Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Аддитивное строительство что это такое


Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы

«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].

Таблица 1. Объем мирового строительного рынка Год USD трлн Средний темп роста, % в год
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.

Таблица 2 Стоимость в % от традиционного строительства Основной вклад С применением технологий CC
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

Выбор компонентов строительной смеси определяется условиями эксплуатации строительных конструкций и необходимостью получения требуемых физико-механических свойств изделий: плотности, прочности, термостойкости, теплопроводности, устойчивости к механическим воздействиям в условиях значительного градиента температур и т. п. Размер фракции определяет толщину и ширину слоя смеси, наносимого экструдером. Предпочтительно иметь толщину слоя от 5 до 50 мм. Подбирая гранулометрический состав смеси, изменяя размеры зерен отдельных компонентов, можно добиться необходимых свойств готового изделия. Смешивание производят в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. В процессе смешения возможно получение более предпочтительного гранулометрического состава порошкообразного материала в результате дополнительного измельчения. Подача готового раствора в печатающую головку может производиться вручную и автоматизированным методом. Выбор связующего материала зависит от выбора основных компонентов и добавок. Количество связующих материалов определяется необходимостью обеспечения достаточной прочности получаемого изделия. Дополнительно могут вводиться пластифицирующие добавки в количестве менее 3 %, благодаря чему при меньшем содержании влаги получается необходимая плотная структура с меньшей пористостью и усадкой. Количественное содержание указанных добавок подобрано экспериментальным путем для получения необходимой плотной структуры путем снижения межзеренного трения при уплотнении посредством экструдирования или вибрации. В качестве указанных добавок предлагается использовать, например, кварцевую пыль, оливин, полифосфат натрия, кальцинированную соду и др. Вводить данные добавки можно как в сухом (при смешении компонентов), так и жидком виде (в том числе с раствором солей магния).

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. ■

Литература

  1. www.bkhoshnevis.com
  2. www.contourcrafting.com
  3. I. Klotz, M. Horman, M. Bodenschatz. A lean modelling protocol for evaluating green project delivery. Lean Constr. J. 3 (1) (2007) 1–18.
  4. H. Nasir, H. Ahmed, C. Hass, P. M. Goodrum, An analysis of construction productivity differences between Canada and the United States. Constr. Manag. Econ. 32 (6) (2014) 595–607.
  5. M. Molitch-hou, Branch technology is 3D printing the future of construction one wall at a time. https://3dprintingindustry.com/news/branch-technology-is‑
  6. 3d-printing-the-future-of-const-ruction-one-wall-at-a‑time‑54149/ www.branch.technology
  7. N. Hack, W. V. Lauer, F. Gramazio, and M. Kohler. Mesh Mould: Differentiation for Enhanced Performance. Rethinking Comprehensive Design: Speculative Counterculture, Proceedings of the 19th International Conference on Computer-Aided Architectural Design Research in Asia (CAADRIA 2014)/Kyoto 14–16 May 2014, pp. 139–148, 2014.
  8. Norman Hacka, Timothy Wanglerb, Jaime Mata-Falcónc, Kathrin Dörflera, Nitish Kumard, Alexander Nikolas Walzera, Konrad Grasere, Lex Reiterb, Heinz Richnerb, Jonas Buchlid, Walter Kaufmannc, Robert J. Flattb, Fabio Gramazioa, Matthias Kohlera Mesh mould:
an on site, robotically fabricated, functional formwork
  9. https://hightech.fm/2017/06/17/geobeton  

Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»  

Внимание! Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы

со ссылками и изображениями. [email protected]

Аддитивные технологии – что это такое и где применяются?

Технологический процесс не стоит на месте, с каждым днем происходит усовершенствование цифровых технологий, что позволяет использовать новшества в различных сферах жизни человека. Аддитивные технологии - одни из самых передовых и востребованных во всем мире.

Аддитивные технологии – что это такое?

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) – это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d технологий. Изобретение принадлежит Чарльзу Халлу, в 1986 г. сконструировавшему первый стереолитографический трехмерный принтер. Что значит аддитивный процесс послойного создания модели и как он происходит? В современной промышленности это несколько разных процессов, в результате которых моделируется 3d объект:

Материалы, используемые в аддитивных технологиях:

Применение аддитивных технологий

Технологический прогресс способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека, например аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. Это стало возможным в результате применения принципов строения костей птичьего крыла в проектировании крыльев самолета. Другие сферы применения аддитивных технологий:

Аддитивные 3d технологии

Динамически развивающиеся быстрыми темпами аддитивные технологии 3d печати используются в прогрессивных производствах. Существует несколько инновационных видов аддитивных технологий:

  1. FDM (Fused deposition modeling) – изделие формируется послойно из расплавленной пластиковой нити.
  2. CJP (ColorJet printing) – единственная в мире 3d полноцветная печать с принципом склеивания порошка, состоящего из гипса.
  3. SLS (Selective Laser Sintering) – технология лазерного запекания, при которой образуются особо прочные объекты любых размеров.
  4. MJM (MultiJet Modeling) многоструйное 3d моделирование с использованием фотополимеров и воска.
  5. SLA (Laser Stereolithography) – с помощью лазера происходит послойное отвердевание жидкого полимера.

Аддитивные технологии в машиностроении

Джим Корр, американский инженер использует аддитивное производство в машиностроении уже в течении 15 лет. Проект Urbee, компании Kor Ecologic – это создание первого прототипа 3d автомобиля со скоростью 112 км/ч, его кузов и некоторые детали напечатаны на 3d принтере. Другая компания Local Motors в ноябре 2015 г. представила «умный и безопасный» автомобиль LMSD Swim – 75% деталей которого, выполнены с помощью трехмерной печати используя АБС-пластик и углеволокно.

Аддитивные технологии в строительстве

Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки. Строительная 3D печать в тренде по всему миру. Эксперименты, производимые на лазерных 3d-принтерах для обывателей выглядят на грани фантастичных. Аддитивные 3D технологии – положительные аспекты в строительстве:

Самые известные 3d строения:

  1. Отель Lewis Grand на Филиппинах, выполненный разработчиком Андреем Руденко.
  2. Китайская вилла от компании Tengda, возведенная в течение 45 дней и транслируемая по телевидению.
  3. «Офис будущего» построенный в Дубае в 2016 г. Строительство заняло 17 дней и обошлось Правительству ОАЭ $140 000.

В 2016 г. для медицины стал прорывом благодаря аддитивным 3d технологиям. Качество медицинских услуг возросло в разы. Аддитивный процесс затронул несколько сфер здравоохранения и это снизило смертность среди пациентов, нуждающихся в качественных и срочных медицинских услугах. Преимущества использования аддитивной 3d печати в медицине:

  1. С помощью томографических снимков стала возможной в высокой точностью печать органа с патологией для изучения тонкостей и нюансов предстоящей операции.
  2. Трансплантология шагнула далеко вперед. Аддитивные технологии здесь решают сразу несколько задач – морально-этическую и сокращение времени ожидания, известный факт, что люди по нескольку лет ждут донорские органы, но иногда счет идет не на года, а на дни и даже часы. В скором времени пересадка искусственно выращенных человеческих органов станет реальностью.
  3. Печать стерильного инструментария. В эпоху тяжелых и неизлечимых вирусных инфекций, одноразовые стерильные инструменты сводят на нет заражение во время медицинских манипуляций.

На сегодняшний день, в медицине успешно применяются следующие продукты аддитивных технологий:

Аддитивные технологии в фармакологии

При обилии современных медикаментов, для врача важно знать, что такое аддитивный эффект в лекарствах, от этого зависит успех лечения. Совокупное действие принятых препаратов во время лечения должно быть синергичным (взаимодополняющим и усиливающим), но не всегда это так. Все зависит от индивидуальной непереносимости, состояния организма. Аддитивные технологии приходят на помощь и здесь. Уже тестируются напечатанные 3d таблетки Spritam от эпилепсии, в которых заложена информация о пациенте: пол, вес, возраст, состояние печени, индивидуальная дозировка.

Аддитивные технологии в образовании

Аддитивные технологии в школе уже активно внедряются, если еще недавно школьники изучали 3d моделирование в специализированных компьютерных программах, то сейчас уже стала возможной печать смоделированного изображения в объеме. Учащиеся наглядно видят свои изобретения, допущенные ошибки и как механизм работает. К 2018 году Министерство образования планирует обучить аддитивным технологиям в учебных заведениях 3000 педагогов.

Технологии, которые станут доступны школьникам и студентам в обозримом будущем:

Проблемы аддитивных технологий

Анализ новейших разработок показывает, что аддитивные технологии в будущем – это обычный рядовой процесс, но чтобы науке до этого дорасти предстоит преодолеть много проблем и принять соответствующие решения. Проблемы аддитивных технологий настоящего времени:

Топ-10 предсказаний Симпсонов, которые уже сбылись

Мультик о «Симпсонах» предсказал будущее человечества – его герои знают все о победе Трампа, смертоносных вирусах и грядущих терактах…

Когнитивные способности – что это такое, как их развить?

Когнитивные способности – познавательные процессы человека: память, мышление, внимание, воображение, восприятие, направленные на взаимодействие с окружающим миром, другими людьми, получение информации и трансформации ее в знания и опыт.

Что такое способности – какие бывают способности и способы их развития

Что такое способности и как они проявляются? Ребенок рождается с определенными задатками, развивая которые он становится успешно реализованным в социуме. Это могут быть таланты и одаренность в сферах: математики, лингвистики, музыки, спорта.

Виды способностей – какие бывают, их классификация и уровни

Виды способностей человека – тема, которая уже много лет изучается учеными, и они постоянно делают новые открытия. С их помощью люди могут понимать окружающий мир и развиваться, достигая определенных результатов.

Аддитивные технологии в строительстве: примеры и перспективы применения (часть 2)

В продолжение предыдущего материала рассмотрим преимущества и перспективы применения АМ-технологий в строительной индустрии, а также примеры успешно выполненных работ.

Преимущества использования АМ-технологий

1. Факт: 6–9 месяцев в среднем занимает строительство дома в США. Перспектива: спроектированный с учетом запросов заказчика дом построен за 1 день (без отделки).

2. Факт: около 30 миллионов владельцев домов в США испытывают такие проблемы, как финансовое бремя, перенаселенность, недостаточность пространства. По оценкам, ежегодный рост в 5 % больших городов в развивающихся странах приведет к росту трущоб и незаконных поселений в 10 % в год.

Перспектива: достойное и приемлемое жилье для людей с низкими доходами.

3. Факт: жертвы стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, войн и т. д.) вынуждены месяцами и годами жить во временных убежищах.

