3D печать бетоном
3D-печать бетона , или просто печать бетона , относится к изготовления цифровым процессам цементных материалов, основанным на одной из нескольких различных 3D-печати технологий . Бетон, напечатанный на 3D-принтере, устраняет необходимость в опалубке, сокращает отходы материала и обеспечивает большую геометрическую свободу в сложных конструкциях. Благодаря недавним разработкам в области дизайна смесей и технологии 3D-печати за последнее десятилетие, 3D-печать бетона выросла в геометрической прогрессии с момента ее появления в 1990-х годах. Архитектурные и конструкционные применения бетона, напечатанного на 3D-принтере, включают производство строительных блоков , строительных модулей , уличной мебели , пешеходных мостов и малоэтажных жилых построек.
История
[ редактировать ]Автоматизация строительных процессов является областью исследований в области архитектуры и гражданского строительства с 20 века. Самые ранние подходы были сосредоточены на автоматизации кладки. В 1904 году патент на машину для укладки кирпича был выдан Джону Томасу в США. [ 1 ] К 1960-м годам технология значительно развилась, и функциональное оборудование, такое как Motor-Mason, стало использоваться на строительных площадках. [ 2 ] [ 3 ]
Параллельно развивалась и автоматизация процессов бетонного строительства. Формование скользящим способом, широко используемое сегодня для строительства вертикальных бетонных стержней высотных зданий, было разработано в начале 20-го века для строительства силосов и элеваторов . Эта концепция была впервые предложена Джеймсом Макдональдом из MacDonald Engineering Chicago и опубликована Милко С. Кетчамом в иллюстрированной книге « Проектирование стен, бункеров и элеваторов» в 1907 году. [ 4 ] Позже в 1911 году Макдональд опубликовал научную статью « Перемещение форм для железобетонных бункеров» . [ 5 ] Наконец, 24 мая 1917 года Макдональд получил патент США на устройство, позволяющее перемещать и поднимать бетонную форму в вертикальной плоскости. [ 6 ]
Инновации в автоматизации процессов бетонирования продолжались на протяжении всего 20 века. Процессы 3D-печати были впервые разработаны в 1980-х годах для фотополимеров и термопластов. Некоторое время технология 3D-печати была ограничена секторами с высокой добавленной стоимостью, такими как аэрокосмическая и биомедицинская промышленность, из-за высокой стоимости материалов. Однако по мере роста базы знаний в области 3D-печати были разработаны новые процессы аддитивного производства для других материалов, в том числе для бетона. Технология 3D-печати бетона зародилась в Политехническом институте Ренсселера (RPI) в Нью-Йорке, когда Джозеф Пенья впервые применил аддитивное производство к бетону в 1997 году. Этот эксперимент был всего лишь проверкой концепции, но Пенья признал развивающуюся индустрию робототехники и увидел в ней возможность автоматизировать процесс строительства, одновременно снижая затраты и количество отходов. [ 7 ] Исследования Пенья позже стали основой для струйной печати связующим или порошковой 3D-печати бетона.
В 1998 году Берох Хошневис из Университета Южной Калифорнии разработал Contour Crafting , которое стало первым устройством для многослойной экструзии бетона. Система использовала кран с компьютерным управлением для автоматизации процесса заливки и была способна создавать гладкие контурные поверхности. [ 8 ] Первоначально Хошневис разработал эту систему для быстрого строительства домов на случай стихийных бедствий, и он утверждал, что система может построить дом за один день. [ 9 ] Благодаря инновациям в материалах, дизайне смесей и технологиях печати исследователи и инженеры с тех пор расширили эти два метода печати, которые будут обсуждаться далее в следующем разделе.
Методы строительства
[ редактировать ]На сегодняшний день был продемонстрирован ряд различных подходов, которые включают на площадке и за ее пределами изготовление строительных элементов или целых зданий с использованием промышленных роботов , портальных систем и привязанных автономных транспортных средств (см. раздел « 3D-принтеры »). Демонстрация технологий строительной 3D-печати включала изготовление домов, строительных элементов (облицовки, структурных панелей и колонн), мостов, гражданской инфраструктуры, искусственных рифов , безумств и скульптур. В настоящее время в 3D-печати бетона используются три различных метода строительства: струйная обработка связующего , роботизированное торкретирование , [ 10 ] и экструзия многослойного материала .
