CC BY
69Особенности технологии строительства с применением ЭР-принтера
о ы
а
s
«
а б
Гасайниев Рашид Мирашинович
студент, кафедра градостроительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», [email protected]
Арчаков Асолт Туханович
студент, кафедра градостроительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», [email protected]
Балаев Атмир Зулхакимович
студент, кафедра механики грунтов и геотехники, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», [email protected]
Рагимов Шахмирзе Низамович
студент, кафедра гидротехнического и специального строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», [email protected]
Курбалиев Мейлан Рамазанович
студент, кафедра промышленного и гражданского строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», [email protected]
Сегодня строительство - важнейшая отрасль, способная обеспечить развитие экономики и соответствующий комфорт для населения. Кроме того, строительство является лидером по числу рабочих мест, как в России, так и во всем мире. При этом, с учетом современных требований к строительству, необходимо постоянно совершенствовать технологии строительного производства. Нельзя не учесть, что изменения в рассматриваемой сфере происходят медленно, но все же в последнее время как в типовом, так и в индивидуальном строительстве постепенно начинают применять новые материалы, способные к обеспечению повышенного комфорта, экологичности и экономичности при эксплуатации, внедряют новые технологии, на основе которых осуществляется автоматизация процесса воплощения проектов в реальность и которые способны значительно сократить количество рабочих и свести к минимуму риск производственных травм. В частности, такой технологией является технология возведения зданий с использованием строительной Эй- печати на строительных площадках. Специалисты уже в течение ряда лет проявляют интерес к Эй-печати архитектурных сооружений. Так, применение строительного Эй-принтера позволяет не только создавать небольшие конструкции (строительные блоки, малые элементы ландшафтный дизайн и интерьер помещений), но и возводить ограждающие конструкции зданий. При помощи указанной технологии появляется возможность возводить более сложные объекты, при этом снижаются временные, материальные и трудозатраты.
Ключевые слова: планировочное решение, энергоэффективные дома строительство, технология, метериал.
Сегодня концепцией строительства при помощи Эй-принтера уже заинтересовался ряд крупных строительных компаний, также многие подрядные организации занимаются разработкой прототипов данного оборудования. Перед игроками на рассматриваемом рынке стоят разные задачи: вторичная переработка строительных отходов; разработка технологий «безфун-даментной» печати; организация строительства домов на территориях, пострадавших от стихийных бедствий и требующих возведения большой площади жилья в течение короткого периода времени; организация производства и совершенствования оборудования и т.д. [10].
Особый интерес представляет история развития Эй-печати. Она берет начало с 1948 года, когда американцем Чарльзом Халлом была разработана технология послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополи-меризующейся композиции (ФПК). Технологии было дано название «стереолитография» (STL), и запатентована она была только в 1986 году, после чего атвор основал компанию 3D Systеm и начал разработку первого промышленного устройства для трёхмерной печати. Окончательно такое устройство было представлено общественности в 1987 году. При помощи такого устройства имелась возможность вырастить на компьютере трёхмерный объект из жидкой фо-тополимеризующейся композиции посредством нанесения её слой за слоем на подвижную платформу, которая была погружена в ванну с ФПК. Толщина каждого слоя составляла примерно 0,1-0,2 мм [7].
В 1988 году Скоттом Крампом (США) была запатентована технология трехмерной печати, выполняемая при помощи послойной заливки расплавленной нити полимера (FDM) [8]. В печатающей головке происходит предварительное разогревание материала (расплава из пластика) до температуры плавления, после чего он и поступает в рабочую камеру. Головка выпускает расплавленный материал в форме нити, которая укладывается на рабочую поверхность. Затем происходит опущение платформы ниже на толщину одного слоя, чтобы повторно воспроизвести весь процесс.
В начале XXI века масштаб исследований в области технологий Эй-печати в сфере строительства расширился. В 2012 году ученые представили первые потребительские строительные Эй-принтеры, при этом, через два года был построен первый экспонат одноэтажного жилья, автором которого явилась компания Shanghai WinSun (Китай) [8].
На сегодняшний день, чтобы создать объекты промышленности, машиностроения, пищевого производства и других отраслей, пользуются следующими способами Эй-печати: лазерной стерео-литографией, селективным лазерным спеканием, моделированием методом наплавления, ламинированием, склеиванием порошков. Чтобы создавать малые формы и целые объекты строительства, используют три основных метода: мтеод спекания; метод лазерной стереолитографии; метод послойного экструдирования.
