Аддитивные технологии в строительстве что это

Журнал об аддитивном производстве

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.

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.

Прорыв упирается в стену

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.

Вопрос времени

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.

Автор: Екатерина Сахарова

Источник

Аддитивная технология возведения зданий и сооружений с применением строительного 3D-принтера Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Мухаметрахимов Р.Х., Вахитов И.М.

Постановка задачи. Инновационные технологии внедряются практически в каждую отрасль жизнедеятельности человечества, однако одна из таких крупных отраслей как строительное производство , на сегодняшний день отличается высокими трудозатратами и является наименее автоматизированной. Переход от классических технологий возведения зданий к аддитивным при помощи строительной 3D-пeчaти может стать решением данной проблемы. В настоящий момент времени строительные 3D-принтeры внедряются в строительное производство в Китае, США, Нидерландах. Ha фоне стремительно рaзвивaющихcя в этой сфере стран, Россия не является аутсайдером и на сегодняшний день имеет в своем числе ряд организаций разрабатывающих и выпускающих свою продукцию 3D-принтeрoв (ООО «СпецАвта», г. Ярocлaвль; ООО «АписКор», г. Мocквa). Результаты. В статье приводится анализ аддитивной технология возведения зданий и сооружений. Рассмотрены история развития, способы 3D-пeчaти и виды строительных 3D-принтеров . Дано краткое описание напечатанных ограждающих конструкций и используемых материалов. Выводы. Значимость для строительной отрасли заключается в анализе достоинств и недостатков аддитивной технологии возведения зданий и сооружений, a также выявление перспектив и направлений ее развития.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Мухаметрахимов Р.Х., Вахитов И.М.

Additive technology of erection of buildings and structures using building 3D-printer

Рrоblеm stаtеmеnt. Innоvаtivе tесhnоlоgiеs аrе bеing intrоduсеd аlmоst in еvеry sесtоr оf humаn асtivity, hоwеvеr, оnе suсh mаjоr industriеs аs соnstruсtiоn аnd mаnufасturing, tоdаy is сhаrасtеrizеd by high lаbоr соsts аnd is thе lеаst аutоmаtеd. Thе trаnsitiоn frоm сlаssiсаl tесhnоlоgiеs оf еrесtiоn оf buildings tо аdditivе соnstruсtiоn using 3D-рrinting mаy bе thе sоlutiоn tо this рrоblеm. In rеаl timе соnstruсtiоn 3D-рrintеrs аrе bеing асtivеly imрlеmеntеd in thе соnstruсtiоn mаnufасturе in Сhinа, USА аnd thе Nеthеrlаnds. Аgаinst thе bасkgrоund оf rарidly dеvеlорing in this аrеа соuntriеs, Russiа is nоt аn оutsidеr аnd tоdаy it hаs in its numbеr а numbеr оf оrgаnizаtiоns аrе dеvеlорing аnd рrоduсing thеir рrоduсts 3D-рrintеrs («Sреtsаviа», Yаrоslаvl, «АрisСоr», Mоsсоw). Rеsults. In this аrtiсlе thе аnаlysis оf аdditivе tесhnоlоgy еrесtiоn оf buildings аnd struсturеs, аs thе рrоblеm оf lоw аutоmаtiоn оf соnstruсtiоn industry. Thе histоry оf dеvеlорmеnt, mеthоds оf 3D-рrinting аnd building 3D-рrintеrs. This briеf dеsсriрtiоn оf thе dеsign аnd mаtеriаls usеd whеn рrinting еnvеlореs. Соnсlusiоns. Thе mаin rеsults оf thе study аrе tо аnаlyzе thе shоrtсоmings аnd аdvаntаgеs оf аdditivе tесhnоlоgy оf соnstruсtiоn оf buildings аnd struсturеs, аnd idеntifying its рrоsресts. Thе signifiсаnсе оf thе rеsults fоr thе соnstruсtiоn industry is tо inсrеаsе thе аutоmаtеd рrосеssеs оn thе соnstruсtiоn sitе, rеduсing humаn lаbоr аnd rеduсing ассidеnts.

