В напечатанной цитадели (стр. 20-23)
Аннотация:
Из истории вопросаПервая современная технология трехмерной печати появилась еще в конце 80-х гг. прошлого века в компании 3D Systems, которая реализовала принцип стереолитографии (SLA-процесс). До середины 90-х гг. технологии, как они тогда назывались, быстрого прототипирования в основном применялась для моделирования в научно-исследовательской и опытно-конструкторской сферах для нужд военно-промышленного комплекса. Основные определения для отрасли аддитивных технологий (АТ) были сформированы в стандарте ASTM F2792.1549323-1. Термин АТ из данного документа можно перевести как «процесс соединения материалов, предназначенных для синтеза физических объектов по данным 3D-модели САПР, обычно послойным принципом». Читать всю статью
Из истории вопроса
Первая современная технология трехмерной печати появилась еще в конце 80-х гг. прошлого века в компании 3D Systems, которая реализовала принцип стереолитографии (SLA-процесс). До середины 90-х гг. технологии, как они тогда назывались, быстрого прототипирования в основном применялась для моделирования в научно-исследовательской и опытно-конструкторской сферах для нужд военно-промышленного комплекса. Основные определения для отрасли аддитивных технологий (АТ) были сформированы в стандарте ASTM F2792.1549323-1. Термин АТ из данного документа можно перевести как «процесс соединения материалов, предназначенных для синтеза физических объектов по данным 3D-модели САПР, обычно послойным принципом».
АТ обычно классифицируют по:
– принципу добавления материала: прямым нанесением к месту подвода энергоносителя или послойным осаждением с последующей обработкой отдельных контуров;
– методу фиксации слоя: фотополимеризация; склеивание; сплавление/спекание;
– типу применяемых материалов для выращивания: жидкие (акриловые и эпоксидные фотополимеры); сыпучие (полимеры, пески, металлопорошки); прутковые и листовые (полимеры, металлы и деревянное волокно).
Весь процесс аддитивного производства состоит из следующих этапов. Разрабатывается 3D-модель детали с помощью программных средств объемного моделирования. Объемная компьютерная модель конвертируется в общепринятый формат STL, загружаемый в память установки 3D-принтера. Программное обеспечение установки перед началом процесса производства «режет» виртуальную модель на слои необходимой толщины (алгоритмы нарезки у каждого производителя свои и запатентованы). Затем происходит послойный процесс выращивания изделий на основе данных (обрабатываются «твердые» участки секции). Именно такой последовательный, многоуровневый подход к изготовлению объектов характеризует аддитивный принцип.
Чем хороши АТ, в чем их преимущества? Функции конструктора и технолога может выполнять один специалист. АТ позволяют изготовить изделия сложной геометрической конфигурации: с внутренними каналами и полостями, с большой площадью поверхности, малым объемом. Эти технологии не требуют изготовления инструментальной оснастки и литейных форм. Потери материала и производственных отходов при них минимальны. Соответственно выигрывает логистика: уменьшаются время поставок сырья, необходимые объемы склада. АТ целесообразно применять при индивидуальном или мелкосерийном производстве. При этом сокращается количество комплектующих частей создаваемых узлов и агрегатов, технологических операций. Благодаря автоматизации процесса уменьшаются трудоемкость и время изготовления.
Благодаря этим преимуществам аддитивные технологии выигрывают у традиционных технологий производства в таких областях применения, как быстрое прототипирование, производство запасных частей, в мелкосерийном, быстром обрабатывающем производствах, при работе с кастомизированными, уникальными, труднообрабатываемыми изделиями, быстром ремонте и т. д.
Роль АТ в строительной индустрии
в условиях глобализации
АТ на сегодняшний день быстроразвивающаяся отрасль промышленного производства. Рынок АТ включает в себя реализацию установок аддитивной печати, изготовление моделей или деталей на заказ или для собственных нужд, сервисное обслуживание установок, разработку программного обеспечения, обучение специалистов и операторов, рекламу и консалтинг. Согласно ежегодному отчету Wohlers Report 2021
о состоянии и перспективах рынка АТ, в 2020 г. рост отрасли составил 7,5%, а совокупная стоимость увеличилась до почти 12,8 млрд долл. При этом среди иных направлений доля строительства всего 6% (рис. 1).
Лидерами по продаже аддитивных промышленных систем являются США (37,8%), Европа (27,1%), Азия (19,1%) и Израиль (14%) .
Количество компаний, выпускающих профессиональные установки, увеличилось с 213 в 2019 г. до 228 в 2020 г. (рис. 2) , при этом новые компании выпускают системы с более продвинутыми свойствами печати и с меньшей стоимостью установок.
