205 РАЗДЕЛ III. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 69.001.5 3D-ПЕЧАТЬ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕГО ОПЫТА САМУЙЛОВ Ю. Д., МАЖАНОВА А. И., ЗМУШКО Д. В., КОХНОВИЧ Е. С., СКАРИНА О. Н. Белорусский национальный технический университет Минск, Беларусь Введение. На сегодняшний день в мировой практике строитель- ства все громче заявляет о себе технология строительной 3D- печати. Во многих странах мира разрабатываются и внедряются различные технические решения строительных 3D-принтеров, ко- торых на данный момент уже достаточно много. Активная динамика развития и внедрения аддитивных технологий в строительный сектор экономики вполне понятна, так как эти техно- логии обещают ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими методами строительства. Главными преимуществами явля- ются: значительная экономия материальных затрат на проведения работ, и весьма существенная экономия временных ресурсов. В связи с широким интересом к данной теме, в Республике Бела- русь также взялись за ее разработку. В настоящее время в БНТУ ведутся работы по созданию вариативной имитационной модели аддитивного процесса производства изделий из бетонокомпозитных материалов с использованием разомкнутых кинематических меха- низмов методом натурного прототипирования. Однако прежде чем создавать нечто новое в области строитель- ной 3D-печати, необходимо ознакомиться с историей и основными понятиями в сфере аддитивных технологий, а также с имеющимся мировым опытом их реализации в строительстве (реальные техни- ческие решения строительных 3D-принтеров, примеры выполнен- ных работ, используемые строительные материалы), обзор которого сделан в данной работе. 206 История и основные понятия в сфере аддитивных технологий. Технология 3D-печати появилась в 1986 г., когда компания 3D Systems разработала первый специальный принтер – машину для стереолитографии, которая нашла применение в оборонной про- мышленности. Первые аппараты были крайне дорогими, а выбор материала для создания моделей был ограничен. Бурное развитие трёхмерной печати началось с развитием технологий проектирова- ния (CAD), расчётов и моделирования (CAE) и механической обра- ботки (CAM). И сегодня сложно найти область производства, где бы не применялись 3D-принтеры: с их помощью изготавливаются детали самолётов, космических аппаратов, подлодок, инструменты, протезы и импланты, ювелирные изделия и многое другое. Пер- спектива очевидна – во многих производственных сферах аддитив- ная технология в ближайшее время может стать приоритетной. Ведущие страны мира активно включаются в 3D-гонку. Так, в 2012 г. в Янгстоуне, Огайо, открылся Национальный инновацион- ный институт аддитивного производства NAMII - первый центр ад- дитивных технологий из пятнадцати создаваемых в США. Машин- ный парк института уже насчитывает 10 аддитивных машин, три из которых являются самыми современными машинами для создания металлических деталей. Суть аддитивных технологий заключается в соединении матери- алов для создания объектов в 3D-модель слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку – удаление вещества из заготовки. Аддитивные технологии классифицируют: ̶ по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимер- ным, металлопорошковым); ̶ по наличию лазера; ̶ по способу фиксирования слоя построения (тепловое воз- действие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связу- ющий состав); ̶ по способу образования слоя (есть два способа формирова- ния слоя: первый называют селективным синтезом, он заключается в том, что сначала насыпают на платформу порошковый материал, распределяют его роликом или ножом для создания ровного слоя материала заданной толщины, далее происходит селективная 207 обработка порошка лазером или другим способом соединения ча- стиц порошка (плавкой или склеиванием) согласно текущему сече- нию CAD-модели, плоскость построения неизменна, а часть порош- ка остаётся нетронутой; второй способ состоит в непосредственном осаждении материала в точку подведения энергии). Организация ASTM, занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 категорий. Выдавливание материала. В точку построения по подогретому экструдеру подаётся пастообразный материал, представляющий со- бой смесь связующего и металлического порошка. Построенная сы- рая модель помещается в печь для того, чтобы удалить связующее и спечь порошок – так же, как это происходит в традиционных техно- логиях. Эта аддитивная технология реализована под марками MJS (Multiphase Jet Solidification, многофазное отверждение струи), FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления), FFF (Fused Filament Fabrication, производство спосо- бом наплавления нитей). Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polyjet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку по- строения. Эта аддитивная технология также называется Multi jetting Material. Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet- технологии впрыскивания в зону построения не модельного мате- риала, а связующего реагента (технология аддитивного производ- ства ExOne). Соединение листовых материалов. Строительный материал представляет собой полимерную плёнку, металлическую фольгу, листы бумаги и др. Используется, например, в технологии ультра- звукового аддитивного производства Fabrisonic. Тонкие пластины из металла свариваются ультразвуком, после чего излишки металла удаляются фрезерованием. Аддитивная технология здесь применя- ется в сочетании с субстрактивной. Фотополимеризация в ванне. Технология использует жидкие мо- дельные материалы – фотополимерные смолы. Примером могут служить SLA-технология компании 3D Systems и DLP-технология компаний Envisiontec, Digital Light Procession. 208 Плавка материала в заранее сформированном слое. Использует- ся в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер или термоголовку (SHS компании Blueprinter). Прямое подведение энергии в место построения. Материал и энергия для его плавления поступают в точку построения одновре- менно. В качестве рабочего органа используется головка, оснащён- ная системой подвода энергии и материала. Энергия поступает в виде сконцентрированного пучка электронов (Sciaky) или луча ла- зера (POM, Optomec,). Иногда головка устанавливается на «руке» робота. Данная классификация наиболее полно отражает особенности аддитивных технологий. Согласно приведенной выше классификации можно говорить о том, что практически все строительные 3D-принтеры используют адоптированный вариант аддитивной технологии первой категории (выдавливание материала), однако есть и исключения, например, проект D-Shape, который применяет разбрызгивание связующего. Примеры конкретных конструктивных решений строитель- ных 3D-принтеров «StroyBot» Андрея Руденко Андрей Руденко - один из первопроходцев строительной 3D- печати. Российский инженер, переехавший в Миннесоту, впервые привлек к себе внимание проектом миниатюрного сказочного зам- ка, изготовленного с помощью 3D-принтера собственной конструк- ции под названием «СтройБот» (рис. 4). В качестве строительного материала был использован геополи- мерный бетон из вулканического пепла. Из технических характеристик своего принтера Руденко указал скорость печати – 130 м2/48 ч. Толщина слоя смеси – 10 мм, диа- метр формующего патрубка – 30 мм. D -Shape Один из наиболее необычных вариантов строительной 3D-печати, разработанный итальянским инженером Энрико Дини. В отличие от конкурентных установок, 3D-принтер D-Shape не использует пози- ционируемый по трем осям экструдер, а полагается на целый массив из 300 сопел, закрепленный на подвижной платформе. 209 Рабочая площадь в текущей версии составляет 6х6 метров. Тех- нология скорее напоминает струйную печать, а массив используется для нанесения связующего агента на слои песка. Первая модель принтера, запатентованная в 2006 году, печатала эпоксидными смо- лами, но такой подход вызвал немало технических трудностей и был оставлен. Новая версия, запатентованная в 2008 году, исполь- зует в качестве вяжущего оксиды металлов и хлорид магния. Серийные строительные принтеры ООО «СПЕЦАВИА» ООО «СПЕЦАВИА» (Россия, г. Ярославль) выпустила в прода- жу целую серию строительных 3D-принтеров: Таблица 1 Основные технические характеристики строительных принтеров ООО «СПЕЦАВИА» Наименование модели принтера Рабочая скорость, м/мин Рабочая зона, мм Потребля- емая