Конструкция 3D-печать

Конструкция 3D-печати (c3Dp) или 3D Construction Printing (3DCP) относится к различным технологиям, использующим 3D-печать в качестве основного метода для изготовления зданий или строительных компонентов. Также используются альтернативные термины, такие как крупномасштабное добавочное производство (LSAM) или конструкция Freeform (FC), а также ссылки на подгруппы, такие как «3D-бетон», используемые для обозначения технологий экструзии бетона.

Существует множество методов трехмерной печати, используемых в строительном масштабе, в том числе следующие основные методы: экструзия (бетон / цемент, воск, пена, полимеры), порошковая связь (полимерная связь, реактивная связь, спекание) и присадочная сварка. Трехмерная печать в масштабе строительства будет иметь широкий спектр приложений в частном, коммерческом, промышленном и государственном секторах. Потенциальные преимущества этих технологий включают более быстрое строительство, снижение затрат на рабочую силу, повышенную сложность и / или точность, большую интеграцию функций и меньшее количество отходов.

На сегодняшний день был продемонстрирован ряд различных подходов, которые включают на месте и за пределами площадки изготовление зданий и строительных компонентов с использованием промышленных роботов, козловых систем и привязанных автономных транспортных средств. Демонстрации технологий построения 3D-графики на сегодняшний день включают в себя изготовление жилья, строительных компонентов (облицовочных и конструкционных панелей и колонн), мостов и гражданской инфраструктуры, искусственных рифов, глупостей и скульптур.

В последние годы в этой технологии наблюдается значительное увеличение популярности многих новых компаний, в том числе некоторые подкрепленные известными именами из строительной отрасли и академических кругов (Университет Пердью). Это привело к нескольким важным этапам, таким как первое трехмерное печатное здание (Winsun), первый трехмерный печатный мост (D-Shape), первая трехмерная печатная деталь в общественном здании (XtreeE), первое живое трехмерное печатное здание в Европе и CIS (Specavia), первое трехмерное печатное здание в Европе, полностью одобренное властями (3DPrinthuset), среди многих других.

история

Технологии посева 1950 – 1995
Роботизированная кирпичная кладка была концептуализирована и исследована в 1950-х годах, а связанная с ней разработка технологий вокруг автоматизированного строительства началась в 1960-х годах, с перекачиванием бетона и изоцианатных пенопластов. В Японии впервые была разработана автоматизированная сборка целых зданий с использованием методов формирования проскальзывания и роботизированной сборки компонентов, сродни трехмерной печати, для устранения опасностей строительства высотных зданий Шимизу и Хитачи в 1980-х и 1990-х годах. Многие из этих ранних подходов к автоматизации на месте разрушались из-за строительства «пузыря», их неспособности реагировать на новые архитектуры и проблемы питания и подготовки материалов к сайту в застроенных районах.

Ранние разработки 1995 – 2000 гг.
С 1995 года началась разработка и исследования ранней разработки 3D-графики. Были изобретены два метода: один из Джозефа Пегны, который был ориентирован на технологию формирования песка / цемента, которая использовала пар для избирательного связывания материала слоями или твердыми частями, хотя этот метод никогда не демонстрировалось.

Второй метод, «Контурная обработка» Бехрока Хошневиса, первоначально начинался как новый метод экструзии и формования керамики в качестве альтернативы новым технологиям полиграфической и металлической 3D-печати и запатентован в 1995 году. Хошневис понял, что этот метод может превышать эти методы, «Существующие методы ограничены изготовлением размеров детали, которые обычно меньше одного метра, являются каждым измерением». Примерно в 2000 году команда Хошневиса в USC Vertibi начала фокусироваться на трехмерной печати цементных и керамических паст, а также на автоматизированной интеграции модульной арматуры, встроенных сантехнических и электрических услуг в рамках одного непрерывного процесса сборки. Эта технология была проверена только в лабораторных условиях на сегодняшний день и противоречиво и, как утверждается, послужила основой для недавних усилий в Китае.

