Готова ли строительная промышленность к 3D-печати? (Обновление 2020)

Фотография предоставлена:Branch Technology

Строительная промышленность, пожалуй, последняя, ​​кто принял 3D-печать в качестве жизнеспособной производственной технологии. Но эта технология обладает огромным потенциалом для преобразования отрасли за счет сокращения времени и затрат на производство, одновременно предлагая гибкость проектирования и высокий уровень устойчивости.

Как показано в нашей Таблице зрелости, в которой показано, как 3D-печать развивается в разных отраслях, 3D-печать в строительном секторе остается относительно новым подходом, и есть ряд проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем она сможет получить широкое распространение.

Чтобы узнать больше о текущем состоянии 3D-печати в строительной отрасли, мы рассмотрим ключевые преимущества и технологии 3D-печати, доступные инженерам и архитекторам, а также самые интересные проекты 3D-печати в строительстве.

Как строительная отрасль может получить выгоду от 3D-печати?

Строительная отрасль начала использовать 3D-печать в то время, когда сектор активно ищет решения для решения ряда проблем.

Один из них - это минимизация строительных отходов. Например, строительные отходы составляют примерно 30% всех отходов, образующихся в ЕС.

Кроме того, инженеры и архитекторы все чаще сталкиваются с ограничениями свободы проектирования, обусловленными процессом литья.

Другие проблемы связаны с недостатками производства опалубки на стройплощадках и препятствиями при транспортировке различных материалов из одного места в другое.

Использование 3D-печати в строительной отрасли может помочь решить некоторые из этих проблем, предлагая свободу проектирования и более высокий уровень устойчивости и автоматизации.

Гибкость дизайна

3D-печать открывает широкие возможности для инноваций и творчества архитекторов, инженеров и дизайнеров. С помощью этой техники можно построить сложные конструкции и кривые, которые могут быть невозможны при использовании традиционных методов строительства.

Снижение отходов материала

Еще одним преимуществом является сокращение отходов материала, поскольку аддитивное производство (AM) создает детали слой за слоем, используя точное количество материала, необходимого для проекта. Это может оказать положительное влияние на окружающую среду, особенно потому, что для 3D-печати можно использовать переработанные материалы местного производства.

Сокращение объема ручной работы

Использование автономных или полуавтономных 3D-принтеров в строительстве может означать сокращение трудоемкой ручной работы. Автоматизация процесса печати также снижает вероятность человеческой ошибки, несчастных случаев и травм на строительных площадках.

Более быстрое строительство

Некоторые строительные 3D-принтеры предназначены для работы на месте. Это помогает избавиться от нескольких трудоемких операций, таких как изготовление сборной опалубки.

В строительстве опалубка - это временная форма, в которую заливается бетон. Опалубки используются для создания чего угодно, от мостов до фундаментов и стен здания и обычно создаются вручную.

Сегодня несколько компаний предлагают 3D-принтеры, с помощью которых можно строить стены прямо на месте без использования опалубки. Это приводит к значительному ускорению процесса строительства, что также позволяет сократить расходы на транспортировку опалубки на строительную площадку.

Технологии 3D-печати для строительного сектора

В зависимости от приложения в конструкции могут использоваться несколько различных методов AM:

Экструзия бетона

Одним из основных используемых методов является экструзия пасты, которая включает использование манипулятора или крана, оснащенного соплом, для выдавливания бетона в форме пасты на строительную платформу.

Это создает контуры здания слой за слоем, напоминая популярную технологию изготовления пластиковых сплавов (FFF).

Один из первых пионеров процесса экструзии для Строительная отрасль - это Бхерох Хошневис, основатель Contour Crafting. Технология, разработанная Contour Crafting, предлагает широкий спектр материалов, включая бетон, керамику и полимеры.

Помимо Contour Crafting, другие компании предлагают решения для 3D-печати бетона, такие как ICON, CyBE и Apis Cor , назвать несколько.

Аддитивное производство проволочной дуги

Аддитивное производство проволочной дуги (WAAM) - это метод, используемый для металлических изделий.

