Проектирование и моделирование 3D-объектов в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБО ВО «Пензенский государственный университет

Проектирование и моделирование 3D-объектов в строительстве

Шеянова О.В.

Знакомое всем слово «принтер» пришло к нам из английского языка «printer» и переводится как «печать». SD-принтер - аддитивное устройство (от англ. Additive - «добавление, примесь»), главная особенность которого заключается в том, что все получаемые модели являются твердотельными и наносятся послойно. С использованием такого устройства можно создать архитектурно выразительное модель, здание, сооружение, памятник.

Определенное применение SD-печать может найти в строительстве, где в качестве основного материала будет использоваться цементная смесь или цементная смесь с наполнителем фиброволокном или другим материалом для армирования. Фиброволокно для бетона - это волокна из базальта, стали или полипропилена. Добавление фибры в бетон позволяет достичь сразу нескольких целей:

армирование бетона, вплоть до полной замены армокаркаса на фиброволокно, обеспечивая тем самым жёсткость и прочность конструкции, уменьшая её вес и снижая расходы на создание арматурного каркаса;

повышение пластичности цементных растворов, что особенно важно для равномерной подачи смеси через печатающую головку строительного принтера;

уменьшение удельного веса смеси, что позволяет нанесение большего количества слоёв при печати;

повышение износостойкости бетонных изделий, (до 30%) при полном твердении бетона:

защищенность от внешнего воздействия влаги и агрессивных веществ. Капилляры, образующиеся в процессе гидратации бетона заполняются фиброволокном, не позволяющим проникать в бетон влаге из вне.

Несомненно, к самым важным свойствам фиброволокна для процесса строительной печати являются его легкость и улучшения пластических свойств цементной смеси.

Заметим, что для твердения бетона требуется 28 суток. Следовательно, технология с использованием бетона требует перерыва в работе. Необходимо в бетон вводить добавки для ускоренного твердения бетона, а это дополнительные финансовые затраты. Кроме того добавки часто приводят к снижению прочности бетона.

Лабораторные испытания контрольных образцов показали, что прочность таких составов относительно не велика: при сжатии в возрасте 28 суток составляет 1,6 МПа, а прочность на растяжение при изгибе чуть менее 1 МПа. Кроме этого, быстротвердеющие смеси, часто затрудняют эксплуатацию объекта при атмосферных воздействиях.

Больший интерес представляют высокопрочные смеси с модифицирующими и минеральными добавками позволяющими получить высокопрочные водостойкие и трещиностойкие изделия. Применение таких составов для печати элементов зданий обеспечивает достаточную несущую способность, морозостойкость и сопротивление паропроницаемости. Лабораторные испытания напечатанных контрольных образцов из высокопрочных смесей показали, что прочность при сжатии в возрасте 28 суток достигает 10 МПа, а прочность на растяжение при изгибе 3,5 МПа. При этом морозостойкость обеспечивается на уровне 35-40 циклов. Гигроскопичность изделий лежит в пределах 10%. [3]

Подвижность высокопрочных смесей применяемых для 3D - печати сохраняется сравнительно долго - до 2-4 часов. Это качество является недостатком для печати высоких элементов. Для достижения несущей способности слоёв приходится периодически подсушивать изделие, что увеличивает время на создание изделия.

Однако затвердевший раствор или бетон может являться основной несущей конструкцией создаваемого объекта, не имеющего ограничений по дизайну,

а закругленные при помощи 3Э пустоты могут экономить строительный материал и быть полезны для архитектурной выразительности.

В настоящее время 3Э принтеры применяемые в строительстве несовершенны и и вместе с тем имеют определенные достоинства:

-точное по размеру и архитектуре строительство;

-снижение трудовых затрат рабочих;

за счет точности исполнения, уменьшаются потери строительных материалов;

снижаются риски для здоровья рабочих на опасных объектах.

