшает удельный вес смеси;

– сокращаются сроки воз- – повышает износостойкость бетонных конструкций;

ведения сооружений; – повышаются водонепроницаемость и морозо-

– снижается расход мате- стойкость

Базальтовая риалов; – Обладает электроизоляционными свойствами;

– увеличивается степень – не поддерживает горение;

сопротивления трещино- – экологичность

Стальная образованию – Снижает толщину бетонирования и массу без потери несущей способности; – повышает устойчивость к динамическим нагрузкам; – улучшает гидроизоляционные характеристики сооружений

Кроме того, известно использование быстротвердеющей бетонной смеси в качестве строительного материала, армированного стальной или полимерной микрофиброй. Для увеличения несущей способности и прочности стены могут также применяться различные виды армирования при помощи стальной арматуры.

Армирование при помощи металлической (стальной) арматуры может производиться как в горизонтальном, так и вертикальном направлении. Вертикальная арматура устанавливается в технологические пустоты стен после печати с последующей заливкой бетоном нужной марки. Горизонтальное армирование проводится между слоями конструкции в процессе печати с использованием стальных прутов или плоских армокаркасов. Данный вид армирования достаточно прост в применении, однако имеет существенный недостаток: применение ручного труда может вызвать неточности установки, а также требует дополнительного времени на устройство арматуры.

Конструкция стены, выполненная с помощью ЭБ-принтера, представляет собой пространственную ферму с параллельными поясами, т.е. внутренняя и наружная части стены связаны между собой пространственной конструкцией в виде треугольников (простейших геометрически не изменяемых систем), что обеспечивает достаточную жесткость конструкции (рис. 7).

В настоящее время развитие различных технологий строительной ЭБ-печати, в основе которых лежит метод послойного экструдирования, происходит в основном за рубежом.

Теплоизоляция

Рис. 7. Пример использования армирования бетонной смеси при 3Б-печати Fig. 7. Example of reinforcing a concrete mixture with 3D-printing

В 2012 г. профессор Университета Южной Калифорнии Бехор Кошевис представил свой инновационный проект 3Б-принтера для строительства домов, а также технологию Contour Crafting [10]. Технология «контурного» строительства (Contour Crafting) заключается в экструзии (выдавливании) слой за слоем специального быстротвердеющего реакционно-порошкового бетона по заложенному программой контуру. Могут использоваться более дешевые виды бетонов, такие как мелкозернистый и песчаный бетон, модифицированный добавками (гиперпластификаторы, ускорители твердения, фибра). Особенность технологии заключается в подключении дополнительного инструмента машины – манипулятора, устанавливающего в проектное положение несущие и поддерживающие элементы конструкции, инженерные коммуникации (перемычки, балки перекрытия-покрытия, элементы стропильной конструкции, лотки, дымоходы, вентиляционные каналы и т. д.). Преимущество технологии заключается в скорости строительства. Машина может построить за 24 ч жилой дом площадью 150 м . Недостатками являются сложность, а в некоторых случаях и невозможность строительства зданий с открытой планировкой и сложных архитектурных форм из-за необходимости создания поддерживающих конструкций.

Исследователи из Института передовой архитектуры Каталонии (Испания) разработали группу из трех роботических 3Б-принтеров, которые благодаря своей мобильности способны печатать объекты неограниченного размера [11]. Все три принтера Minibuilders, работают в команде, но каждый из них предназначен для выполнения отдельной конструкторской задачи. На первой стадии Foundation Robot закладывает основу будущего объекта, «выращивая» первые 20 слоев. Затем на вершине структуры помещается Grip Robot, который двигается вдоль объекта на своих четырех колесах, нанося новые слои. Vacuum Robot присасывается к любой поверхности на уже существующей конструкции, выравнивая ее и нанося дополнительные слои материала, двигаясь в любом направлении. Все три робота могут работать одновременно, управляются дистанционно, через мобильный командный пункт, а также умеют самостоятельно регулировать подачу материала и переключать насадки.

Компания WASP (Италия) продемонстрировала свой большой ЭБ-принтер, способный производить дешевое жилье из глины. Глина в новом принтере выдавливается подобно глазури и затем застывает. Высота устройства составляет около 6 м, притом оно способно производить печатные структуры до Э м в высоту. Принтер может быть установлен двумя людьми всего за два часа.