WAAM работает путем плавления металлической проволоки с использованием электрической дуги в качестве источника тепла. Процесс управляется роботизированной рукой, а форма строится на материале подложки (опорной пластине), из которого деталь можно вырезать после завершения.

Проволока, расплавленная, экструдируется в форма бусинок на подложке. Слипаясь, бусины образуют слой металлического материала. Затем процесс повторяется слой за слоем, пока не будет завершена металлическая деталь.

Оборудование WAAM может работать с различными металлами, такими как алюминий, сталь и титан, и эту технологию можно использовать для производства большие конструкции. Одним из таких примеров возможностей этого метода является стальной мост MX3D.

Струйная очистка песчаного вяжущего

Распыление связующего можно использовать в строительстве для создания форм. Технология заключается в нанесении жидкого связующего вещества на слои порошкового материала, тем самым связывая его.

Промывка вяжущего особенно хорошо подходит для изготовления элементов опалубки для заливки бетона. Такой подход помогает не только экономить ресурсы, но также время и деньги.

Еще одно преимущество заключается в том, что сложность больше не играет роли при 3D-печати опалубки с использованием струйной печати. Изгибы, детализированные фасады или поднутрения можно легко распечатать на 3D-принтере, расширяя границы дизайна в строительстве.

Самые интересные примеры 3D-печати в строительстве

3D-печать стен

В последние годы несколько компаний разработали методы возведения стен зданий с использованием технологии 3D-печати. Одним из таких примеров является китайская компания Winsun, которая произвела крупномасштабные конструкции, такие как пятиэтажный жилой дом и вилла площадью 12 000 квадратных футов (1100 квадратных метров).

Большая машина длиной более 100 метров - 3D-печать пустотелых стен из смеси цемента, песка и волокон. Стены перевезены на строительную площадку, укреплены и смонтированы. Потенциал такого метода может привести к значительной экономии времени, труда и материалов.

Строительная 3D-печать в Дубае

Несмотря на то, что в мире существует множество строительных 3D-проектов, Дубай в настоящее время является центром активности в сфере строительства 3D-печати. У города амбициозные цели - в ближайшем будущем построить 25% зданий с использованием 3D-печати.

И прогресс в этой области уже очевиден.

Например, в 2019 году американский производитель 3D-принтеров Apis Cor сотрудничал с муниципалитетом Дубая. чтобы создать двухэтажное здание с очень сложной архитектурой.

Компания Apis Cor разработала материал на основе гипса для пропуска через принтер, который был получен от местного производителя.

Печать проводилась под открытым небом, чтобы доказать, что технология может работать в суровых условиях без контроля влажности и температуры.

Как сообщается, здание является одним из самых больших, созданных с помощью -сайт 3D-печать.

Мосты

Строительство мостов с помощью 3D-печати - еще одно применение в строительной отрасли.

В Мадриде был построен первый бетонный мост, напечатанный на 3D-принтере, а в Нидерландах был построен напечатанный на 3D-принтере мост длиной 8 метров для велосипедистов. В общей сложности роботам потребовалось 3 месяца, чтобы создать бетонные блоки для моста, состоящие из 800 слоев, которые затем были собраны для создания моста.

Кроме того, голландский стартап робототехники из Нидерландов MX3D разрабатывает стальной мост, напечатанный на 3D-принтере, оснащенный интеллектуальными технологиями, такими как датчики.

Изогнутая конструкция моста из нержавеющей стали демонстрирует свободу дизайна, предоставляемую AM.

В 2019 году мост MX3D прошел первую фазу испытаний грузоподъемностью 20 тонн и должен быть помещен в конечный пункт назначения через канал Амстердама в конце этого года.

Дизайн интерьера

Возможность создавать сложные, замысловатые геометрические формы открывает совершенно новые возможности для творчества дизайнеров интерьеров. Недавний пример - Bottlepot - лондонский магазин, интерьер которого напечатан на 3D-принтере с использованием экологически чистых материалов. Этот проект демонстрирует, как с помощью 3D-печати можно сократить отходы при строительстве и сформировать будущее экологически безопасного дизайна.