Текст научной работы на тему «Аддитивная технология возведения зданий и сооружений с применением строительного 3D-принтера»

Мухаметрахимов Р.Х. — кандидат технических наук, доцент

Вахитов И.М. — инженер

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1

Аддитивная технология возведения зданий и сооружений с применением строительного ЭБ-принтера

Постановка задачи. Инновационные технологии внедряются практически в каждую отрасль жизнедеятельности человечества, однако одна из таких крупных отраслей как строительное производство, на сегодняшний день отличается высокими трудозатратами и является наименее автоматизированной. Переход от классических технологий возведения зданий к аддитивным при помощи строительной 3Б-печати может стать решением данной проблемы. В настоящий момент времени строительные 3Б-принтеры активно внедряются в строительное производство в Китае, США, Нидерландах. На фоне стремительно развивающихся в этой сфере стран, Россия не является аутсайдером и на сегодняшний день имеет в своем числе ряд организаций разрабатывающих и выпускающих свою продукцию 3Б-принтеров (ООО «СпецАвиа», г. Ярославль; ООО «АписКор», г. Москва).

Результаты. В статье приводится анализ аддитивной технология возведения зданий и сооружений. Рассмотрены история развития, способы 3Б-печати и виды строительных 3Б-принтеров. Дано краткое описание напечатанных ограждающих конструкций и используемых материалов.

Выводы. Значимость для строительной отрасли заключается в анализе достоинств и недостатков аддитивной технологии возведения зданий и сооружений, а также выявление перспектив и направлений ее развития.

Ключевые слова: аддитивные технологии, строительный 3Б-принтер, 3Б-печать, технологии возведения зданий и сооружений, строительное производство.

На сегодняшний день, строительство — одна из важнейших отраслей, обеспечивающая как развитие экономики, так и повседневный комфорт населения. Эта отрасль является одним из лидеров по числу рабочих мест, как в стране, так и во всем мире. В то же время современные требования к строительству подразумевают дальнейшее совершенствование технологий строительного производства, ее значительную трансформацию. Изменения в этой сфере происходят медленно, но, тем не менее, и в типовом, и в индивидуальном строительстве постепенно начинают применяться новые материалы, обеспечивающие повышенный комфорт, экологичность и экономичность при эксплуатации, внедряются новые технологии, позволяющие существенно автоматизировать процесс воплощения проектов в реальность, которые значительно сокращают количество необходимой рабочей силы, а также минимизировать риск производственных травм. Одной из таких перспективных технологий является применение аддитивной технологии возведения зданий при помощи строительной 3D-печати на строительных площадках [1].

3D-печать архитектурных сооружений вызывает большой интерес специалистов уже несколько лет. Следует отметить, что в настоящее время одной из немногих полностью не автоматизированных отраслей производства является строительство. С применением строительного 3D-принтера появилась возможность не только создания небольших конструкций (строительных блоков, малых элементов ландшафтного дизайна и интерьера помещений), но и возведения ограждающих конструкций зданий. Эта технология позволяет возводить более сложные объекты с пониженными временными, материальными и трудозатратами.

В настоящее время концепция строительства при помощи 3Б-принтеров уже заинтересовала несколько крупных строительных компаний, порядка 35 организаций занимаются разработкой прототипов данного оборудования. Игроки на этом рынке преследуют разные задачи — вторичную переработку строительных отходов; создание технологий «безфундаментной» печати; строительство домов в местностях, пострадавших от стихийных бедствий и требующих возведение большой площади жилья за короткий период времени; производство и совершенствование оборудования и т.д. [2].

Не смотря на существующие примеры выполненных малых архитектурных форм, объектов индивидуального жилищного строительства по данной технологии, как в России, так и за рубежом, требуется ее исследование и развитие, что в перспективе расширит область ее применения, повысит качество получаемой строительной продукции и вызовет необходимость в разработке нормативных документов регламентирующих данное направление.

История развития ЭБ-печати

Работа человечества в сфере цифровых технологий, на протяжении многих лет, привела к идеи послойного создания объектов с помощью 3Б-принтера по заранее разработанной математической модели. Данная технология нанесения материала на основу называется аддитивной. В случае традиционного производства подобных объектов, мы изначально имеем заготовку, от которой, например, отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, то в случае с аддитивной технологией из аморфного расходного материала выстраивается новое изделие [3].