Струйная очистка связующего
[ редактировать ]Струйная 3D-печать со связующим, также известная как 3D-печать с порошковым слоем и связующим, изначально была разработана в Массачусетском технологическом институте для активации крахмала или гипсового порошка водой в качестве связующего, прежде чем Джозеф Пенья применил эту систему к бетону. [ 11 ] При струйном нанесении связующего печатающая головка выборочно наносит жидкое связующее на порошкообразную основу, слой за слоем. Высота слоя обычно варьируется от 0,2 до 2 мм и определяет как скорость, так и уровень детализации готовой детали. После завершения изготовления слоев необходимы этапы постобработки при струйной печати связующего. Сначала рыхлый порошок необходимо удалить механически, с помощью щеток и вакуумных трубок. Могут также потребоваться дополнительные этапы отверждения в духовках с контролируемой влажностью и температурой или в микроволновых печах. Наконец, на поверхность также можно наносить покрытия для закрепления мелких деталей поверхности или улучшения качества поверхности детали. Типичными материалами, используемыми для покрытий, являются полиэстер или эпоксидная смола. [ 12 ]
3D-печать бетона с использованием технологий струйной печати была продемонстрирована в большом масштабе Энрико Дини с помощью D-Shape . [ 13 ] D-Shape использует негидравлический цемент Sorel на основе песка, активированного оксидом магния в слое порошка, и жидкого раствора хлорида магния в качестве связующего. Эта технология в основном использовалась для создания мебели, такой как журнальный столик и кресло Root Chair, разработанное компанией KOL/MAC LLC Architecture + Design в 2009 году. Кроме того, D-Shape производила крупные архитектурные детали, такие как 3 × 3 × 3 м. Павильон Radiolaria, спроектированный Shiro Studio в 2008 году, дом Феррери для Миланской Триеннале в 2010 году и пешеходный мост длиной двенадцать метров, спроектированный Acciona в Мадриде в 2017 году.
Еще одним примером 3D-печати бетона с использованием связующего струи является калифорнийская фирма Emerging Objects. Для своего павильона Bloom, построенного в 2015 году, компания использовала цемент, не содержащий оксидов железа, и органическое связующее. Хотя неясно, участвует ли в этом процессе какая-либо гидратация цемента, этот проект часто упоминают среди других проектов 3D-печати бетона с использованием связующего струи из-за использования цемента в порошковом слое. В отличие от конструкций D-Shape, которые были изготовлены целиком, Emerging Objects изготовила 840 небольших строительных блоков, которые были сложены друг на друга, чтобы создать конструкцию размером 3,6 × 3,6 × 2,7 м. [ нужна ссылка ]
Преимущества и ограничения
[ редактировать ]По сравнению с другими методами 3D-печати для архитектурных применений, струйная обработка связующим обеспечивает более высокую степень геометрической свободы, включая возможность создания неподдерживаемых консолей, выступов и полых деталей. В отличие от других процессов 3D-печати, требующих вспомогательных опорных конструкций, струйная обработка связующим основана на слое несвязанного порошка, обеспечивающем непрерывную поддержку последовательных слоев во время изготовления.