Архитектурные модели

Одно из самых больших влияний 3D-печати в строительстве было в производстве архитектурных моделей. 3D-печать произвела революцию в процессе архитектурного моделирования, сделав процесс создания моделей быстрым и оцифрованным.

Дополнительным преимуществом этого является то, что 3D-печать позволяет быстро и экономично выполнять итерации дизайна, значительно экономя время и сокращая затраты в процессе.

Компоненты здания

3D-печать также оказалась подходящей для изготовления определенных компонентов и инструментов, используемых в строительстве.

Подрядчик из Великобритании, Skanska, является одной из первых компаний, которые использовали 3D-печать для производства строительных компонентов. например, облицовка.

В одном из проектов Skanska использовала 3D-печать для изготовления узлов полимерной облицовки крыши бизнес-центра 6 Bevis Marks в Лондоне. Этот подход представляет собой более выгодную альтернативу традиционным методам с точки зрения экономии времени и средств.

3D-печать опалубки

Другой пример связан с использованием напечатанной на 3D-принтере опалубки в крупномасштабном проекте реконструкции 42-этажного жилого и коммерческого здания в Нью-Йорке.

Компания Gate Precast, которая раньше работала на новом фасаде здания, выяснилось, что создание деревянных форм для проекта будет серьезным мероприятием, выполнение которого может занять до 9 месяцев. Требуемые формы были большими - некоторые из них имели размеры до 2,6 x 1,7 x 0,5 м, что еще больше увеличивало время производства.

Чтобы ускорить процесс, компания решила поэкспериментировать с 3D-печатью. партнерство с Национальной лабораторией Ок-Ридж (ORNL) для использования своей технологии BAAM.

Благодаря BAAM компания смогла печатать формы от 8 до 11 часов каждая, с дополнительными 8 часами механической обработки для достижения желаемая отделка поверхности. Формы были изготовлены из АБС-пластика, армированного углеродным волокном, обычного термопласта, смешанного с рублеными углеродными волокнами для дополнительной прочности.

В результате получилась прочная форма, способная выдержать до 200 заливок бетона в течение своего срока службы. по сравнению с 15-20 заливками для деревянной формы.

Компания считает, что без форм, напечатанных на 3D-принтере, и BAAM было бы невозможно создать формы в сроки, необходимые для этого проекта.

Проблемы внедрения 3D-печати в строительной отрасли

Хотя AM обладает огромным потенциалом для строительной отрасли, существует ряд препятствий для более широкого внедрения.

Одной из ключевых проблем является контроль качества. 3D-печать подняла вопрос о том, как она работает по сравнению с традиционными строительными материалами и методами:будет ли дом, напечатанный на 3D-принтере, прослужит столько же, сколько и дом традиционной постройки? Будет ли он конструктивно прочным и безопасным в случае пожара или стихийного бедствия?

Строительные нормы и правила неудивительно строги, и новые технологии и материалы, предлагаемые AM, все еще не включены в строительные стандарты и нормы.

Кроме того, для 3D-печати требуются опытные операторы. и дизайнеров, что означает инвестиции в обучение, чтобы максимально использовать автоматизированные технологии и навыки программного обеспечения.

Еще одним препятствием, которое необходимо преодолеть, является ограниченный набор строительных материалов, которые можно напечатать на 3D-принтере. При этом ведутся исследования, в частности, в отношении возобновляемых материалов и бетона и биологических материалов.

Будущее 3D-печати в строительстве

Несмотря на видение зданий, полностью напечатанных на 3D-принтере, эта технология не заменит традиционные методы строительства - по крайней мере, в краткосрочной перспективе.

Возможно, одним из наиболее распространенных вариантов использования технологии AM может быть производство сложных компонентов, таких как стыки, фасады и опалубка, с использованием преимуществ свободы проектирования, предоставляемой AM.

Помимо гибкости дизайна, 3D-печать на объекте также может помочь сократить отходы на строительных площадках, выступая в качестве хорошей ступеньки к более экологичному будущему.

Взгляд В более широком плане 3D-печать может стать одним из ключевых решений текущих проблем в строительном секторе, поскольку она постепенно превращается в более устойчивую, гибкую и автоматизированную технологию строительства.