Перспектива: комфортабельные жилые убежища (не тенты) для длительного пользования пострадавшими от стихии; строятся очень быстро.

4. Факт: традиционное строительство производит чрезмерное количество разного рода отходов. Например, строительство дома для одной семьи дает от 3 до 7 тонн отходов. На мировом рынке более 40 % сырьевых материалов идет в строительство.

Перспектива: строительство без отходов, шума, пыли и загрязнений воздуха.

5. Факт: больше всего несчастных случаев, в том числе с фатальным исходом, встречается в строительстве. Например, только в США ежегодно получают серьезные травмы или погибают на строительстве примерно 400 000 рабочих, и это несмотря на строгие требования по безопасности.

Перспектива: нет инцидентов и травм на строительных площадках, нет соответствующих судебных разбирательств.

6. Факт: любое отклонение от стандартного проекта (например, использование криволинейной поверхности вместо прямой стены) значительно удорожает стоимость традиционного строительства.

Перспектива: всестороннее влияние технологий АМ может быть значительным для рынка жилого сектора, который оценивается в $300 млрд в год, и для коммерческого рынка с оценкой в $700 млрд в год.

Возможные применения технологии АМ

1. Построение высоких бетонных опор для ветряных станций, пилонов мостов, водонапорных башен, силосов, дымовых труб и т. д. Метод заключается в установке нескольких роботов, взбирающихся по строящейся опоре вверх и перемещающих платформу с печатающей головкой (рис. 1). Метод особенно актуален для строительства опор в труднодоступных местах, где традиционный метод строительства с помощью кранов неприменим.

Рис. 1. Построение башни ветрогенератора по технологии Contour Crafting

Стоимость опоры ветрогенератора (~$500 000) составляет большую часть в совокупных затратах, включающих фундамент, гондолу генератора и ротор. Высота опор ветрогенератора сегодня ограничена высотой крана, который можно смонтировать в данном месте (максимальная высота 85–100 м), и размерами секций башни, которые изготавливаются на заводе и должны быть доставлены на строительную площадку. Для доставки секций башни и крана требуется построить специальную широкую дорогу на ветроферму. Ее стоимость для фермы со 100 установками обойдется в $30 млн.

2. Использование роботизированных технологий для создания безопасных надежных и доступных строительных структур на Луне и Марсе для проживания, для размещения лабораторий и других целей, которые должны быть созданы еще до прибытия людей. Предполагается использовать местные материалы в качестве сырья для строительных смесей. Созданные структуры должны включать в себя защиту от радиации, электропитание, водоснабжение и сеть различных датчиков. Одна из компаний получила от NASA грант на технологию Contour Crafting (2014 г.) и грант на технологию Selective Separation Shaping (SSS) в 2016 г., оба гранта на применение роботизированных строительных технологий в космосе и для первых поселений на Луне и на Марсе (рис. 2).

Рис. 2. Панорама стройки

Технология использует метод 3D-печати с помощью головки с последующим спеканием керамики другой головкой за счет микроволнового излучения. Например, робот сможет напечатать посадочную площадку из сцепленных друг с другом отдельных керамических плиток для приема космических аппаратов (рис. 3). В противном случае велик риск потери аппарата, в частности, если он опустится на склон кратера. В качестве строительного материала используется местный грунт, который спекается излучателем. Границы плитки определяются печатной головкой, она наносит порошок высокотемпературной керамики, тем самым отдельные плитки не будут спекаться (рис. 4). Таким образом, получается прочная структура посадочной площадки, которая не треснет под действием газов двигателя спускаемого аппарата от термического расширения.

Рис. 3. Посадка аппарата на подготовленную площадку

Рис. 4. SSS-процесс печати

Примеры успешного использования АМ-технологий в строительстве

Офисный комплекс в Дубае. Компания Winsun (Китай) занимается оказанием услуг по строительству, используя портальные 3D-принтеры собственной разработки. Офисный комплекс в Дубае был построен с помощью портального 3D-принтера за 17 дней и использовался для временного размещения Фонда будущего Дубая (рис. 5). Интерьер был изготовлен также с помощью аддитивных технологий. В настоящее время «Офис будущего» эксплуатируется фондом Future Foundation и используется для проведения выставок, конференций и других мероприятий.

Рис. 5. Офисный комплекс в Дубае

Временные казармы для Пентагона. В Пентагоне американские военные инженеры готовятся возводить временные казармы с помощью строительных 3D-принтеров и с использованием местных строительных материалов (рис. 6). 3D-принтер способен наносить бетон с наполнителем из частиц размером до десяти миллиметров, при этом предусматривается армирование бетона как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Мобильные аддитивные строения могут оказаться полезны и при возведении временного жилья для гражданского населения.

Рис. 6. Жилой блок площадью (~50 кв. м) отпечатан на 3D-принтере

Сельский экодом компании WASP (Италия) в технопарке Шамбала (рис. 7). Рабочий материал — смесь соломы с клеем. Цель проекта показать, как можно построить дома, имея ограниченный бюджет, с экономией электроэнергии и минимальными отходами стройматериалов.

Рис. 7. Использование 3D-принтера (дельта типа) компании WASP высотой 12 м для строительства экодома

Сельский дом в виде бесконечной ленты (рис. 8). Пример этого проекта показывает, как можно реализовать фантазии нидерландского архитектора напечатать дом в форме ленты Мёбиуса. Концепцию своего проекта архитектор объясняет так: «Планета Земля не имеет начала и конца, и мы стремимся к такой же форме». Принтер, разработанный для проекта инженером Энрико Дини, может печатать квадраты размером 7 на 7 метров. Фирма Universe Architecture совместно с инженерной компанией BAM испытывают его в одном из производственных помещений Амстердама. Работа принтера основана на послойном отвердении рабочего порошка, который насыпается в ванну, разравнивается и отверждается в нужных местах с помощью робота. Инструментом является прямоугольная матрица с соплами, через которые подается отверждающий раствор.

Рис. 8. Проект дома «бесконечная лента» и принтер BAM, разработанный для реализации проекта

Дом в Чикаго. Дизайн дома Curve Appeal был разработан архитектурной фирмой из Чикаго WATG. Реализацией проекта занимается компания Branch Technology. В основе технологии использование роботизированной руки Kuka KR 90 для выстраивания пространственных структур с помощью ABS-пластика, армированного углеволокном (рис. 9). С ее помощью можно легко строить элементы дома свободной формы объемом до 237 куб. м, которые можно сочетать с другими строительными материалами. Отличие рассматриваемой технологии от других послойных технологий в том, что она выстраивает с высокой скоростью внутренние сотовые структуры конструкции, имеющей сложную геометрию. После чего они покрываются традиционным способом с помощью распыления любого недорогого строительного материала типа теплоизолирующей строительной пены и бетона. В результате получается прочная гибридная конструкция. Branch Technology готовит к реализации проект такого дома площадью 60–80 кв. м для одной семьи. Этот проект заставит пересмотреть традиционные взгляды архитекторов на эстетику, эргономику, методы конструирования и строительства. Прозрачные внутренние стены создают мягкое освещение, а внешнее покрытие в виде катящихся арок естественным образом вписывает дом с его обитателями в окружающую среду.

Рис. 9. Дом Curve Appeal снаружи и внутри, структура стены дома

Павильон Вулкан в Пекине.> Павильон Вулкан (рис. 10) напоминает облака при извержении вулкана. За 30 дней на 20 принтерах (FDM) были изготовлены более 1000 деталей павильона и затем собраны вместе. Авторы павильона, Laboratory for Creative Design (LCD), использовали 20 крупных 3D-принтеров.

Рис. 10. Павильон в Пекине высотой 2,88 м и длиной 8,08 м

Жилой дом, Окриджская национальная лаборатория (ORNL): проект AMIE (интеграция аддитивных технологий и энергии). Проект состоит из напечатанного здания (рис. 11) и автомобиля, изготовленного с применением АМ. Компания SOM (Skidmore, Owings & Merrill LLP) разработала структуру здания, которая состоит из объемных полимерных панелей, напечатанных на 3D-принтере. Панели выполняют несколько функций, присущих традиционной стеновой панели: несущая нагрузку опора, тепло-, гидро- и звукоизоляция, внешняя облицовка.

Рис. 11. Дом-автомобиль и сборка дома из панелей на шасси, комплект

Комбинация панелей общей площадью 79 % всей поверхности и остекления (доля в 21 %) позволила увеличить энергоэффективность здания. Панели создавались с помощью принтера размерами 11,6 м (длина) × 3,7 м (ширина) × 3,7 м (высота). Они прошли все необходимые испытания, соответствующие стандартным строительным нормам.

Электроэнергию поставляют дому солнечные батареи, установленные на крыше.

Автомобиль, который входит в комплект дома, был разработан и построен компанией ORNL (с применением технологий АМ). Он также может подключаться к системе электропитания дома и обеспечивать любую необходимую дополнительную мощность.

Напечатанный мост

В дополнение к удивительным мостам через каналы в Амстердаме вскоре добавится ажурный стальной мост (рис. 12), построенный с помощью 3D-принтера. Принтер MX3D оборудован 6-осевым роботом ABB, который позволяет создавать из металла за счет наплавки пространственные структуры. Объем не ограничен традиционным «кубиком» рабочей зоны обычного 3D-принтера, поэтому печать реального моста явилась хорошим шансом продемонстрировать неограниченные возможности этой технологии. Дизайн моста через канал Oudezijds Achterburgwal был разработан в лаборатории Joris Laarman Lab. Символизм моста в соединении технологий будущего со старым городом.

Рис. 12. Строительство моста через канал

Строительная 3D-печать в России

Первый портальный малоформатный строительный 3D-принтер разработала и представила на рынок в 2015 г. компания из Ярославля ООО «Спецавиа», ныне резидент Сколково, торговая марка «АМТ». Первоначальная ориентация была на малый бизнес как основного потребителя оборудования для создания малых форм элементов ландшафтного дизайна. После того, как гиганты строительного рынка проявили интерес к крупноформатным принтерам, компания разработала линейку из 7 основных типов портальных 3D-принтеров, выпускаемых как серийно, так и по специальным требованиям заказчиков. Это машины:

а) стационарные для печати домов площадью до 140 кв. м в 2 этажа;

б) мобильные, позволяющие печатать дом или серию домов без ограничения площади застройки и высоты объекта.

Это профессиональное оборудование, рассчитанное на непрерывную эксплуатацию в условиях производства. Целиком дом на строительной площадке размером 12×12 м можно напечатать за одну установку принтера. На сегодня компания продала свыше 50 принтеров заказчикам из РФ, Казахстана, Молдовы, Дании.