Наиболее передовой на сегодняшний день в сфере печати быстровозводимых зданий можно считать систему D-Shape, разработанную Энрико Дини [12]. Этот новый механизм делает возможным создание полноразмерного здания из песчаника без человеческого вмешательства с использованием стереолитографического печатного процесса, для которого требуются только песок и специальное неорганическое связующее вещество. Эта составляющая трансформирует песок в минерал с микрокристаллическими характеристиками, работающий на сжатие и растяжение значительно лучше портландцемента, что делает излишним использование арматуры для усиления конструкций. Такой материал не отличим от искусственного мрамора и на 100 % безопасен для окружающей среды. Отмечается, что система D-Shape позволяет ускорить процесс строительства до четырех раз по сравнению с традиционными методами. В 2009 г. с ее помощью уже было возведено здание высотой Э м.

Приведенные выше примеры различных зарубежных технологий ЭБ-печати в строительстве говорят о заинтересованности ученых всех стран в развитии данного метода строительства. Технология ЭБ-печати зданий и сооружений, несомненно, является инновационной и весьма перспективной, однако при ее применении приходится сталкиваться с рядом проблем:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Отсутствие нормативной и законодательной базы для строительства зданий с помощью ЭБ-принтера ограничивает его применение для массовой застройки, поэтому крупные строительные компании не приобретают строительные принтеры [1Э]. На сегодняшний день данные устройства применяются в основном для малоэтажного и малогабаритного индивидуального строительства, а также для изготовления малых архитектурных форм.

2. Высокая стоимость оборудования для ЭБ-печати. По-настоящему инновационные технологии первоначально имеют достаточно высокую цену; через длительный промежуток времени, если технология доказывает свою практичность, она получает дальнейшее распространение и становится общедоступной с более приемлемой стоимостью [14].

3. Технология строительства с применением ЭБ-принтера требует особых характеристик строительной площадки (в частности, для укладки направляющих рельсов необходимы ровная площадка, а также непрерывный контроль за соблюдением их параллельности для обеспечения высокой точности печати).

4. Поскольку размеры принтера ограничены, ограничены и габариты строящегося здания.

5. Отсутствует универсальная смесь для печати по причине того, что разные производители применяют различные бетонные смеси, экспериментируя с составом компонентов и их соотношением.

6. Требования к составу бетонной смеси достаточно высокие, так как конструкция стены должна соответствовать условиям прочности и жесткости. Возникает противоречие: с одной стороны, для того, чтобы рабочая смесь не застаивалась и не застывала в печатающей головке, применяют добавку-пластификатор, которая увеличивает сроки твердения, с другой стороны, необходимо обеспечить быстрое схватывание и твердение смеси для непрерывного нанесения последующих слоев.

7. Строительство с помощью данной технологии ограничивается теплым временем года, что затрудняет возведение зданий в северных областях. Для строительства в зимний период сооружают большие отапливаемые временные шатры.

Несмотря на такое количество проблем, существующих на сегодняшний день, использование SD-технологий в строительной сфере имеет ряд достоинств, основными из которых являются:

– высокая скорость и точность строительства;

– простота эксплуатации;

– относительно невысокая стоимость зданий и сооружений;

– минимизация использования ручного труда;

– повышение безопасности труда рабочих.

Прогресс в строительной сфере не стоит на месте, постоянно внедряются все более высокотехнологичные методики, к числу которых можно отнести SD-печать зданий и сооружений [15]. За короткий промежуток времени данная технология заинтересовала большое количество крупных строительных предприятий. Однако следует отметить, что перспектива развития SD-печати в строительстве, а также ее внедрение в массовое производство возможны только при решении ряда существующих проблем, указанных в данной статье.

Библиографический список

1. Ракитин С.Ю., Илькубаев А. А. Формирование послойных контуров SD-моделей для аддитивного производства // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всерос. науч.-метод. конф. – Оренбург, 2016. -С.22S-2S0.

2. Обзорная статья по SD-строительным технологиям [Электронный ресурс]. – URL: http://geektimes.ru/post/224299 (дата обращения: 14.12.2016).

S. Малышева В.Л., Красимирова С.С. Лазерная стереолитография – новый подход к строительству сооружений // Журнал магистров. – 201S. – № 2. – С. 202-208.

4. Рудяк К.А., Чернышев Ю.О. Возведение зданий методом послойного экструдиро-вания // Современные концепции развития науки: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Казань, 2016. – С. 147-151.