мощ- ность, кВт ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-2020 8 2500×1600×800 1,6 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-1160 12 /0,6 11500×11600 ×2700 7,5 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-4063 8 3500×5200×1000 1,3 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-6043 9 3500×3600×1000 1,5 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-6044 9 3500×3600×1000 1,6 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-6044 LONG 9 3500×8000×1500 1,6 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-6044 М 12 3500×3600×1000 1,6 ПРИНТЕР СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ (3D) S-6045M 12 3500×3600×1000 1,6 210 Серийные строительные 3D-принтеры словенской компании BetAbram Таблица 2 Основные технические характеристики строительных принтеров компании BetAbram Наименование модели принтера Рабочая скорость, м/мин Рабочая зона, м Потребля- емая мощ- ность, кВт Модель P1 – 18 × 9 × 2,5 4 Модель P2 – 12 × 6 × 2,5 4 Модель P3 – 6 × 3 × 2,5 3 3D-принтер-манипулятор для строительства ProTo R 3Dp, Нидерланды В Нидерландах разработан 3D-принтер-манипулятор для строи- тельства ProTo R 3Dp. Он умеет строить различные конструкции произвольной формы из специального бетона. Разработчики - ком- пания CyBe Additive Industries. Таблица 3 Основные технические характеристики строительного принтера компании CyBe Additive Industries Наименование модели принтера Рабочая скорость, м/мин Радиус действия, м Потребля- емая мощ- ность, кВт ProTo R 3Dp 12 3,15 – В декабре 2016 года в Ступино Московской области был осу- ществлен совместный проект американского стартапа Apis Cor и шести российских компаний. С помощью разработанного компани- ей Apis Cor 3D-принтера был напечатан жилой дом. Российские компании взяли на себя его отделку и обустройство. Печать само- несущих стен, перегородок и ограждающих конструкций здания заняла 24 часа. После завершения печати принтер извлекли краном- манипулятором. Площадь здания составила 38 кв. м, оно напечата- но с помощью аддитивной технологии, слой за слоем. Впервые в российской строительной практике дом печатался как единое целое, а не собирался из отпечатанных панелей. 211 Таблица 4 Основные технические характеристики строительного принтера компании Apis Cor Наименование модели принтера Рабочая скорость, м/мин Радиус действия/ высота, м Потребля- емая мощ- ность, кВт Apis Cor 1–10 4/3,1 8 Рис. 1. Скульптура под названием «Радиолярия» размером 3×3×3 метра, выполненная с помощью 3D-принтера D-Shape Рис. 2. Замок, выполненный с помощью 3D-принтера «StroyBot » Андрея Руденко 212 С учетом того, что технология строительной 3D-печати сравни- тельно нова, данных об используемых строительных материалах немного. В общем можно говорить лишь о том, что практически все суще- ствующие строительные 3D-принтеры используют несколько видов строительных смесей, основными из которых можно назвать сле- дующие: – мелкозернистая бетонная смесь на цементном вяжущем, с раз- личными модифицирующими добавками; – мелкозернистая фибробетонная смесь на цементном вяжущем, с различными модифицирующими добавками; – геополимерная бетонная смесь; – пенополиуретановая смесь. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Аддитивная технология: описание, определение, особенно- сти применения и отзывы. Аддитивные технологии в промышлен- ности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fb.ru – Дата доступа: 10.05.2017. 2. Обзорная статья по 3D строительным технологиям [Элек- тронный ресурс], – Режим доступа: https://geektimes.ru – Дата до- ступа: 10.05.2017. 3. Строим дом с помощью 3D-принтера: обзор компаний и перспективы [Электронный ресурс], – Режим доступа: http://3dtoday.ru – Дата доступа: 10.05.2017. 4. ООО «СПЕЦАВИА». Официальный сайт [Электронный ре- сурс], – Режим доступа: http://specavia.pro. – Дата доступа: 10.05.2017. 5. 3D-принтер BetAbram: недорогое устройство, которое «напечатает» вам дом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dnews.ru – Дата доступа: 11.05.2017. 6. Топ-6 строительных принтеров для 3D-печати домов [Элек- тронный ресурс], – Режим доступа: http://robotrends.ru. – Дата доступа: 11.05.2017.