Первый в Европе реальный жилой дом был построен в Ярославле в 2017 г (рис. 13, 14).

Рис. 13. Жилой дом, построенный с помощью 3D-печати

Рис. 14. Фасад дома

Для печати архитектурных форм, макетов, для моделирования компания «Спецавиа» разработала и выпускает промышленных способом 3D-принтеры большого формата, работающие по технологии FDM с любыми термопластиками. Рабочая зона принтера «Бегемот» 1×1×2 м (наибольшая среди выпускаемых в мире аналогичных принтеров), имеется подогреваемый стол, две печатающих головки (можно печатать разными цветами или разными материалами). Пример печати на рис. 15. Другой такой же принтер большого формата «Хомяк» имеет меньшую рабочую зону 0,3×0,3×0,45 м и обладает всеми характеристиками большой модели принтера.

Рис. 15. Пример печати из термопластика на 3D-принтере «Бегемот», высота букв 300 мм

В Копенгагене (Дания) компания 3D Printhuset на 3D-принтере компании «Спецавиа» печатает первый в Европе дом (рис. 16) — офисное здание площадью 50 кв. м.

Рис. 16. Здание офиса-отеля в Копенгагене (в процессе печати на принтере АМТ)

Компания Apis Сor из Иркутска напечатала дом площадью 32 кв. м в Подмосковье (рис. 17), используя 3D-принтер собственной разработки.

Рис. 17. Дом площадью 32 кв. м в подмосковном Ступино

Андрей Руденко (РФ), проживающий сейчас в Миннесоте (США), разработал портальный 3D-принтер и построил несколько объектов (рис. 18).

Рис. 18. Замок в Миннесоте, построенный с помощью портального принтера

Тенденции в строительной индустрии

Подробный анализ состояния строительной индустрии и направлений ее развития был проведен консалтинговой компанией McKinsey. Некоторые важные тенденции отмечены ниже:

Этот метод также можно адаптировать для модульных зданий, таких как отели и бюджетные кондоминиумы. Полные подмодули большого здания собраны на заводе или рядом с ним перед окончательной сборкой на строительной площадке. Такие методы, как сборные, предварительно сконструированные объемные конструкции (PPVC), объединяют возможности для трансформации строительной площадки в производственную систему. Как результат — большая эффективность, меньше отходов и повышенная безопасность.

Результаты обзора аддитивных технологий для строительной индустрии и опыта их применения показывают хорошие перспективы для развития этого направления. Материалы практически те же, как и при монолитном строительстве. Экономия возникает только за счет автоматизации производства, возможности быстро и без особых трудозатрат сделать сложные формы фасадов, конструктив стен. На коробке зданий можно сэкономить около 30–40 %, что в общем объеме строительства даст 7–10 %. Но и это уже немало. Кроме того, 3D-печать — это некий дополнительный инструмент, с помощью которого удобно решать ряд строительных задач. Ее удел – не только единичные авторские постройки, но и массовые применения, например, очень сложные многокамерные стены с большим количеством полостей под коммуникации. Трехмерная печать в строительстве станет привычной и будет широко использоваться, как только появится строительный стандарт на аддитивную строительную технологию.

Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»

Источники

1. www.contourcrafting.com 2. www.officeofthefuture.ae 3. http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/the-army-corps-of-engineers-us-army-will-adopt-construction-3d-printin/ 4. http://www.universearchitecture.com/projects/landscape-house 5. http://www.som.com/news/oak_ridge_national_laboratory_unveils_som-designed_3d-printed_building_powered_by_a_car 6. www.mx3d.com/projects/bridge/ 7. www.3dpulse.ru 8. Norman Hacka, Timothy Wanglerb, Jaime Mata-Falcónc, Kathrin Dörflera, Nitish Kumard, Alexander Nikolas Walzera, Konrad Grasere, Lex Reiterb, Heinz Richnerb, Jonas Buchlid, Walter Kaufmannc, Robert J. Flattb, Fabio Gramazioa, Matthias Kohlera MESH MOULD:
AN ON SITE, ROBOTICALLY FABRICATED, FUNCTIONAL FORMWORK 9. https://specavia.pro 10. http://apis-cor.com 11. https://www.mckinsey.com/industries/capital-projects-and-infrastructure/our-insights/imagining-constructions-digital-future 12.  http://tass.ru/ekonomika/4674212

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 1-2018.

Аддитивные технологии в строительстве: ожидания и перспективы

Аддитивные технологии, позволяющие синтезировать различные по сложности объемные объекты, становятся все более востребованными в самых разных отраслях, в том числе в строительстве. За последние четыре года в этой сфере произошел настоящий прорыв, люди научились печатать на 3D-принтерах сначала отдельные стены, потом гаражи и малоэтажные здания, а затем и более масштабные проекты. Какое будущее ждет эти технологии, зачем они нужны миру, завоюют ли они российский рынок – размышляют эксперты. Стремительное развитие в области 3D-печати бетоном началось в 2014 году, когда шанхайская компания WinSun построила таким образом десять малоэтажных домов всего за 24 часа, а затем напечатала и пятиэтажное здание.

Воспользуйтесь нашими услугами

После этого своими успехами начали делиться компании по всему миру, напечатанные дома появляются в разных уголках света. В 2015 году в Миннесоте напечатали номер отеля, а год спустя голландская студия DUS designs представила летний дом. Также в 2015 году китайская компания Zhuoda Group продемонстрировала трехэтажный жилой дом, правда, созданный из отдельных напечатанных блоков.

Свои эксперименты в области 3D-печати домов успешно ставят и в России. Так, американский стартап Apis Cor с российскими корнями (его основал Никита Чен-юн-тай из Иркутска) в прошлом году напечатал дом площадью 36,8 кв. м в подмосковном городе Ступино. Печать стен заняла всего 24 часа, а вот на установку кровли и окон, а также внутреннюю и внешнюю отделку ушло еще три недели. Стоимость возведения такого дома составила чуть более 10 тысяч долларов, около 275 долларов за квадратный метр, а прослужить он должен, по расчетам создателей, как минимум 175 лет. Также в прошлом году датское бюро 3D Printhuset с помощью российской компании «Спецавиа» напечатало на трехмерном принтере офисное здание площадью 50 кв. м. Сейчас к строительству частного дома в Подмосковье готовится компания «Бетонатор», площадь этого проекта может составить уже 120 кв. м.

Но все же больше других темой применения аддитивных технологий в строительстве, пожалуй, загорелись в ОАЭ, где намерены к 2030 году печатать около 25% всей возводимой недвижимости. В 2016 году здесь состоялось открытие первого в мире офисного здания, созданного с помощью 3D-печати. Его площадь составила 250 кв. м, но очевидно, что на этом в ОАЭ не остановятся, учитывая, что здесь расположено самое высокое здание в мире. По данным правительства страны, проект, получивший название «Офис будущего», обошелся примерно на 50% дешевле, чем «традиционное» строительство аналогичного по площади и сложности здания. Создание конструкции заняло 17 дней, еще два потратили на отделку помещения.

Эксперты считают, что планы, заявленные правительством ОАЭ, вполне осуществимы, учитывая, что эта страна в принципе находится на передовой внедрения различных инновационных решений. Способствуют масштабному использованию 3D-печати и благоприятные для этого климатические условия, которых, к примеру, нет в России. Сейчас машины могут работать при температуре не ниже 5 градусов по Цельсию, и отечественным специалистам, чтобы напечатать здание с помощью 3D-принтера, надо либо дожидаться весны, либо специально обогревать «зону печати», что было сделано во время возведения здания в Ступино.

Несмотря на интерес к теме 3D-печати, примеры, о которых шла речь выше, все же остаются единичными, а до начала массового принтинга зданий еще долгие годы. Существует множество ограничений, которые пока не дают масштабировать существующие технологии. В печати можно использовать далеко не все материалы, соответственно, не получается создать все необходимые комплектующие. К примеру, уже привычной стала печать из пластика и силикона. Бетон, как мы видим, также используется в печати уже довольно активно. Однако утепление, прокладка коммуникаций, установка окон и полная отделка помещений принтерам еще неподвластны. Кроме того, остро стоят вопросы, связанные с вертикальным армированием: пока эта проблема не будет решена, печатать многоэтажные здания не выйдет.

«Отсутствие массового производства напечатанных домов связано с тем, что на данный момент недостаточно технологий для полноценного строительства. Нет принтеров, которые способны делать качественную крышу, также все равно после завершения строительства потребуются внешняя и внутренняя отделка, прокладка коммуникаций, монтаж окон и дверей. Кроме того, для строительства дома при помощи 3D-печати необходима ровная площадка, машины пока не умеют возводить фундамент в холмистой местности или на сложных с точки зрения строительства участках», – рассказывает генеральный директор «СМУ‑6 Инвестиции» Алексей Перлин.

Ограничения накладывает и размер устройства: чтобы напечатать офисный небоскреб целиком, потребуется такая же гигантская машина. Также многое зависит и от способа перемещения «печатающей головки», через которую подается раствор. Архитектор, партнер архитектурной группы ДНК Константин Ходнев отмечает, что существующие на сегодняшний день технологии позволяют напечатать либо маленький дом, либо фрагменты, которые затем приходится собирать, как конструктор. По словам эксперта, нерешенным остается и процесс термо- и гидроизоляции, в том числе поэтому технология наиболее применима в странах с теплым и сухим климатом: вопрос защиты от жары легко решается путем увеличения толщины стен с воздушным зазором внутри.

Интересно, что, хотя 3D-принтеры не могут выровнять самостоятельно площадку под строительство или осуществить полную внутреннюю отделку, они вполне справляются с такой тонкой работой, как изготовление лепнины. Глава бюро MAD Architects Мария Николаева утверждает, что 3D-печать полностью вытеснила с рынка привычную лепнину, которую теперь без труда и с хорошей точностью производят роботы.

«Раньше процесс изготовления карнизов, сводов, особенно если стилистика предполагает барочное исполнение, сопровождался долгой и трудоемкой ручной лепкой из глины. Все мелкие детали делались вручную, создавались узоры и витиеватые формы. Сегодня такой труд занимает много времени, а также требует серьезных инвестиций и поиска мастеров, которые способны справиться с большими объемами работ, если мы говорим не об одном конкретном интерьере, а обо всем здании. 3D-принтер может работать без перерывов на сон и обед, а точность исполнения и детализация будут на высоком уровне, так что привносить стилистику XVIII–XIX веков в современные объекты стало дешевле и проще», – говорит Николаева.