5. Компания Winsun. SD-проектирование домов [Электронный ресурс]. – URL: http://www. yhbm.com/index.php?a=lists&c=index&catid=67&m=content (дата обращения: 14.12.2016).

6. Мустафин Н.Ш., Барышников А.А. Новейшие технологии в строительстве. SD-принтер [Электронный ресурс] // Региональное развитие. – 2015. – № 8 (12). – URL: https:// regrazvitie.ru/novejshie-tehnologii-v-stroitelstve-Sd-printer (дата обращения: 14.12.2016).

7. Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete / S.A. Austin, S. Lim, R A. Buswell, A.G.F. Gibb, T. Thorpe // Materials and Structures. – 2012. – № 8-45. -C.1221-12S2.

8. Лысыч М.Н., Шабанов М.Л., Воронцов Р.В. Материалы, доступные в рамках различных технологий SD-печати // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 5. -С. 20-25.

9. Wang Yo., Wu H.C., Li V.C. Concrete reinforcement with recycled fibers // Journal of Materials in Civil Engineering. – 2000. – № 4-12. – C. S14-S19.

10. Brooks H., Lupeanu M.E., Piorkowski B. Research towards high speed extrusion free-forming // International Journal of Rapid Manufacturing. – 201S. – Vol. S, № 2-S. – Р. 154-171.

11. Печать домов на ЭБ-принтере [Электронный ресурс]. – URL: http: //make-3d.ru/ articles/3d-printer-dlya-pechati-domov (дата обращения: 14.12.2016).

12. Зотов С.П., Мензулов Л.А., Вартанов О.С. Технология ЭБ-печати зданий и отдельных архитектурных форм [Электронный ресурс]. – URL: http://evo7day.ru/post.php (дата обращения: 10.12.2016).

13. Первый опыт печати зданий на ЭБ-принтере [Электронный ресурс]. – URL: http:// Эdtoday.rц/blogs/specavia/first-experience-printing-on-bцilding-a-Эd-printer (дата обращения: 10.12.2016).

14. Петренева О.В., Пикулева В.О., Юшманов А.В. Проблемы внедрения инновационных технологий и материалов в строительстве // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. – 2015. – № 5-2.

15. Кулебякин А. А. Новые технологии. Развитие ЭБ-печати: перспективы и последствия // Молодеж. науч.-техн. вестник. – 2015. – № Э. – С. 48.

References

1. Rakitin S.Ju., Il’kubaev A.A. Formirovanie poslojnyh konturov 3d-modelej dlja addi-tivnogo proizvodstva [The formation of the layered contours of the 3d models for additive manufacturing]. Universitetskij kompleks kak regional’nyj centr obrazovanija, nauki i kul’tury Materialy Vserossijskoj nauchno-metodicheskoj konferencii. Sbornik. Orenburg, 2016, pp. 22Э-2Э0.

2. Obzornaja stat’ja po ЭD-stroitel’nyш tehnologijam [Review of the 3D construction technology], available at: http://geektimes.ru/post/224299/ (accessed 14 December 2016).

3. Malysheva V.L., Krasimirova S.S. Lazernaja stereolitografija – novyj podhod k stroi-tel’stvu sooruzhenij [Laser stereolithography is a new approaching to the construction]. Vestnik PNIPU. Master’s Journal, 201Э, no. 2, pp. 202-208.

4. Rudjak K.A., Chernyshev Ju.O. Vozvedenie zdanij metodom poslojnogo jekstrudiro-vanija [Construction of buildings by the method of layer-by-layer extrusion]. Sovremennye kon-cepcii razvitija nauki, 2016, pp. 147-151.

5. Kompanija «Winsun» 3D proektirovanie domov [The company «Winsun» 3D design of houses], available at: http://www.yhbm.com/index.php?a=lists&c=index&catid=67&m=content (accessed 14 December 2016).

6. Mustafin N.Sh., Baryshnikov A.A. Novejshie tehnologii v stroitel’stve. 3D printer [The latest technology in construction. 3D printer]. Regional’noe razvitie: jelektronnyj nauchno-prakticheskij zhurnal. 2015. № 8 (12). URL: https://regrazvitie.ru/novejshie-tehnologii-v-stroitelstve-3d-printer.

7. Austin S.A., Lim S., Buswell R.A., Gibb A.G.F., Thorpe T. Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete. Materials and Structures, 2012, no. 8-45, pp. 1221-12Э2.

