Развитие технологии трехмерной печати в области строительства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ISSN 2410-1672 (online) Региональное развитие • № 2(20) • 2017 http://resrazvitie.ru

regrazvitie@yandex. ru

Выходные сведения статьи:

Серков А.И. Развитие технологии трехмерной печати в области строительства // Региональное развитие: электронный научно-практический журнал. 2017. № 2(20). URL: https://regrazvitie.ru/razvitie-tehnologii-trehmemoj-pechati-v-oblasti-stroitelstva/_

УДК 69.001.5

Развитие технологии трехмерной печати в области строительства © 2017 Серков Алексей Игоревич1

E-mail: serkov-work@yandex. ru

Самарский государственный технический университет

Архитектурно-строительный институт

В данной статье рассказывается об относительно новой технологии возведения зданий и сооружений, которая заключается в строительстве с помощью трехмерной печати. Цель работы: рассказать о принципах работы 3D-принтеров, о возможности применения подобного оборудования на строительной площадке, а также о достигнутых на сегодняшний день результатах в данной области. В статье приведена информация о наиболее передовых мировых организациях, занимающихся разработками в сфере трехмерной печати. Изложены основные факторы, стимулирующие и осложняющие развитие индустрии трехмерной печати. В заключении сделан вывод о перспективах данного направления в будущем.

Ключевые слова: 3D-принтер, CAD-система, строительство, инновации, трехмерная печать. The development of three-dimensional printing technology in the field of construction

© 2017 Serkov Aleksej Igorevich

E-mail: serkov-work@yandex .ru

Samara state technical University

Institute of architecture and civil engineering

This article describes the relatively new technology of construction of buildings and structures, which is a construction using three-dimensional printing. Objective: to talk about the principles of 3D printers, the possibility of the use of such equipment on the construction site, and progress to date the results in this area. The article presents information on the most advanced global development organizations in the field of three-dimensional printing. Outlined key factors contributing to and complicating the development of the industry of three-dimensional printing. Summed up about the prospects of this direction in the future.

Keywords: 3D printer, CAD, construction, innovation, three-dimensional printing.

В нашу повседневную жизнь технологии 3D печати пришли в начале XXI века. 3D-принтер - это устройство которое может производить определенное изображение в трехмерном измерении. То есть, в ходе работы подобного аппарата «картинка», созданная на мони-

1 Серков Алексей Игоревич - магистрант ФГОУ ВО «Самарский государственный технический университет Архитектурно-строительный институт» (Российская Федерация, 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194).

ISSN 2410-1672 (online)

Regional development • № 2(20) • 2017

http://regrazvitie. ru regraz vitie@yandex. ru

торе в какой-либо CAD-системе, преобразуется в пространственный объект, имеющий определенные свойства [1].

Принцип формирования фигуры с трехмерной печати называют аддитивным (от слова Add (англ.) — добавлять). Для начала создается компьютерная модель будущего объекта. Это можно сделать либо с помощью трехмерного графического редактора CAD-системы (3D StudioMax, SolidWorks, AutoCAD), либо просканировав полностью объект в 3D [2]. Затем, с помощью специального программного продукта принтер разбивает просканированный объект на слои и происходит генерация набора команд, определяющая последовательность, в которой будут наноситься слои материала при печати. Далее, 3D-принтер послойно формирует объект, нанося постепенно порции материала. Располагая печатающую головку в системе двух координат X и Y, принтер наносит материал слой за слоем по смоделированной электронной схеме [3]. При перемещении платформы на шаг вдоль оси Z начинается построение нового уровня объекта.

В наше время набольшее распространение данные технологии получили в производственной отрасли. Особую популярность они обрели в изготовлении несложных изделий на полимерной основе, например, пластиковой посуды, игрушек, предметов интерьера. Тем не менее, и в строительной сфере на данный момент полным ходом идет работа над внедрением трехмерной печати в существующие технологии возведения зданий и сооружений. Подробнее рассмотрим данный вопрос.

В начале двухтысячных годов несколько независимых друг от друга групп ученых начали вести свои разработки в области технологий 3D печати в строительстве. Связано это с целым рядом факторов [4]:

• Во-первых, глобальное ускорение всех сфер жизнедеятельности человека требует от строительной отрасли резкого сокращения сроков возведения зданий и сооружений;

• Во-вторых, постоянный рост населения планеты заставляет людей работать над увеличением количества жилья;

• В-третьих, существующие технологии строительства требуют больших материальных затрат.

