Это интересно
- ОКД
- ЗКС
- ИПО
- КНПВ
- Мондиоринг
- Большой ринг
- Французский ринг
- Аджилити
- Фризби
Опрос
Полезные ссылки
РКФ
Все о дрессировке собак
Стрижка собак в Коломне
Поиск по сайту
Журнал об аддитивном производстве. Журнал аддитивные технологии
Аддитивное производство набирает обороты
Самые передовые идеи оставались и остаются на бумаге из-за отсутствия технологий для их реализации. На современном этапе развития машиностроения передовыми являются технологии быстрого прототипирования и аддитивного производства изделий, которые дают возможность в кратчайшие сроки получить прототип или экспериментальный, опытный образец самого сложного изделия.Применение аддитивных технологий позволяет осуществить переход на стадию нового индустриального развития, к цифровому производству — «обогнать» традиционное производство по основным параметрам: в разы сократить длительность цикла от идеи, чертежа до изделия, сократить трудоемкость, материалоемкость и энергоемкость, обеспечить экологически чистое производство. При использовании аддитивных технологий все стадии реализации проекта от идеи до материализации (в любом виде — в промежуточном или в виде готовой продукции) находятся в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD\CAM\CAE-системе.
Давиденко А. А.Генеральный директор АО «Центр аддитивных технологий»
Мировая статистика
Развитие аддитивных технологий набирает обороты, демонстрируя преимущества и новые возможности в целом ряде отраслей (рис. 1). Ведущие промышленные державы включились в работу по созданию специального оборудования и его внедрению для решения сложных промышленных задач, наперегонки запускают соответствующие госпрограммы и открывают исследовательские центры.Наиболее динамично парк машин увеличивается в Японии, Китае, Германии, Франции, Великобритании и Италии (рис. 2). Оборудование аддитивного производства эксплуатируется в 67 странах мира. Причем значительная доля парка оборудования сосредоточена в шести странах: США, Китай, Япония, Германия, Англия, Италия (рис. 2). Россия продолжает отставать в технологическом плане развития аддитивных технологий, и это отставание носит длительный системный характер.
Рис. 1. Отрасли и сферы применения аддитивных технологий, % (данные мирового аналитического издательства Wohlers Report)
Рис. 2. Распространенность АТ оборудования по регионам и странам, % (данные мирового аналитического издательства Wohlers Report)
При этом США никому не хотят уступать лидирующие позиции в 3D-печати. Для ускорения процесса развития инновационных технологий пять ведомств — Минобороны, Минэнерго, Министерство торговли, Научный национальный фонд и NASA — выступили инициаторами создания в 2012 году Национального института инновационного производства, который позже был переименован в America Makes. Эта организация способствует сотрудничеству лидеров бизнеса и научных учреждений, помогая продвижению инновационных разработок в аддитивных технологиях на мировом рынке. В работе института участвуют около 100 компаний, некоммерческих организаций и государственных учреждений. Вторым серьезным шагом стало строительства Digital Lab for Manufacturing в Чикаго. На этот проект Минобороны уже выделило $ 70 млн, еще $ 250 млн было получено от представителей индустрии, образовательных учреждений, правительства и общественных партнеров. Digital Lab имеет общих партнеров с America Makes, это такие промышленные гиганты, как Rolls-Royce, Dow Chemical, Procter & Gamble, General Electric, General Dyna-mics, Lockheed Martin, Honeywell, Rockwell Collins, Microsoft, Boeing, Autodesk и 3D Systems. В настоящее время Digital Lab запускает открытую онлайн-платформу программного обеспечения для проектирования и сотрудничества в режиме реального времени. А бывший президент США Барак Обама анонсировал создание Института производственных инноваций в легких и современных металлах и пластиках в Детройте — на этот проект Минобороны уже выделил $ 70 млн.Аддитивные технологии осваивают такие промышленные гиганты, как General Electric и Siemens. С 2010 года американская корпорация General Electric инвестировала в аддитивные технологии $1,5 млрд. Корпорация General Electric и немецкая компания Concept Laser достигли соглашения, согласно которому один из крупнейших производителей 3D-принтеров для печати порошковыми металлами перейдет во владение американского гиганта. По условиям соглашения GE выкупит 75 % частной компании с опцией докупки оставшейся доли в будущем. Названная стоимость сделки составила $599 млн. За счет новых вложений GE планирует к 2020 году повысить минимальную годовую выручку собственного аддитивного производства до $1 млрд. Также к 2020 году General Electric планирует произвести 45 000 форсунок для новых реактивных двигателей LEAP с помощью аддитивных технологий (в одном двигателе используется 19 форсунок). И если раньше подобная деталь состояла из 18 отдельных частей, сейчас она выращивается в виде цельной конструкции. Напечатанная на 3D-принтере форсунка в 5 раз прочнее и на 25 % легче своей предшественницы. Компания сэкономит порядка $ 25 тыс. на каждом двигателе.По тому же пути идет и немецкий концерн Siemens, заявивший о переходе с традиционных методов производства деталей для горелок газовых турбин на технологию селективного лазерного плавления. В свою очередь Американское космическое ведомство NASA объявило об успешном испытании на огнеупорность инжектора ракетного двигателя, изготовленного с помощью селективного лазерного плавления. На МКС уже отправлен 3D-принтер для изучения возможности печати инструментов и запасных деталей в условиях микрогравитации.
