Применение 3D технологии в строительстве

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 3D-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 3D-печать зданий и сооружений [15]. За короткий промежуток времени данная технология заинтересовала большое количество крупных строительных предприятий. Однако следует отметить, что перспектива развития 3D-печати в строительстве, а также ее внедрение в массовое производство возможны только при решении ряда существующих проблем, указанных в данной работе.
В настоящий момент для 3D-моделирования используются такие программы как SketchUp, FreeCАD, Blender, OpenSCАD, Rhinoceros. После создания в одной из вышеперечисленных программ модели, ее отправляют в программу для создания G-code , а затем информация передается по проводу с компьютера в 3D-принтер.
Особенность технологии заключается в подключении дополнительного инструмента машины – манипулятора, устанавливающего в проектное положение несущие и поддерживающие элементы конструкции, инженерные коммуникации.
Строительным материалом, используемым для возведения стен и перекрытий является быстротвердеющий порошковый бетон, армированный стальной или полимерной микрофиброй. Обычный цемент не пригоден для создания изделий подобного рода. На данный момент еще не разработан материал такого качества, который бы удовлетворял всем нынешним требованиям. Есть недостатки материалов, использующихся в строительстве при помощи 3D-технологий:
- невозможность подачи бетона на большую высоту, так как изделие быстро затвердевает еще в трубопроводе;
-что бетон является плохим изоляционным продуктом. Стены из такого бетона будут пропускать холод в дом.
Планируется в качестве материала для печати использовать песчаный или порошковый модифицированный добавками бетон класса B60 и более. Разработкой таких бетонов занимаются в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства под руководством профессора В.И. Калашникова [10, стр. 203-205]. Их состав превосходит существующие бетоны по физическим свойствам. Так же можно использовать смесь цемента и строительного мусора, что даст возможность пользоваться технологией безотходного производства.

Перспективы развития технологии
Возведение любого здания предполагает наличие элементарных структурных единиц: кирпичей, панелей, готовых модулей. Создание новых единиц и их существование определяются многими факторами, но прежде всего ценой и возможностями комбинации. Как правило, чем массивнее такая единица, тем быстрее возводится здание и тем меньше его цена, но из-за этого постройки, как правило, лишены индивидуального характера. Контурное строительство, которое предлагает просто распечатывать дома на специальных 3D принтерах, может стать революцией в решении этой дилеммы.
Технология 3D принтеров не так нова, как может показаться на первый взгляд: она была разработана ещё в 1984 году компанией Charles Hull. Через четыре года была создана первая модель 3D принтера для печати в домашних условиях (см. рис. 2.9).


Рисунок 2.9 - Первый 3D принтер для печати в домашних условиях SLA-250

Но пик популярности 3D принтера, как и скачок в развитии технологии, приходится на XXI век: уже сейчас принтер может печатать большую часть своих собственных деталей, ведутся эксперименты по использованию биоматериалов для картриджей, что позволит печатать даже человеческие органы. Неудивительно, что достаточно большой 3D принтер представляется идеальным вариантом для строительства домов (см. рис. 2.10).



Рисунок 2.10 - Принтер для контурного строительства домов

Суть технологии в том, что специальным устройством послойно укладывается пластичный материал, заправленный в картриджи. «Распечатать» дом на таком устройстве можно будет за считанные дни, при этом сведя отходы от стройки фактически к нулю.


Рисунок 2.11 - 3D принтер для строительства, разработанный в университете Лафборо

На данный момент в промышленных масштабах проект такого принтера реализован только китайской компанией Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co. Устройство высотой 150 метров пока может «печатать» только типовые конструкции не более 6 метров в высоту (рис. 2.12).


Рисунок 2.12 - Дом, напечатанный на 3D принтере

Но в перспективе, при развитии технологии, контурное строительство предполагает очень большую гибкость в реализации архитектурных проектов. На одном и том же принтере, не закупая новые материалы, только внося изменения в программу, можно будет возводить самые разные по форме здания. Уже сейчас архитекторы из Universe Architecture (Голландия) планируют «напечатать» дом в форме ленты Мёбиуса (см. рис. 2.13).