8. Lysych M.N., Shabanov M.L., Voroncov R.V. Materialy, dostupnye v ramkah razlichnyh tehnologij 3d pechati [The materials available within the different 3d printing technologies]. Sovremennye naukoemkie tehnologii, 2015, no. 5, pp. 20-25.

9. Youjiang Wang, Wu H.C., Victor C. Li. Concrete reinforcement with recycled fibers. Journal of Materials in Civil Engineering, 2000, no. 4-12, pp. 314-319.

10. Brooks H., Lupeanu M.E., Piorkowski B. Research towards high speed extrusion free-forming. International Journal of Rapid Manufacturing, 2013, vol. 3, no. 2-3, pp. 154-171.

11. Pechat’ domov na 3D printerev [Print houses on a 3D printer], available at: http://make-3d.ru/articles/3d-printer-dlya-pechati-domov/ (accessed 14 December 2016).

12. Zotov S.P., Menzulov L.A., Vartanov O.S. Tehnologija 3d-pechati zdanij i otdel’nyh arhitekturnyh form [The technology of 3d printing buildings and private architectural forms], available at: http://evo7day.ru/post.php (accessed 10 December 2016).

13. «Specavia». Pervyj opyt pechati zdanij na 3D printere [The first experience of printing buildings on a 3D printer], available at: http://3dtoday.ru/blogs/specavia/first-experience-printing-on-building-a-3d-printer/ (accessed 10 December 2016).

14. Petreneva O.V., Pikuleva V.O., Jushmanov A.V. Problemy vnedrenija innovacionnyh tehnologij i materialov v stroitel’stve [Problems of introduction of innovative technologies and materials in construction]. Stroitel’stvo i arhitektura. Opyt i sovremennye tehnologii, 2015, no. 5-2. 7 p.

15. Kulebjakin A.A. Novye tehnologii. Razvitie 3d-pechati: perspektivy i posledstvija [New technology. The development of 3d printing: opportunities and consequences]. Molodezhnyj nauchno-tehnicheskij vestnik, 2015, no. 3, p. 48.


Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

В данной статье рассматривается технология 3D печати, рассмотрено применение 3D печати в области строительства, рассмотрен принцип работы строительных 3D-принтеров, выделены и определены преимущества и недостатки развития технологии.

Ключевые слова: 3D принтер, 3D печать,3D строительство.

This article discusses 3D printing technology, we considered the use of 3D printing in the field of construction, the principle of operation of the construction of 3D printers, defined and identified the advantages and disadvantages of technology.

Keywords: 3D printer, 3D printing, 3D construction.

Мы живем в невероятное время – в годы, когда инновации в технологиях происходят на наших глазах, и то, что еще вчера казалось сказкой, сегодня уже является реальностью.

Развитие и внедрение инноваций имеют неоднозначный характер и означают, что мы пока не имеем представления, как в дальнейшем будут развиваться эти технологии. Условие их сложности и взаимодействия по всем факторам предполагает ответственность всего мира за их работу.

Общество должно иметь представление о том, как информационные технологии и инновации меняют и могут изменить нашу жизнь. Также информационные преобразуют экономическую, социальную, культурную и гуманитарную среду нашего обитания.

Термин 3D появился в нашей жизни за последние десятилетия и прочно закрепился в ней. Сначала люди ассоциировали его с фотографиями или фильмами, но теперь 3D печать используется постоянно и активно.

3D печать – это процесс создания физического объекта посредством его послойной печати с цифрового 3D-рисунка или модели. Эта технология имеет широкий спектр применений, от масштабных (ветровые установки) до самых малых (медицинские импланты). Сегодня ее использование ограничено машинной, космической и медицинской отраслями.

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.

Использование 3D принтеров в строительстве началось с изготовления изделий различных форм. Но конструкция аппарата не обладала необходимыми требованиями для возведения целого здания. Поэтому со временем конструкция 3D принтера была усовершенствована, и стали создаваться действительно поражающие аппараты. Примером может являться 3D-принтер WinSun от шанхайской компании Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co. Аппарат длинной 150 метров и шириной 10 метров был способен напечатать дом высотой до 6 метров. С его помощью возможно возведение небольших, простых по конструкции одноэтажных зданий. Полученные сооружения обходились на 50% дешевле по сравнению с обычными методами строительства.

Рис.1. Внешний вид 3d-принтера

Принцип работы строительных 3D-принтеров заключается в экструзии — или выдавливании — специальной смеси, слой за слоем, по заданной трехмерной компьютерной модели.

