CC BY
93
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Том. 1, №1
УДК 72.023
ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
А. А. Потапенко
DIGITAL FABRICATION AND MATERIALS
A.A. Potapenko
Аннотация. В данной статье рассматриваются новые технологии в архитектуре, применяемые в экспериментальном строительстве и строительстве уникальных объектов -технологии цифрового производства. Приводится классификация методов цифрового производства, в соответствие которым ставится используемые материалы и их формы. Рассматриваются преимущества и недостатки каждого метода, приводятся примеры проводимых экспериментов и реализованных объектов.
Ключевые слова: вычислительный дизайн; вычислительное проектирование; параметрическая архитектура; цифровое производство; 3d печать; ЧПУ станки; роботы-манипуляторы.
Abstract. The article describes the new technology of the architecture in use the experimental building and construction of unique objects - digital fabrication technology. A classification of methods of digital fabrication is proposed. The materials, that have been used, and their kinds are placed according to methods of fabrication. It is dealt with the advantages and disadvantages of each method and is given the examples of experiments and completed projects.
Keywords: computational design; parametric architecture; digital fabrication; 3d printing; CNC machine; robot manipulator.
Введение
Цифровое производство является неотъемлемой составляющей на этапе реализации продукта в вычислительной парадигме в архитектуре и дизайне, которая позволяет сократить до минимума разрыв между дизайнерской концепцией и реальным строительством и предполагает творческое освоение форм, материала и метода производства. Вычислительная архитектура открывает возможности проектирования максимально эффективных архитектурно-пространственных структур, обладающей эстетикой нерегулярных и нелинейных форм, материальное воплощение которых становится возможным благодаря методам и технологиям цифрового производства. Цифровое производство - это способ изготовления, в котором цифровые данные (цифровая модель) непосредственно используются в физическом производстве [0].
Технологии цифрового производства позволяют реализовывать сложную и уникальную геометрию поверхностей, не влияя существенно на стоимость изготовления. Таким образом, изготовление серии уникальных элементов требует практически тех же усилий, что и массовое производство идентичных элементов. При этом технологии процесса изготовления взаимосвязаны с материалом и влияют на генерацию формы при проектировании. В данной статье исследуются способы, методы и материалы цифрового производства.
Методы и материалы цифрового производства
Различные методы автоматизированного изготовления предполагают творческое освоение материала, форм и метода цифрового производства. Данные методы можно разделить по типу оборудования на три группы: 3d принтеры, роботы-манипуляторы и станки ЧПУ. В цифровом производстве используются различные типы материалов: как натуральные - песок, глина, дерево, металл, бетон, так и полимерные. Каждый метод
http://vestnik-nauki.ru/
производства в зависимости от типа оборудование требует применения определенного вида материала. Это могут быть как традиционная древесно-волокнистая плита и кирпичные блоки или тщательно исследованные и разработанные под конкретный способ производства термореактивные пластики (рис. 1).
3D ПРИНТЕРЫ
РОБОТЫ - МАНИПУЛЯТОРЫ
СТАНОК ЧГ1¥
МЕТОйы иИФРОНО! D
пйооэеоастед
Рисунок 1 - Технологии и материалы цифрового производства
3с1 принтеры
Производство с помощью 3ё принтера происходит по принципу постепенного добавления материала и наращивания необходимой формы. Такая работа с материалом требует обширных исследований и поиск оптимальных составов. Проводятся эксперименты печати стеклоцементом, цементными полимерами, термопластиками и термореактивными пластиками, биопластиком, глиной и песком. На данный момент в этой области существует ряд проблем: накапливание ошибок из-за различия адгезии в слоях; усадка формы; ограниченные возможности в использовании материалов; а также определенное соотношение между размером принтера и печатаемым объектом, что составляет сложность печати многоэтажных зданий. Но развитие 3ё принтеров набирает обороты и создает практически неограниченные возможности формообразования (рис. 2).
МАТЕРИАЛЫ
МЕТОД ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
композ МАТЕР1 ИТНЫЕ /1АЛЫ
Stone Spray, Перт Иооикое, Анна Кулик, И мл ер Шсргрилл,
Институт современной архитектуры Каталонии. Роботизированный ЗО-принтер. создающий скульптуры из песка_
Рисунок 2 - 3d принтеры В шанхайской компании Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co собрали 3D-принтер WinSun 150 метров длиной и 10 метров шириной, способный за несколько часов
http://vestnik-nauki.ru/
напечатать здание высотой до 6 метров. Для печати используется цемент, усиленный стекловолокном [2].
Российский архитектор Петр Новиков совместно с Сашей Йокичем в Институте Перспективной Архитектуры Каталонии, отказавшись от горизонтальных слоев, разработали строительного робота Mataerial, реализующего печать трехмерных кривых с помощью термореактивного пластика [3]. Также Петр Новиков участвовал в проекте Stone Spray: принтер, который осуществляет 3Б-печать из природных материалов почвы и песка, используя при этом солнечную энергию [4].
Роботы-манипуляторы, предназначенные для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе автоматические устройства, состоящие из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления. Устройство управления формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций.
Возможность осуществлять сложное движение по точно запрограммированной траектории, управляемой с помощью цифровой модели, открывает возможности таких манипуляций в строительстве, как осуществление плетения синтетических полимерных волокон, сборки штучных элементов (блоки, кирпичи) и сгибание листового металлического или листового материала (рис. 3).
МАТЕРИАЛЫ
МЕТОД ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
V.