Российские достижения
На сегодняшний день аддитивные технологии в России также активно развиваются. Одним из ярких примеров является создание и открытие в Воронеже «Центра аддитивных технологий». Центр является одним из самых крупных в мире и уникальным для нашей страны — аналогичного комплекса оборудования на территории РФ нет.Наш парк оборудования оснащен промышленными 3D-принтерами в количестве 12 штук, в том числе 3 единицы — это оборудование, работающее с металлическими порошками. Мы предоставляем услуги быстрого прототипирования и изготовления изделий с использованием современных аддитивных технологий и оборудования ведущих фирм Stratasys, EOS GmbH, MK Technology GmbH, 3D Systems, Envisiontec, SLM Solutions, Breuckmann, а также услуги по реверс-инжинирингу, 3D-сканированию, вакуумному литью, механической обработке и производству изделий единичных (эксклюзивных) и малых серий.За период работы Центра выполнено около тысячи уникальных заказов для компаний ГК «Ростех», Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова, Национального института авиационных технологий, МИСиС и других научных институтов и предприятий машиностроительного сектора и с уверенностью можно заявить, что применение аддитивных технологий при изготовлении конкретных изделий для машиностроения позволяет снизить сроки производства более чем в 2 раза, сократить цикл изготовления изделий более чем в 5 раз, а также снизить затраты и трудоемкость последующей механической обработки.Крупные авиационные, оборонные, приборостроительные предприятия, конструкторские бюро РФ уже по достоинству оценили преимущества использования 3D-печати и активно встраивают ее в свои рабочие процессы. Так, например, в рамках выставки «Иннопром‑2016» «Вертолеты России» впервые представили свои разработки в области аддитивных технологий. На стенде холдинга показали ползун управления хвостовым винтом для легкого многоцелевого вертолета «Ансат», выполненный в трех вариантах: один — традиционным методом с помощью механообработки и два варианта с бионическим дизайном из алюминия и титана, произведенных методом послойного спекания металлических порошков (рис. 3). По сравнению с элементом, выполненным традиционным методом, вес напечатанных на 3D-принтере деталей снизился почти вдвое. Также были продемонстрированы несиловые детали (полые облегченные дверные ручки) из алюминия, созданные с помощью аддитивных технологий, рис. 3.
Рис. 3. Вертолет «Ансат», детали выполненные по технологии SLS и традиционным технологиям: ползун и дверные ручки
Также на выставке «Иннопром‑2016» Объединенная приборостроительная корпорация» продемонстрировала первый в России беспилотный летательный аппарат (БЛА), полностью изготовленный по технологии 3D-печати. Процесс изготовления такого БЛА занимает около 1 дня, а составные части беспилотника перед запуском собираются, как конструктор, в течение 15–20 минут. Новый БЛА способен нести на борту видеоаппаратуру и выполнять различные задачи, связанные с разведкой и мониторингом территорий. Набор силовых элементов планера (фюзеляж, крылья и хвостовое оперение) выполнен как единое целое с обшивкой аппарата, что позволило добиться снижения веса, придать необходимую жесткость конструкции, а также обеспечить высокие аэродинамические характеристики.В НПО «Сатурн» в 2015 году из пробных партий отечественных металлопорошковых композиций кобальтового суперсплава и нержавеющей стали успешно синтезированы опытные образцы, на которых проведены прочностные и металлургические исследования. Совместно с ВИАМ на период с 2016 по 2019 год запланирована разработка в рамках аддитивного производства коррозионностойких высокотемпературных материалов и масштабируемой технологии полного цикла изготовления ключевых сложнопрофильных высокопрочных деталей ГТД с привлечением в эти разработки государственного финансирования (программа «Фонда перспективных исследований»). В 2015 более 200 опытных деталей, изготовленные селективным сплавлением из кобальтового, титанового сплавов, нержавеющей стали, успешно прошли стендовые испытания в составе двигателей.Молодые ученые Воронежского государственного университета провели ряд исследований и считают наиболее перспективным два направления применения трехмерной печати для систем радиофизики:1. Поглощающие покрытия. Предлагается вводить токопроводящие частицы в диэлектрический материал. Характеристики оптимизируются путем формы и профиля проводящих поверхностей. Данное направление может быть применимо не только для создания безэховых измерительных камер, но и для снижения взаимного влияния элементов в фазированных антенных решеток.2. Тормозящие сверхширокополосные структуры. Разработаны неоднородные среды, в которых скорость распространения электромагнитной волны может задаваться в зависимости от направления. Такие структуры могут использоваться в антенной технике, например, для заполнения пространства раскрытия ТЕМ–рупора или биконической антенны. Для обеспечения необходимой проницаемости в единый материал в различных направлениях вводятся воздушные полости. По трехмерной модели антенны с заполнением пространства внутри рупора c помощью FDTD-метода был произведен расчет основных характеристик излучения (диаграммы направленности, КСВН) и показано существенное улучшение характеристик антенны. В частности, при неизменности размеров ТЕМ — рупора удалось устранить распад главного лепестка диаграммы направленности на частотах выше 15 ГГц и получить выигрыш в усилении от 2 до 8 дБ. При этом частотный диапазон по уровню КСВн 2 расширился с 3–15 ГГц до 2,5–26 ГГц.Пример заполнения ТЕМ-рупора представлен на рис. 4. Данную структуру можно произвести только с использованием технологий трехмерного прототипирования. В настоящее время разработаны программы для синтеза, моделирования предложенных структур, а также трехмерной печати.
Рис. 4. Пример заполнения ТЕМ-рупора
«Центр аддитивных технологий» является обучающей и производственной площадкой для реализации подобных проектов. Совместно с Воронежским государственным университетом мы создали кафедру аддтивных технологий.
Важные инновации
Когда необходимость полной мобилизации ресурсов объединяется с задачей обеспечения безопасности в экстремальных условиях, инновации становятся не просто конкурентным преимуществом, а настоящим спасательным кругом. Приведем пример (рис. 5).Trainer Development Flight (TDF) — это подразделение базы ВВС Sheppard в городе Уичита-Фолз, штат Техас, которое проектирует, разрабатывает и производит симуляторы и учебное оборудование для ВВС и всех подразделений министерства обороны. Эти компоненты используются в различных обучающих средах, в том числе для авиации, оружейных и топливных систем, систем медицинской подготовки, систем отопления и вентиляции, а также телекоммуниционных систем.