При применении способа спекания (селективного спекания) происходит расплавление рабочих чернил (например, кварцевого песка) за счет действия точечного лазерного луча, при этом, направление траектории которого осуществляется посредством кулачкового механизма. Работа механизма перемещения обрабатываемого материала осуществляется посредством небольшого двигателя, запускающего движение зубчатого ремня привода распределительного вала. Также одновременно сфокусированной шаровой линзой насквозь прожигается материал, который находится под ней.
Способ напыления (лазерная стереолито-графия) предполагает использование лазерной установки с ванной", оборудованной специальным столом. В ванне находится жидкая фотопо-лимеризующаяся под воздействием лазерного луча композиция. Спекание материала выполняют послойно, перемещая лазерный луч по намеченной траектории. Когда завершается обработка первого слоя, стол ванны опускают на шаг и выполняют формирование следующего слоя. Способы напыления и селективного спекания - экологически безвредны, так как при их реализации используется солнечная энергия, а в качестве рабочей смесью применяют песок.
Способ послойного экструдирования сегодня - это основной способ 3D- печати большинства строительных принтеров. Его суть заключена в следующем: рабочим соплом, или экструдером, Эй-машины выдавливается быстротвердеющая бетонная смесь, куда включаются различные добавки, способные улучшить характеристики будущей конструкции [9]. Каждый очередной слой выдавливается Эй-принтером поверх предыдущего, посредством чего осуществляется формирование определенной конструкции [9].
Исследование методов Эй-печати позволяет говорить, что на сегодняшний день в области
строительного производства один из наиболее эффективных способов - это способ послойного экструдирования.
Строительные принтеры не принципиально отличаются от производственных Эй- принтеров, они являются их конструктивными аналогами, но больших размеров. Сегодня разработаны различные компоновки приводов данного устройства - портальные, с дельта-приводом, работающие в угловых координатах, на базе промышленных манипуляторов.
Эй-принтеры, имеющие портальную компоновку привода - это машины, которые по виду напоминают козловые краны, они движутся по рельсам и имеют длинную раму, расположенную над рабочей зоной. По раме осуществляет движение сопло или экструдер, представляющее собой устройство для подачи строительных чернил. Процесс синхронизации движения рамы по рельсам, печатающей головки по ширине и высоте, подачи строительного материала, экс-трудер имеет возможность послойно выдавливать смесь и выполнять повторение цифрового шаблона, заложенного в программном комплексе операционистом. Соответственно, имеет место движение в трех взаимно-перпендикулярных направлениях - по осям х, у, г.
Портальный привод отличается простотой, надежностью и относительно невысокой стоимостью установки. Среди недостатков можно отметить повышенные объемы работ, связанные с установкой оборудования в проектное положение, а также большие габариты устройства рассматриваемого типа [10].
Эй-принтеры с дельта-приводом (трех осевые) - это как бы перевернутая тренога, состоящая из трех тросов или штанг, удерживающих печатающую головку, и высокой рамы, где закреплены машины, осуществляющие управление подачей тросов или штанг [10].
Движение печатающей головки осуществляется за счет синхронного изменения длинны тросов, которые повторяют заложенный в программном комплексе шаблон. Недостаток устройства заключен в ограниченном пространстве рабочей зоны, а также в трудоемком процессе сборки каркаса данной установки.
Строительные Эй-принтеры работающие в угловых координатах (в виде башенного крана) -это автоматизированное устройство для строительства зданий и сооружений методом трехмерной печати [7]. Установка имеет массу всего две тонны и, соответственно, при помощи автокрана легко размещается как внутри здания, так и снаружи, с учетом проекта воздвигаемой постройки.
Габариты принтера невелики, что облегчает его транспортировку и исключает долгую подготовку для начала работ. К недостаткам устрой-
0 55 I» £
55 П П
о ы
а
а
«
а б
ства относят ограниченную зону действия, соответственно, в процессе возведения сооружения обычно прибегают к помощи вспомогательной техники, чтобы переместить принтер по рабочей зоне.
Принтер на базе промышленного манипулятора - это конструктивные аналоги механических рук - манипуляторов, состоящих из нескольких гибких сочленений, придающих им большую подвижность [6]. Габариты этого принтера также невелики, однако за счет высокой технологичности, стоимость этого оборудования достаточно высока.
Таким образом, обзор видов строительных Эй-принтеров, которые работают методом послойного экструдирования, позволяет говорить, что на сегодня наиболее подходящий по своим характеристикам для возведения малоэтажных зданий - это принтер с портальным приводом.