В первую мировую тройку потребителей оборудования для АТ входят США (33,6%), Китай (10,6%), Япония (9,3%), доля России равна 1,6%. При этом доля любительских и полупрофессиональных принтеров составляет 91,6%, а профессиональных и промышленных – 8,4%. Крупнейшие компании по производству аддитивной печати находятся в Швеции, Германии и США.
В строительной индустрии до недавнего времени метод аддитивной печати применялся только для создания небольших конструкций, единичных и мелкосерийных бетонных и железобетонных изделий. В строительстве более крупных объектов строительные компании пока не торопятся применять 3D-печать из-за отсутствия соответствующих строительных норм и требований как к 3D-принтерам, так и к применяемым материалам.
Тем не менее, АТ пробивают себе дорогу и тут. Например, с их применением в Амстердаме был построен железобетонный мост длиной
8 м, в Бельгии на 3D-принтере «распечатали» двухэтажный монолитный жилой дом площадью 90 кв. м.
Появившись совсем недавно как новый тип оборудования, строительные принтеры стремительно развиваются благодаря таким свойствам, как простота технологического процесса и надежность оборудования (при перегреве процесс просто останавливается); высокая скорость возведения, в том числе на сложном рельефе; ровность и точность возводимой поверхности; возможность печати мелких деталей; большой выбор материала при использовании.
Экономический выигрыш при таком виде производства достигается за счет отказа от использования опалубки, составляющей порядка 50% себестоимости возведения монолитной конструкции, снижения расходов на работников и заработную плату, отсутствия трат на вывоз мусора, так как 3D-печать – практически безотходное производство. И самое главное – сокращение продолжительности инвестиционно-строительного цикла обеспечивает быстрый возврат инвестиций.
Основные минусы – это большой расход электроэнергии и усадка до 50%. Кроме того, готовые элементы некоторых моделей 3D-принтеров имеют невысокую прочность и требуют дополнительного укрепления или усиления арматурой, пока производимых вручную. Для усиления больших конструкций в бетонный раствор вводят фибру, за исключением металлической, которая не позволит раствору проходить через сопло экструдера.
Технология 3D-печати может быть использована в Вооруженных силах Российской Федерации для возведения сооружений и зданий. Складские одноэтажные помещения и хранилища, укрытия для личного состава, временное жилье для военнослужащих и гражданского населения, вспомогательные сооружения, оборонительные укрепления, а также элементы многоэтажных построек (стены, перекрытия) – все это можно возвести с помощью 3D-принтера с минимальными затратами сил личного состава и времени. Корпус морской пехоты армии США еще в 2018 году за 40 часов аддитивным способом возвел бетонную казарму площадью 47 м2, а в 2020-м в полевых условиях выстроил укрытие для транспортных средств. При этом не надо было доставлять железобетонные (металлические) конструкции и грузоподъемную технику. Применение АТ существенно сокращает затраты на производство железобетонных конструкций, время на возведение объектов, трудозатраты. В Вооруженных силах России применение АТ на практике пока не рассматривалось. Между тем, строительные 3D-принтеры могут применяться и при возведении временных перегрузочных районов, укрытий для военной и специальной техники, личного состава, а также при сооружении других объектов военной инфраструктуры в полевых условиях. Для транспортировки строительного принтера требуется стандартная спецтехника, а установка и настройка занимают около 30 минут.
Лидеры в строительных АТ за рубежом
Стремительное развитие АТ в строительстве началось еще в 2014 году. Свой опыт продемонстрировала китайская компания WinSun, которая всего за 24 часа построила десять малоэтажных домов из переработанных строительных и промышленных отходов, а затем напечатала и пятиэтажное здание. В 2015 году китайская компания Zhuoda Group за три часа собрала из отдельных напечатанных блоков двухэтажную виллу.
В строительстве зданий и сооружений аддитивным способом есть большой потенциал для совершенствования, многие зарубежные компании уделяют этому направлению особое внимание. Но на фоне видимых преимуществ такого метода есть и недостатки, среди которых высокая стоимость 3D-принтеров, чувствительность к погодным условиям, ограниченные возможности по другим видам работ и необходимость дополнительного обучения операторов 3D-печати. Однако с прогрессом в области технологий 3D-печати эти проблемы успешно решаются.
Из огромного разнообразия зарубежных производителей строительных 3D-принтеров можно выделить несколько компаний, чья продукция отличается своей конструкцией и применяемыми материалами.
3D-принтер WinSun представляет собой конструкцию портального типа. Компания сообщает, что при создании аппарата и в процессе его наладки и доработки было оформлено 129 патентов международного образца. Материалом обычно является состав собственной разработки WinSun, состоящий из различных строительных отходов и даже из элементов ранее снесенных сооружений.