Рис 5. Для Министерства обороны TDF проектирует и изготавливает учебные пособия, такие как реплики беспилотного летательного аппарата для обучения студентов
Симуляторы и учебное оборудование могут быть оригинальными продуктами или копиями существующих продуктов в зависимости от целей обучения. Некоторые устройства не должны быть обязательно рабочими. Для большинства областей применения более разумным подходом является обучение студентов на репликах, а не на дорогом оборудовании.TDF использует прямое цифровое производство для создания большей части своих продуктов. Для этого подразделение применяет четыре станка аддитивного производства FDM на централизованной площадке ко всем этапам производства.До внедрения цифрового производства в TDF использовались традиционные методы и для получения продуктов требовалось больше времени, так как производство состояло из нескольких этапов — механическая обработка, токарная обработка, сварка, сгибание и резка листового метала. Такие же трудности возникали при производстве форм для литья деталей. Так как большинство проектов компании создаются в одном или в нескольких экземплярах, традиционные методы стали очень дорогими. Всего 10 % работы — это прототипирование, а 90 % — производство.Перед переходом на технологию FDM компания TDF рассматривала множество других аддитивных процессов. Основными требованиями стали: длительный срок эксплуатации деталей и высокий уровень их детализации. Кроме того, FDM процесс на 100 % экологически чистый с нулевым объемом отходов. Одно из подразделений TDF отвечает за проектирование и производство точных реплик беспилотных летательных аппаратов (БЛА) или дронов для подготовки техников‑ремонтников. При использовании оборудования FDM были созданы основные компоненты корпуса, а также несколько дефлекторов, пропеллеров и антенн. Причем для производства крупной антенны БЛА затратили всего два дня и 15–20 минут труда. Для производства антенны силами сторонних подрядчиков потребовалось бы до 20 дней. Окупаемость инвестиций составила больше 12 000 долларов. За весь проект БЛА компании TDF удалось сэкономить больше трех лет в некоторых областях. Этот проект, а также экономия на других компонентах позволили сократить расходы на 800 000долларов за последние четыре года.Универсальные возможности FDM для производства любого элемента вкупе с полностью экологичным процессом — это одни из самых привлекательных факторов для ВВС.С 2004 года компания приобрела четыре 3D-принтера и технология FDM сэкономила правительству более 3,8 млн долл., а ожидаемая экономия за 15 лет составляет больше 15 млн.
Рис. 6. С помощью цифрового производства ТDF может производить компоненты партиями
Рис. 7. Антенна и другие компоненты были произведены по технологии FDM
Заключение
Аддитивные технологии произвели настоящую революцию в машиностроении. Именно здесь уход от традиционных технологий, применение новых методов послойного синтеза изделий радикально сократило время на создание новой продукции. Последние достижения в области порошковой металлургии позволили существенно расширить возможности аддитивных технологий по непосредственному выращиванию сложных деталей из металлов и получению новых конструкционных материалов с уникальными свойствами.
additiv-tech.ru
Аддитивные технологии: диалог врачей и производителей
В Санкт-Петербурге состоялась первая встреча, на которой на одной площадке встретились врачи, производители и инженеры. Научно-практическая конференция с международным участием «Возможности прототипирования и аддитивных технологий в травматологии и ортопедии. Осмысление первых результатов» прошла в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена (РНИИТО).В прошлом году в Нижнем Новгороде была проведена первая конференция по 3D-печати и было решено создать Ассоциацию специалистов 3D-печати в медицине. На данный момент ассоциация зарегистрирована в Минюсте и к началу работы конференции в Санкт-Петербурге заработал ее сайт. Цель нового объединения — создать открытую своего рода трибуну для всех участников процесса внедрения аддитивных технологий (АТ). В настоящее время ассоциация объединяет около 70 членов — это физические и юридические лица: врачи; медицинские клиники; компании — производители и поставщики оборудования для 3D-печати.
Аддитивные технологии — от простого к сложному
Аддитивные технологии стремительно ворвались практические во все отрасли. Разумеется, возможности новых технологий в медицине огромные, но не следует чрезмерно идеализировать ноу-хау, отмечали докладчики. Мы — в начале пути. Первыми в медицинской отрасли за рубежом и в России аддитивные технологии освоили стоматологи, затем их начали применять в своей работе травматологи и ортопеды. Довольно востребованы АТ в ортопедии, ведь зачастую индивидуальные особенности стопы требуют индивидуальных решений. Сегодня успешно используются ортопедические стельки, ортезы, эндопротезы верхних и нижних конечностей. Нашли свое применение АТ и в нейрохирургии. Отдельное направление АТ — биопечать и тканевая инженерия, с развитием которых ученые связывают определенные ожидания. Как подчеркивалось на конференции, в нашей стране испытания в этом направлении проводятся пока на подопытных мышах.На конференции особо подчеркивалась важность предоперационного планирования, прототипирования в травматологии и ортопедии — такие возможности дает применение аддитивных технологий. Их преимущества в медицине неоспоримы — можно построить трехмерный объект и решить таким образом вопросы визуализации до хирургического вмешательства.
Эндопротез тазобедренного сустава
Прототипирование (прототип или макет) — это создание опытного образца. Прототипирование на основе данных томографии, МРТ, иногда УЗИ с помощью специальных программ позволяет создавать компьютерные 3D-модели и физические объекты — индивидуальные макеты костей и суставов, фиксаторов и т. д. Такой алгоритм действия врачей уже отработан на практике и есть клинические примеры, когда хирурги перед операцией выполнили прототипирование, создали модель и затем выполнили хирургическое вмешательство. Важно, что на операцию можно взять с собой стерилизованную модель. Прототипирование дает возможность проведения менее инвазивных операций. Это особенно актуально, когда речь идет о сложных случаях, к примеру многооскольчатых повреждениях костей. Большое значение играет составление определенного плана операционного вмешательства. В настоящее время используется прототипирование и в создании медицинских инструментов.