Обычно при струйной 3D-печати связующим остаток порошка можно повторно использовать для будущих деталей. Однако переработка цементного и заполнительного порошка проблематична из-за воздействия влажности окружающей среды, которая может вызвать процесс гидратации. Поэтому струйная 3D-печать не подходит для строительства на месте. [ 12 ]
Layered extrusion 3D printing
[ редактировать ]3D-печать с помощью послойной экструзии бетона включает в себя сопло с числовым программным управлением, которое точно слой за слоем выдавливает цементную пасту. Толщина слоев обычно составляет от 5 мм до нескольких сантиметров. Экструзионное сопло может сопровождаться автоматическим затирочным инструментом, который выравнивает напечатанные на 3D-принтере слои и закрывает канавки на границах между слоями, в результате чего поверхность бетона становится гладкой. Были предложены дополнительные этапы автоматизации для интеграции на одном этапе изготовления модульных стальных арматурных стержней или комплексных строительных услуг , таких как водопроводные или электрические трубопроводы. Для этого процесса планирование процесса и скорость осаждения являются критическими параметрами, влияющими на жесткость и скорость затвердевания материала. [ 12 ]
3D-печать бетона методом послойной экструзии чаще всего используется при строительстве на месте и сопровождается крупномасштабными 3D-принтерами (см. раздел « 3D-принтеры »). В последнее время интерес к этой технологии растет: многочисленные университеты, стартапы и известные строительные компании разрабатывают специальное оборудование, бетонные смеси и системы автоматизации для 3D-печати экструзией бетона. Области применения включают мосты, колонны, стены, перекрытия, уличную мебель, резервуары для воды и целые здания, как в сборном виде, так и в сборке на месте.
Преимущества и ограничения
[ редактировать ]В отличие от обычного литья и напыления бетона, для многослойной экструзионной 3D-печати не требуется опалубка . Это значительное преимущество, учитывая тот факт, что опалубка в бетонном строительстве может составлять 50-80% ресурсов, больше, чем сырье, арматура и рабочая сила вместе взятые. [ 14 ] Основными проблемами экструзии слоистого бетона являются заданная по требованию реология бетона, интеграция арматуры и образование холодных швов на границе раздела последовательных слоев. [ 15 ]
Формовка скольжения
[ редактировать ]Роботизированное шликерное формование — процесс, разработанный в ETH Zürich под названием Smart Dynamic Casting. [ 16 ] иногда включается в семейство процессов 3D-печати бетона вместе со послойной экструзией и струйной обработкой связующим. Этот процесс слабо соответствует определению 3D-печати из-за его аддитивной природы, когда материал медленно выдавливается через активируемую форму, которая может изменять ее сечение. Однако, в отличие от других процессов 3D-печати, формование шликером является непрерывным процессом, а не дискретным или послойным, и поэтому оно более тесно связано с формообразующими процессами, такими как литье и экструзия.
Технология
[ редактировать ]3D-принтеры для бетона
[ редактировать ]
Существует несколько основных категорий роботов, которые используются для 3D-печати бетона, которые зависят от области применения, масштаба проекта и техники печати. Все строительные 3D-принтеры обычно состоят из опорной конструкции и головки принтера с соплом, которое выдавливает бетон. Принтеры обычно используются в сочетании с программным обеспечением для моделирования, которое загружает планы зданий непосредственно на принтер.
- Портальные роботы . Портальные роботы наиболее распространены при 3D-печати бетона и состоят из мобильной портальной системы с системами смешивания и осаждения. Они могут варьироваться от небольших лабораторных моделей до крупномасштабных принтеров для печати целых компонентов или структур. Эти принтеры обычно ограничены вертикальной экструзией, но обладают преимуществом высокой стабильности и легкой масштабируемости для более крупных проектов. Портальные роботы должны быть больше собранной конструкции, что может увеличить затраты на транспортировку и установку. [ 12 ] Однако ими проще всего управлять из всех 3D-принтеров.
- Система с тросовым приводом . В системе с тросовым приводом печатающая головка подвешивается между несколькими фиксированными точками внутри рамы. Он имеет больше геометрической свободы, чем портальная система, более легкий и транспортабельный. Однако для этого требуется большая площадь для оборудования, и важно спланировать его так, чтобы кабели не перекрывались с печатной структурой. [ 12 ]
- Роботизированная рука : она похожа на роботизированную руку, используемую на сборочных линиях, которая имеет шестиосное движение и наибольшую свободу среди систем 3D-печати. Они также способны укладывать бетон, вставлять такие компоненты, как арматура, и выполнять любую постобработку, которая может потребоваться после схватывания бетона. Роботизированные манипуляторы — самая компактная система, но чаще всего используется для небольших задач. [ 12 ] Однако теперь доступны крупномасштабные роботизированные манипуляторы, основанные на мощном строительном оборудовании, сочетающие в себе размер печати больших портальных систем и транспортабельность любого стандартного строительного оборудования. [ 17 ]
Параметры принтера
[ редактировать ]Помимо типа принтера, на конечные характеристики бетона, напечатанного на 3D-принтере, существенно влияют конкретные параметры принтера, и их необходимо тщательно выбирать при планировании строительства с помощью 3D-печати. Эти параметры можно просто разделить на конструкцию печатающей головки и скорость печати.