ЙйЙ"
— 'ДЯ
University of Stuttgart
arbon-fibre Researcii Pavilion ^^
Gramaao & Kohlet. Pike Le
СКЛАДЫВАНИЕ
I
RoboFom - Robotic Fabrication Projects by Jeg Dudley
Рисунок 3 - Роботы - манипуляторы
Лондонская фирма КоЬоБоЫ использует промышленные роботы для изучения новых способов складывания листового металла. Роботы сгибают листы в формы, которые трудно достичь с помощью обычных методов. КоЬоБоЫ использует систему САПР для разработки 3Б-моделей, имитации складок и выполнения параметрических расчетов [5].
Для изготовления биомиметического павильона 2015 года в Университете Штутгарта Германии применялись шестиосевые роботы КиКА, которые ткали необходимые элементы из
http://vestnik-nauki.ru/
углеродного волокна. Структура павильона основана на исследованиях строения панциря жука и была смоделирована с применением вычислительных инструментов проектирования [6].
Станок ЧПУ - это фрезерные, гравировально-фрезерные станки, оборудованные числовым программным управлением и основанные на микропроцессоре с оперативной памятью, с операционной системой, приводы управляются собственными микроконтроллерами. Технологический процесс автоматизирован, т.е. управление производится по занесенной в систему программе, увеличивается точность обработки материала. Кроме того, автоматизация процесса обработки станками с ЧПУ способствует повышению производительности.
Реализация архитектурного объекта при данном способе производства может быть осуществлено через секционную порезку или панелизацию проектируемого объема и последующей сборке элементов из листового материала (Рис. 4).. Объект в данном случае прибывает к месту строительства в виде большого конструктора, готового к сборке. Данный метод производства позволяет получать неограниченное количество уникальных элементов с индивидуальной маркировкой.
МАТЕРИАЛЫ
МЕТОД ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
г
V.
МАССИВ
Городские онтики. Севилья
_шмЗМь_
^^ Скамья. Сергей ДерБин. Арсений Иванов
_ Заха Хадиа. Павильон, Милан
Рисунок 4 - Станок ЧПУ
При изготовлении фасада музея Soumaya в Мексике применялись возможности вычислительного параметрического проектирования для оптимизации количества типоразмеров облицовочных панелей, которые должны были покрыть сложную криволинейную форму. Производство панелей осуществлялось с помощью ЧПУ станков [7].
Заключение
Применение вычислительных технологий возможно на всех этапах производства архитектурного объекта. «File-to-factory» - проектно-производственный процесс, в котором цифровая модель, получаемая в процессе проектирования, непосредственно используется при производстве изделия при помощи цифровых технологий. Таким образом, достигается максимальная точность при производстве сложных и уникальных элементов конструкции
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Том. 1, №1
без увеличения стоимости производства и материальное воплощение дизайнерских концепций. Однако новые возможности требуют изучения как новых инструментов, так и новых подходов ко всему процессу проектирования - от генерирования идей и тестирования прототипов до налаживания диалога между специалистами различного профиля и создания команд. Проекту должна предшествовать значительная исследовательская работа.
Новые технологии цифрового производства, строительная робототехника, в частности, позволят архитектуре выйти на качественно новый уровень. Методы цифрового производства обеспечивают возможность реализации сложных проектов. Ограничения, связанные со стандартизацией и сложностью переноса объектов из виртуального пространства в физическое остаются в прошлом.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Iwamoto L. Digital Fabrications Architectural and Material Techniques. New York: Princeton Architectural Press, 2009. 144 с.
2. Печать домов на 3D принтере. [Электронный ресурс] URL:http://make-3d.ru/articles/3d-printer-dlya-pechati-domov/ (дата обращения: 07.06.2015).
3. Изобретатель Петр Новиков о роботах, религии и 3D-печати в архитектуре. [Электронный ресурс] URL:http: // theoryandpractice.ru/posts/7356-izobretatel-petr-novikov-o-robotakh-religii-i-3d-pechati-v-arkhitekture (дата обращения: 07.06.2015).
4. Stone Spray Robot by Anna Kulik, Inder Shergill and Petr Novikov. [Электронный ресурс] URL:http://www.dezeen.com/2012/08/22/stone-spray-robot-by-anna-kulik-inder-shergill-and-petr-novikov/ (дата обращения: 07.06.2015).
5. Революционно новый способ складывания листа металла с помощью роботов. [Электронный ресурс] URL:http://www.rca.ac.uk/research-innovation/innovation/innovationrca-start-up-and-fellowship-projects/robofold-/ (дата обращения: 06.06.2015).
6. Architecture Education: New Robotics at University of Stuttgart. [Электронный ресурс] URL:http://www.azuremagazine.com/article/architecture-education-digital-fabrication-university-stuttgart/(дата обращения: 06.06.2015).
7. Museo Soumaya: Facade Design to Fabrication. Explore the process of creating the facade for Mexico City's iconic art museum. [Электронный ресурс] URL:http://issuu.com/gehrytech/docs/sou_06_issuu_version (дата обращения: 06.06.2015).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Потапенко Анастасия Аркадьевна ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет», г. Владивосток, Россия, студентка 2 курса магистратуры по направлению «Архитектура, E-mail: aap.arch@mail.ru
Potapenko Anastasiia Arkad'evna FSAEI HPE «Far-Eastern Federal University», Vladivostok, Russia, second year student of master program «Architecture», E-mail: aap.arch@mail.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 690014, Владивосток, ул. Фонвизина, 23, Потапенко А. А.
8 914 343-43-57