Заранее подготовленная смесь, состоящая из цемента, наполнителя, пластификатора и других добавок, загружается в бункер устройства и оттуда подается к головке принтера. Смесь наносится на поверхность площадки или предыдущие напечатанные слои.

По такому принципу работает большинство строительных 3D-принтеров. Среди них различают три типа устройств:

Портальные 3D-принтеры представляют собой конструкцию из рамы, трех порталов и печатающей головки. С помощью таких устройств можно печатать здания и по частям, и целиком — если они умещаются под аркой принтера.

Устройства типа «дельта» не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.

Наконец, роботизированные принтеры — это робот или группа роботов типа промышленного манипулятора, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером.

Технология 3D-печати в строительстве, несомненно, является инновационной и весьма перспективной. Но стоит отметить некоторые минусы этой технологии:

Отсутствие нормативной и законодательной базы для строительства зданий с помощью 3D-принтера ограничивает его применение для массовой застройки, поэтому крупные строительные компании не приобретают строительные принтеры [2].

Поэтому на данный момент 3D-принтер применяется для строительства малоэтажного и малогабаритного индивидуального строительства, а также для архитектурных макетов.

Высокая стоимость 3D-принтера и необходимого оборудования

Для строительства с помощью 3D-принтера необходимо ровная площадка, а также непрерывный контроль для обеспечения высокой точности печати.

Так как размеры принтера не безграничны, следовательно размеры строящихся зданий также ограничены.

Требования к составу бетонной смеси достаточно высокие, так как конструкция стены должна соответствовать условиям прочности и жесткости.

Несмотря на недостатки, использование 3D-технологий в строительстве имеет также и преимущества:

печать сложной внутренней структуры

малое количество отходов производства

низкая стоимость 3D-принтеров

доступность материалов

относительная простота в использовании.

относительно невысокая стоимость зданий и сооружений;

минимизация использования ручного труда;

повышение безопасности труда рабочих.

Кроме того, ученые уже работают над технологией 4D, которая создаст новейшие технологии продуктов, способных реагировать на изменения окружающей среды, включая температуру и влажность. Эта технология может использоваться в производстве одежды и обуви посуды, также медицинских продуктов, например имплантов, способных адаптироваться к организму человека.

Увлечение 3D-технологией подобно лихорадке захватывает мир. С каждым годом появляется все больше новых моделей, расширяется область применения этой техники. Трехмерная печать стала активно использоваться во всех отраслях промышленности. Наверное, совсем скоро наличием в доме 3D-принтера никого не удивишь. Это устройство, как обычный холодильник или телевизор, станет доступным и необходимым.

3D-печать очень стремительно врывается в различные сферы нашей жизни. Трёхмерные принтеры становятся всё доступнее, и находят всё более новые и новые применения.

Список использованных источников

История 3D-печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dmf.ru/wiki/istoriya-3d-pechati.html

Петренева О.В., Пикулева В.О., Юшманов А.В. Проблемы внедрения инновационных технологий и материалов в строительстве // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. – 2015. – No 5-2.

Кулебякин А.А. Новые технологии. Развитие 3D-печати: перспективы и последствия // Молодеж. науч.-техн. вестник. – 2015. – No 3. – С. 48.

Технологии 3D-печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ixbt.com/printer/3d/3d_tech.shtml

Обзор актуальных материалов для 3D-печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dtoday.ru/blogs/top3dshop/overview-of-relevant-materials-for-3d-printing/

Плюсы и минусы применения 3D-принтера [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://top3dshop.ru/blog/3D-printers-pro-e-contra-review.html

Окружающая нас действительность с фантастической быстротой пополняется новыми открытиями в самых различных областях техники, обрастает новыми технологиями. Среди них — 3D технология, которая всего за полтора десятка лет прочно вошла в машиностроение и медицину, в пищевую промышленность и мир высокой моды, в архитектуру и даже в строительство.

Технология печатания домов

Попытки использовать 3D принтер для строительства жилых домов предпринимались различными группами учёных, ещё начиная с двухтысячных годов.

Строительство будущего.

Для печати домов используется послойный метод возведения строительного объекта. Для этого в центре строительной площадки располагают сам принтер — гигантское устройство, которое может перемещаться по специальным рельсам, вокруг возводимого объекта. Высота строительного принтера обычно превышает высоту строящегося здания. Например, аппарат шириной около 10 м и длиной 150 м возводит коробку здания высотой в 6 м за несколько часов.