BetAbram – словенская компания, специализирующаяся на создании оборудования для 3D-печати. Их флагманский 3D-принтер BetAbram P1 при невысокой конструкции (около трех метров) способен напечатать дом площадью в 144 кв. м.
COBOD является лидером в Европе по производству строительных 3D-принтеров. После успешной демонстрации в 2017 году работы принтера BOD компания разработала 3D-принтер 2-го поколения BOD2, который запущен в серийное производство и поставляется по всему миру. BOD2 является модульным и может быть адаптирован под различные размеры.
IMPRIMANTE 3D BETON французской компании Constructions-3D является целым комплексом, который включает в себя сам 3D-принтер, контейнер, насосную систему и переносной компьютер с панелью управления и установленной пилотной программой. Их принтер мобилен благодаря резиновым гусеницам и помещается в 20-футовый транспортный контейнер для удобной транспортировки.
Vulcan — это строительный принтер нового поколения американской компании ICON, разработанный специально для быстрого, более доступного и более свободного проектирования прочных одноэтажных зданий. Он в состоянии изготовить жилой дом площадью до 186 кв. м всего за один день.
Развитие строительных АТ в России
В России среди производителей строительных 3D-принтеров лидируют АМТ-Спецавиа, Apis Cor и Arkon.
АМТ-Спецавиа – ведущий производитель 3D-принтеров для строительства частных домов. Линейка их продукции включает малоформатные принтеры (для печати малых архитектурных форм и изделий, рабочая площадь до 12 м2), среднеформатные принтеры (для изготовления отдельных элементов конструкций и частей зданий для их последующей сборки, рабочая площадь до 55 м2) и строительные принтеры большого формата (для печати зданий на строительной площадке с рабочей площадью до 340 м2 и высотой до 80 м.).
Печать производится с применением стандартной бетонной смеси М300 на основе ПЦ400-500, имеющейся в свободной продаже. В качестве инертных материалов можно применять любые нерудные материалы с фракцией до 2,5 мм, например керамзит.
Apis Cor – еще один отечественный производитель строительных 3D-принтеров, способный печатать здания высотой до трех этажей. В 2017 году в Ступино Московской области был напечатан первый дом с помощью 3D-принтера производства Apis Cor. Для контроля работы и подачи материала требуется всего два человека. Благодаря оснащению системой стабилизации 3D-принтер может быть установлен на любой поверхности без предварительно подготовленной площадки. В 2019 году компания Apis Cor напечатала административное здание в Дубае, попав в Книгу рекордов Гиннесса. В то время, когда большие здания возводились из ранее напечатанных блоков, Apis Cor напечатали здание «целиком».
Компания Arkon – также отечественный производитель 3D-принтеров. Их проект «Бетонатор» — это комплекс роботизированных средств для строительства, который был представлен в 2018 году на Международном военно-техническом форуме «Армия-2018». Проект направлен на создание вертикально интегрированной технологии строительства малоэтажных домов с помощью 3D-печати.
Российские производители строительных 3D-принтеров ничем не уступают, а в некоторых технологических решениях превосходят зарубежных производителей. В пользу доступности их услуг говорит тот факт, что расходным материалом являются составы строительных смесей, применяемые в традиционном строительстве, их можно закупать в любом регионе у рядового ближайшего производителя. Таким образом, строительные 3D-принтеры могут свободно применяться и в интересах Министерства обороны Российской Федерации.
При профессиональном подходе к задаче по обоснованию целевой и экономической эффективности применения аддитивных строительных технологий может быть достигнут существенный прогресс в жизнеобеспечении и повышении качества условий размещения небольших воинских подразделений видов и родов войск в Арктичес‑
ком регионе, в регионах с умеренным и жарким климатом. Для этого требуется достаточно высокая степень интеграции образования, науки и промышленности.
Несмотря на довольно высокую стоимость оборудования, многообразие применяемых материалов и программного обеспечения, дефицит подготовленных специалистов и пробелы в программах образования профильных учебных дисциплин, строительные компании охотно популяризуют данную технологию и инвестируют в развитие аддитивного производства, ценя его за быструю окупаемость и низкие трудозатраты. В то же время пока немногие учебные заведения России активно внедряют в программы обучения АТ. В высших учебных заведениях Минобороны РФ вопросы применения АТ в области строительства частично рассматриваются на профильных дисциплинах в ознакомительных целях. Разработка и реализация стратегии внедрения способов возведения строительных объектов аддитивным методом позволит преодолеть барьеры, препятствующие применению данных технологий в Вооруженных силах Российской Федерации, и в итоге внести существенный вклад в укрепление обороноспособности нашего государства.
Свернуть статью
Автор: Бирюков Юрий Александрович Юрий Александрович Демьянов Алексей Анатольевич Алексей Анатольевич Кардаш Дмитрий Евгеньевич Дмитрий Евгеньевич