3Б-печать ведёт свою историю с 1948 года, когда американец Чарльз Халл разработал технологию послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (ФПК). Технология получила название «стереолитографии» (STL). Патент [4] на своё изобретение автор получил только в 1986 году, тогда же он основал компанию 3D Systеm и приступил к разработке первого промышленного устройства для трёхмерной печати, которое было представлено общественности год спустя, в 1987 году. Так как термин «3D-принтер» ещё не был введён в оборот, аппарат Чарльза Хала получил название «установка для стереолитографии». Устройство выращивало смоделированный на компьютере трёхмерный объект из жидкой фотополимеризующейся композиции, нанося её слой за слоем на подвижную платформу, погружаемую в ванну с ФПК. Толщина каждого слоя составляла примерно 0,1-0,2 мм [5].

В 1988 году Скотт Крамп (США) запатентовал технологию трехмерной печати с помощью послойной заливки расплавленной нити полимера (FDM) [6]. В печатающей головке материал (расплав из пластика) предварительно разогревается до температуры плавления и поступает в рабочую камеру. Головка выпускает расплавленный материал в виде нити, которая укладывается на рабочую поверхность. После этого платформа опускается ниже на толщину одного слоя, для повторного воспроизведения процесса. Первое коммерческое устройство на основе технологии FDM появилось в 1991 году под торговой маркой Strаtаsys [7].

В начале XXI века сразу несколько независимых групп ученых, из разных стран, начали исследования в области технологии 3D-печати в сфере строительства. В 2012 году были представлены первые потребительские строительные 3D-принтеры, а уже через два года был возведен первый экспонат одноэтажного жилья компанией Shanghai WinSun (Китай) [8].

Способы ЭБ-печати в строительстве

На данный момент для создания объектов промышленности, машиностроения, пищевого производства и других отраслей, существует множество способов 3D-печати: лазерная стереолитография, селективное лазерное спекание, моделирование методом наплавления, ламинирование, склеивание порошков.

Для создания малых форм и целых объектов строительства используются три основных метода: спекание; лазерная стереолитография; послойное экструдирование.

Суть способа спекания (селективное спекание) заключается в том, что рабочие чернила, к примеру, кварцевый песок, расплавляются за счет действия точечного лазерного луча, направление траектории которого приводится в действие с помощью кулачкового механизма. Механизм перемещения обрабатываемого материала приводится в движение небольшим двигателем, запускающим движение зубчатого ремня привода распределительного вала. Одновременно сфокусированная шаровая линза насквозь прожигает материал, находящийся под ней. Производством такого вида оборудования занимается его изобретатель, инженер Маркус Кайзер [9].

Для реализации способа напыления (лазерная стереолитография) используют лазерную установку с ванной, оборудованной’ специальным столом. Эту ванну заполняют жидкой’ фотополимеризующейся под воздействием лазерного луча композицией.. Спекание материала выполняется послойно, путем перемещения лазерного луча по намеченной траектории. При завершении обработки первого слоя стол ванны опускается на шаг, и выполняется формирование следующего слоя. На сегодняшний’день известны рабочие образцы группы Каталонского института передовой’ архитектуры (1ААС) (группа Петра Новикова), полученные способом компонентной’ склейки, под названием Sto^ 8ргау ЯоЬо^ а также система D-Shаре, разработанная Энрико Дини для строительства зданий (МопоШе UK) [10].

Способы напыления и селективного спекания являются экологически безвредными, поскольку их реализация подразумевает использование солнечной’ энергии, а рабочей’ смесью является песок.

Способ послойного экструдирования на сегодня является основным способом 3D-печати большинства строительных принтеров. Суть заключается в том, что рабочее сопло, или экструдер, 3D-машины выдавливает быстротвердеющую бетонную смесь, в которую включены различные добавки, улучшающие характеристики будущей конструкции [11]. Каждый очередной слой выдавливается 3D-принтером поверх предыдущего, благодаря чему формируется определенная конструкция [12] (рис. 1). Впервые о подобной технологии в строительстве было упомянуто в работах профессора Бехроха Хошневиса из Южно-Калифорнийского университета в августе 2012 г. [13, 14]. Его научная группа выдвинула идею конструкции гигантского, собираемого на строительной площадке 3D-принтера по типу козлового крана [15].

Рис. 1. Изготовление ограждающих конструкций способом послойного экструдирования при помощи 3Б-принтера:

1 — сопло (экструдер); 2 — изготавливаемая ограждающая конструкция; 3 — основание

Выполненный обзор методов 3Б-печати показывает, что на сегодняшний день в области строительного производства одним из наиболее эффективных является способ послойного экструдирования.