Дизайн печатающей головки
[ редактировать ]Печатающую головку необходимо выбирать так, чтобы бетонная смесь могла плавно проходить через сопло и создавать эффект склеивания между каждым слоем, а также инициировать процесс затвердевания. [ 8 ] Как и при выборе принтера, формы и размеры сопел различаются в зависимости от применения. Образцы бетона, напечатанные на 3D-принтере из сопел с прямоугольными отверстиями, обычно имеют более высокую прочность, чем образцы, напечатанные с помощью круглых сопел, поскольку между каждым напечатанным слоем меньше зазоров. [ 8 ] Однако круглые сопла более подходят для печати сложной геометрии. Механические свойства образцов, напечатанных с соплом одного и того же типа, улучшаются при использовании сопла большего размера. [ 8 ]
Высота печатающей головки — это высота сопла относительно печатной платформы. Этот параметр влияет на качество поверхности между слоями, включая прочность сцепления, и его необходимо точно регулировать. Печатающая головка, установленная слишком высоко, уменьшит прочность соединения между слоями, что приведет к нестабильной форме. [ 8 ] Сопло, расположенное слишком близко к поверхности печати, может помешать процессу печати и создать дополнительную нагрузку на бетон. Исследования предлагают высоту печати, равную ширине сопла. [ 8 ]
Скорость печати
[ редактировать ]Скорость установки печатающей головки также влияет на прочность склеивания. Увеличение скорости сопла обычно снижает прочность клея, поскольку у бетона мало времени для того, чтобы схватиться. Однако если печать последовательных слоев занимает слишком много времени, это снижает межслоевое соединение, поэтому необходимо установить баланс, обеспечивающий прочность без преждевременного разрушения. [ 8 ] Другие факторы, влияющие на качество бетона, напечатанного на 3D-принтере, включают насосы и элементы управления, используемые для мониторинга принтера, а также состав бетонной смеси (см. раздел « Проектирование смеси »).
Поставщики 3D-принтеров
[ редактировать ]Технология 3D-печати бетона за последнее десятилетие выросла в геометрической прогрессии и, как ожидается, будет продолжать расти по мере того, как исследователи узнают больше о программном обеспечении, аппаратном обеспечении и конструктивных возможностях этих принтеров. Ниже приведены некоторые известные компании и 3D-принтеры, которые используются во всем мире:
| Компания | Штаб-квартира | Имя принтера (тип) | Примечания |
|---|---|---|---|
| КОБОД | Дания | БПК2 (Портальный) | Самый быстрый и наиболее широко используемый строительный 3D-принтер на рынке со скоростью печати до 1000 мм/с. Может достигать ширины слоя до 100 мм и высоты до 40 мм. [ 18 ] |
| ОСА | Италия | Crane Wasp (Кран/Портальный) | Возможна реконфигурация стальных опор в соответствии с ограничениями площадки и проектными условиями, площадь печати до 100 квадратных метров. [ 19 ] |
| вершина | Нидерланды | ЕВА (роботизированная рука) | Доступен в виде фиксированной установки или на треке. Имеет сборочный объем 2,7м х 10м х 3,0м. Также предлагает роботизированное оружие для лабораторий и небольших проектов. [ 20 ] |
| СайБе | Нидерланды | CyBe G (Портальный) | Лучше всего подходит для печати модулей, а не целых структур. CyBe также предлагает два роботизированных принтера: фиксированный робот-манипулятор и портативный робот-манипулятор, прикрепленный к гусеничной системе. [ 21 ] |