Рисунок 2.13 - «Ландшафтный дом» в форме ленты Мёбиуса

Пока не разработано 3D принтеров, позволяющих «печатать» высотные здания, но и в этом направлении идёт активный поиск решений. Компания MX3D планирует «распечатать» мост в Амстердаме, чтобы впоследствии применить протестированную таким образом технологию к строительству высотных зданий (см. рис. 2.14).


Рисунок 2.14 - Проект «напечатанного» моста MX3D

Использование 3D принтера может стать идеальным решением для строительства дешёвого, но уникального жилья быстро и без отходов. И такой способ возведения зданий может быть востребован не только на Земле: эти качества также важны, если строить дома на других планетах. Уже сейчас Nasa планирует использовать 3D принтер, разработкой которого занимается профессор университета Южной Калифорнии Берок Кошневиц, для постройки обитаемой базы на Луне (см. рис. 2.15).



Рисунок 2.15 - Проект возведения обитаемой базы на Луне

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
В современной строительной индустрии большую популярность приобретает технология 3D-печати. Гибкость применения технологии, обилие материалов, используемых для 3D-печати, обеспечивает использование её в таких направлениях строительства, как дизайн, моделирование, проектирование и возведение зданий, производство строительных материалов и конструкций.
С начала XX века автоматизация производства растет почти во всех сферах. Внедрению автоматизации в строительную отрасль мешал конструктивный подход, значительно меньшее количество готовой продукции по сравнению с другими отраслями, а также экономическая непривлекательность дорогостоящего оборудования и ограничения в материалах [1], которые поддаются автоматизированному производству. Строительная отрасль сегодня сталкивается с такими серьезными проблемами, как низкая производительность труда, высокая статистика аварийных ситуаций на строительных площадках, сложность контроля строительных процессов, недостаток квалифицированных рабочих [2]. Очевидно, что строительная отрасль является одним из крупнейших потребителей невозобновляемых ресурсов и природных материалов по всему миру [3]. Аддитивные технологии расширили горизонты для многих динамично развивающихся направлений производства. 3D-печать позволила недавно разработанным в лабораторных условиях технологиям выйти на новый уровень. Аддитивные технологии (от английского Additive manufacturing) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом добавления материала [4]. Технологии послойного синтеза могут стать прорывом для конструкций, изготавливаемых из материалов на основе цемента.
Существенным препятствием для широкого внедрения в нашей стране аддитивных технологий является отсутствие базы национальных стандартов для аддитивного производства, в частности, по общей и специальной квалификации материалов, конструкциям, технологиям, оборудованию, контролю качества, контролю свойств и порядку применения изделий аддитивного производства. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии выпустило приказ от 1 сентября 2015 г. № 1013 "О создании технического комитета по стандартизации "Аддитивные технологии" [5]. Основным тезисом является концентрация и координация усилий в направлении создания комплексного подхода развития аддитивных технологий, включая соответствующие системы национальных стандартов (классификацию материалов, требования к качеству исходного сырья, конструкции, технологии, оборудованию, унификацию форматов компьютерных моделей).
Для применения аддитивных технологий в строительстве требуются разработки и изучение новых материалов, используемых в 3D-печати. Однако многие разработчики сталкиваются с проблемой подбора материалов. Фундаментальные соотношения концепции индустрии 4.0 (конструкция – материал – технология) еще не интегрированы в строительную сферу. В данной работе рассмотрен мировой опыт исследования и применения строительных материалов на основе бетонных смесей, использующихся для строительных аддитивных технологий, а также свойства этих смесей и отдельных компонентов. Также в статье представлен обзор существующих строительных технологий трёхмерной печати, исследуемых и внедряемых по всему миру.
3D-принтер – это устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Технология не новая, однако, научные исследования применения 3D-печати в области строительства начались сравнительно недавно. Она быстро обрела популярность и открыла новые возможности. На мировом рынке начали появляться самые разнообразные виды 3D-принтеров, работающих с различными материалами.
Применение 3D-печати имеет свои плюсы и минусы. Преимущества, которые даёт применение технологии
- это снижение сроков строительства, низкое энергопотребление, отсутствие отходов, высокая степень автоматизации строительного производства, а, следовательно, экономия на оплате труда, экономия до 70% стоимости возведения каркаса здания по сравнению с традиционным строительством. Наблюдаются и несколько тонких проблем, касающихся технологии возведения зданий. В частности, 3D принтеры строят дома путем нанесения слоя бетонной смеси на ранее выложенный слой, при этом не имеют возможности применения арматуры, это приводит к уменьшению надёжности конструкции. Другое уязвимое место - монтаж инженерных систем, без которых современный дом просто не может существовать.