Первое поколение 2000 – 2010
В 2003 году Руперт Соар обеспечил финансирование и сформировал группу по созданию произвольной формы в Университете Лафборо, Великобритания, чтобы изучить возможности расширения масштабов существующих технологий 3D-печати для строительных приложений. Ранняя работа определила задачу достижения какой-либо реалистичной безупречности для технологии в масштабах строительства и подчеркнула, что могут быть способы ее применения путем массового увеличения ценностного предложения интегрированного проектирования (многие функции, один компонент). В 2005 году группа обеспечила финансирование для создания крупномасштабной 3D-печатной машины для строительства, использующей компоненты «вне полки» (бетононасос, распылитель, система козловых), чтобы изучить, насколько сложными могут быть такие компоненты и реалистично отвечать требованиям к строительству.

В 2005 году компания Enrico Dini, Италия, запатентовала технологию D-Shape, используя широкомасштабную технологию для струйной / склеивания порошков на площади около 6м х 6м х 3м. Этот метод, хотя первоначально разработанный с помощью системы связывания эпоксидной смолы, позднее был адаптирован для использования неорганических связующих веществ. Эта технология используется в коммерческих целях для целого ряда проектов в строительстве и других секторах, в том числе для.

Одним из последних событий стала печать моста, первого такого рода в мире, в сотрудничестве с IaaC и Acciona.

В 2008 году 3D-бетонная печать началась в Университете Лафборо, Великобритания, во главе с Ричардом Бьюсвелом и его коллегами, чтобы продлить предварительные исследования групп и посмотреть на коммерческие приложения, переходящие от технологии, основанной на козловых, к промышленному роботу, которому им удалось лицензировать технологию Skanska в 2014.

Второе поколение 2010 – настоящее время
18 января 2015 года компания получила дальнейшее освещение в прессе с открытием еще двух зданий, особняковой виллы и 5-этажной башни с использованием трехмерных печатных компонентов. Детальный фотографический осмотр показывает, что здания были изготовлены с использованием как сборных, так и трехмерных печатных компонентов. Здания представляют собой первые полные конструкции, изготовленные по технологии 3D-печати. В мае 2016 года в Дубае открылось новое «офисное здание». Площадь в 250 квадратных метров (2700 квадратных футов) – это то, что проект «Дубайский музей будущего» называют первым в мире трехмерным печатным зданием. В 2017 году был объявлен амбициозный проект по созданию 3D-небоскреба в Объединенных Арабских Эмиратах. Строительство Каззы поможет построить структуру. В настоящее время нет конкретных деталей, таких как высота зданий или точное местоположение.

FreeFAB Wax ™, изобретенный Джеймсом Б. Гардинером и Стивеном Янссеном в Laing O’Rourke (строительная компания). Запатентованная технология находится в разработке с марта 2013 года. Этот метод использует 3D-печать масштаба для печати больших объемов спроектированного воска (до 400 л / час) для изготовления «быстрой и грязной» трехмерной печатной формы для сборного бетона, армированного стекловолокном бетон (GRC) и другие материалы, пригодные для разбрызгивания / литья. Затем литейную поверхность пресс-формы обрабатывают 5-кратным шлифованием, удаляя приблизительно 5 мм воска для создания высококачественной формы (шероховатость поверхности около 20 мкм). После того, как компонент отвержден, форма затем либо измельчается, либо расплавляется, а воска фильтруется и повторно используется, что значительно снижает количество отходов по сравнению с традиционными технологиями пресс-форм. Преимущества этой технологии – быстрые скорости изготовления пресс-форм, повышенная эффективность производства, сокращение рабочей силы и виртуальная ликвидация отходов путем повторного использования материалов для заказных пресс-форм по сравнению с традиционными технологиями пресс-форм.

Система была первоначально продемонстрирована в 2014 году с использованием промышленного робота. Позднее система была адаптирована для интеграции с 5-осевым высокоскоростным козлом для достижения высоких скоростей и допусков на фрезерование поверхности, необходимых для системы. Первая промышленная система установлена ​​на заводе Laing O’Rourke в Великобритании и должна начать промышленное производство для известного лондонского проекта в конце 2016 года.