| ИКОНА | Техас, США | Вулкан (Портал) | Печатает площади до 3000 квадратных футов (около 280 квадратных метров) со скоростью от 5 до 7 дюймов в минуту. Сертифицирован для работы в любых погодных условиях. [ 22 ] |
| Конструкции-3D | Франция | MaxiPrinter (кран/роботизированная рука) | Имеет стрелу крана, прикрепленную к гусеничной системе. Чрезвычайно портативен и удобен в транспортировке благодаря уникальной гибкой конструкции. [ 23 ] |
| РОЗА | Тайвань | ЖидкостьКаменьБетон | Метод 3D-печати полых бетонных конструкций стратегически использует материал только там, где это необходимо, тем самым достигая более устойчивого подхода к бетонной архитектуре. |
Смешайте дизайн
[ редактировать ]
Критические свойства смеси
[ редактировать ]Для бетона, напечатанного на 3D-принтере, удобоукладываемость и экструдируемость являются двумя наиболее важными конструктивными свойствами смеси. [ 24 ] Экструдируемость — это способность смеси проходить через сопла печатающей головки, а способность к сборке — это способность поддерживать дополнительные слои. [ 25 ] Эти свойства определяются консистенцией, когезионностью и стабильностью смеси, которые зависят от конструкции смеси и выбранных материалов. Для обоих свойств необходимо соблюдать баланс между жесткостью и обрабатываемостью. Жесткая смесь увеличит прочность, но уменьшит расход и скорость печати, что может привести к засорению головки принтера. [ 25 ] И наоборот, слишком сильное уменьшение жесткости может повысить обрабатываемость и экструдируемость за счет прочности и обрабатываемости. [ 25 ]
Поскольку бетон печатается слоями, слои должны достаточно сцепляться друг с другом, чтобы обеспечить правильное затвердевание и полную прочность. Были проведены значительные исследования для создания оптимального сочетания для 3D-печати. [ 25 ] хотя действующих отраслевых стандартов не существует. Однако использование дополнительных вяжущих материалов (SCM), таких как метакаолин, летучая зола, микрокремнезем и суперпластификаторы, является обычным явлением во всех бетонных смесях, напечатанных на 3D-принтере (см. раздел « Добавки» ). [ 24 ]
Цементирующие материалы
[ редактировать ]Цементирующие материалы являются неотъемлемой частью конструкции любой бетонной смеси. Эти материалы служат связующим веществом, удерживающим смесь вместе, поскольку они химически реагируют с водой и подвергаются процессу отверждения. Портландцемент является наиболее распространенным материалом в строительстве как для 3D-печати, так и для традиционного бетона из-за его низкой стоимости и широкой доступности. Однако длительное время схватывания и низкая способность к склеиванию являются недостатками для 3D-печати. [ 8 ] Поэтому для уменьшения усадки и улучшения адгезии часто добавляют полимеры и другие добавки. [ 8 ] Некоторые из этих полимеров включают каучук, смешанные песчаные заполнители, углеродно-серные полимеры и геополимеры, которые также обладают дополнительными преимуществами в плане ремонта трещин и устойчивости. [ 8 ]
Одной из альтернатив является сульфоалюминатный цемент, который можно смешать с портландцементом, чтобы ускорить процесс гидратации и помочь бетону обрести раннюю прочность после укладки. В то время как время схватывания портландцемента составляет около получаса, время схватывания сульфоалюминатного цемента составляет всего шесть минут. [ 8 ] Таким образом, более высокая прочность может быть достигнута за гораздо более короткий период времени, что повышает технологичность.