Виды строительных 3Б-принтеров, работающих способом послойного экструдирования

Строительные принтеры, принципиально не отличаются от производственных 3Б-принтеров и представляют собой их конструктивные аналоги, но больших размеров.

Существуют различные компоновки приводов данного устройства — портальные, с дельта-приводом, работающие в угловых координатах, на базе промышленных манипуляторов.

3Б-принтеры с портальной компоновкой привода — это машины, напоминающие по виду козловые краны, движущиеся по рельсам, с длинной рамой, расположенной над рабочей зоной (рис. 2). По раме движется сопло или экструдер — устройство для подачи строительных чернил. За счет синхронизации движения рамы по рельсам, печатающей головки по ширине и высоте, подаче строительного материала, экструдер послойно выдавливает смесь, повторяя цифровой шаблон, заложенный в программном комплексе операционистом. Таким образом, осуществляется движение в трех взаимно-перпендикулярных направлениях — по осям х, у, х. Преимуществом портального привода является простота, надежность и относительно невысокая стоимость установки. В качестве недостатков можно отметить повышенные объемы работ, связанные с установкой оборудования в проектное положение, а также большие габариты устройства данного типа [15].

Рис. 2. Система для печати зданий с помощью принтера с портальной компоновкой привода: 1 — рама; 2 — печатающий оголовок (экструдер); 3 — рельсы, направляющие вдоль здания;

4 — механизм передвижения экструдера поперек рабочей поверхности;

5 — устройство для поднятия конструкции принтера по оси х;

6 — автобетоносмеситель для подачи строительных чернил

3Б-принтеры с дельта-приводом (трех осевые) представляют собой перевернутую треногу, состоящую из трех тросов или штанг, на которых держится печатающая головка, и высокой рамы, на которой закреплены машины управляющие подачей тросов или штанг [16] (рис. 3). Печатающая головка движется за счет синхронного изменения длинны тросов, повторяющих заложенный в программном комплексе шаблон. Недостатком устройства является ограниченное пространство рабочей зоны, а также трудоемкий процесс сборки каркаса данной установки.

Рис. 3. Строительный 3Б-принтер с дельтовидным приводом: 1 — каркас установки; 2 — тросы; 3 — печатающий оголовок

Строительные 3Б-принтеры работающие в угловых координатах (в виде башенного крана) представляют собой автоматизированное устройство для строительства зданий и сооружений методом трехмерной печати [17] (рис. 4). Вес установки составляет всего 2 т, исходя из этого ее легко разместить с помощью автокрана как внутри здания, так и снаружи, в зависимости от проекта воздвигаемой постройки. Принтер имеет небольшие габариты, поэтому легко транспортируется и не требует долгой подготовки до начала работ. Недостатком устройства является ограниченная зона действия, в следствие чего в процессе возведения сооружения необходимо прибегать к помощи вспомогательной техники для перемещения принтера по рабочей зоне. Другим недостатком принтера Ар18 Сог является его стоимость, которая значительно превышает цену портального устройства. Производством данного продукта занимается одноименная российская компания ООО «АПИС-КОР», которая на сегодняшний момент привлекла интерес к своему проекту от крупных инвесторов и в перспективе планирует распространять свое изобретение как в России, так и в странах Европы [18].

Рис. 4. Мобильный строительный 3Б-принтер Ар1$Сог, работающий в угловых координатах: 1 — стрела установки: 2 — экструдер; 3 — изготавливаемая ограждающая конструкция

Принтер на базе промышленного манипулятора представляет собой конструктивные аналоги механических рук — манипуляторов, состоящих из нескольких гибких сочленений, придающих им большую подвижность [16] (рис. 5). Преимуществом так же являются небольшие габариты и вес установки. Недостатком является сложность и высокая технологичность принтеров, следовательно, и их дороговизна.

Рис. 5. Строительный 3Б-принтер на базе промышленного манипулятора: 1 — печатающий оголовок; 2 — механическая рука; 3 — изготавливаемая ограждающая конструкция

Выполненный обзор видов строительных 3Б-принтеров работающих методом послойного экструдирования свидетельствует, что на сегодняшний день наиболее подходящим по своим характеристикам для возведения малоэтажных зданий является принтер с портальным приводом. В перспективе реализации проектов, с количеством этажей более двух, наиболее подходящим выглядит принтер Ар18 Сог, работающий в угловых координатах.