MX3D Metal, основанный Лорисом Джаарманом и командой, разработал две 6-осевые роботизированные системы 3D-печати, первый использует термопластик, который экструдируется, особенно эта система позволяет изготавливать непланарные шарики произвольной формы. Во-вторых, система, которая опирается на аддитивную сварку (в основном, точечную сварку на предыдущих точечных сварных швах), технология аддитивной сварки была разработана различными группами в прошлом, однако металлическая система MX3D является самой совершенной на сегодняшний день. В настоящее время MX3D работает над изготовлением и установкой металлического моста в Амстердаме.

BetAbram – это простой 3D-принтер для экструзии на основе козловых платформ, разработанный в Словении. Эта система доступна в продаже, предлагая 3 модели (P3, P2 и P1) потребителям с 2013 года. Самый большой P1 может печатать объекты размером до 16 м x 9 м х 2,5 м. Общий пользовательский бетонный 3D-принтер, разработанный Руденко, представляет собой технологию бетонных осаждений, смонтированную в конфигурации козловой системы, система имеет аналогичную продукцию для Winsun и других технологий бетонной 3D-печати, однако она использует легкий переносной тип фермы. Эта технология была использована для изготовления версии замка на заднем дворе и гостиничного номера на Филиппинах

Первое серийное производство серийных принтеров в мире было запущено компанией SPECAVIA, расположенной в Ярославле (Россия). В мае 2015 года компания представила первую модель 3D-принтера для строительства и объявила о начале продаж. По состоянию на начало 2018 года группа компаний «AMT-SPEСAVIA» выпускает 7 моделей портальных строительных принтеров: от малого формата (для печати небольших архитектурных форм) до крупномасштабных (для печати зданий до 3 этажей) принтеров. Сегодня в нескольких странах работают трехмерные принтеры российского производства под торговой маркой «AMT», в том числе в августе 2017 года в Европе был доставлен первый строительный принтер – для 3DPrinthuset (Дания). Этот принтер был использован в Копенгагене для строительства первого трехмерного печатного здания в ЕС (офис-отель площадью 50 м2).

XtreeE разработала многокомпонентную систему печати, установленную на 6-осевой роботизированной руке. Проект начался в июле 2015 года и может похвастаться сотрудничеством и инвестициями от сильных имен в строительной отрасли, таких как Saint Gobain, Vinci и LafargeHolcim.

3DPrinthuset, успешный старт Danish 3DPrinting, также вошел в строительную отрасль с собственным принтером на основе порталов в октябре 2017 года. В сотрудничестве с сильными именами в скандинавском регионе, такими как NCC и Force Technology, побочный эффект компании быстро вырос за счет строительства первого 3DPrinted дома в Европе. Проект Building on Demand (BOD), называемый структурой, представляет собой небольшой офисный отель в Копенгагене, район Нордхавн, со стенами и частью фундамента, полностью отпечатанными, а остальная часть строительства выполнена в традиционном строительстве. По состоянию на ноябрь 2017 года здание находится на заключительной фазе применения светильников и кровли, а все детали 3DPrinted полностью завершены.

дизайн
Архитектор Джеймс Брюс Гардинер впервые разработал архитектурный дизайн для 3D-печати для строительства с двумя проектами. Первая Freefab Tower 2004 и вторая вилла Roccia 2009-2010. Башня FreeFAB была основана на оригинальной концепции, чтобы объединить гибридную форму построения 3D-печати с модульной конструкцией. Это был первый архитектурный проект для здания, ориентированного на использование 3D-печати. Влияния можно увидеть в различных проектах, используемых Winsun, в том числе в статьях в оригинальном пресс-релизе Winsun и офисе будущего. Проект FreeFAB Tower также изображает первое спекулятивное использование многоосевых роботизированных рукавов в 3D-печати для строительства, использование таких машин в течение последних лет в строительстве строится неуклонно с проектами MX3D и Branch Technology

Вилла Roccia 2009-2010 сделала эту новаторскую работу еще одним шагом вперед с дизайном виллы в Porto Rotondo, Сардиния, Италия в сотрудничестве с D-Shape. Дизайн виллы сосредоточился на разработке архитектурного языка, соответствующего конкретным сайтам, под влиянием скальных образований на участке и вдоль побережья Сардинии, а также с учетом использования панелейлизованного сборного процесса 3D-печати. Проект прошел прототипирование и не перешел к полному строительству.