Государственная поддержка
Мизнздрав РФ учел появление и развитие новых технологий и 4 протокола были реализованы в направлении прототипирования и имплантатов. В прошлом году в России началось практическое клиническое прототипирование и имплантация. Было проведено несколько сот операций с применением напечатанных на 3D-принтерах изделий.В 2016 году Минздрав РФ выделил целевые средства на закупку 3D-биопринтеров. Однако российские врачи отказались от приобретения зарубежной продукции. Что это — проявление патриотизма? Безусловно. Но главное и первостепенное — глубокий анализ рынка инновационных технологий, проведенный российскими специалистами, которые сочли европейскую продукцию недоработанной, «сырой».Об этом говорил в своем выступлении председатель Ассоциации специалистов по 3D-печати в медицине, директор ФГБУ «ПФМИЦ» Н. Н. Карякин: «Мы имеем дело с сырыми технологиями на уровне фундаментальных исследований, а не прикладных. Поэтому считаем приобретение такого оборудования преждевременным».
Юридические нюансы
Вызывают обеспокоенность юридические аспекты применения аддитивных технологий в медицине. Правовое обеспечение — один из важнейших вопросов. К примеру, на сегодняшний день применяются индивидуальные изделия 3D-печати, которые не требуют регистрационного удостоверения, что вызывает тревогу специалистов.Так, ст. 38 ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации», № 323‑ФЗ законодательно признает, что: «Медицинские изделия, которые изготовлены по индивидуальным заказам пациентов, к которым предъявляются специальные требования по назначению медицинских работников и которые предназначены исключительно для личного использования конкретным пациентом, а также медицинские изделия, предназначенные для использования на территории международного медицинского кластера, государственной регистрации не подлежат. На указанные медицинские изделия не распространяются положения части 3 настоящей статьи, предусматривающие разработку производителем (изготовителем) медицинского изделия технической и (или) эксплуатационной документации».Это означает, что государство не контролирует механизмы производства изделий. На конференции подчеркивалось, что избыточный контроль может сдерживать развитие, но его отсутствие, особенно в медицине, может иметь серьезные последствия. К примеру, если при изготовлении титанового имплантата в изделие попадут какие-либо примеси, неминуемо отторжение имплантата уже в первые недели после операции. Кто будет отвечать в этом случае — врач или производитель? Вопрос пока остаетсяоткрытым.К тому же новые технологии не учтены системой ОМС и операции оплачиваются самим пациентами либо из доходов медицинских учреждений.Возможно, с решением ряда вопросов на законодательном уровне АТ в нашей стране получат более широкое распространение.
Производители
На российском рынке появились и производители имплантатов. На конференции некоторые из них поделились своим опытом работы и продемонстрировали свою продукцию. Были показаны и примеры практического успешного взаимодействия хирурга и инженера компании в предоперационном планировании. Проектирование индивидуального хирургического шаблона выглядит следующим образом: врач передает данные КТ или МРТ пациента инженеру-конструктору производителя, определяет область и задачи моделирования. Врач планирует операцию по виртуальной 3D-модели, которую создал конструктор, и далее объясняет ему хирургическую задачу, сообщает параметры имплантата. Затем проверяется и согласовывается техническая документация на индивидуальный хирургический шаблон.Компания «3D Медицинские системы» занимается созданием индивидуальных имплантатов для реконструктивной хирургии, эндопротезирования и остеосинтеза. На выставке, проведенной в рамках конференции, компания показала свои разработки в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, краниопластики, напечатанные 3D фантомные модели и др. Фирма активно работает с хирургами по совместному планированию операций. Имеет свою производственную площадку, высококвалифицированный штат инженеров с опытом разработок в области аддитивных технологий.Компания «Северо-Западный Центр Трансфера Технологий» представила инфраструктурный проект по регистрации эндопротезов, произведенных путем аддитивных технологий. Инвестиционный менеджер компании О. Воблая поделилась планами компании по запуску скрининговых исследований материалов, используемых для аддитивных технологий в медицине, как о первом шаге к получению регистрационного удостоверения.
Альянс хирургов и производства
С появлением аддитивных технологий у врачей появилась реальная возможность визуализации хирургического вмешательства, построения предоперационного плана. Работу, а точнее сотрудничество инженеров и врачей, необходимо продолжать. Так, подытожил работу конференции директор ФГБУ «РНИИТО им. Р. Р. Вредена» Р. М. Тихилов. Улучшение сегментации изображения окажет неоценимую консультативную помощь врачам, позволит лучше видеть и делать меньше ошибок. Условия должен задавать хирург, какая должна быть шероховатость, плотность и т. д., а производитель, соответственно, дорабатывать модели с учетом пожеланий врача. Необходимо проведение специальных исследований по практическому применению новых технологий. Такие работы необходимо проводить в рамках ассоциации и федеральных центров. Содружество инженеров и врачей очень важно.
Татьяна Бердникова
additiv-tech.ru
Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы
Введение
«Способ строительства жилья не изменялся последние 10 тысяч лет — самые старые постройки также используют столбы и балки. Но это далеко от того, что реально существует в природе», — считает Platt Boyd, основатель проекта Branch Technology (США).Сегодня строительная промышленность, возможно, стоит перед самым большим выбором будущих направлений развития. Основные причины — демографические изменения (к 2100 г. население планеты достигнет 11 млрд жителей) и растущая глобальная урбанизация (на 2017 г. половина населения живет в городах, к 2050 г. число горожан достигнет 75 %). Традиционные методы строительства не смогут решить возникающие задачи и проблемы. Поэтому требуются новые подходы к строительству жилья и инфраструктуры жилых районов.Широкое обсуждение аддитивных технологий в последние несколько лет привело к появлению различных приложений АМ (аддитивного производства) в строительстве. Появилось немало разработчиков таких приложений и проектов с их использованием по всему миру. В их числе как энтузиасты-одиночки, так и большие команды, включающие архитекторов, строителей, инвесторов, университеты и крупные производственные компании.Объем мирового строительного рынка огромен (табл. 1). При этом рынки развивающихся стран показывают темп развития 5,3 %, рынки развитых стран — 2,2 % в год. Наиболее привлекательные регионы для строительства — Ближний Восток и Африка, Южная Америка. Строительство сегодня является одной из самых ресурсозатратных отраслей производства. Оно расходует 36 % энергии, 30 % сырьевых материалов, 12 % питьевой воды (на примере США [1]). В то же время строительство имеет крайне неэффективную низкую производительность даже в таких странах, как США, Великобритания, Сингапур и Гонконг [2].
| 2010 | 7,4 | 3,1 |
| 2015 | 8,5 | 3,8 |
| 2020 | 10,3 | 3,9 |
Посмотрим, как новые технологии и новые материалы для них способны кардинально изменить ситуацию. Будем рассматривать только те технологии, которые можно отнести к аддитивным (АМ).