Необходимо также учесть, что как и все стены возводимы зданий, ограждающая конструкция, которую создают при помощи Эй-принтера, должна обладать хорошими прочностными и теплоизоляционными качествами. Главное преимущество зданий и сооружений, которые возведены методом послойного экструдирования -это их сложные геометрические формы. Конструктив стен в плане чаще всего является пространственной фермой, включающей напечатанные внутренний (несущий), наружный слои, а между ними обычно располагается внутренняя часть конструкции в виде треугольников, которая выполняет роль ребер жесткости.
Для армирования в состав «строительных чернил» или вводят дисперсную арматуру (фибры), или производят укладку арматурных стержней или кладочной сетки между слоями. Вертикальное армирование выполняют посредством установки стержневой арматуры в пустоты, которые потом заполняют материалом, имеющим низкий коэффициент теплопроводности. Также в пустотах стен можно прокладывать различные коммуникации или проектировать форму стен таким образом, что бы на выходе получить каналы или полости во внутреннем слое и потом заполнить их элементами водопровода, канализации, электричества и пр.
При значительно сокращении сроков и затрат труда при возведении стен, Эй-принтер способен и к изготовлению качественной ограждающей конструкции, имеющей высокие прочностные и теплоизоляционные качества [9].
Также немаловажная роль в технологии строительной Эй-печати отводится составу строительных «чернил» (сырьевой смеси). В качестве ее основы могут выступать такие материалы как портландцемент, гипс, смешанные вяжущие модифицированные активными минеральными и химическими добавками - цемент-
но-волокнистые (фиброцементные), гипсоволок-нистые, гипсоцементно-волокнистые и пр. [6]. Чтобы иметь возможность осуществлять послойную укладку «чернил» без дефектов, сырьевой смеси должен быть свойствен относительно быстрый набор прочности при замедленной кинетике начального структурообразования.
Также сырьевой смеси должны быть присущи тиксотропные и адгезионные свойства, она должна быть удобоукладываемой принтером и при этом не растекаться под воздействием последующих слоев и иметь невысокие усадочные деформации при твердении [7].
Посредством дисперсного армирование сырьевых смесей «строительных чернил» возможно повышение физико-механических характеристик затвердевшего композита, снижение величины усадочных деформаций, повышение трещиностойкости и пр. За счет введения активных минеральных и химических добавок появляется возможность регулирования реологических свойств смесей, которые используются в качестве «строительных чернил», эксплуатационных характеристик готовых изделий.
Необходимо также отметить актуальность исследований, включающих разработку составов строительных «чернил» для Эй-принтеров с учетом обеспечения высоких технологических, эксплуатационных свойств и долговечности.
Таким образом, отечественный и зарубежный опыт технологии возведения зданий и сооружений при помощи строительного Эй-принтера позволяет говорить об основном недостатке - возможности возводить только вертикальные конструкции в ограниченной рабочей зоне. Также для установки строительного Эй-принтера в рабочее положение и его калибровки необходимы определенные затраты на подготовительный период. К явным преимуществам такой технологии можно отнести снижение таких показателей, как трудоемкость работ, риск производственного травматизма. При этом, повышается автоматизация и скорость строительства, снижаются отходы производства. На сегодняшний день нормативная база для проектирования и строительства зданий с помощью данной технологии отсутствует, однако это есть на сегодняшний день препятствие на пути реализации сложных проектов по причине необходимости повысить качество получаемой строительной продукции в рамках данной технологии и расширить ее возможности. Для успешного развития технологии возведения зданий и сооружений с использованием строительного Эй-принтера необходимы комплексные исследования, призванные разработать эффективные «строительные чернила» на различной основе, изучить их структуру и свойства.
Литература
1. Аддитивные технологии и аддитивное производство. URL: http://3d.globatek.ru/ world3d/additive_tech/ (дата обращения: 10.03.2018).
2. Austin S. А., Lim S., Buswell R. А., Gibb А. G. F., Thorpe T. // Mix design and fresh properties Тог high-performanсe printing сопс^е / Materials and Struсtures. 2012. Р. 1221-1232.
3. Белов А. О., Гилязидинов Н. В. Технология возведения малоэтажных зданий с помощью 30-принтера: сб. ст. VII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием / КузГТУ ИМ. Т.Ф. Горбачева. г. Кемерово, 2015. С. 703.
4. Изотов В. С., Мухаметрахимов Р. Х., Га-лаутдинов А. Р. Влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С. 135-137.
5. Мухаметрахимов Р. Х., Изотов В. С. Повышение физико-механических свойств и долговечности фиброцементных плит на основе целлюлозных волокон // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 9 (645). С. 101-107.