Агрегаты
[ редактировать ]Содержание и выбор заполнителя так же важны, как и выбор вяжущих материалов, когда дело доходит до проектирования бетонной смеси. В частности, размер частиц оказывает существенное влияние на бетонные смеси, напечатанные на 3D-принтере. Частицы слишком большого размера могут заблокировать сопло 3D-принтера, а слишком мелкие заполнители снижают прочность смеси и могут вызвать растрескивание. [ 8 ] Эмпирическое правило при составлении смеси заключается в том, что максимальный размер частиц заполнителя должен быть менее 1/10 диаметра сопла, чтобы обеспечить плавную экструзию. [ 8 ]
Было проведено несколько исследований для изучения влияния размера заполнителя на механические свойства бетона, напечатанного на 3D-принтере. Было обнаружено, что увеличение количества крупного заполнителя улучшает объемную стабильность бетона и уменьшает теплоту гидратации и усадку, которые были распространенными проблемами в первых бетонных смесях, напечатанных на 3D-принтере. [ 24 ] Использование крупного заполнителя также увеличивает скорость нанесения бетона и скорость печатающей головки, что может повысить эффективность и производительность печати. Таким образом, напечатанная структура достигает большей стабильности и прочности, как заметили Иванова и Меччерин. [ 24 ] Существует ограничение на содержание и размер крупных заполнителей, поскольку становится очевидной проблема контроля реологии. Природные заполнители, такие как песок и гравий, являются предпочтительными, поскольку для их производства требуется меньше энергии по сравнению с искусственными заполнителями, но выбор заполнителей может быть ограничен региональными месторождениями.
Добавки
[ редактировать ]К добавкам относятся любые материалы, кроме воды, заполнителей и вяжущих материалов, влияющие на свойства бетонной смеси. Особенно в бетоне, напечатанном на 3D-принтере, эти добавки имеют решающее значение для баланса технологичности, обрабатываемости и экструдируемости. Летучая зола является основной добавкой для высокопроизводительного бетона, напечатанного на 3D-принтере, поскольку она улучшает рабочие характеристики и долговечность. [ 24 ] Однако большое количество летучей золы может привести к замедлению набора прочности и удобоукладываемости, поэтому ее часто смешивают с другими добавками, такими как глина, чтобы сохранить стабильность формы. [ 24 ]
Дым кремнезема является еще одной распространенной добавкой для бетонных смесей, напечатанных на 3D-принтере, поскольку он увеличивает начальную прочность печатного бетона, а также прочность на изгиб после затвердевания бетона. Основное преимущество микрокремнезема заключается в том, что его мелкие частицы заполняют пустоты вокруг более крупных заполнителей, что улучшает характеристики сцепления с цементным вяжущим. Это также помогает оптимизировать гранулометрический состав смеси, что повышает предел текучести и удобоукладываемость. [ 24 ]
Механические свойства
[ редактировать ]Как и стандартные бетонные смеси, смеси для бетона, напечатанного на 3D-принтере, обычно проверяются на прочность на сжатие и изгиб. Эти механические свойства во многом зависят от состава смеси и могут быть улучшены путем добавления добавок, подобных тем, которые описаны в предыдущем разделе. Для смеси, содержащей обычный портландцемент, летучую золу, микрокремнезем и мелкие заполнители стекла, прочность на сжатие составляет от 36 до 57 МПа, что сопоставимо с прочностью на сжатие бетона нормальной массы. Высокая прочность бетона более 100 МПа также достигнута за счет использования суперпластификаторов и дополнительных химических веществ, но производство таких смесей более энергозатратно. [ 24 ]
Структурные свойства бетона, напечатанного на 3D-принтере, во многом зависят от характеристик межслойного соединения. Увеличение скорости печати и высоты печатающей головки может снизить прочность межслоевого соединения, а добавление раствора между слоями может улучшить эту прочность. В частности, оказался эффективным смоляной раствор, состоящий из черного угля, серы и песка. [ 24 ]
Поставщики бетона для 3D-печати
[ редактировать ]Поскольку не существует стандартов для проектирования бетонных смесей с помощью 3D-печати, компании часто проводят собственные исследования и разработки, если решают предложить 3D-печать в качестве строительной услуги. Ниже приведены некоторые известные компании, которые успешно внедрили 3D-печать бетона в свою сферу услуг.