Все эти спорные технические моменты нельзя назвать неразрешимыми, они характерны для любой прорывной технологии, только начинающей свое развитие. Какое-то время инженерам придется потратить на то, чтобы убрать все технические проблемы, нивелировать недостатки технологии и полностью автоматизировать все процессы, протекающие на строительной площадке.
Аддитивные технологии в промышленности на сегодняшний день уже достаточно распространены. Однако строительная отрасль является весьма консервативной и отстает в плане применения 3D-печати от других производств.
Внедрение аддитивных технологий в процесс возведения зданий и сооружений – процесс, требующий значительную долю НИОКР, однако, помимо университетов и научных групп, в данной области ведут свои разработки и крупные компании, интерес которых очевиден – 3D-печать зданий может кардинально изменить рынок недвижимости и смежных отраслей.
В настоящее время используется широкий спектр материалов для аддитивных технологий: различные полимеры и резины, порошки сталей, сплавов титана, никеля, алюминия, меди, а также инструментальные и конструкционные керамики, биосовместимые и наноупрочненные композиты. Большая часть этих материалов применяется для машиностроения, авиа- и автомобильной промышленности, изготовления товаров широкого потребления и медицинского назначения. Отдельного внимания заслуживает прорыв технологий трёхмерной печати в области изготовления эндопротезов и экзоскелетов. Однако в строительстве аддитивные технологии ещё не получили широкого применения и, соответственно, применяемые материалы находятся в стадии разработки.
Цементные составы, которые твердеют длительное время не могут удовлетворить требованиям производительности 3D-печати [19]. Состав должен быть тиксотропным, то есть уменьшать вязкость от механического воздействия и увеличивать вязкость в состоянии покоя. Возможное решение для строительной печати – сернистый бетон, который представляет собой композитный материал, изготовленный из серы и заполнителя. Смесь нагревают выше температуры плавления серы. После охлаждения бетон достигает заданной прочности без длительного твердения [5].
Обычный цемент на основе бетона не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам для строительной 3D-печати [56]. Для оптимизации процесса трехмерной печати должны быть учтены два условия. Во-первых, сила сцепления между слоями уменьшается с увеличением временного промежутка между слоями [3]. Во-вторых, материал должен затвердеть достаточно, чтобы выдержать вес впоследствии осажденных слоев без деформации. Потребность в выдерживании ранее напечатанных слоев замедлит возведение здания. Сопоставление этих двух ограничений приводит к парадоксу оптимизации скорости печати. Временной интервал между двумя осажденными слоями должен быть достаточно длинным, чтобы обеспечить необходимую прочность, но также небольшим для обеспечения прочного сцепления между слоями [7].
В последнее время ученые университета Лафборо уделяли особое внимание подбору и изучению свойств бетонных смесей для 3D-печати [5, 8]. Команда исследователей продемонстрировала полномасштабную конструкцию размером 1 х 2 х 0,8 м под названием «Чудесная скамейка» (Wonder Bench). Для скамьи была специально разработана бетонная смесь, способная к легкой перекачке насосом и экструдированию, кроме того полученная структура должна быть способна нести нагрузку. Состав смеси полностью не раскрыт, однако массовое соотношение представлено: 54% песка, 36% химически активных цементных соединений и 10% воды. Как отметили исследователи, прочность полученного материала составила 95% от прочности обычного бетона [8].
Китайская компания Winsun, занимающая одну из лидирующих позиций в области 3D-печати, успешно применяет стойкий к истиранию состав Сrazy Magic Stone, прочность которого в 4-5 раз превосходит прочность природного камня. Высокие механические характеристики обусловлены наличием обработанного кварцевого песка и специальной фибры. Winsun также широко используют гипс с добавлением стекловолокна (Glass Fiber Reinforced Gypsum). GFRG содержит 3-25% фибры длинной от 1 до 13 см и диаметром от 5,8 до 100 мкм. Водогипсовое соотношение лежит в пределах от 0,25 до 0,60 [6]. Стекловолокно повышает сопротивление состава к трещинообразованию, делает его более пластичным и удобоукладываемым. В композитах с использованием стекловолокна растягивающие напряжения воспринимают на себя фибра, что существенно повышает сопротивление такого материала растяжению и изгибу [6].
Подтверждением актуальности рассматриваемой темы служит неутихающий интерес к вопросу составов для 3D-печати, во многих странах уже ведутся разработки, позволяющие использовать 3D- печать для возведения зданий и сооружений. На сегодняшний день ряд компаний достигли определённого успеха.
Основными проблемами, решение которых позволит обеспечить серьезное развитие аддитивных строительных технологий, являются:
отсутствие нормативной базы,
необходимость развития рынка строительных материалов для 3D-печати,
высокая стоимость оборудования, связанная с отсутствием производства крупных серий.
Несмотря на то, что исследованиями и разработками аддитивных строительных технологий занимаются крупные мировые институты и большие корпорации, имеется большой потенциал научных исследований в данной области и применения их на практике.