Francios Roche (R & Sie) разработал выставочный проект и монографию «Я слышал о» в 2005 году, в которой изучалось использование высоко спекулятивной самонаводящейся змеи, такой как автономный трехмерный печатный аппарат и генераторная система проектирования для создания высотных жилых башен. Проект, который невозможно реализовать на практике с использованием современных или современных технологий, продемонстрировал глубокое изучение будущего проектирования и строительства. На выставке было продемонстрировано крупномасштабное фрезерование пенопласта с ЧПУ и его реновация для создания предусмотренных оболочкой форм свободной формы.

Планируемое трехмерное здание голландского архитектора Янджаапа Руйссенаарса планировалось построить партнерством голландских компаний. Дом планировалось построить в конце 2014 года, но этот срок не был выполнен. Компании заявили, что они по-прежнему привержены проекту.

Здание On Demand или BOD, маленький офисный отель 3D, напечатанный 3D Printhuset’s и спроектированный архитектором Ана Гойдой, включил изогнутые стены и рябительные эффекты на их поверхности, чтобы продемонстрировать свободу дизайна, которую позволяет 3D-печать в горизонтальной плоскости.

сооружения

3D-печатные здания
Дом 3D Print Canal был первым полномасштабным строительным проектом такого рода, чтобы сойти с земли. За короткий промежуток времени компания Kamermaker получила дальнейшее развитие, чтобы увеличить скорость производства на 300%. Тем не менее, прогресс не был достаточно быстрым, чтобы претендовать на звание «Первого трехмерного печатного дома в мире».

Первое жилое здание в Европе и СНГ, построенное с использованием технологии 3D-печати, было домом в Ярославле (Россия) площадью 298,5 кв. Стены здания были напечатаны компанией SPECAVIA в декабре 2015 года. 600 элементов стен были напечатаны в магазине и собраны на строительной площадке. После завершения конструкции крыши и внутренней отделки компания представила полностью законченное трехмерное здание в октябре 2017 года. Особенность этого проекта в том, что впервые в мире прошел весь технологический цикл строительства: проектирование, получение здания разрешение, регистрация здания, подключение всех инженерных систем. Важная особенность 3D-дома в Ярославле, который также отличает этот проект от других реализованных – это не презентационная структура, а полноценное жилое здание. Сегодня он является домом для настоящей обычной семьи.

Голландские и китайские демонстрационные проекты медленно строят 3D-печатные здания в Китае, Дубае и Нидерландах. Используя усилия по информированию общественности о возможностях новой технологии строительства на базе завода и стимулировании новых инноваций в 3D-печати жилых зданий. Небольшой бетонный дом был напечатан в 3D-формате в 2017 году.

Проект Building on Demand (BOD), первый трехмерный печатный дом в Европе, представляет собой проект под руководством 3DPrinthuset для небольшого трехмерного офисного офиса в Копенгагене, район Нордхавн. По состоянию на ноябрь 2017 года здание находится на заключительной фазе применения светильников и кровли, а все детали 3DPrinted полностью завершены. Здание также является первым трехмерным печатным постоянным зданием со всеми разрешениями и полностью одобрено властями.

Трехмерные печатные мосты
В Испании первый пешеходный мост, напечатанный в 3D в мире (3DBRIDGE), был открыт 14 декабря 2016 года в городском парке Кастилья-Ла-Манча в Алькобендасе, Мадрид. Используемая технология 3DBUILD была разработана ACCIONA, которая отвечала за структурный дизайн, разработку материалов и изготовление трехмерных печатных элементов. Мост имеет общую длину 12 метров и ширину 1,75 метра и печатается в микро-железобетоне. Архитектурный дизайн был выполнен Институтом передовой архитектуры Каталонии (IAAC).