Технологии 3D-печати в строительстве
Сущность 3D-печати строительных конструкций заключается в послойном отвердении строительной смеси по 3D-модели, подготовленной методом компьютерного 3D-моделирования (рис. 1).
Рис. 1. Портальный принтер в работе (S‑6044 Long компании «Спецавиа»)
Модель в формате STL или SLC разбивается на слои программой подготовки рабочего файла, который затем отправляется на 3D-принтер для печати. Печатающая головка принтера, двигаясь вдоль направлений X и Y, печатает рисунок сечения модели строительной смесью, например, бетоном, гипсом или каолиновыми смесями. При завершении слоя головка поднимается вдоль направления Z на толщину нового слоя, печатает новый слой, и так до завершения построения изделия.Печатающая головка конструктивно состоит из бункера (накопителя) с мешалкой, шнекового экструдера (не исключено применение других видов, в том числе и роторного), который формирует необходимый слой бетона (рис. 2). Во время печати можно оперативно корректировать геометрию выдавливаемого слоя, изменять скорость печати, добиваясь максимального качества.
Рис. 2. Печатная головка принтера
Все исходные компоненты смешиваются в подобранном соотношении в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. Затем полученная смесь подается в печатающую головку 3D-принтера. Вес замеса от 10 до 100 кг. Подача готового раствора в головку может производиться в ручном режиме и автоматически. Рабочая смесь может замешиваться непосредственно в печатающей головке, что актуально для быстрой печати или для печати с нависаниями с использованием быстротвердеющих составов.Армировать изделия можно следующими способами: добавлять в бетонную смесь фиброволокно, укладывать арматуру между слоями во время печати, армировать полости изделий с последующей заливкой этих полостей бетоном. Для армирования лекальных полостей идеально подходит композитная арматура, что значительно уменьшает себестоимость строительства.После завершения печати печатающая головка извлекается из 3D-принтера и очищается мойкой высокого давления. Сформированное небольшое по размерам изделие остается на поддоне и может сушиться в естественных условиях либо подвергаться нагреву до набора прочности при более высоких температурах. При печати каолиновыми смесями с использованием глины и шамота предполагается последующий обжиг изделий. При печати непосредственно на строительной площадке фундамента или стен следует выдерживать необходимые сроки, чтобы бетон набрал нужную прочность.С помощью 3D-печати могут быть изготовлены строительные конструкции и другие бетонные и гипсовые изделия сложной геометрии. При этом значительно сокращается время цикла от проектирования до производства (примерно в 8–12 раз), происходит экономия средств и времени за счет отсутствия опалубки, которую обычно приходится изготавливать заранее под каждую конкретную строительную конструкцию.В зависимости от конструкции строительные 3D-принтеры можно разделить на следующие типы:1. Портальные — в которых печатающая головка перемещается по направляющим в пределах рабочей зоны, ограниченной по площади (X, Y координаты) опорами и по высоте (Z) — расстоянием до головки при ее максимальном подъеме. Пример — принтеры компаний Winsun (Китай) и ООО «Спецавиа» (АМТ — резидент Сколково, Россия) — рис. 3, 1 соответственно.
Рис. 3 Портальный 3D-принтер компании Winsun (Китай)
2. Разновидность портальных принтеров с так называемым Дельта-приводом головки. Идея нашла широкое применение в пластиковых 3D-принтерах, работающих по технологии FDM. Пример — принтеры компании WASP (Италия) — рис. 4.
Рис. 4. Образец структуры из биополимера (FILOALFA), который печатается с головкой SPITFIRE на 3D-принтере дельта типа.
3. Мобильные 3D-принтеры, когда 3D-принтер оснащен рукой-роботом и установлен на шасси, которое может перемещаться самостоятельно или с помощью крана (рис. 5).
Рис. 5. Роботизированный комплекс на шасси компании Branch Technology, США
4. Роботизированные комплексы: оснащены рукой-роботом Kuka, ABB и других производителей. Робот может перемещаться в пределах рабочей зоны по направляющим рельсам (рис. 6). При этом зона застройки практически не ограничена.
Рис. 6. Роботизированный комплекс с перемещением по рельсам компании Branch Technology, США
5. Гибридные конструкции:— комбинация портального 3D-принтера и робота (компания Contour crafting corporation (CCC), рис. 7)— управление печатающей головкой (с использованием полярных координат) и перемещением по высоте происходит за счет использования телескопического устройства (рис. 8, компания Apis Сor).
Рис. 7. Роботизированный комплекс, оснащенный печатной головкой и манипулятором для укладки элементов дома (компания ССС, США)
Рис. 8. 3D-принтер компании Apis Сor с телескопическим устройством
6. Комплекс для печати сетчатых структур — рука-робот для подачи металла (рис. 5) или пластика (рис. 6).7. 3D-принтеры большого формата для печати элементов декора, оформления фасадов, входных групп, окон и элементов интерьера, работающие по технологии FDM с использованием широкого круга термопластиков (Россия, ООО «Спецавиа»). Первые теоретические разработки по использованию роботов в строительной отрасли появились под руководством профессора университета Южной Калифорнии в США Behrokh Khoshnevis [3] еще в 1996 г. Его команда в дальнейшем представила три новые технологии под названием Contour crafting (CC). Преимущества их применения очевидны [4] — наряду со снижением в 5 раз затрат на коммерческое строительство, отсутствием отходов стройматериалов, сокращением времени изготовления акцент по затратам переносится с физической работы на интеллектуальную (табл. 2). А это означает, что строительство становится рынком для потребителей, когда семья может сама проектировать будущий дом для проживания. А также взять в лизинг оборудование СС в ближайшем магазине стройматериалов и в соответствии с инструкцией построить свой дом. Более того, впервые в строительной отрасли можно привлекать труд женщин и пожилых людей для участия в конструировании. В настоящее время СС- технологии могут использоваться для строительства малобюджетного жилья и временного жилья для пострадавших и спасателей в зонах стихийных бедствий и военных конфликтов.