6. Малышева В. Л., Красимирова С. С. Лазерная стереолитография - новый подход к строительству сооружений // Журнал магистров ПНИПУ. 2013. № 2. С. 202-208.
7. Мобильный строительный 30-принтер Apis Сог. URL: http://apis-сor.сom/3d-printer (дата обращения: 19.10.2017).
8. Обзор известных проектов 3D-принтеров. URL: http://spaсeexpansion.uсoz.ru/ index/0-24 (дата обращения: 11.03.2018).
9. Торшин А. О., Потапова Е. Н. Перспективы использования 3D-пpинтepa в строительстве // Успехи химии и химической технологии. ТОМ XXX. 2016. № 7. С. 118.
10. Удодов С. А., Белов Ф. А., Золотухина А. Е. 3D-пeчaть в строительстве: новое направление в технологии бетона и сухих строительных смесей : сб. ст. VI Международной научно-практической конференции МЦНС - Наука и просвещение». Пенза, 2017. С. 58-62.
Peculiarities of technology of construction with application of 3D-printer
Gasiniev R.M., Archakov A.T., Balaev A.Z., Rahimov Sh.N., Kurbaliev M.R.
Moscow National Research Moscow State University of Civil Engineering
Today, construction is the most important branch capable of providing economic development and adequate comfort for the population. In addition, construction is the leader in the number of jobs, both in Russia and around the world. At the same time, taking into account modern requirements for construction, it is necessary to constantly improve the technologies of construction production. It should be noted that changes in the sphere under consideration are proceeding slowly, but recently new types of materials, capable of providing increased comfort, ecological compatibility and economy in operation, are being gradually introduced in both standard and individual construction, introducing new technologies, which are used to automate the process of project implementation into reality and which can significantly reduce the number of workers and minimize the risk of work-related injuries. In particular, such technology is the technology of erecting buildings using construction 3D printing on construction sites. Experts for several years have shown interest in 3D printing of architectural structures. So, the use of a 3D construction printer allows not only to create small structures (building blocks, small elements of landscape design and interior of premises), but also to erect building envelopes. With the help of this technology, it becomes possible to build more complex objects, while reducing time, material and labor costs.
Keywords: planning decision, energy-efficient houses construction, technology, material.
Reference
1. Additive technologies and additive production. URL: httr: //3d.globateck.ru/world3d / additive_tech / (date of circulation: 03/10/2018).
2. Austin S. A., Lim S., Buswell R. A., Gibb A. G. F., Thorre T. //
Mix désigne and frèsh proprietary for high-reforma rrinting co nsrété / Materials and Strutturès. 2012. R. 1221-1232.
3. Belov AO, Gilyazidinov NV Technology for erecting low-rise
buildings using a 3D printer: Sat. Art. VII All-Russian scientific-practical conference of young scientists with international participation / KuzGTU IM. T.F. Gorbachev. Kemerovo, 2015. S. 703.
4. Izotov VS, Mukhametrahimov R. Kh., Galautdinov AR Influ-
ence of polypropylene fibers on the main properties of a gypsum cement-pozzolanic binder // Bulletin of the Kazan Technological University. 2015. T. 18. No. 1. P. 135-137.
5. Mukhametrahimov R. Kh., Izotov VS Increase of physical and
mechanical properties and durability of fiber-cement slabs on the basis of cellulose fibers // Izvestiya Vysshikh Ucheb-nykh Zavedenii. Building. 2012. No. 9 (645). Pp. 101-107.
6. Malysheva VL, Krasimirova SS Laser stereolithography - a
new approach to the construction of structures / / Journal of Masters PIPU. 2013. № 2. P. 202-208.
7. Mobile construction 3D-printer Aris Sor. URL: http: //apuc-cop.com/3d-ppHer (date of circulation: 19.10.2017).
8. Overview of well-known projects of 3D-printers. URL: httr: //srasexxransion.usoz.ru/ index / 0-24 (date of circulation: 11.03.2018).
9. Torshin AO, Potapova Ye. N. Perspectives of using a 3D
printer in construction. // Uspekhi Khimii i Khim. TOM XXX. 2016. No. 7. P. 118.
10. Udodov SA, Belov FA, Zolotukhina AE 3D printing in construction: a new direction in the technology of concrete and dry construction mixtures: Sat. Art. VI International Scientific and Practical Conference MCOS - Science and Education ". Penza, 2017. P. 58-62.
О R и
£
R
m fi H