Недостатки:

-при строительстве используются материалы высокого качества, чтобы не было остановок;

-используется один вид строительного материала, например принтер настроен только на полимербетон;

перемещение принтера с объекта на новую площадку и его настройка на новом объекте;

-сложное оборудование, его настройка требует специалистов высокой квалификации:

-сбои в работе принтера приведут к дополнительным расходам обсуживающих организаций, которые готовят бетон и раствор:

В декабре 2016 года в Ступино Московской области был осуществлен совместный проект американского стартапа Apis Cor и шести российских компаний. С помощью разработанного компанией Apis Cor 3D-принтера был напечатан жилой дом. Печать самонесущих стен, перегородок и ограждающих конструкций здания заняла 24 часа. После завершения печати принтер извлекли краном-манипулятором. Площадь здания составила 38 кв. м, оно напечатано с помощью аддитивной технологии, слой за слоем. Стоит упомянуть, что впервые в российской строительной практике дом печатался как единое целое, а не собирался из отпечатанных панелей.

Чтобы продемонстрировать гибкие возможности оборудования, была выбрана сравнительно сложная форма дома, а строительство велось в самое холодное время года. Оборудование для печати выдерживает морозы до -35 градусов, но применение бетонной смеси для печати возможно только при температурах не ниже +5 градусов Цельсия, поэтому строительство велось под тентом, где поддерживался необходимый температурный режим.

Принтер по конструкции - миниатюрный башенный кран, он способен печатать находясь как снаружи, так и внутри здания. Конструкция основана на использовании телескопического манипулятора на поворотной платформе. Другими словами, принтер возводит стены вокруг себя, а по завершении строительства переносится на другое место с помощью крана. В дизайне изначально предусмотрена высокая мобильность: компактная установка весом в шесть тонн легко умещается в грузовик.

Стоимость строительства «отпечатанного» дома «под ключ» составила 593 568 рублей, или примерно 16 тысяч рублей за квадратный метр. Если бы форма здания была прямоугольной, стоимость за метр снизилась бы до 13 тысяч рублей. принтер машина строительство цифровой

Цифровое 3D-моделирование (BIM) использует сегодня многие архитектурные компании мира, которые получили идеальный способ быстро, ясно, наглядно и точно донести свои идеи до заказчика. Пришло время осваивать инновационную технологию презентации физической модели, которая куда полнее, чем картинка на мониторе, позволяет заказчику понять и прочувствовать архитектурный замысел. Обе модели нужны и архитектору: цифровая 3D-модель требуется для анализа составляющих проекта, а физическая -- для эффективной оценки деталей и масштаба. Еще важнее, что физическая модель позволяет архитекторам говорить на языке, понятном заказчику, даже самому далекому от архитектуры. Клиент же получает возможность оценить проект на эмоциональном уровне, воспринять его с учетом всех тонкостей. Так родилось iKix -- первое в Индии сервисное бюро архитектурной 3D-печати, куда клиенты приходят, чтобы воплощать в трехмерных макетах всё новые и новые проекты. [5]

Отдельно стоит поговорить о армировании печатаемых изделий. Совершенно понятно, что применение металлической арматуры в привычном понимании при печати на строительном 3D - принтере вызывает трудности; вручную требует опять же, ручного труда, автоматизировано сложных и дорогостоящих роботов. Частично эта проблема решается применением вышеописанного фиброволокна, частично путём привычного армирования в технологические пустоты стен при сборке зданий с последующей заливкой бетоном. Не исключается возможность горизонтального армирования - укладки арматуры или плоских армокаркасов между слоями изделий в процессе печати. [4]

Полностью автоматизированных технологий аддитивного строительства еще не существует, но с другой стороны, ничто не мешает переложить и эти задачи на плечи роботов. Так, инженеры из Швейцарской высшей технической школы Цюриха уже продемонстрировали робота- сварщика, способного создавать арматуру самых разных форм, а австралийская компания Fastbrick Robotics проектирует роботов-укладчиков кирпичей.