Если все существующие на сегодняшний день барьеры удастся преодолеть, 3D-печать позволит серьезно сократить расходы на строительство, а следовательно, и стоимость жилья для конечного потребителя. По расчетам специалистов компании «КБК Проект», за счет того, что при использовании аддитивных технологий проектирование, планирование и реализация проекта становятся единым процессом, сокращение сроков достигает 80%. Пропуск целого ряда этапов строительства существенно удешевляет проект. Китайские проектировщики утверждают, что стоимость строительства сокращается на 50%, экономия на расходных материалах составляет 60%, а трудочасов нужно на 80% меньше, чем обычно.

Однако технологии еще предстоит доказать свое право на полномасштабное использование. Некоторые эксперты считают, что в России 3D-печать приживется не скоро, потому что всех устраивают «классические» технологии, которые понятны как строителям, так и покупателям. Учитывая, что речь идет о комфорте проживания людей и их безопасности, попытка печатать полноценные жилые дома в больших объемах может вызвать острые дискуссии. «Внедрение инновационных технологий во все отрасли, в том числе и строительную, – это естественный процесс. Другой вопрос, что не имеет смысла внедрять непроверенные технологии. Мы все-таки занимаемся строительством домов, в которых будут жить люди, и эксперименты тут неуместны», – считает Алексей Перлин.

Чтобы технология прочно закрепилась в стране, необходимы долгие годы испытаний, а также законодательные изменения. Причем разработка законодательной базы может занять гораздо больше времени, чем изобретение принципиально нового способа возведения зданий. Требуется пересмотреть большое число стандартов, касающихся проектирования, строительных материалов, пожарной безопасности и других аспектов. Пока большинство экспертов видят будущее для 3D-печати в России только в области индивидуального жилищного строительства или же в сегменте коммерческой недвижимости. В перспективе использование 3D-печати может быть актуально при создании временных построек (например, для жертв стихийных бедствий) и доступного социального жилья. Но для того чтобы такое строительство получалось действительно дешевым, необходим и большой масштаб, при котором дорогая техника будет быстро окупать себя.

«На данный момент каждый напечатанный дом – это индивидуальный проект, эксперимент. Строительство одного дома методом 3D-печати экономически неоправданно. Имеющееся оборудование – это единичные в мире установки, а подготовительный этап и управление строительством требуют привлечения команды профессионалов высокой квалификации. Построить малоэтажное компактное здание с помощью проверенных временем технологий будет дешевле, быстрее и качественнее, чем организовать процесс строительства методом 3D», – считает директор департамента недвижимости Sezar Group Виктор Прокопенко.

Пока аддитивные технологии остаются нишей тех, кто хочет впечатать свое имя в историю. И это справедливо для всех отраслей, а не только для строительства: принтеры успешно печатают одежду и обувь, но все-таки рынок формируют технологии прошлого. «На уровне идеи это здорово, что есть принтер, который может за сутки напечатать обувь по вашему индивидуальному слепку ноги. Тем не менее большинство по-прежнему носит обувь фабричного производства, а возможности ее печати на 3D-принтере воспринимаются скорее как хайп», – говорит Виктор Прокопенко. По его мнению, аналогичный путь ждет технологию 3D-печати и в строительстве. «Пока не произойдет принципиальный прорыв в стоимости оборудования, доступности расходных материалов, удобстве и универсальности, 3D-печать домов будет исключительной прерогативой тех, кто гонится за модой и готов к экспериментам», – считает эксперт.

Генеральный директор «КБК Проект» Василий Костин полагает, что на данном этапе полностью заменить привычные технологии 3D-принтинг действительно не может, но уже в перспективе десяти лет каждый третий возводимый дом будут печатать, считает эксперт. По его мнению, большинство ограничений, в которые сейчас упираются первые специалисты в этой области, легко можно будет обойти: это лишь вопрос развития технологий и, соответственно, времени. «Основные запросы современности – это экологичность, безопасность, высокая скорость строительства, снижение расходов и возможность выделиться среди конкурентов. По каждому из этих запросов у 3D-технологии есть что предложить», – уверен Василий Костин. Осталось лишь дождаться появления новых решений, которые выведут 3D-печать на новый уровень и позволят совершить революцию в строительстве.

Источник: http://www.profile.ru/ Автор: Екатерина Сахарова

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Аддитивные технологии в строительстве: примеры и перспективы применения (часть 2)

Как было показано в первой части статьи (журнал «Аддитивные технологии», № 4'2017), аддитивные технологии (AM) в строительстве уже получили серьезный импульс к развитию. Создается оборудование различных типов и применений, появляются новые материалы, в предлагаемых проектах стирается грань между фантазиями архитекторов и реальностью. В продолжение темы рассмотрим преимущества и перспективы применения АМ-технологий в строительной индустрии, а также примеры успешно выполненных работ.

Преимущества использования АМ-технологий

1. Факт: 6–9 месяцев в среднем занимает строительство дома в США. Перспектива: спроектированный с учетом запросов заказчика дом построен за 1 день (без отделки). 2. Факт: около 30 миллионов владельцев домов в США испытывают такие проблемы, как финансовое бремя, перенаселенность, недостаточность пространства. По оценкам, ежегодный рост в 5 % больших городов в развивающихся странах приведет к росту трущоб и незаконных поселений в 10 % в год. Перспектива: достойное и приемлемое жилье для людей с низкими доходами. 3. Факт: жертвы стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, войн и т. д.) вынуждены месяцами и годами жить во временных убежищах. Перспектива: комфортабельные жилые убежища (не тенты) для длительного пользования пострадавшими от стихии; строятся очень быстро. 4. Факт: традиционное строительство производит чрезмерное количество разного рода отходов. Например, строительство дома для одной семьи дает от 3 до 7 тонн отходов. На мировом рынке более 40 % сырьевых материалов идет в строительство. Перспектива: строительство без отходов, шума, пыли и загрязнений воздуха. 5. Факт: больше всего несчастных случаев, в том числе с фатальным исходом, встречается в строительстве. Например, только в США ежегодно получают серьезные травмы или погибают на строительстве примерно 400 000 рабочих, и это несмотря на строгие требования по безопасности. Перспектива: нет инцидентов и травм на строительных площадках, нет соответствующих судебных разбирательств. 6. Факт: любое отклонение от стандартного проекта (например, использование криволинейной поверхности вместо прямой стены) значительно удорожает стоимость традиционного строительства. Перспектива: всестороннее влияние технологий АМ может быть значительным для рынка жилого сектора, который оценивается в $300 млрд в год, и для коммерческого рынка с оценкой в $700 млрд в год.

Возможные применения технологии АМ.

1. Построение высоких бетонных опор для ветряных станций, пилонов мостов, водонапорных башен, силосов, дымовых труб и т. д. Метод заключается в установке нескольких роботов, взбирающихся по строящейся опоре вверх и перемещающих платформу с печатающей головкой (рис. 1). Метод особенно актуален для строительства опор в труднодоступных местах, где традиционный метод строительства с помощью кранов неприменим.

Рис. 1. Построение башни ветрогенератора по технологии Contour Crafting [1]

Стоимость опоры ветрогенератора (~$500 000) составляет большую часть в совокупных затратах, включающих фундамент, гондолу генератора и ротор. Высота опор ветрогенератора сегодня ограничена высотой крана, который можно смонтировать в данном месте (максимальная высота 85–100 м), и размерами секций башни, которые изготавливаются на заводе и должны быть доставлены на строительную площадку. Для доставки секций башни и крана требуется построить специальную широкую дорогу на ветроферму. Ее стоимость для фермы со 100 установками обойдется в $30 млн. 2. Использование роботизированных технологий для создания безопасных надежных и доступных строительных структур на Луне и Марсе для проживания, для размещения лабораторий и других целей, которые должны быть созданы еще до прибытия людей. Предполагается использовать местные материалы в качестве сырья для строительных смесей. Созданные структуры должны включать в себя защиту от радиации, электропитание, водоснабжение и сеть различных датчиков. Одна из компаний получила от NASA грант на технологию Contour Crafting (2014 г.) и грант на технологию Selective Separation Shaping (SSS) в 2016 г., оба гранта на применение роботизированных строительных технологий в космосе и для первых поселений на Луне и на Марсе (рис. 2).

Рис. 2. Панорама стройки

Рис. 3. Посадка аппарата на подготовленную площадку

Рис. 4. SSS-процесс печати

Технология использует метод 3D-печати с помощью головки с последующим спеканием керамики другой головкой за счет микроволнового излучения. Например, робот сможет напечатать посадочную площадку из сцепленных друг с другом отдельных керамических плиток для приема космических аппаратов (рис. 3). В противном случае велик риск потери аппарата, в частности, если он опустится на склон кратера. В качестве строительного материала используется местный грунт, который спекается излучателем. Границы плитки определяются печатной головкой, она наносит порошок высокотемпературной керамики, тем самым отдельные плитки не будут спекаться (рис. 4). Таким образом, получается прочная структура посадочной площадки, которая не треснет под действием газов двигателя спускаемого аппарата от термического расширения.  

Примеры успешного использования АМ-технологий в строительстве  

Офисный комплекс в Дубае [2]. Компания Winsun (Китай) занимается оказанием услуг по строительству, используя портальные 3D-принтеры собственной разработки. Офисный комплекс в Дубае был построен с помощью портального 3D-принтера за 17 дней и использовался для временного размещения Фонда будущего Дубая (рис. 5). Интерьер был изготовлен также с помощью аддитивных технологий. В настоящее время «Офис будущего» эксплуатируется фондом Future Foundation и используется для проведения выставок, конференций и других мероприятий.

Рис. 5. Офисный комплекс в Дубае

Временные казармы для Пентагона [3]. В Пентагоне американские военные инженеры готовятся возводить временные казармы с помощью строительных 3D-принтеров и с использованием местных строительных материалов (рис. 6). 3D-принтер способен наносить бетон с наполнителем из частиц размером до десяти миллиметров, при этом предусматривается армирование бетона как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Мобильные аддитивные строения могут оказаться полезны и при возведении временного жилья для гражданского населения.

Рис. 6. Жилой блок площадью (~50 кв м)  отпечатан на 3D-принтере

Сельский экодом компании WASP (Италия) в технопарке Шамбала (рис. 7). Рабочий материал — смесь соломы с клеем. Цель проекта показать, как можно построить дома, имея ограниченный бюджет, с экономией электроэнергии и минимальными отходами стройматериалов.