| 20—25% | Финансирование | Короткая продолжительность проекта с быстрым выходом на рынок резко снижают стоимость проекта |
| 25—30% | Материалы | Отсутствие отходов при строительстве |
| 45—55% | Работа | Существенно снижен ручной труд. Физическая работа заменена интеллектуальной. Женщины и пожилые работники могут впервые найти новые возможности по работе в строительстве |
В начале 2018 года компания Contour Crafting Corporation готовится выпустить первую серию роботизированных 3D-принтеров для строительной индустрии. Серийное оборудование будет иметь рабочую зону 8×13 м и может быть увеличено по запросу заказчика. Вес комплекса менее 300 кг, что значительно легче традиционных строительных машин. Оборудование может быть доставлено заказчику и на строительную площадку обычным грузовиком, причем при необходимости в стандартный морской контейнер можно поместить несколько комплексов. Два подготовленных специалиста могут контролировать процесс строительства.
Технология сетчатых металлических форм — МММ (Mesh Mold Metal) Platt Boyd — основатель проекта Branch Technology, предложил создавать сетчатые структуры с помощью роботизированного комплекса (рис. 6) [5]. Комплекс представляет собой робот KUKA на платформе, которая может перемещаться по направляющим рельсам длиной 10 м и печатать из ABS-пластика стены для выставочного стенда компании. Начав опыты с роботом с рабочей зоной 1,3×1,3×1,0 м, сейчас компания использует робот KR90и способна строить структуры с размерами 8,25×19,1×2,1 м в объеме 324 куб. м.Platt в течение 15 лет работал в архитектурном бюро в Алабаме и уже тогда начал интересоваться более естественной формой строительства. Он даже стал собирать коллекцию изображений природных форм под названием Beautiful and Amazing Collection (рис. 9) и использовать их в архитектурных проектах [6]. Пример жилого комплекса (рис. 10) показывает одно из решений. Дом разделен на две зоны – дневную и ночную с двумя огромными окнами в торцах и промежуточной подсветкой посередине.
Рис. 9. Фото из коллекции Beautiful and Amazing Collection
Рис. 10. Пример жилого комплекса
В 2013 г. он пришел к пониманию того, что нужно использовать не одни только послойные технологии выращивания объектов, а, как и в природе, требуется симбиоз различных решений, технологий строительства. Первое открытие он сделал на выставке того же года, когда не нашел ни одного решения использования роботов для печати стен. Другое открытие касалось возможности архитекторов создавать любые формы для элементов здания. Более того, он убедился, что сетчатые структуры панелей более прочны в сравнении, например, с традиционными деревянными панелями уже при добавлении только пены (примерно на 30 %), а при нанесении бетона на внешнюю поверхность панели ее прочность аналогична прочности цельной бетонной стены такого же размера (рис. 11, 12). При этом панели очень легкие. Так, пластиковая стена весом 0,7 кг выдерживает нагрузку в 700 кг, а пластиковая стена весом 1,1 кг с нанесенной пеной — вдвое выше: 1400 кг.
Рис. 11. Устройство сетчатой структуры стены
Рис. 12. Сетчатая структура с пеной выдерживает значительную нагрузку
Какой видится перспектива технологии компании Branch Technology? 3D-печать рассматривается только как основа для создания сетчатых структур-матриц для стен зданий с любой сложной геометрией. Далее могут использоваться традиционные строительные материалы: для внутренней отделки распыляется пена и покрывается гипсокартоном; на внешней поверхности применяется бетон и далее любые отделочные материалы (кирпич, штукатурка и т. д.). Для реализации этой идеи планируется создать производство крупноразмерных отдельных элементов стен по запросам клиентов со всего мира и далее доставлять их заказчикам. А уже на месте из этих элементов собирается готовый объект с использованием традиционных технологий и материалов. Мнение Platt о возможности использования робота на строительной площадке однозначно: «Пока высокотехнологичное производство недостаточно надежно, чтобы выжить на открытом воздухе». Один из важнейших моментов: получение международных строительных сертификатов и использование технологии в строительстве — процесс долгий. Поэтому пока компания объявила конкурс на дизайн зданий, которые будут строиться методом сотовой сборки.На конференции «Цифровое производство из бетона» (ETH) в Цюрихе (май 2017 г.) группа авторов (Nitish Kumar, Norman Hack, Kathrin Doerfler и др.) представила доклад «Проектирование, разработка и экспериментальная оценка применения роботизированного комплекса в нестандартном строительстве». В нем описывается технология роботизированного производства стальных сетчатых структур произвольной формы с разными размерами ячеек, которые могут быть использованы как арматура и как опалубка (рис. 13). Технология получила наименование Mesh Mold Metal (MMM) — сетчатая металлическая форма [7, 8]. Она позволяет интегрировать арматуру в конструкцию естественным образом, и в то же время решается проблема появления так называемых холодных стыков. Так как бетон заливается одновременно, то условия гидратации будут одинаковы для всей конструкции.
Рис. 13. Пример сетчатой структуры с различной кривизной по разным направлениям для последующего заполнения бетоном без опалубки и головка робота для ее создания
Размер ячеек сетки, их плотность и расстояние между соседними поверхностями структуры определяются из тех соображений, что свежий бетон должен заполнять весь объем структуры, но при этом не должен выходить наружу через боковые ячейки. Опытным путем было установлено, что оптимальный размер ячейки для проволоки размером до 4 мм составляет 10–15 мм, для повышения производительности нужно увеличить диаметр проволоки до 6 мм, соответственно, будет увеличен и размер ячеек. Пример готовой структуры, залитой бетоном, показан на рис. 14.