«Картриджами» для него является бетонная смесь особого состава. Она выходит из сопла принтера, подобно тому, как зубная паста выдавливается из тюбика. Подаваемые бетонные «чернила» согласно компьютерной программе слой за слоем формируют заданную конструкцию. Благодаря давлению вышележащих слоёв, нижние — постепенно уплотняются, приобретая необходимую прочность. Толщина стен обычно равна 30 см, а высота слоя 10 см.

Работа 3D принтера.

Принтер поэтапно сооружает фундамент, закладывает стены, возводит каркас. На этом этапе обязанности рабочих сводятся лишь к наблюдению за подачей раствора. А ручная работа заключается в установке дверей и окон в подготовленные проёмы, возведении крыши и прокладке коммуникаций.

Готовое сооружение изнутся с окнами, проводкой и коммуникациями.

Цементный состав, используемый при послойном наплавлении, позволяет создавать строительные объекты любых форм, как изогнутых, так и кубических. А добавление в цемент стекловолокна позволяет получить очень прочные сооружения.

Пути совершенствования 3D строительства

Технология 3Д строительства непрерывно усовершенствуется. Уже имеются проекты, позволяющие печатать дома вместе с проводкой и сантехникой. До сих пор мы говорили о возведении самой коробки здания. Однако удалось изобрести полимер, который успешно используют для печати межкомнатных перегородок и внутренней отделки помещений.

К применению строительных принтеров в разных странах подходят по-разному. Скажем, в Нидерландах печатают не дома, а отдельные кирпичи. Их форма такова, что они образуют весьма прочные конструкции безо всяких склеивающих материалов, благодаря лишь одной силе тяжести.

Печатная технология строительства пока проходит стадию тестирования, поскольку не лишена слабых мест. Среди них трудности при монтировании различных коммуникаций, внушительные размеры и дороговизна домостроительных принтеров, опасения в появлении трещин при длительной эксплуатации таких строений. Пока строительные компании решаются, в основном, на строительство одноэтажных домов, гаражей, беседок и т.д.

В 2014 году китайские строители отважились на печатание домов для небольшого поселка (10 небольших домиков). Для прочности они использовали в качестве армирующего материала стеклопластик. Их прочность проверяется проливными дождями, ветрами и трескучими морозами. Жителей в них нет.

Готовый 3Д дом.

Годом позже при помощи 3D принтера они завершили строительство пятиэтажного жилого дома.

Сама технология дает значительную экономию на рабочей силе и материалах. А скорость строительства такова, что уже за сутки можно «напечатать» небольшой дом. Кроме того, неизбежно появляющийся строительный мусор, добавляют в бетон, очищая этим строительную площадку.

Командная работа строительных роботов

К числу совершенно поразительных новинок можно отнести команду трёхмерных роботов (Minibulder), способных печатать строительные объекты различных размеров.

Строительный «коллектив» роботов состоит из нескольких моделей. Каждая из них выполняет определенные функции, координируя действия друг с другом. Управляет всей командой центральный компьютер. Роботы — исполнители снабжены разнообразными датчиками и системой обеспечивающей передачу данных на управляющий компьютер. Анализируя поступившую информацию, он ставит задачи перед каждым из роботов. «Обязанности» моделей распределены следующим образом:

  • Первый робот поставляет жидкий цемент своим «коллегам».
  • Второй — формирует фундамент.
  • Третий — печатает (возводит) стены, сразу сушит бетон, формирует перемычки и потолки.
  • Функцию отделочных работ выполняет их четвёртый «собрат». Закрепившись на вакуумных присосках прямо на стене, он наносит штукатурку и сглаживает неровности. Размер этих строительных роботов не превышает 42 см. Совершенно уникальному строительству моста через Керченский пролив, предшествовало создание его уменьшенной копии в масштабе — 1:50, распечатанной на принтере. Именно она успешно прошла все испытания в аэродинамической трубе.
  • В России выпускают собственные 3D принтеры, использующие в строительстве разные технологии.

Строительная площадка с принтером.

Трудно предвидеть какие новшества в строительной отрасли следует ожидать в дальнейшем. Вполне вероятно, что эта технология в недалеком будущем будет успешно применяться не только при возведении построек на Земле, но и на поверхности Луны.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте.

А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:


Вы можете оставить комментарий к докладу.