Рис. 7. Использование 3D-принтера (дельта типа) компании WASP высотой 12 м для строительства экодома

Сельский дом в виде бесконечной ленты [4] (рис. 8). Пример этого проекта показывает, как можно реализовать фантазии нидерландского архитектора напечатать дом в форме ленты Мёбиуса. Концепцию своего проекта архитектор объясняет так: «Планета Земля не имеет начала и конца, и мы стремимся к такой же форме». Принтер, разработанный для проекта инженером Энрико Дини, может печатать квадраты размером 7 на 7 метров. Фирма Universe Architecture совместно с инженерной компанией BAM испытывают его в одном из производственных помещений Амстердама. Работа принтера основана на послойном отвердении рабочего порошка, который насыпается в ванну, разравнивается и отверждается в нужных местах с помощью робота. Инструментом является прямоугольная матрица с соплами, через которые подается отверждающий раствор.

Рис. 8. Проект дома «бесконечная лента» и принтер BAM, разработанный для реализации проекта

Дом в Чикаго [6]. Дизайн дома Curve Appeal был разработан архитектурной фирмой из Чикаго WATG. Реализацией проекта занимается компания Branch Technology. В основе технологии использование роботизированной руки Kuka KR 90 для выстраивания пространственных структур с помощью ABS-пластика, армированного углеволокном (рис. 9). С ее помощью можно легко строить элементы дома свободной формы объемом до 237 куб. м, которые можно сочетать с другими строительными материалами. Отличие рассматриваемой технологии от других послойных технологий в том, что она выстраивает с высокой скоростью внутренние сотовые структуры конструкции, имеющей сложную геометрию. После чего они покрываются традиционным способом с помощью распыления любого недорогого строительного материала типа теплоизолирующей строительной пены и бетона. В результате получаем прочную гибридную конструкцию. Branch Technology готовит к реализации проект такого дома площадью 60–80 кв м для одной семьи. Этот проект заставит пересмотреть традиционные взгляды архитекторов на эстетику, эргономику, методы конструирования и строительства. Прозрачные внутренние стены создают мягкое освещение, а внешнее покрытие в виде катящихся арок естественным образом вписывает дом с его обитателями в окружающую среду.

Рис. 9. Дом Curve Appeal снаружи и внутри, структура стены дома

Павильон Вулкан в Пекине [8]. Павильон Вулкан (рис. 10) напоминает облака при извержении вулкана. За 30 дней на 20 принтерах (FDM) были изготовлены более 1000 деталей павильона и затем собраны вместе. Авторы павильона, Laboratory for Creative Design (LCD), использовали 20 крупных 3D-принтеров.

Рис. 10. Павильон в Пекине высотой 2,88 м и длиной 8,08 м

Жилой дом, Окриджская национальная лаборатория (ORNL): проект AMIE (интеграция аддитивных технологий и энергии) [5]. Проект состоит из напечатанного здания (рис. 11) и автомобиля, изготовленного с применением АМ. Компания SOM (Skidmore, Owings & Merrill LLP) разработала структуру здания, которая состоит из объемных полимерных панелей, напечатанных на 3D-принтере. Панели выполняют несколько функций, присущих традиционной стеновой панели: несущая нагрузку опора, тепло-, гидро- и звукоизоляция, внешняя облицовка.

Рис. 11. Дом-автомобиль и сборка дома из панелей на шасси, комплект

Комбинация панелей общей площадью 79 % всей поверхности и остекления (доля в 21 %) позволила увеличить энергоэффективность здания. Панели создавались с помощью принтера размерами 11,6 м (длина) × 3,7 м (ширина) × 3,7 м (высота). Они прошли все необходимые испытания, соответствующие стандартным строительным нормам. Электроэнергию поставляют дому солнечные батареи, установленные на крыше. Автомобиль, который входит в комплект дома, был разработан и построен компанией ORNL (с применением технологий АМ). Он также может подключаться к системе электропитания дома и обеспечивать любую необходимую дополнительную мощность.

Напечатанный мост [6] В дополнение к удивительным мостам через каналы в Амстердаме вскоре добавится ажурный стальной мост (рис. 12), построенный с помощью 3D-принтера. Принтер MX3D оборудован 6-осевым роботом ABB, который позволяет создавать из металла за счет наплавки пространственные структуры. Объем не ограничен традиционным «кубиком» рабочей зоны обычного 3D-принтера, поэтому печать реального моста явилась хорошим шансом продемонстрировать неограниченные возможности этой технологии. Дизайн моста через канал Oudezijds Achterburgwal был разработан в лаборатории Joris Laarman Lab. Символизм моста в соединении технологий будущего со старым городом.

Рис. 12. Строительство моста через канал

Строительная 3D-печать в России  

Первый портальный малоформатный строительный 3D-принтер разработала и представила на рынок в 2015 г. компания из Ярославля ООО «Спецавиа», ныне резидент Сколково, торговая марка «АМТ» [9]. Первоначальная ориентация была на малый бизнес как основного потребителя оборудования для создания малых форм элементов ландшафтного дизайна. После того, как гиганты строительного рынка проявили интерес к крупноформатным принтерам, компания разработала линейку из 7 основных типов портальных 3D-принтеров, выпускаемых как серийно, так и по специальным требованиям заказчиков. Это машины: — малого формата (объем строительных конструкций до 36 м3) для печати частей зданий, которые за счет разработанных технических решений могут быть интегрированы в типовые проекты домов индивидуального жилищного строительства; — принтеры для строительства домов площадью до 140 м2 и более до 2‑х этажей: а) стационарные для печати домов площадью до 140 м2 в 2 этажа; б) мобильные, позволяющие печатать дом или серию домов без ограничения площади застройки и высоты объекта. Это профессиональное оборудование, рассчитанное на непрерывную эксплуатацию в условиях производства. Целиком дом на строительной площадке размером 12×12 м можно напечатать за одну установку принтера. На сегодня компания продала свыше 50 принтеров заказчикам из РФ, Казахстана, Молдовы, Дании.

Первый в Европе реальный жилой дом был построен в Ярославле в 2017 г (рис. 13, 14) [12].

Рис. 13. Жилой дом, построенный с помощью 3D-печати

Рис. 14. Фасад дома

Для печати архитектурных форм, макетов, для моделирования компания «Спецавиа» разработала и выпускает промышленных способом 3D-принтеры большого формата, работающие по технологии FDM с любыми термопластиками. Рабочая зона принтера «Бегемот» 1×1×2 м (наибольшая среди выпускаемых в мире аналогичных принтеров), имеется подогреваемый стол, две печатающих головки (можно печатать разными цветами или разными материалами). Пример печати на рис. 15. Другой такой же принтер большого формата «Хомяк» имеет меньшую рабочую зону 0,3×0,3×0,45 м и обладает всеми характеристиками большой модели принтера.

Рис. 15. Пример печати из термопластика на 3D-принтере «Бегемот», высота букв 300 мм

В Копенгагене (Дания) компания 3D Printhuset на 3D-принтере компании «Спецавиа» печатает первый в Европе дом (рис. 16) — офисное здание площадью 50 кв. м.

Рис. 16. Здание офиса-отеля в Копенгагене (в процессе печати на принтере АМТ)

Компания Apis Cor [10] из Иркутска напечатала дом площадью 32 кв м в Подмосковье (рис. 17), используя 3D-принтер собственной разработки. Андрей Руденко (РФ), проживающий сейчас в Миннесоте (США), разработал портальный 3D-принтер и построил несколько объектов (рис. 18).

Рис. 17. Дом площадью 32 м2 в подмосковном Ступино

Рис. 18. Замок в Миннесоте, построенный с помощью портального принтера

Тенденции в строительной индустрии

Подробный анализ состояния строительной индустрии и направлений ее развития был проведен консалтинговой компанией McKinsey [11]. Некоторые важные тенденции отмечены ниже: — зеленое строительство (снижение выбросов углерода при производстве материалов); — эффективность затрат — выбор правильных материалов, например, вместо стеклянных панелей использовать этилентетрафторэтилен (ETFE). Он получил широкое распространение после того, как использовался для создания части водного здания для Олимпийских игр в Пекине в 2008 году. ETFE весит менее 1 процента эквивалентной стеклянной панели, стоимость установки в разы меньше; — оптимизация логистики; — повышенные прочность и надежность: проекты должны иметь более длительную коммерческую жизнь; — изготовление сборных модулей, строительных элементов за пределами стройплощадки. Этот метод также можно адаптировать для модульных зданий, таких как отели и бюджетные кондоминиумы. Полные подмодули большого здания собраны на заводе или рядом с ним перед окончательной сборкой на строительной площадке. Такие методы, как сборные, предварительно сконструированные объемные конструкции (PPVC), объединяют возможности для трансформации строительной площадки в производственную систему. Как результат — большая эффективность, меньше отходов и повышенная безопасность.

Результаты обзора аддитивных технологий для строительной индустрии и опыта их применения показывают хорошие перспективы для развития этого направления. Материалы практически те же, как и при монолитном строительстве. Экономия возникает только за счет автоматизации производства, возможности быстро и без особых трудозатрат сделать сложные формы фасадов, конструктив стен. На коробке зданий можно сэкономить около 30–40 %, что в общем объеме строительства даст 7–10 %. Но и это уже немало. Кроме того, 3D-печать — это некий дополнительный инструмент, с помощью которого удобно решать ряд строительных задач. Ее удел – не только единичные авторские постройки, но и массовые применения, например, очень сложные многокамерные стены с большим количеством полостей под коммуникации. Трехмерная печать в строительстве станет привычной и будет широко использоваться, как только появится строительный стандарт на аддитивную строительную технологию. ■

Источники 1. www.contourcrafting.com 2. www.officeofthefuture.ae 3. http://3dtoday.ru/blogs/ 4. news3dtoday/the-army-corps-of-engineers-us-army-will-adopt-construction‑3d-printin/

5. http://www.universearchitecture.com/projects/landscape-house

6. http://www.som.com/news/oak_ridge_national_laboratory_unveils_som-designed_3d-printed_building_powered_by_a_car 7. www.mx3d.com/projects/bridge/ 8. www.3dpulse.ru 9. Norman Hacka, Timothy Wanglerb, Jaime Mata-Falcónc, Kathrin Dörflera, Nitish Kumard, Alexander Nikolas Walzera, Konrad Grasere, Lex Reiterb, Heinz Richnerb, Jonas Buchlid, Walter Kaufmannc, Robert J. Flattb, Fabio Gramazioa, Matthias Kohlera MESH MOULD:


AN ON SITE, ROBOTICALLY FABRICATED, FUNCTIONAL FORMWORK https://specavia.pro

 10.  http://apis-cor.com  11.  https://www.mckinsey.com/industries/capital-projects-and-infrastructure/our-insights/imagining-constructions-digital-future  12.  http://tass.ru/ekonomika/4674212  

Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»  

Внимание! Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы

со ссылками и изображениями. [email protected]

Аддитивные технологии. Виды, особенности, харатктеристики аддитивных технологий

Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. Изобретатель аддитивных технологий – Чарльз Халл, сконструировал первый стереолитографический трехмерный принтер в 1986 г..