Рис. 14. Пример сетчатой структуры, заполненной бетоном с ручной финишной отделкой
В 2018 г. планируется построить пилотный демонстрационный проект размерами 13 м в длину и 3 м в высоту. Это будет реальная стена будущего двухэтажного дома. Концепция сочетает в себе мобильность, гибкость, автономность, модульное построение, построение объекта в заводских условиях (рис. 15).
Рис. 15. Использование роботов для построения сложных пространственных структур
В другой работе, представленной на той же конференции в Цюрихе, автор C. Menna из университета Неаполя изложил некоторые принципиальные положения, которые необходимо рассматривать при использовании АМ-технологий в строительстве.В частности, он запатентовал четырехшаговую процедуру подготовки 3D-печати балки как основы любого строительства.1. Заданный вид балки (рис. 16).2. Переменные высоты поперечного сечения.3. Разбиение балки на сегменты.4. Оптимизация топологии и конфигурации арматуры.
Рис. 16. Модульная модель арки для построения моста и профиль вулкана Везувий — как основа дизайна пролета моста
А также он сформулировал требования к материалу из бетона:1. Свежеприготовленный: применимость — возможность смешивать и подавать насосом в течение требуемого промежутка времени; возможность экструдирования — поддержание непрерывного потока материала; пригодность к строительству — не «плывет» и выдерживает нагрузку в несколько слоев после экструзии;2. Затвердевший: анизотропия — механические свойства зависят от направления печати и размеров поперечного сечения.В примере построения пешеходного моста за основу взята модель арки «Везувий» (рис. 16) по аналогии с природным профилем.Оптимизация проводилась по следующим параметрам:— минимальный вес при минимальном прогибе при полной нагрузке;— напряжение на сжатие;— количество сегментов;— толщина слоя бетона при построении;— конфигурация усиления металлическими стержнями;— взаимное влияние крепления сегментов друг на друга;— экономия бетона, времени и стоимости.Элемент балки и балка в сборе показаны на рис. 17, 18.
Рис. 17. Сегмент арки моста (время построения 10 минут)
Рис. 18. Арка моста в сборе с металлическими усилениями
Следует отметить, что если первые попытки роботизации в строительстве (Япония, 1980‑е) были направлены на автоматизацию или замену ручного труда, то нынешняя ситуация с внедрением роботов предполагает их использование архитекторами для создания сложных нестандартных конструкций из бетона как основного строительного материала. Из диаграммы (рис. 19) видно, что при традиционном способе более 58 % стоимости построения приходится на опалубку и работы по ее установке и снятию.
Рис. 19. Вклад в конечную стоимость построения с использованием опалубки
Материалы
В качестве расходных материалов для строительных 3D-принтеров можно использовать готовые сертифицированные смеси (рис. 20) промышленного производства, или готовить самостоятельно на основе доступных компонентов, или использовать местные строительные материалы типа песка или вулканических пористых пород.После специальной обработки и использования специальных добавок можно получить недорогие строительные материалы для 3D-печати применительно к региону, где планируется использовать 3D-принтер. Это особенно актуально для реализации грандиозных проектов по ликвидации трущоб в мегаполисах Латинской Америки, Индии и др. Рабочим материалом для строительных 3D-принтеров служат следующие материалы: цемент (портландцемент), песок (двуокись кремния, оливин, хромит, циркон, глинозем, муллит, кварцевое стекло, шамот), гипс, модифицирующие добавки, пластификаторы, антизамерзающие добавки, фиброволокна, ускорители (замедлители) отвердения и вода.Основной строительный материал — армированный бетон. Он хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие, при этом имеет низкую стоимость и широко распространен. У него давняя история в архитектуре, связанная с именами Le Corbusier, Eero Saarinen или Pierluigi Nervi. К сожалению, использование традиционной опалубки при строительстве объектов со сложной геометрией составляет до 75 % стоимости строительства. И чаще всего эта опалубка одноразовая.Геополимерные смеси для экологически чистого бетона были разработаны компанией Renca [9], основанной предпринимателями из Челябинска Андреем и Мариной Дудниковыми. Геополимерная технология была открыта французским химиком Джозефом Давидовичем в 1978 году и сейчас продолжает изучаться в созданном им же Институте геополимеров (Institut Géopolymère). Из-за своей структуры геополимеры устойчивы к огню, а также ко многим растворителям и агрессивным средам. Благодаря этим качествам они часто применяются в сфере строительства. Например, в 2014 году компания Wagners построила из геополимерного бетона аэропорт в городе Брисбен (Австралия), а затем создала геополимерные плиты-перекрытия для Квинслендского университета. Кроме того, геополимеры можно использовать для восстановления подземных коммуникаций: американская компания Milliken при помощи роботов разбрызгивает геополимерную пену GeoSpray внутри старых сточных труб, таким образом восстанавливая их и защищая от внешних воздействий.По сравнению с обычным (портландцементным) бетоном геополимерный бетон более экологичен: он не требует использования ископаемых ресурсов, во время его производства затрачивается в 10 раз меньше электроэнергии и выделяется на 90 % меньше углекислого газа. Кроме того, геополимерный бетон устойчив к огню, кислотам и обладает хорошей водостойкостью. По словам основателей «Геобетона», изготовление смеси для 3D-печати на базе портландцемента с аналогичными характеристиками обходится на 30–40 % дороже.Материал на основе лигнина — искусственная древесина. Специалистами ООО «ЭкоФорм 3Д» разработан и запатентован способ получения композиций из натуральной древесины, лигнина, целлюлозы и композитов на их основе, а также совместно с ГК «Спецавиа» создана пилотная установка для активации древесины и приготовления формовочной массы и разработана технологическая линия (оборудование и технология) для получения из древесного сырья различных изделий строительного назначенияи мебели.Технологическая линия включает в себя малоформатный мобильный принтер марки SD‑2020, разработанный и изготовленный ООО «Спецавиа», позволяющий осуществлять 3D-печать изделий строительного назначения и мебели (размер рабочей зоны 2,5×1,6×0,8 м). Принтер смонтирован на базе штатного прицепа к легковому автомобилю. Загрузку и разгрузку принтера (вес 520 кг) легко может сделать один человек при помощи лебедки, входящей в комплектацию прицепа. Принтер оснащен мощными приводами, позволяющими быстро и точно перемещать печатающую головку с накопителем до 32 литров.