3D-принтер, используемый для сборки пешеходного моста, был изготовлен D-Shape. Трехмерный печатный мост отражает сложность форм природы и был разработан с помощью параметрического проектирования и вычислительного проектирования, что позволяет оптимизировать распределение материалов и позволяет максимизировать структурные характеристики, позволяя располагать материал только там, где это необходимо, с общим свобода форм. Трехмерный печатный пешеходный мост Alcobendas стал важной вехой для строительного сектора на международном уровне, поскольку в этом проекте впервые применена широкомасштабная технология 3D-печати в области гражданского строительства в общественном пространстве.

Внеземные печатные структуры
Печать зданий была предложена в качестве особенно полезной технологии для создания внеземных местообитаний, таких как места обитания на Луне или Марсе. С 2013 года Европейское космическое агентство сотрудничает с лондонским Foster + Partners для изучения возможностей печати лунных баз с использованием обычной технологии 3D-печати. Архитектурная фирма предложила технологию 3D-принтера для строительства зданий в январе 2013 года, которая использовала бы сырье для лунного реголита для производства лунных строительных конструкций при использовании закрытых надувных мест обитания для размещения людей, живущих внутри печатных лунных конструкций. В целом для этих мест обитания потребуется всего десять процентов массы структуры, подлежащей транспортировке с Земли, при использовании местных лунных материалов для остальных 90 процентов массы структуры.

Куполообразные конструкции были бы несущей нагрузкой цепью, со структурной поддержкой, обеспечиваемой структурой закрытых ячеек, напоминающей кости птиц. В этой концепции «печатная» лунная почва обеспечит как «радиационную, так и температурную изоляцию» для Лунных обитателей. Строительная технология смешивает лунный материал с оксидом магния, который превратит «молот в целлюлозу, которую можно распылить, чтобы сформировать блок», когда применяется связующая соль, которая «превращает этот материал в камень-подобное твердое вещество». Предусмотрен также тип серобетона.

Испытания 3D-печати архитектурной структуры с имитируемым лунным материалом были завершены с использованием большой вакуумной камеры в наземной лаборатории. Эта методика включает в себя вдувание связующей жидкости под поверхность реголита с помощью сопла 3D-принтера, которое при испытаниях захватывает 2 миллиметра (0,079 дюйма) -каскальных капель под поверхностью через капиллярные силы. Использовался принтер D-Shape.

Для трехмерной структурной печати были разработаны различные элементы инфраструктуры Луны, включая посадочные площадки, стены для защиты от взрыва, дороги, ангары и хранилище топлива. В начале 2014 года НАСА финансировало небольшое исследование в Университете Южной Калифорнии для дальнейшего развития

техника 3D-печати Contour Crafting. Потенциальные применения этой технологии включают в себя построение лунных структур материала, который может состоять из 90-процентного лунного материала, всего десять процентов материала, требующего транспортировки с Земли.

NASA также рассматривает другую технику, которая включала бы спекание лунной пыли с использованием маломощной (1500 Вт) микроволновой энергии. Лунный материал был бы связан нагреванием до 1200-1500 ° С (от 2 190 до 2730 ° F), несколько ниже температуры плавления, чтобы сплавить пыль наночастиц в твердый блок, подобный керамике, и не требовал бы транспортировка связующего материала с Земли в соответствии с требованиями Foster + Partners, Contour Crafting и D-образных подходов к внеземной строительной печати. Один конкретный предлагаемый план по созданию лунной базы с использованием этой техники будет называться SinterHab и будет использовать робот ATLLETE с шестью ногами JPL для автономной или телеобъемной сборки лунных структур.

Скорость строительства
Претензии были предъявлены Бехрохом Хошневисом с 2006 года для трехмерной печати дома в день, с дальнейшими заявлениями о том, чтобы окончательно завершить строительство примерно через 20 часов после «принтера». К январю 2013 года рабочие версии технологии 3D-печати строили 2 метра (6 футов 7 дюймов) строительного материала в час, а последующее поколение принтеров предлагалось иметь мощность 3,5 м (11 футов) в час, чтобы завершить строительство через неделю.