Аддитивное производство (АП) включает в себя ряд этапов:

Проектирование в среде САПР. Изготовление любых деталей с использованием АП начинается с создания виртуальной модели с помощью специального программного обеспечения для твердотельного моделирования, которое полностью описывает геометрическую форму и размеры внешней поверхности изделия. На выходе получают трехмерное представление твердого тела или его поверхности.

Преобразование в STL-файлы. Программное обеспечение САПР для твердотельного моделирования выводит файлы в формате STL (Stereo Lithography). В файлах описаны внешние замкнутые поверхности изначальной САПР-модели, формирующие основу для расчета слоев.

Перенос STL-файла в машину аддитивного производства и манипулирование этими файлами. STL-файл с описанием изделия передается в машину АП, где производится исправление размеров, позиционирование и ориентация для изготовления изделия.

Настройка машины. Перед началом изготовления машину АП необходимо настроить. Устанавливают параметры изготовления, например пределы использования материала, источник энергии, толщину слоя и т.д.

Изготовление. Изготовление изделия представляет собой большей частью автоматизированный процесс, выполняемый практически без контроля оператора.

Извлечение изделия. Для извлечения изделие требуется провести некоторые манипуляции с машиной, в которую встроены блокировки безопасности, что обеспечить, например, снижение температуры или отсутствие активно движущихся частей.

Последующая обработка. После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополнительная очистка перед использованием. На этом этапе изделия могут не иметь нужную прочность или в них остаются вспомогательные поверхности, которые необходимо удалить.

Применение. В некоторых случаях детали не требуют дополнительной обработки и после изготовления и постобработки готовы к использованию. В других случаях может потребоваться грунтовка и покраска для создания нужной текстуры поверхности и финишной обработки.

Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам, приведены в табл. 1.

Таблица 1.  Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам

Благоприятствуют АП Благоприятствуют традиционному производству
Малые объемы производства Большие объемы производства
Высокая стоимость материалов Низкая стоимость материалов
Высокая стоимость станочной обработки Легкость обработки деталей

Наиболее востребованными технологиями в настоящее время являются : селективное лазерное плавление (Selective laser melting, SLM); селективное электронно-лучевое плавление (Selective electron beam melting, EBM) и прямое лазерное нанесение металла (Direct laser metal deposition, DLMD).

Технологии селективного лазерного и электронно-лучевого плавления основаны на избирательном плавлении порошка, расстеленного в слой на платформе (подложке) в зоне воздействия лазерного или электронного луча. Существует более 130 технологических параметров, влияющих на процессы селективного лазерного и электронно-лучевого плавления .

Selective Laser Melting (SLM)

В современном мире технологический процесс селективного лазерного плавления является одним из перспективных методов аддитивного производства, повышение эффективности которого возможно за счёт оптимального выбора стратегии обработки лазерным лучом . Метод селективного лазерного плавления (плавки) представляет собой процесс послойного сплавления деталей из металлического, керамического или полимерного порошкового материала. Чаще всего используют металлические порошки с размером зерен в диапазоне 10-40 мкм . Гранулы порошкового материала связываются между собой путём их проплавления при помощи, движущегося в каждом слое по определённой траектории в соответствии с выбранной стратегией обработки и согласно трёхмерной модели изделия в компьютерной среде, которая была предварительно определённым образом подготовлена.

Технология SLM включает в себя:

В процессе SLM происходит полное расплавление порошка, что существенно улучшает микроструктуру и характеристики изделия по сравнению с DMLS. Плотность 99,99 % для металлических изделий достижима без последующей термической обработки . Итоговые характеристики материала сопоставимы с характеристиками деталей, полученных механообработкой, так показатели удельной и усталостной прочности не уступают аналогичным показателям деталей, изготовленных из материалов методами традиционной обработки из кованных или литых заготовок . Преимуществом SLM является также возможность работать с цветными металлами (титан, алюминий и медь), кобальтохромовыми и титановыми сплавами, инструментальными сталями .

Однако процесс селективного лазерного плавления требует высокой мощности лазера (0,05-1 кВт), хорошего качества лазерного пучка и малой толщины порошкового слоя (что означает замедление изготовления). Более того, при затвердевании, детали склонны давать сильную усадку, вызывая значительные остаточные напряжения в изготовленных изделиях; эти остаточные напряжения могут приводить к деформациям и даже расслоениям в конечном продукте. Для нависающих элементов изделия нужны поддерживающие структуры, а термические напряжения, порождаемые процессом, требуют наличия фиксаторов.

Прочность образцов изделий, изготовленных при помощи метода селективного лазерного плавления, зависит не только от грануломорфометрических свойств и геометрических размеров частиц порошкового материала, но и от внутренней микроструктуры и наличия дефектов .

Образцы изделий, изготовленные при помощи метода селективного лазерного плавления, могут иметь выраженную столбчатую микроструктуру, поры и раковины (рис. 1), появление которых в изделиях в основном зависят от технологических параметров процесса селективного лазерного плавления .

Рис. 1. Дефекты – поры в срезе образца изделия, полученного при помощи метода селективного лазерного плавления

На конечное качество микроструктуры изделий наибольшее влияние оказывают мощность лазерного источника, скорость сканирования лазерного луча, стратегия обработки лазерным лучом сплавляемого слоя изделия. От выбранной стратегии обработки лазерным лучом при селективном лазерном плавлении зависят механические свойства и пористость образцов, а также время изготовления каждого слоя изделия и всего изделия в целом.

Выбор оптимальной стратегии обработки лазерного луча в каждом сплавляемом слое изделия, в том числе, по отдельным ортогональным направлениям, позволяет повысить эффективность и сократить сроки изготовления изделий, управлять анизотропией свойств изделия (в полном соответствии с его функциональным назначением), снизить пористость образцов, а следовательно и повысить их качество . Уменьшение пористости возможно за счёт подбора оптимальных технологических параметров, таких как мощность и скорость сканирования лазерного луча, толщина сплавляемого слоя порошкового материала, а также подбора оптимального шага сканирования между двумя соседними сплавляемыми единичными треками.

Electron Beam Melting (EBM). Основой процесса электронно-лучевой плавки (ЕВМ) является термоэлектронный излучатель, использующий вольфрамовую нить для создания пучка электронов . Сканирующий пучок выборочно плавит металлический порошок (с толщиной слоя 70-250 мкм), вызывая его спекание. Порошок, спекшийся вокруг изделия, обеспечивает опору для поверхностей, направленных книзу, а в процессе постобработки счищается, тем самым сохраняя большую часть не подвергшегося спеканию порошка для повторного использования.

Фактически, EBM основана на том же принципе, что и технология лазерной плавки, за исключением использования электронных пучков высокой мощности вместо лазерных лучей. Процесс ЕВМ выгодно отличается от лазерных процессов более высокой скоростью сканирования, что сокращает время изготовления изделия, и меньшими термическими напряжениями. Однако круг используемых материалов ограничен проводящими электрический ток металлическими порошками, а качество поверхности изделия уступает результату лазерных процессов.

Процесс ЕВМ выполняется в камере с глубоким вакуумом, что делает его довольно затратным, но облегчает работу с материалами, чувствительными к окислению, что важно, например, для изготовления медицинских имплантатов и в некоторых авиационно-космических приложениях.

Технология прямого лазерного нанесения металла основана на применении лазерного излучения и соосной с ним (или боковой) подаче порошка на подложку, при этом поток порошка и лазерное излучение сфокусированы в одну точку.

Three-Dimensional Printing (3DP). Струйная трехмерная печать – один из старейших методов аддитивного производства. Технология, разработанная в Массачусетском технологическом институте в 1993 г., получила коммерческое распространение в 1995 г. с помощью компании Z-Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 г.

Данная технология является одной из разновидностей систем аддитивного построения изделия по его CAD-модели и отличается от многочисленных схожих схем тем, что процесс осуществляется по принципу обычного принтера – через сопла печатающих головок.

Direct additive laser construction (CLAD)

Прямое лазерное аддитивное построение – технология, применяемая исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

В основе CLAD лежит напыление металлического порошка на поврежденные детали с немедленной наплавкой с помощью лазера. Металлический порошок определенной фракции через специальную головку подается непосредственно в место построения. Далее порошок под воздействием энергии лазерного излучения расплавляется и кристаллизуется. Процесс построения изображен на рис. 2. Суммарное количество степеней свободы при изготовлении или ремонте детали равняется пяти .

Рис. 2. Процесс построения детали по технологии CLAD

Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом. Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации. Технология CLAD (рис. 3) позволяет изготавливать трехмерные металлические изделия (рис. 4), а также производить ремонт изношенных частей деталей (рис. 5), в том числе механически обработанных. При этом изготавливаемые части имеют низкий уровень пористости (менее 0,01 %) и высокие механические свойства, близкие к свойствам материала, получаемого путем обработки давлением.

Рис. 3. Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Рис. 4. Изделия, изготовленные по технологии CLAD

Рис. 5. Лабиринтное уплотнение, отремонтированное с помощью технологии CLAD

Нанесение порошка и наплавка производятся на любые поверхности. Таким образом, возможно изменение формы готовых изделий и исправление ошибок, возникших, например, в ходе механической обработки.

В установках Mobile CLAD, CLAD Unit, MAGIC работающих по CLAD, аналогичной технологии DMD , в качестве строительного материала применяются обычные (для аддитивных технологий) металлопорошковые композиции дисперсностью в пределах 45-75 мкм и 50-150 мкм. Система подачи материала – коаксиальная. Скорость построения детали варьируется от типа машины и может достигать 280 см3/ч. Последняя модель – MAGIC LF6000, с рабочей зоной построения 1500x800x800 мм оснащена двумя соплами для подачи строительного материала.

Технология CLAD позволяет использовать разнообразные порошковые материалы, в том числе порошки титановых, никелевых сплавов, различных сталей и др. При этом возможно использование сразу нескольких композиций. Для предотвращения окисления материала построение происходит в атмосфере защитного газа.

Directed light fabrication (DLF). DLF – технология изготовление направленным светом.

Direct Light Processing (DLP). Принтеры, основанные на технологии DLP, работают по принципу селективного отвердевания жидкого фотополимера в баке. В таких принтерах вместо лазера используется проектор, засвечивающий статическое изображение выращиваемого слоя посредством ультрафиолетового излучения. Жидкий фотополимер равномерно отвердевает в необходимой области слоя, благодаря чему достигается высокая скорость печати. При построении объект не опускается в полимер, а, наоборот, прилипнув основанием к платформе, поднимается над баком с полимером, оставаясь погруженным в него лишь на небольшую глубину .