Соответственно, возникла необходимость в разработке нового способа строительства, который будет способен сократить сроки, увеличить производительность, а также снизить затраты на строительство зданий и сооружений. Несмотря на относительную новизну технологий 3D-печати в строительстве, уже в наше время становится понятно, что в недалеком будущем данные инновации станут неотъемлемой частью жизнедеятельности человека.

Наиболее передовыми странами в области разработок технологий 3D-печати в строительстве являются США, Китай, Великобритания, Нидерланды. Более подробно остановимся на достигнутых результатах [5].

В британском университете Loughborough группа ученых смогла получить уникальную смесь на цементной основе, которая стала необходимым сырьем для печати домов практически любой формы. Сама технология заключается в наплавлении данного материала один слой за другим, что значительно упрощает производство работ, так как исчезает потребность в применении опалубки. Получившиеся изделия могут быть довольно легко скорректированы, а также служат хорошей основой для отделочных работ.

Ученые Южно-Калифорнийского университета пошли немного дальше своих британских коллег и предложили использовать 3D-принтеры непосредственно на строительной

ISSN 2410-1672 (online) Региональное развитие • № 2(20) • 2017 http://resrazvitie.ru

regraz vitie@yandex. ru

площадке. 3D-принтер подобно башенному крану привозится в разборном состоянии и монтируется на месте после осуществления комплекса земляных работ. Далее производство всех несущих элементов здания осуществляется следующим способом: бетононасос подает готовую смесь в принтер, который в свою очередь поочередно ее наносит на все несущие элементы будущего здания. Осложняется такая работа тем, что она происходит на открытом воздухе, и, следственно, становится подвержена воздействию внешних неблагоприятных факторов [6].

Тем не менее, ученые Южно-Калифорнийского университета направили в патентное бюро США проект принтера, который называется ContourCrafting. На его основе они планируют произвести принтер огромных размеров, позволяющий печатать на месте не только несущие конструкции здания, но и инженерные коммуникации, в частности электрику и сантехнику [7].

В области 3D-печати зданий и сооружений восточные инженеры нисколько не уступают западным. В организации ShanghaiWinSunDecorationDesignEngineeringCo, расположенной в Шанхае, был собран принтер под названием «WinSun». Данный принтер имеет огромные размеры, его габариты составляют 150 метров в длину и 10 метров в ширину. Производительность аппарата также поражает: на изготовление небольшого здания высотой до 6 метров требуется всего несколько часов. Сырьем также служит цементная смесь, усиленная стекловолокном [8]. Об экономической эффективности подобного производства говорит тот факт, что себестоимость каждого произведенного дома примерно в два раза ниже, чем при строительстве традиционными способами.

Отметим, что серийное производство небольших домов с помощью 3D принтеров налажено и в Соединенных Штатах Америки. Занимается этим частная компания, научными исследованиями руководит молодой инженер Андрей Руденко. В планах у Андрея есть разработка и производство принтеров, которые смогут работать на сложных строительных площадках: с большим уклоном или экстремальными климатическими условиями. В Миннесоте уже стоит небольшой символический замок, доказывающий, что планы Руденко имеют право на существование.

Кроме того, уже создана организация, которая занимается серийным производством самих строительных 3D-принтеров. Находится данный завод в Словении. На сегодняшний день модельный ряд словенской компании состоит из трех разных принтеров под названиями Р1, Р2 и Р3. Между собой они отличаются главным образом размерами и производительностью. Стоимость самого дешевого принтера составляет около 12000 евро, самого дорогого -20000 евро. Если учесть, что данное изделие может напечатать все несущие конструкции небольшого здания в максимально сжатые сроки, данная стоимость кажется более чем оправданной. В словенской компании BetAbram утверждают, что модель P1 может напечатать здание из цементной смеси площадью 144 м2 абсолютно без применения опалубки [9].

Что касается внутренних перегородок, напечатанных зданий, компанией Emerging Objects был изобретен специальный соляной полимер с помощью соединения клея и соли. Перегородки из данного материала получаются легкими, водостойкими, не дорогими.