Китайская компания WinSun построила несколько домов с использованием больших 3D-принтеров, используя смесь быстросохнущего цемента и переработанного сырья. Десять демонстрационных домов были названы Winsun, которые были построены за 24 часа, каждый стоимостью 5000 долларов США (структура не включает, опоры, услуги, двери / окна и отделку). Тем не менее, пионер 3D-печати строительства д-р Бехрох Хошневис утверждает, что это подделка и что WinSun украл его интеллектуальную собственность.

Исследования и общественные знания

Существует несколько исследовательских проектов, посвященных 3D-строительной печати, таких как проект 3D бетонной печати (3DCP) в Технологическом университете Эйндховена или различные проекты в Институте передовой архитектуры Каталонии (Pylos, Mataerial и Minibuilders). Список исследовательских проектов расширяется еще больше за последние пару лет благодаря растущему интересу к этой области.

Современные исследования
Большинство проектов были сосредоточены на изучении физических аспектов технологии, таких как технология печати, материальные технологии и различные проблемы

связанных с ними. 3DPrinthuset недавно привел исследования, ориентированные больше на изучение современного состояния технологии во всем мире, посетив более 35 различных проектов, связанных с 3D-строительством. Для каждого проекта был выпущен исследовательский отчет, и собранные данные были использованы для унификации всех различных технологий в первую попытку общей стандартизованной категоризации и терминологии. Исследователи из Университета Пердью впервые разработали процесс трехмерной печати, известный как Direct-ink-Writing, для изготовления архитектурных материалов на основе цемента. Они продемонстрировали использование 3D-печати, биоиндустриальные проекты материалов на основе цемента, и могут быть достигнуты новые эксплуатационные характеристики, такие как допуски на разрыв и соответствие требованиям.

Первая конференция по 3D-печати
Наряду с исследованиями, 3DPrinthuset организовал две международные конференции по трехмерной строительной печати (февраль и ноябрь 2017 года соответственно), целью которых было объединение самых сильных имен в этой развивающейся отрасли для обсуждения потенциальных возможностей и задач, которые стоят впереди. Эти конференции были первыми в этом роде и объединили такие имена, как D-Shape, Contour Crafting, Cybe Construction, исследование 3DCP Эйндховена, Winsun и многие другие. Вдобавок к специалистам по 3D-дизайнеру, в первую очередь, присутствовали ключевые игроки традиционной строительной индустрии, среди которых такие имена, как Sika AG, Vinci, Royal BAM Group, NCC. Появилась общая идея о том, что для области 3D-строительства требуется более унифицированная платформа, на которой можно обсуждать идеи, приложения, проблемы и проблемы.

Интерес к СМИ
Несмотря на то, что первые шаги были сделаны почти три десятилетия назад, 3D Construction Printing изо всех сил пыталась охватить годы. Первыми технологиями для привлечения внимания к средствам массовой информации были Contour Crafting и D-Shape, с несколькими спорадическими статьями в 2008-2012 годах и телевизионным отчетом 2012 года. D-Shape также была представлена ​​в независимом документальном фильме, посвященном его создателю Энрико Дини, который называется «Человек, который печатает дома».

Один важный прорыв [когда?] Был замечен с объявлением первого трехмерного печатного здания с использованием готовых трехмерных печатных компонентов, сделанных Winsun, которые утверждали, что могут печатать 10 домов за день с помощью своей технологии. Хотя претензии еще должны были быть подтверждены, история создала широкую тягу и все большую заинтересованность в этой области. За несколько месяцев появилось много новых компаний. Это привело к множеству новых усилий, которые достигли средств массовой информации, таких как, в 2017 году, первый пешеходный 3d-печатный мост и первый велосипедный 3D-печатный мост, а также ранний структурный элемент, выполненный с 3D-печатью в 2016 году, среди многих других.

В последнее время 3DPrinthuset получил широкое внимание со стороны средств массовой информации с помощью своего первого постоянного трехмерного печатного здания, первого в своем роде в Европе. Проект стал важным прецедентом для того, чтобы стать первым трехмерным печатным зданием с разрешением на строительство и документацией на месте и полным одобрением городских властей, что является важной вехой для более широкого признания в области строительства. История получила широкое освещение, как на национальных, так и на международных средствах массовой информации, появляющихся на телевидении в Дании, России, Польше, Литве и многих других.