Аддитивное производство в строительной индустрии продолжает быстро осваиваться промышленностью и вызывать растущий исследовательский интерес. По мере того, как происходит эта трансформация, взгляд назад в историю раскрывает истоки этой технологии, ее преимущества и присущие ей проблемы.
В 1939 году инженеры во главе с Уильямом Э. Уршелем построили первую "Машину для строительства стен", аналоговый строительный 3D-принтер во всем, кроме названия. Эта машина использовалась для изготовления серии функциональных зданий, которые используются до сих пор. В отличие от современных крупномасштабных систем аддитивного производства, Машина для строительства стен Уршеля использовала обычные бетонные смеси местного производства, что является ключевым отличием от углеродоемких, узкоспециализированных строительных смесей, которые обычно используются сегодня.
В 1939 году изобретатель Уильям Э. Уршель создал первое в мире здание с 3D-печатью за небольшим складом в Вальпараисо, штат Индиана, США. Год спустя он получит серию патентов на "Машину для возведения стен". Эта простая, но изобретательная машина будет использоваться для изготовления многоэтажных конструкций со встроенным армированием и самонесущим куполом. Оба проекта были напечатаны в бетоне в основном без опалубки.
С точки зрения обработки материалов ключевым отличием машины Уршеля от современных систем является включение автоматического трамбовочного механизма, который сжимает бетонную смесь между вращающимися дисками, уплотняя и разглаживая каждый слой по мере экструдирования материала. Современные системы используют сложные добавки для достижения желаемой плотности смеси и содержания воды. Таким образом, цементирующие материалы могут закачиваться в печатающую головку, вместо того чтобы подаваться в систему по одному ведру за раз. Однако перекачиваемый материал создает ограничения на состав смеси, в частности на размер заполнителя. После 20 лет исследований крупные компании, занимающиеся 3D-печатью, только начинают находить способы перемещения заполнителя размером более 4 мм через свои экструдеры. Типичные смеси готовятся в специализированных заводских условиях и транспортируются на большие расстояния к месту производства, что приводит к увеличению затрат и негативным последствиям для окружающей среды. Поскольку проблема перекачивания добавок, сочетающих в себе крупный заполнитель, быстрое время отверждения и надлежащую обрабатываемость, была решена, большинство современных принтов - это просто раствор, что делает типичную печатную часть стены более углеродоемкой, чем традиционные бетонные стены. По мере того, как компании совершенствуют свои насосные системы и проектирование смесей, они могут начать рассматривать подход Уршеля к проектированию экструдера с использованием обычных строительных материалов, в отличие от проектирования материалов, соответствующих нетрадиционной строительной системе.
Помимо конструкций, рассчитанных только на сжатие, бетон требует усиления. Большинство стеновых конструкций, напечатанных на 3D-принтере, являются полыми, что делает возможным размещение и затирку вертикальных элементов арматуры для небольших участков стен после печати. Соединительные детали для вертикального усиления в печатных конструкциях являются важной областью текущих исследований. Патентные чертежи Уршеля из 1941-44 показывают механизм для осаждения в реальном времени встроенная арматура из стальной проволоки, которая также является предметом нескольких недавних проектов.
Помимо конструкций, рассчитанных только на сжатие, бетон требует усиления. Большинство стеновых конструкций, напечатанных на 3D-принтере, являются полыми, что делает возможным размещение вертикальных элементов арматуры для небольших участков стен после печати. Соединительные детали для вертикального усиления в печатных конструкциях являются важной областью текущих исследований. Патентные чертежи Уршеля из1941-44 показывают механизм для осаждения в реальном времени встроенная арматура из стальной проволоки, которая также использовалась в нескольких недавних проектах.
Такой подход обеспечивает однонаправленное улучшение характеристик конструкции при растяжении. Это не устраняет необходимость в вертикальном усилении. Различные исследовательские группы испробовали аналогичные подходы с использованием рулонов стальной сетки и даже скобяных пистолетов, которые следуют за экструдером, размещая арматуру между слоями материала. Армированные волокнами цементные смеси также были напечатаны с удовлетворительными результатами.
Недавно исследователи из Университета Гента изготовили модульные соединительные элементы с внутренними каналами для предварительно натяженных кабелей. В целом, геометрическая гибкость, обеспечиваемая 3D-печатью, позволяет детализировать арматурное усиление способами, соответствующими общепринятым строительным нормам.
Принтер также может быть использован для создания пригодных для вторичной переработки, индивидуальных строительных лесов для рабочих или других машин в рамках сложной конструкции из напечатанных и собранных человеком элементов. Благодаря достижениям в области цифровых и физических инструментов для крупномасштабной печати теперь возможно создавать структуры, гораздо более эффективные и сложные, чем прототипы Уршеля. Задача по-прежнему заключается в адаптации передовых инструментов к реалиям местных материалов, структурного проектирования и строительных норм.
Самые ранние прототипы Уршеля были ограничены цилиндрическими и симметрично куполообразными формами из-за механизма самой машины для возведения стен. Однако он также разработал систему для формирования асимметричных конструкций с использованием шарнирной горизонтальной оси, которая автоматически регулировала бы свою длину на основе дорожки, проложенной по внутреннему периметру конструкции стены. Этот кулачковый концевой эффектор открыл новую область геометрической свободы, зависящую от конкретного участка, которую он хотел исследовать в нескольких прототипах. Сегодняшние печатные системы аналогичным образом способны печатать сложные геометрические фигуры, особенно в плане. Изогнутые участки стен и замысловатая внутренняя отделка стен теперь печатаются без значительного увеличения затрат по сравнению с более стандартной прямолинейной геометрией.
Список источников:
1. Строительная 3D-печать: ранняя история крупномасштабного аддитивного производства. Александр Черч, Массачусетский технологический институт, 2022 г.
2. Аддитивное производство в строительстве: обзор процессов, приложений и методов цифрового планирования. Александр Паолини, Стефан Коллманнсбергер, Эрнс Ранк, Мюнхенский технический университет. 2019 г.
3. Аддитивное строительство: современное состояние, проблемы и возможности. Натали Лабоннот, Андерс Реннквист, Бендик Манум, Петра Рютер. Норвежский университет науки и технологии. 2016 г.