Direct Manufacturing (DM)

Название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Direct Metal Deposition (DMD). Процесс прямого нанесения металлов является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD, Laser Metal Deposition).

Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Процесс прямого лазерного спекания металлов требует использования связующих веществ с температурой плавления ниже, чем у основного металлического компонента. В качестве таких связующих материалов могут использоваться полимерные порошки, которые выжигаются из изделия при последующей обработке, либо металлические порошки с более низкой точкой плавления. В отличие от чистых металлов, плавление которых происходит одновременно по всему объему, у легированных металлических порошков есть диапазон температур, в котором в процессе плавления/затвердевания жидкая и твердая фаза сосуществуют.

Выбор лазера оказывает существенное влияние на процесс спекания частиц порошка, поскольку степень поглощения лазерного излучения материалом зависит от длины волны излучения, а металлургический механизм спекания определяется плотностью энергии лазера. Среди применяемых лазеров – лазеры на диоксиде углерода, Nd:YAG-лазер, волоконные лазеры, дисковые лазеры и т.п. .

Процесс прямого лазерного спекания легированных порошков, представляющий особый интерес для технологий АП, требует точного контроля параметров лазерной обработки для обеспечения неконгруэнтного плавления порошка в двухфазной области. Однако характерные для DMLS локализованные быстрые тепловые циклы осложняют точное управление температурой спекания. Эти трудности приводят к недостаточному уплотнению порошка, возникновению гетерогенной микроструктуры и ухудшают свойства изделий из легированных порошков.

Поэтому, для получения приемлемых механических свойств, обычно требуется провести последующую обработку, такую как нагрев для повторного спекания, горячее изостатическое прессование или вторичное насыщение материалом с более низкой температурой плавления .

DMP – название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией 3D Systems Corp. (бывшая Phenix Systems) (США).

Electron Beam Direct Manufacturing (EBDM)

EBDM – название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Electron beam freeform fabrication (EBF3). Произвольная электронно-лучевая плавка (EBF3) (рис. 6) – технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости (рис. ). Отсутствие гравитации делает работу с металлическими 7порошками практически невозможной, поэтому технология EBF3 подразумевает использование металлических нитей.

Рис. 6. Схема работы EBF3 принтеров

Рис. 7. Специалисты НАСА проводят испытания прототипа EBFȝ в условиях искусственной невесомости

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала. Данная технология позволяет создавать металлические запасные части на орбите, что существенно сокращает затраты на доставку частей и обеспечивает возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.

Extrusion Free Formation (EFF)

В процессе произвольного экструзионного формования (EFF) исходным сырьем является проволока, источником энергии может быть электронный луч, луч лазера или плазменной дуги. Данный процесс идет с высокой скоростью и позволяет получать объемные изделия, но требует более интенсивной механической обработки, чем изделия из порошка .

Fused Deposition Modeling (FDM). Сущность изготовления объектов путем послойной наплавки заключается в том, что материал расплавляется в разогретом сопле-дозаторе, движениями которого непосредственно управляет программное обеспечение системы автоматизации производства. После экструзии из сопла, материал остывает и затвердевает. Изделие формируется последовательным нанесением слоев материала. Поскольку материал нагревается до температуры лишь на 1°С превышающей температуру плавления, он становится твердым практически сразу после экструзии, соединяясь с предыдущими слоями.

Для изготовления изделий сложной формы с нависающими частями с помощью отдельных сопел создаются поддерживающие структуры (опоры). В качестве материала при изготовлении объектов путем послойной наплавки (FDM) чаще всего используются полилактид (PLA) и акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик), который облегчает и ускоряет печать благодаря созданию растворимых опор и покрытия, улучшающего качество поверхности.

Разрешение и точность модели в процессе послойной наплавки ограничены диаметром сопла, а скорость изготовления – необходимостью выполнять физические перемещения сопла через рабочую область. Точность изготовления может достигать ±0,05 мм.

Основными преимуществами FDM является большой выбор материалов и хорошие физико-механические свойства конечных изделий, изготовленных с использованием этой технологии. Изготовленные изделия являются одними из самых прочных полимерных изделий, которые изготавливаются в АП. Применимость этого процесса ограничивается более низкими механическими свойствами и худшим качеством поверхности конечного продукта по сравнению с деталями, изготовленными способами традиционного литья.

Fused Filament Fabrication (FFF). Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Многие производители 3D-принтеров используют другие названия FDM-технологии: Thermoplastic Extrusion, Plastic Jet Printing (PJP), Fused Filament Method (FFM), Fused Filament Fabrication (FFF). Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению .

Inkjet Printing (IJP). Струйная печать представляет собой нанесение и отверждение светоотверждаемых полимерных слоев с помощью печатающих головок, содержащих множество сопел, что позволяет достигать высокой скорости печати, сокращая количество проходов. Каждый слой фотополимера отверждается ультрафиолетовым излучением непосредственно в ходе печати, никакого дополнительного отверждения по завершении процесса не требуется. В процессе струйной печати происходит нанесение и отверждение светоотверждаемых полимеров, как правило на основе акрила . Несмотря на относительно высокую точность и хорошее разрешение процесса струйной печати, полученные изделия, из-за свойств материала, по своим характеристикам проигрывают изделиям, полученным традиционными методами. Сфера применения струйной печати ограничена прототипированием и точным литьем из-за недостаточно высокой скорости изготовления деталей, ограниченного выбора материалов и хрупкости конечных изделий.

Laser Cusing Laser consolidation (LC). Название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией Concept Laser GmbH (Германия).

Laser Engineered Net Shaping (LENS). Процесс точного лазерного формования является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD). Метод LMD отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка.

Laser Metal Deposition (LMD). Технология лазерного нанесения металлов отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка. Система LMD состоит из порошкового питателя, который вводит порошок через сопла в систему подачи газа. Мощный лазерный пучок светит сквозь центр набора сопел и фокусируется вблизи подложки – основы, на которой будет изготовлена деталь. Подложка сканируется в поперечных направлениях, чтобы сформировать требуемую геометрию, а затем происходит послойное нанесение порошка до формирования трехмерного изделия.

LMD-система, объединяющая в себе многоосную систему позиционирования, возможность подачи нескольких материалов и (в ряде случаев) патентованную систему управления с обратной связью, может использоваться для изготовления новых деталей, восстановления и ремонта поврежденных или изношенных изделий, а также для нанесения износостойких и антикоррозионных покрытий . Способность подавать нужный материал в нужное место дает LMD-процессу ряд уникальных преимуществ, недоступных процессам SLS/SLM, которые используют емкость с порошком.

Laminated Object Modeling (LOM)

Первоначально LOM был разработан для бумаги, с одной стороны покрытой клеем, похожий на толстый пергамент. Толщина бумаги находилась в диапазоне 0,07 до 0,02 мм.

В настоящее время принципы ламинирования листовых материалов путем «соединение – раскрой» успешно применяются для изготовления деталей из металла, керамики и композитных материалов. В этом случае вместо бумажных и полимерных листов в качестве строительного материала для формирования полуфабрикатов применяются керамонаполненные или металлонаполненные ленты, затем полуфабрикаты подвергаются постобработке в печи при высокой температуре для склеивания и спекания материала изделия. Эти ленты затем используются для построения изделий путем стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Метод ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели. В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга. Получаемые модели не являются полностью металлическими, т.к. их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования. При использовании данной технологии происходит склеивание тонких слоев материала построения посредством нагрева и сдавливания (рис. 8). Затем область слоя, не образующая тело выращиваемого объекта, мелко режется лазером, платформа с плоскостью построения опускается и наносится следующий слой. Операция повторяется до полного построения объекта. Таким образом, материал построения выполняет функции поддержки, которая затем удаляется механическим путем. В некоторых случаях при удалении поддержки могут возникнуть трудности.

Рис. 8. Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию LOM

В качестве материала построения используется бумага, пластики и листы металла . Система LOM составляет изделие/деталь из листов материала, вырезанных лазером, и скрепляет слои вместе . Для удаления нежелательных остатков материала обычно нужна постобработка, выполняемая ручным инструментом (так называемая «доводка»).

В процессах ламинирования листовых материалов керамические изделия чаще всего изготавливаются с использованием процессов «соединение – раскрой» из керамико-наполненных лент. Путем отливки формируют ленты из порошковой керамики, состоящей из таких соединений, как композит SiC и TiC-Ni, или алюминия с добавлением полимерного связующего. Ленты также могут быть использованы для изготовления металлических деталей. Из этих лент потом строят изделия с использованием стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Процесс LOM применяется также для быстрого изготовления инструментальной оснастки. Несмотря на определенный прогресс, достигнутый в разработке новых полимерных и металлических материалов, этот процесс редко применяется для изготовления конечной продукции. Среди причин такого положения вещей – трудность «доводки», ограниченная точность формирования изделий, неоднородность свойств материала и сложности с копированием и долговечностью мелких особенностей и деталей изделия.

Laser Engineered Net Shaping (LENS)

На сегодняшний день технология LENS (рис. 9) является наиболее совершенной (по достижимому уровню прочностных характеристик создаваемых объектов) реализацией метода послойного воспроизведения. Данный метод позволяет применять в качестве модельных материалов практически любые металлы и сплавы, которые могут быть расплавлены лазерным лучом без испарения. Создаваемые детали имеют ультрамелкозернистую структуру и в ряде случаев по своим механическим свойствам значительно превосходят изделия, получаемые из аналогичных сплавов традиционными методами.

Рис. 9. Технология LENS

Stereolithography (SL). Сущность процесса стереолитографии заключается в:

Стереолитография часто используется для быстрого прототипирования и быстрого изготовления инструментальной оснастки с целью создания пресс-форм и форм для литья. Основным ограничением процесса стереолитографии является потребность в поддерживающей структуре, что увеличивает расходы материала и удлиняет производственный цикл .

StereoLithography Apparatus (SLA)

Стереолитография (лазерная стереолитография, SLA) – первая технология аддитивного производства, запатентованная в 1986 г. Ч. Халлом. Созданный под эту технологию формат .STL до сих пор используется в сфере трехмерной печати. В файле 3D-модель представлена последовательностью треугольников – фасет, каждый из которых описывается четырьмя наборами данных: координатами XYZ для каждой из вершин и нормальным вектором, указывающим ориентацию фасета.