Рис. 20. Сертифицированные строительные смеси для 3D-принтеров (РФ)
Искусственная древесина — это термопластичный композиционный материал на основе натурального лигнина, выделенного запатентованным способом гидро- термомеханической (кавитационной) обработки древесины без применения химических реагентов. Исходным материалом для переработки может служить нетоварная древесина (ветки, листья, опилки и др.)Строительная смесь для печати cодержит зернистый материал с размером зерна более 0,5 мм от 10 до 60 % массы и дисперсный материал с размером зерна менее 0,1 мм от 40 до 90 % массы. Смесь предварительно приготавливают из двух или нескольких компонентов и смешивают до получения однородной массы. Не исключается вариант ее приготовления непосредственно в печатающей головке.В качестве жидкости используют воду с добавками пластификаторов, фиброволокон и ускорителей (замедлителей) отвердевания, а полученное изделие выдерживают не менее 2 часов с последующей естественной или принудительной сушкой. Дополнительно в смесь можно вводить наполнители, пластификаторы, антизамерзающие добавки, связующие материалы.
Общие положения работы с материалами
Выбор компонентов строительной смеси определяется условиями эксплуатации строительных конструкций и необходимостью получения требуемых физико-механических свойств изделий: плотности, прочности, термостойкости, теплопроводности, устойчивости к механическим воздействиям в условиях значительного градиента температур и т. п.Размер фракции определяет толщину и ширину слоя смеси, наносимого экструдером. Предпочтительно иметь толщину слоя от 5 до 50 мм. Подбирая гранулометрический состав смеси, изменяя размеры зерен отдельных компонентов, можно добиться необходимых свойств готового изделия.Смешивание производят в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. В процессе смешения возможно получение более предпочтительного гранулометрического состава порошкообразного материала в результате дополнительного измельчения.Подача готового раствора в печатающую головку может производиться вручную и автоматизированным методом.Выбор связующего материала зависит от выбора основных компонентов и добавок. Количество связующих материалов определяется необходимостью обеспечения достаточной прочности получаемого изделия.Дополнительно могут вводиться пластифицирующие добавки в количестве менее 3 %, благодаря чему при меньшем содержании влаги получается необходимая плотная структура с меньшей пористостью и усадкой. Количественное содержание указанных добавок подобрано экспериментальным путем для получения необходимой плотной структуры путем снижения межзеренного трения при уплотнении посредством экструдирования или вибрации. В качестве указанных добавок предлагается использовать, например, кварцевую пыль, оливин, полифосфат натрия, кальцинированную соду и др. Вводить данные добавки можно как в сухом (при смешении компонентов), так и жидком виде (в том числе с раствором солей магния).
Возможности и технические решения. Перспективы АМ в строительстве
Ограничения связаны с отсутствием нормативной базы для использования АМ-технологий в строительстве. Поэтому сейчас в большинстве стран разрешено строительство домов не выше второго этажа. Хотя в Дубае, например, планируется до 25 % жилья, в том числе высотного, строить с применением АМ-технологий к 2030 г.В РФ: конструкционный бетон для строительства высотных зданий по нормативам содержит не менее 20 % портландцемента. При использовании АМ-технологий это требование выполняется, поскольку материал для принтера нужен только для печати несъемной опалубки при построении многокамерных стен. Одна из камер выполняет функцию армопояса, куда укладывается арматура и заливается затем товарным бетоном нужной марки.Перспективы АМ можно видеть в новых материалах, таких как самовосстанавливающийся бетон (залечивание трещин), аэрогель (сверхизолирующий материал, 99,98 % воздух), наноматериалы (сверхпрочные, сверхлегкие материалы для замены стальной арматуры), а также в новых подходах к строительству, таких как трехмерная печать и предварительно собранные модули. Все это может снизить затраты, ускорить строительство и повысить качество и безопасность.Наибольшие перспективы просматриваются в сочетании роботизированных комплексов с традиционными технологиями строительства. ■
Литература
- www.bkhoshnevis.com
- www.contourcrafting.com
- I. Klotz, M. Horman, M. Bodenschatz. A lean modelling protocol for evaluating green project delivery. Lean Constr. J. 3 (1) (2007) 1–18.
- H. Nasir, H. Ahmed, C. Hass, P. M. Goodrum, An analysis of construction productivity differences between Canada and the United States. Constr. Manag. Econ. 32 (6) (2014) 595–607.
- M. Molitch-hou, Branch technology is 3D printing the future of construction one wall at a time. https://3dprintingindustry.com/news/branch-technology-is‑
- 3d-printing-the-future-of-const-ruction-one-wall-at-a‑time‑54149/ www.branch.technology
- N. Hack, W. V. Lauer, F. Gramazio, and M. Kohler. Mesh Mould: Differentiation for Enhanced Performance. Rethinking Comprehensive Design: Speculative Counterculture, Proceedings of the 19th International Conference on Computer-Aided Architectural Design Research in Asia (CAADRIA 2014)/Kyoto 14–16 May 2014, pp. 139–148, 2014.
- Norman Hacka, Timothy Wanglerb, Jaime Mata-Falcónc, Kathrin Dörflera, Nitish Kumard, Alexander Nikolas Walzera, Konrad Grasere, Lex Reiterb, Heinz Richnerb, Jonas Buchlid, Walter Kaufmannc, Robert J. Flattb, Fabio Gramazioa, Matthias Kohlera Mesh mould: an on site, robotically fabricated, functional formwork
- https://hightech.fm/2017/06/17/geobeton
Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»
additiv-tech.ru