Конструкции стен, возведенных методом послойного экструдирования

Как и любая другая стена возведенная традиционным способом, ограждающая конструкция, напечатанная с помощью 3Б-принтера, должна иметь хорошие прочностные и теплоизоляционные качества. Главным преимуществом зданий и сооружений, возведенных методом послойного экструдирования, являются сложные геометрические формы стен.

Конструктив стен в плане чаще всего напоминает пространственную ферму, состоящую из напечатанных внутреннего (несущего), наружного слоев, далее между ними возводится внутренняя часть конструкции в виде треугольников, выполняющая роль ребер жесткости (рис. 6). Для армирования в состав «строительных чернил» можно вводить дисперсную арматуру (фибры), либо укладывать арматурные стержни или кладочную сетку между слоями. Вопрос вертикального армирования решается установкой стержневой арматуры в пустоты, с их дальнейшим заполнением материалом, с низким коэффициентом теплопроводности. Кроме того пустоты стен можно использовать для прокладки различных коммуникаций, либо проектировать форму стен таким образом, что бы на выходе иметь каналы или полости во внутреннем слое для дальнейшего их заполнения элементами водопровода, канализации, электричества и др.

Значительно сократив сроки и затраты труда при возведении стен, 3Б-принтер способен изготовить качественную ограждающую конструкцию с высокими прочностными и теплоизоляционными качествами [19].

Рис. 6. Конструкция стены, выполненная с помощью 3Б-принтера

Требования к материалам, используемым в качестве «чернил» для строительной ЭБ-печати методом послойного экструдирования

Немаловажную роль в технологии строительной 3Б-печати играет состав строительных «чернил» (сырьевой смеси). Ее основой могут быть такие материалы как портландцемент, гипс, смешанные вяжущие модифицированные активными минеральными и химическими добавками — цементно-волокнистые (фиброцементные), гипсоволокнистые, гипсоцементно-волокнистые и др. 24. Для возможности бездефектной послойной укладки «чернил», сырьевая смесь должна обладать относительно быстрым набором прочности при замедленной кинетике начального структурообразования. Кроме того, сырьевая смесь должна обладать тиксотропными и адгезионными свойствами, быть удобоукладываемой принтером и в то же время не растекаться под воздействием последующих слоев и иметь невысокие усадочные деформации при твердении 28. Известно применение пескобетона марки М300 в качестве «чернил» при изготовлении малых архитектурных форм методом послойного экструдирования [2].

Дисперсное армирование сырьевых смесей «строительных чернил» позволяет повысить физико-механические характеристики затвердевшего композита, снизить величину усадочных деформаций, повысить трещиностойкость и др. Ведение активных минеральных и химических добавок позволяет регулировать реологические свойства смесей используемых в качестве «строительных чернил», эксплуатационные характеристики готовых изделий.

Следует отметить актуальность исследований направленных на разработку составов строительных «чернил» для 3Б-принтеров обеспечивающих высокие технологические, эксплуатационные свойства и долговечность.

По результатам анализа отечественного и зарубежного опыта аддитивной технологии возведения зданий и сооружений с применением строительного ЗБ-принтера следует отметить основной недостаток — возможность возведения только вертикальных конструкций в ограниченной рабочей зоне. Кроме того, установка строительного 3D-принтера в рабочее положение и его калибровка требует определенных затрат на подготовительный период.

Несомненными преимуществами аддитивной технологии является снижение трудоемкости работ, риска производственного травматизма, повышение автоматизации и скорости строительства, снижение отходов производства.

Отсутствие нормативной базы для проектирования и строительства зданий с помощью данной технологии не является на данный момент существенным препятствием на пути реализации сложных проектов в связи с необходимостью повышения качества получаемой строительной продукции по данной технологии и расширением ее возможностей.

Успешное развитие аддитивной технологии возведения зданий и сооружений с применением строительного ЗБ-принтера требует комплексных исследований направленных на разработку эффективных «строительных чернил» на различной основе, изучение их структуры и свойств.