В ближайшие годы строительные аддитивные технологии будут использоваться в основном для изготовления декоративных элементов и относительно небольших дизайнерских объектов. Масштаб применения будет напрямую зависеть от стоимости материалов, рабочей силы и даже географического расположения. Например, метод спекания песка с помощью сфокусированного солнечного света вполне может оказаться привлекательным для строительства в пустынных регионах. Эта технология, впервые опробованная польским инженером Маркусом Кайзером и получившая в отечественных кулуарах название «гелиолитография», даже рассматривается в качестве технологии строительства лунных баз из реголита.

Применение принтеров 3D-- печати в строительстве в настоящее время ограничено рядом причин. Среди них масса технических проблем, но основная отсутствие нормативной и законодательной базы для такого рода строительства, так как это мешает взять на вооружение 3D-оборудование крупным строительным компаниям, рассматривающим концепцию строительной печати именно для многоэтажного и массового строительства. Однако вполне реальным на этом фоне выглядит возможность малоэтажного индивидуального строительства, строительства летних домов, гаражей, всевозможных беседок, ландшафтных построек, прудов, детских городков, бассейнов.

Отсутствие на рынке оборудования для строительной 3D печати объясняется прежде всего сравнительно высокой стоимостью его для этого сегмента предпринимателей. Кроме того даже небольшой принтер формата 4 х 6 метров, предназначенный для печати элементов зданий, предметов ландшафтного дизайна высотой до 3 метров - уже довольно внушительная конструкция, требующая ещё и достаточно большого помещения. Кроме места для установки самого 3D - принтера требуется предусмотреть участок подготовки бетонной смеси и её подачи в печатающую головку, участок предварительной сушки, складские помещения и участок погрузки.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:

Строительство с использованием на SD-принтерах может кардинально изменить строительную отрасль - снизить цены и ускорить возведение жилья. Сегодня SD-принтеры стали реальностью и могут приносить строителям большую пользу.

Необходимы дальнейшие научные исследования в области создания приемлемой технологии и номенклатуры строительных материалов, конструктивных решений зданий, способов армирования, что позволит снизить стоимость работ.

Библиографический список литературы

1. Ракитин С.Ю., Илькубаев А. А. Формирование послойных контуров SD-моделей для аддитивного производства // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всерос. науч.-метод. конф. - Оренбург, 2016. -C.22S-2S0.

2. Рудяк К.А., Чернышев Ю.О. Возведение зданий методом послойного экструдирования // Современные концепции развития науки: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Казань, 2016. - С. 147-151.

3. Мустафин Н.Ш., Барышников А.А. Новейшие технологии в строительстве. SD-принтер // Региональное развитие.

4. Wang Yo., Li V.C. Concrete reinforcement with recycled fibers // Journal of Materials in Civil Engineering. - 2000. - № 4-12. - C. S14-S19.

5. Петренева О.В., Пикулева В.О. Проблемы внедрения инновационных технологий и материалов в строительстве // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. - 2015. - № 5-2.

Аннотация

Анализируя область применения современных 3D- принтеров, можно отметить, что они могут сделать нечто большее, чем просто вывести на бумагу текст. Сегодня 3D все чаще применяются в разных областях, в том числе в строительстве, они стали реальностью и приносят определенную пользу. В статье рассматривается вопрос об использовании принципа действия этих машин в области строительства.

Ключевые слова: ЗЭ-принтер, принтер, моделирование, проектирование, строительные перспективы, строительные новшества.

Modern powerful machines have already appeared in our world -- 3D printers that can do more than just print material. Today, 3D printers are increasingly used in our lives, they have become a reality and bring great benefits to humanity. In this article I will talk about the principle of operation of these machines and explain why the future of technology and science lies with 3D printers.

Keywords: 3D printer, printer, modeling, design, building prospects, building innovations.

Размещено на Allbest.ru