Ученые из Нидерландов по-другому подошли к решению вопроса печатного строительства. Они утверждают, что печать здания целиком на строительной площадке является не целесообразной. Вместо этого они предлагают производство специальных блоков с помощью 3D-принтера. Называются такие изделия Polyblocks. Они спроектированы таким образом, что технология их укладки не требует мокрых процессов. Скрепляются они между собой с помощью специальных замков под действием силы тяжести. Для производства полиблоков применяется порошковый 3D принтер под названием ZCorp 510 [10].

ISSN 2410-1672 (online) Regional development • № 2(20) • 2017 http://resrazvitie.ru

regraz vitie@yandex. ru

В заключении можно сказать, что 3D печать постепенно занимает определенную нишу в строительной отрасли. Необходимо отметить, что данный процесс осложняется целым рядом факторов, основным из которых является сегодняшняя несостоятельность данной технологии для работы в агрессивной среде. На сегодняшний день 3D-принтеры неспособны работать в условиях высоких или низких температур, высокой влажности или при сильном ветре. Также, важной проблемой является ограничение производимых зданий и сооружений в силу ограничения размеров самих принтеров. Ежедневно в различных компаниях по всему миру ведутся работы по решению данных проблем. Возможно, с течением времени произойдет определенная трансформация, и строительство станет лишь частью огромной индустрии трехмерной печати.

Список литературы

1. Михайлова А. Е., Дошина А. Д. 3D принтер — технология будущего // Молодой ученый. — 2015. — С. 40-44.

2. Слюсар В.И. Новое средство трехмерного моделирования. - Электроника: наука, технология, бизнес. // Вектор. - 2013. - С. 54-60.

3. Барнат К. 3D печать: третья индустриальная революция.// Флинт. - 2013. - С. 55.

4. Миндубаева Э.Р. Необходимость инноваций: проблемы и пути активизации инновационной деятельности. // Стрела. - 2014. - C. 166.

5. Горохов Д.И. Строительные инновации. // Маяк. - 2015. - С. 116.

6. Эванс Б.Практические 3D-принтеры: наука и искусство 3D-печати //Apress. - 2012. -

С. 23.

7. Иванов В.П. Трехмерная компьютерная графика // Радио и связь. - 2015 - C. 244.

8. Чернышева Н.В. Стеновые материалы повышенной водостойкости на цементном вяжущем // Маяк. - 2014. - С. 57-60

9. Ли Дж. Уэр. Трехмерная графика и анимация. 2-е издание. // Вильямс. - 2012. - С. 64.

10. Канеса И., Зенаро М., Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития. // Орбита. - 2013. - С.14-16.

References

1. Mihajlova A. E., Doshina A. D. 3D printer — tehnologija budushhego // Molodoj uchenyj. — 2015. — S. 40-44.

2. Sljusar V.I. Novoe sredstvo trehmernogo modelirovanija. - Jelektronika: nauka, tehnologija, biznes. // Vektor. - 2013. - S. 54-60.

3. Barnat K. 3D pechat': tret'ja industrial'naja revoljucija.// Flint. - 2013. - S. 55.

4. Mindubaeva Je.R. Neobhodimost' innovacij: problemy i puti aktivizacii innovacionnoj dejatel'nosti. // Strela. - 2014. - C. 166.

5. Gorohov D.I. Stroitel'nye innovacii. // Majak. - 2015. - S. 116.

6. Jevans B.Prakticheskie 3D-printery: nauka i iskusstvo 3D-pechati //Apress. - 2012. - S. 23.

ISSN 2410-1672 (online) Региональное развитие • № 2(20) • 2017 http://regrazvitie.ru

regrazvitie@yandex. ru

7. Ivanov V.P. Trehmernaja komp'juternaja grafika // Radio i svjaz'. - 2015 - C. 244.

8. Chernysheva N.V. Stenovye materialy povyshennoj vodostojkosti na cementnom vjazhushhem // Majak. - 2014. - S. 57-60

9. Li Dzh. Ujer. Trehmernaja grafika i animacija. 2-e izdanie. // Vil'jams. - 2012. - S. 64.

10. Kanesa I., Zenaro M., Dostupnaja 3D pechat' dlja nauki, obrazovanija i ustojchivogo razvitija. // Orbita. - 2013. - S.14-16.