Список библиографических ссылок

1. Атлас новых профессий. URL: Ьйр://айа8100.ги/са1а^/81хойе181;уо/ (дата обращения: 15.10.2017). » «

2. Доклад генерального директора ООО «СПЕЦАВИА» (Ярославль) Маслова А. В. на Дне открытых дверей Центра трансфера технологий в капитальном строительстве объектов использования атомной энергии Госкорпорации «Росатом» от 04.10.2017 г. в Технопарке «Сколково» (Москва).

3. Аддитивные технологии и аддитивное производство. URL: Ьйр://3й^1оЬа1ек.ги/ wQr1d3d/а(Мй\ е_:есЬ/ (дата обращения: 10.10.2017).

4. СЬаг1е8 W. Hull — РаЬей US4575330 А. «Аррага^ for рго(исйоп оf 1Ьгее-(1теп8юпа1 оЬуес^ by stеrео1ithоgrарhy» 11 МагсЬ, 1986.

5. История 3Б-печати. URL: httр://www.оrgрrint.соm/wiki/3d-ресhаt/istоrijа-3d-ресhаti (дата обращения: 15.10.2017).

6. S^tt S. Сттр — РаЬей US5121329 А — «Аррага^ аnd mеthоd for сгеай^ Шгее-dimеnsiоnа1 о^есз». 30 ОсоЬе^ 1989.

7. История 3Б-принтеров. URL: Ьйр://ка^оЬоЕ.ru/аrtiс1е/istоriyа_3D_рrintеrоv/ (дата обращения: 16.10.2017).

8. Shаnghаi WinSun. URL: httр://www.сhinаwinsun.соm/еn/ (дата обращения: 20.10.2017).

9. Обзорная статья по 3Б-строительным технологиям // URL: httр://gееktimеs.ru/роst/ 224299 (дата обращения: 21.10.2017).

10. Малышева В. Л., Красимирова С. С. Лазерная стереолитография — новый подход к строительству сооружений // Журнал магистров ПНИПУ. 2013. № 2. С. 202-208.

11. Энциклопедия 3Б-печати. Аддитивные технологии. URL: httр://3dtоdаy.ru/wiki/3D _рrint_tесhnо1оg (дата обращения: 16.10.2017).

12. Компания Winsun. 3Б-проектирование домов. URL: httр://www.yhbm.соm/indеx. рhр?а=1ists&с=indеx&саtid=67&m=соntеnt (дата обращения: 20.10.2017).

13. Сойош- Сгай^ tесhnо1оgy. URL: httр://соntоurсrаfting.соm (дата обращения: 21.10.2017). ‘

14. Сойош- Сгай^ а роtеntiа1 rеvо1utiоn in Ше со^^^оп industry // Intеrnаtiоnа1 foui^ оf Rеsеаrсh in Аdvеnt Tесhnо1оgy (Е-ISSN: 2321-9637) Sресiа1 Issuе Кайош! Соnfеrеnсе «VishwаСоn’16». 2016. Р. 22-26.

15. Портальные 3Б-принтеры. URL: httр://sресаviа.рrо/аrtiс1s/Strоitе1nаiа-3D-ресhаt-

Ма1о&гта1пое-оЬоги^уаше-Ргак1;юЬе8к1е-гекотеМаси/ (дата обращения: 22.10.2017).

16. Обзор известных проектов 3Б-принтеров. URL: Ьйр://8расеехрап8юп.исо2.ги/ ^ех/0-24 (дата обращения: 15.10.2017).

17. Журнал Ар18 Сог tесhnо1оgy dеsсriрtiоn — Wе рйй buildings. URL: httр://арis-соr.соm/3d-рrintеr (дата обращения: 10.10.2017).

18. Мобильный строительный 3Б-принтер Арis Сог. URL: httр://арis-сог.соm/3d-ргintег (дата обращения: 19.10.2017).

19. Белов А. О., Гилязидинов Н. В. Технология возведения малоэтажных зданий с помощью 3Б-принтера: сб. ст. VII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием / КузГТУ ИМ. Т.Ф. Горбачева. г. Кемерово, 2015. С. 703.

20. Торшин А. О., Потапова Е. Н. Перспективы использования 3Б-принтера в строительстве // Успехи химии и химической технологии. ТОМ XXX. 2016. № 7. С. 118.

21. Изотов В. С., Мухаметрахимов Р. Х., Галаутдинов А. Р. Влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С.135-137.

22. Изотов В. С., Мухаметрахимов Р. Х., Сабитов Л. С Цементно-волокнистый композиционный материал для фиброцементных плит // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 20-21.