Среди преимуществ данной технологии: неограниченные возможности геометрии объектов; точность и высокое качество поверхности (минимальная толщина слоя SLA принтеров доходит до 0,025-0,05 мм); высокая скорость работы 3D-принтеров и экологичность (отсутствие отходов). К недостаткам относят высокую стоимость принтеров (бюджетные принтеры, работающие по технологии SLA, такие как FORM 1 или Pegasus Touch, были выпущены совсем недавно). Целесообразность применения этой технологии обусловлена сложностью модели, необходимыми техническими свойствами объекта, объемом производства и т.п.

Selective Laser Sintering (SLS). Процесс селективного лазерного спекания SLS начинается с подготовки компьютерной модели изделия в CAD (системе автоматизированного проектирования). Затем для получения информации о контуре каждого слоя модель рассекается на тонкие слои. В процессе изготовления изделия применяется тонкий порошок (толщина слоя, как правило, не превышает 100 мкм), равномерно распределяемый валиком по подставке устройства и выборочно сканируемый по контуру лазером с мощностью 25-100 Вт (рис. 10).

Время засветки каждой частицы лазерным пучком находится в пределах от 0,5 до 25 мс. При столь коротких тепловых циклах спекание порошка в твердом состоянии не происходит, и для достаточно быстрого спекания необходимо частичное или полное расплавление частиц.

Процесс не требует построения поддерживающих структур, поскольку нерасплавленный порошок сам служит опорой для модели, а термические напряжения снижаются путем нагрева емкости с порошком.

Рис. 10. Технология SLS

Высококристалличные полимеры (прежде всего нейлоны), спекаемые через полное расплавление частиц, обеспечивают механические свойства, достаточные для конечных изделий. Напротив, аморфные материалы, спекание которых обычно происходит при температуре стеклования, демонстрируют недостаточные прочностные характеристики и поэтому находят применение лишь в быстром прототипировании, в частности при подготовки форм для литья.

Solid Ground Curing (SGC). Технология SGC – версия SLA-технологии, в которой материал засвечивается не лазером, а ультрафиолетовой лампой. На плоскость построения наносится слой жидкого фотополимера, который затем отверждается с помощью УФИ-лампы, через специальную маску, которая формирует форму слоя модели. Незасвеченные участки с жидким полимером очищаются, и образовавшиеся пустоты заполняются жидким воском, который затвердевает благодаря прислоненной холодной пластине. Затем слой фрезеруется до необходимой толщины и аналогично начинает формироваться следующий (рис. 11). Технология обладает достаточно высокой точностью в Z-направлении, но большое количество отходов при фрезеровании слоев и высокие эксплуатационные затраты на сложную конструкцию принтера повышают стоимость печати.

Важнейшее преимущество технологии SGC – возможность остановить процесс печати в любой момент и потом возобновить его без каких-либо потерь. Технология позволяет обходиться без подпорок и не требует дальнейшей обработки модели. Метод позволяет создавать модели с движущимися элементами. К недостаткам технологии относится необходимость в специфических дорогостоящих полимерах .

Рис. 11. Технология SGC

Технологии аддитивного производства, использующие в качестве исходного материала проволоку, в зависимости от источника энергии, используемого для нанесения металла, подразделяют на процессы WLAM (лазер) и WAAM (дуга). Диаметр проволоки, применяемой в АП, обычно находится в диапазоне 0,2 до 1,2 мм.

Система WLAM обычно состоит из лазера, автоматической системы подачи проволоки, станка с ЧПУ или роботизированной системы и некоторых других дополнительных устройств (например, системы подачи защитного газа, система нагрева или охлаждения). Лазер образует ванну расплава на нижележащем слое (substrate), в область расплава подается проволока, которая расплавляется. После ухода лазерного луча начинается процесс затвердевания и формируется узкий шов (рис. 12).

WLAM – универсальный процесс, позволяющий изготавливать крупные заготовки из разнообразных металлов и сплавов, при необходимости для получения требуемого качества поверхности используют постобработку. это процесс АП для изготовления металлических деталей с высокой плотностью.

Для процесса WLAM скорость подачи проволоки ограничена мощностью лазера. При высокой скорости подачи проволоки, она может полностью не расплавиться.

В работе приводятся данные скорости подачи проволоки и мощности лазера, для титановых сплавов скорость подачи проволоки должна равняться 2 и 1 м/мин при мощности лазера 2,06 и 1,2 кВт.

Рис. 12. Процесс подачи проволоки: слева – схема процесса; справа – изображение реального процесса (вид сбоку и сверху)

Производительность WLAM варьируется с 1,5 до 48,0 г/мин. Скорость формирования шва обычно находится в диапазоне с 0,05 до 2,4 м/мин. Размер шва зависит, главным образом, от мощности лазера, скорости подачи провода и скорости формирования шва . Как показано на рис. 13, наплавленный материал не имеет трещин и пор.

Рис. 13. Поперечное сечение отдельных слоев осажденного материала с различной мощностью лазера, скоростью подачи проволоки и скоростью формирования шва

Возможность получения изделий с использованием технологий дуговой сварки (GMAW, GTAW и PAW) анализировалась в различных работах (табл. 2).

Таблица 2. Различные формулировки процесса WAAM от разных исследовательских групп

Синонимы Институты/университеты Энергетический ресурс
3D welding University of Nottingham GMAW
Welding-based deposition Southern Methodist University GMAW, GTAW
3D welding Korea Institute of Science and Technology GMAW
Welding-based rapid prototyping University of Kentucky GMAW
Near-net shape manufacturing Tufts University GMAW, PAW
Shape deposition manufacturing Carnegie Mellon and Stanford University GMAW, GTAW
GMAW-based rapid prototyping Harbin Institute of Technology GMAW
MPAW-based rapid prototyping Xi’an Jiaotong University Micro-PAW
Hybrid-layered manufacturing Indian Institute of Technology GMAW
WAAM Cranfield University GMAW, GTAW, PAW
WAAM University of Wollongong GMAW, GTAW

Схемы процессов GMAW, GTAW и PAW показаны на рис. 14.

GMAW – это процесс, в котором электрическая дуга формируется между плавящимся проволочным электродом и обрабатываемым металлом.

Процессы GTAW и PAW используют для сварки неплавящийся вольфрамовый электрод.

Технологии АП, использующие в качестве исходного материала проволоку, широко применяются в различных областях, включая аэрокосмическую и автомобильную индустрию, и для изготовления инструментальной оснастки.

Детали для аэрокосмической промышленности часто имеют сложную геометрию и выполняются из дорогостоящих материалов, при использовании традиционных технологий, коэффициент использования материала – невысокий, использование АТ позволяет получать заготовки, близкие по форме к конечным деталям, тем самым значительно повышая КИМ.

Рис. 14. Схематическая диаграмма процессов а) ГМДС, б) ГДС, в) ПДС.

ГДС, вызывая меньшее искажение сварочных швов, и меньшие по размеру швы с более высокой скоростью сварки . Также было введено АП, основанное на микро-ПДС, и результаты влияния параметров процесса на механические свойства деталей также были изучены

Металлические заготовки, изготовленные в процессе аддитивного производства при использовании в качестве исходного материала – проволоки, имеют относительно простую геометрию (рис. 15-16).

Рис. 15. Различные металлические заготовки из Университета Cranfield, изготовленные по технологии АП путем процесса ГМДС

Рис. 16. Силовые панели, изготовленные в процессе WAAM: a, b – углеродистая сталь, c, d – алюминий, e – титан, f – толстостенные ребра жесткости, g –титановая крестовина, h – Ti заготовка после механической обработки

В настоящее время получают развитие следующие технологии аддитивного изготовления объектов :

Two Photon Polymerization (2PP). Сущность технологии заключается в том, что сверхкороткие лазерные импульсы фокусируются в объем полимера толщиной в несколько сотен микрометров, который в составе имеет инициатор. Инициатор активируется и запускает реакцию полимеризации лишь при поглощении двух фотонов одновременно. Данная технология позволяет создавать объекты размером до 100 мкм.

Ballistic Particle Manufacturing (BPM). Выращивание объекта посредством нанесения микрокапель (струйного нанесения) расплавленного материала на поверхность построения из сопел движущейся печатной головки. Материал построения поступает к печатной головке уже в расплавленном состоянии. После окончания печати одного слоя платформа опускается и печатается следующий слой. В качестве материала построения могут использоваться, например, термопластик и воск.

Технология биопечати. В настоящее время технология биопечати носит экспериментальный характер и используется в области построения трехмерных объектов. Биопринтеры имеют различные конфигурации, но их принцип работы заключается в послойном нанесении на поверхность построения слоев живых клеток из печатной головки и использовании в качестве поддержки специального растворимого геля. В перспективе технология биопечати позволит обеспечить пациентов, нуждающихся в восстановлении или полной замене какого-либо органа .

Достоинства и недостатки аддитивных технологий

Основные преимущества замены традиционных технологий на аддитивное производство заключаются в следующем :

Выполненный в рамках проекта ATIKINS анализ показывает, что снижение веса магистрального самолета на 100 кг на протяжении всего жизненного цикла влечет за собой экономию $ 2,5 млн на топливных расходах и сокращает выбросы углекислого газа на 1,3 млн т. .

Широкому распространению АП препятствуют следующие технические и экономические барьеры (табл. 3) :

Таблица 3. Преимущества и недостатки различных методов аддитивного производства

Методы Качество

деталей

Многофункциональность

метода и оборудования

Преимущества Недостатки
СЛП Очень хорошее, значительной механической обработки не требуется Применение широкой номенклатуры материалов, использование для гравировки Высокая точность изделий, получение тонких стенок (до 50 мкм) Низкая производительность, высокая вероятность образования трещин
СЭЛП Использование для сварки Более высокая производительность, уменьшение трещинообразования за счет снижения градиента температур, возможность предварительного подогрева электронным лучом Необходимость вакуума, точность ниже, чем при СЛП (больший диаметр сфокусированного пятна)
ПЛНМ Очень хорошее, требуется механическая обработка в большинстве случаев Применение широкой гаммы материалов, использование для резки, сварки, гравировки, ремонта Более высокая производительность, чем при СЛП/ СЭЛП, более контролируемый процесс Относительно СЛП/СЭЛП – низкая точность (больший диаметр сфокусированного пятна), невозможность использовать мелкие фракции порошков, высокая вероятность образования трещин
ХГН Применение широкой гаммы материалов, ограниченное их твердостью, использование для ремонта Не происходит изменения фазового состава, термические напряжения отсутствуют, высокая производительность Относительно СЛП/ СЭЛП/ПЛНМ – низкая точность (большой диаметр потока рабочего газа)


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.