Список использованных источников

Козлова А.Е. Проблемы и перспективы применения технологий 3-D моделирования в строительстве // Проблемы предпринимательской и инвестиционно-строительной деятельности: материалы XVII научно-практической конференции под ред. заслуженного деятеля науки РФ, заслуженного строителя РФ, д-ра экон. наук, профессора А.Н. Асаула. Санкт-Петербург: Изд-во АНО «ИПЭВ», 2015.
Маркетинг-менеджмент в строительстве. Грахов В.П., Асаул А.Н. / Научное и учебно-методическое справочное пособие. СПб.: Гуманистика, 2006. – 248с.
Управление организационной эффективностью строительной компании. А. Н. Асаул, Г. И. Шишлов; под ред. засл. строителя РФ, д-ра экон. наук, проф. А.Н. Асаула. -СПб.: СПб ГАСУ. -2008. -152с.
Асаул А.Н., Грахов В.П. Бизнес-партнёрство в реализации интегративного управления инвестиционно-строительным комплексом // Вестник гражданских инженеров. 2005. № 4. С. 99-106.
Реконструкция и реставрация объектов недвижимости. Асаул А.Н., Казаков Ю.Н., Ипанов В.И. СПб.: Гуманистика, 2005. – 274 с.
Производственно-экономический потенциал и деловая активность субъектов предпринимательской деятельности / А. Н. Асаул, М. П. Войнаренко, С. Я. Князев, Т. Г. Рзаева. – СПб.: АНО ИПЭВ, 2011. – 312 с.
Зейниев Г.Я., Агеев С.М., Асаул А.Н., Лабудин Б.В. К вопросу эффективности новых технологий реконструкции зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 5. С. 55-56.
Современные проблемы инноватики: учебное издание / А. Н. Асаул, Д. А. Заварин, С. Н. Иванов, Е. И. Рыбнов; под ред. заслуженного деятеля науки РФ, д-ра экон. наук, проф. А. Н. Асаула. — СПб.: АНО ИПЭВ, 2016. — 208 с.
Александров В.В., Сарычев В.А. Цифровые программируемые технологии // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8. № 11. С. 3–9.
Современные проблемы инноватики: учебное издание / А. Н. Асаул, Д. А. Заварин, С. Н. Иванов, Е. И. Рыбнов; под ред. заслуженного деятеля науки РФ, д-ра экон. наук, проф. А. Н. Асаула. — СПб.: АНО ИПЭВ, 2016. — 208 с.












2



6