23. 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.

24. Мухаметрахимов Р. Х., Изотов В. С., Гревцев В. А. Фиброцементные плиты на основе модифицированного смешанного вяжущего // Известия КГАСУ 2010. № 2 (14). С. 250-254.

25. Мухаметрахимов Р. Х., Изотов В. С. Влияние активных минеральных добавок на гидратацию вяжущего и физико-механические свойства фиброцементных плит // Известия КГАСУ. 2011. № 2 (16). С. 213-217.

26. Халиуллин М. И., Алтыкис М. Г., Рахимов Р. З. Эффективные сухие гипсовые смеси с добавками полимерных волокон // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2004. № 3. С. 33-37.

27. Удодов С. А., Белов Ф. А., Золотухина А. Е. 3Б-печать 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.

28. Ашйп S. А., Lim S., Buswе11 R. А., Gibb А. G. F., ТЬогре T. // Mix dеsign аnd fresh ргорегtiеs for high-реrfогmаnсе ргтй^ соnсrеtе / Mаtеriа1s ^d Structures. 2012. Р.1221-1232.

29. Wаng Уо., Wu H. С., Li V. С. Соnсrеtе rеinfоrсеmеnt with гесус^ АЬеге // 1оита1 оf Ма1ейак in Ст1 Е^теег^. 2000. № 4-12. Р. 314-319.

Mukhаmеtrаkhimоv R.Kh. — саndidаtе оf tесhniса1 sсiеnсеs, аssосiаtе рrоfеssоr Е^аИ: muhаmеtгаhimоv@mаi1.гu Vаkhitоv I.M. — е^теег Е^аИ: vаkhitоvim@gmаi1.соm

Kаzаn Stаtе Univеrsity оf Аrсhitесturе аnd Еnginееring

Thе о^амЕа!:^ аddгеss: 420043, Russiа, Kаzаn, 2е1ешуа st., 1

Аdditivе tесhnоlоgy of еrесtiоn оf buildings аnd str^tu^s using building 3D-рrintеr Аbstrасt

Problem statement. Innоvаtivе tесhnо1оgiеs аге Ье^ intгоduсеd а1mоst in еvеry sесtоr оf humаn асtivity, hоwеvег, ом suсh mаjог industгiеs аs СОш^СйОп аnd mаnufасturing, tоdаy

is сhаrасtеrizеd by high lаbоr costs and is the lеаst аutоmаtеd. Thе trаnsitiоn frоm сlаssiсаl tесhnоlоgiеs of erection of buildings to additive construction using 3D-printing may be the solution to this problem. In real time construction 3D-printers are being actively implemented in the construction manufacture in China, USA and the Netherlands. Against the background of rapidly developing in this area countries, Russia is not an outsider and today it has in its number a number of organizations are developing and producing their products 3D-printers («Spetsavia», Yaroslavl, «ApisCor», Moscow).

Results. In this article the analysis of additive technology erection of buildings and structures, as the problem of low automation of construction industry. The history of development, methods of 3D-printing and building 3D-printers. This brief description of the design and materials used when printing envelopes.

Conclusions. The main results of the study are to analyze the shortcomings and advantages of additive technology of construction of buildings and structures, and identifying its prospects. The significance of the results for the construction industry is to increase the automated processes on the construction site, reducing human labor and reducing accidents.

Kеywоrds: additive technologies, building a 3D-printer, 3D-printing, technology of erection of buildings and structures, construction and production.

1. The Atlas of new professions. URL: http://atlas100.ru/catalog/stroitelstvo/ (reference date: 15.10.2017).

2. Report of the General Director of «SPETSAVIA» (Yaroslavl) Maslov A. V. at the open Day of the Centre for technology transfer in capital construction objects of use of atomic energy «Rosatom» from 04.10.2017 in Technopark «SKOLKOVO» (Moscow).

3. Additive technology and additive manufacturing. URL: http://3d.globatek.ru/world3d/ additive_tech/ (reference date : 10.10.2017).

4. The Charles W. US4575330 a Paten — Apparatus for production of threedimensional objects by stereolithography, March 11, 1986.

5. The story of 3D-printing. URL: http://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/istorija-3d-pechati (reference date: 15.10.2017).

6. Scott S. Crump. patent US5121329 a — apparatus and method for creating three-dimensional objects, October 30, 1989.

7. The story of 3D-printers. URL: http://kanzoboz.ru/article/istoriya_3D_printerov/ (reference date: 16.10.2017).

8. Shanghai winsun. URL: http://www.chinawinsun.com/en/ (reference date: 20.10.2017).

9. Review of the 3D construction technologies. URL: http://geektimes.ru/post/224299 (reference date: 21.10.2017).

10. Malysheva V. L., Krasimirova S. S. Laser stereolithography — a new approach to the construction of buildings // Zhurnal magistrov PNIPU. 2013. № 2. P. 202-208.

11. Encyclopedia 3D-printing. Additive technologies. URL: http://3dtoday.ru/wiki/3D_ print_technolog (reference date: 16.10.2017).

12. The Company Winsun. 3D-design of houses. URL: http://www.yhbm.com/index.php?a= lists&c=index&catid=67&m=content (reference date: 20.10.2017).

13. Contour Crafting technologies. URL: http://contourcrafting.com (reference date: 21.10.2017).

14. Contour craft a Potential revolution in the construction industry // international research journal of advent Technology (E-ISSN: 2321-9637) Special issue national conference «VishwaCon’16». 2016. P. 22-26.

15. Gantry 3D-printers. URL: http://specavia.pro/articls/Stroitelnaja-3D-pechat-Maloformatnoe-oborudovanie-Prakticheskie-rekomendacii/ (reference date: 22.10.2017).

16. The review of known projects 3D-printers. URL: http://spaceexpansion.ucoz.ru/index/0-24 (reference date: 15.10.2017).

17. Description of the technology Apis Cor — We print the building. URL: http://apis-cor.com/3d-printer (reference date: 10.10.2017).

18. Mobile construction 3D-printer KOR APIs. URL: http://apis-cor.com/3d-printer (reference date: 19.10.2017).

19. Belov A. O., Gilyazetdinov N. In. The technology of erection of low-rise buildings using 3D printer: collection of articles VII all-Russian scientific and practical conference of young scientists with international participation / KuzGTU THEM. T. F. Gorbachev Kemerovo, 2015. P. 703.

20. Torshin A. O., Potapova Ye. N. Prospects for using a 3D printer in construction // Uspekhi khimii i khimicheskoy tekhnologii. TOM XXX. 2016. № 7. P. 118.

21. Izotov V. S., Mukhametrakhimov R. Kh., Galiautdinov A. R. Influence of polypropylene fibers on the main properties of gypsum cement-pozzolanic binder // Vestnik KTU. 2015. V. 18. № 1. P. 135-137.

22. Izotov V. S., Mukhametrakhimov R. Kh., Sabitov L. S. Cement-fiber composite material for fiber-cement slabs // Stroitelnye materialy. 2011. № 5. P. 20-21.

23. Mukhametrakhimov R. Kh., Izotov V. S. Increase of physical and mechanical properties and durability of fiber-cement slabs on the basis of cellulose fibers // Izvestiya VUZov. Stroitelstvo. 2012. № 9 (645). P. 101-107.

24. Mukhametrakhimov R. Kh., Izotov V. S., Grevcev V. A. Fiber cement slabs based on modified mixed binder // Izvestiya KGASU. 2010. № 2 (14). P. 250-254.

25. Mukhametrakhimov R. Kh., Izotov V. S. Influence of active mineral additives on the hydration of binders and physical and mechanical properties of cement boards // Izvestiya KGASU. 2011. № 2 (16). P. 213-217.

26. Khaliullin M. I., Altykis M. G., Rakhimov R. Z. Effective dry gypsum mixtures with additives of polymer fibers // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel’stvo. 2004. № 3. P.33-37.

27. Udodov S. A., Belov A. F., Zolotukhin A. E. 3D-printing in construction: a new direction in the technology of concrete and dry mixes : dig. of art. VI International scientific-practical conference — Nauka i prosveshchenie. Penza, 2017. P. 58-62.

28. Austin S. A., Lim S., Buswell R.A., Gibb A. G. F., Thorpe T. Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete // Materials and Structures. 2012. P. 1221-1232.

29. Van Yo., Wu H. K., Lee V. S., concrete reinforcement with recycled fibers // Journal of materials in civil engineering. 2000. № 4-12. P. 314-319.

Источник