| Компания | Штаб-квартира | Смешивание | Примечания |
|---|---|---|---|
| Сика США | Нью-Джерси, США | Sikacrete 7100 3D | Готовая к использованию смесь, состоящая из цементного порошка с волокнами и жидких полимеров. [ 26 ] |
| СайБе | Нидерланды | CyBe Миномет | Схватывается за три минуты и достигает полной прочности за один час при низких концентрациях хлоридов и сульфатов. [ 27 ] |
| ГейдельбергЦемент | Германия | i.tech 3D | Используется для строительства первого дома, напечатанного на 3D-принтере в Германии. [ 28 ] |
| ИКОНА | Техас, США | Смыть это | Уникальная смесь ICON, интегрированная с системой подачи Magma и принтерами Vulcan. [ 22 ] |
| ЛафаржХольсим | Швейцария | Тектор 3D Сборка | Первый сухой раствор для 3D-печати с прочностью до 90 МПа. [ 29 ] |
| ЦЕМЕКС | Мексика | Д.фаб | Имеет выбросы CO2 в 1,5 раза ниже, чем растворы, обычно используемые в бетоне с 3D-печатью, доступные на рынке. [ 30 ] |
Известные проекты и приложения
[ редактировать ]Из-за проблем с армированием и ограничений в технологии печати применение 3D-печатного бетона в основном ограничивалось небольшими проектами, включая модели и жилые дома, а не крупными коммерческими зданиями. Однако в мире есть несколько заметных проектов, демонстрирующих потенциал бетона, напечатанного на 3D-принтере.
Конструкции-3D: Цитадель ноу-хау
[ редактировать ]La Citadelle Des Savoir-Faire — это проект, в котором используется 3D-печать бетона для создания сложных архитектурных сооружений. Эта инициатива, расположенная во Франции, направлена на демонстрацию возможностей технологии 3D-печати в устойчивом строительстве. Цитадель служит образовательным центром, где профессионалы и студенты могут узнать об этой технологии и поэкспериментировать с ней. В проекте основное внимание уделяется использованию экологически чистых материалов и передовых технологий проектирования, что способствует снижению выбросов углекислого газа в строительном секторе. После завершения общая внутренняя площадь этого комплекса составит около 2565 квадратных метров (27 600 квадратных футов).
Заметным достижением La Citadelle Des Savoir-Faire является строительство самого высокого в мире здания, напечатанного на 3D-принтере, La Tour. Это трехэтажное здание, построенное в 2023 году, установило новый мировой рекорд своей высоты — 14,14 м (46,4 фута), иллюстрируя потенциал технологии 3D-печати в создании крупномасштабных конструкций.
ЗНАЧОК: дома, напечатанные на 3D-принтере
[ редактировать ]ICON создает сообщество из 100 домов, напечатанных на 3D-принтере, в Джорджтауне, штат Техас. Бронирование начнется в 2023 году по стартовой цене около 400 000 долларов. Парк принтеров Vulcan может печатать восемь различных планов этажей: от 3 до 4 спален и от 2 до 3 ванных комнат. [ 22 ] Система подачи бетона, известная как Magma, снабжает принтер Vulcan разработанной компанией Icon бетонной смесью, известной как Lavacrete, которая может адаптироваться к погодным условиям на объекте и автоматически подавать готовый к печати бетон. [ 22 ] От 90 до 200 м. 2 На печать домов, напечатанных на 3D-принтере, уходит от пяти до семи дней, тогда как на печать деревянного каркаса на том же участке уйдет до 16 недель. [ 22 ]
В марте 2020 года ICON также завершила проект строительства семи домов, напечатанных на 3D-принтере, в Остине, штат Техас. Каждые 400 футов 2 Дом был напечатан всего за 27 часов на принтере ICON Vulcan. Первые жители переехали в эти дома в 2020 году, и, по оценкам, в них проживают 480 бездомных города, что составляет около 40% бездомного населения города. [ 31 ]
Среда обитания для человечества: быстрое строительство доступных домов
[ редактировать ]В 2021 году Habitat for Humanity , крупнейшая в мире некоммерческая организация по строительству домов, построила два дома, напечатанных на 3D-принтере, в Вильямсбурге, штат Вирджиния, и Темпе, штат Аризона. Дом в Вирджинии находился на высоте 1200 футов. 2 и напечатан всего за 28 часов на 3D-принтере COBOD, что примерно на четыре недели быстрее, чем стандартное строительство. [ 32 ] По оценкам организации, бетонные стены, напечатанные на 3D-принтере, позволяют сэкономить около 15% затрат на строительство на квадратный фут. 1738 футов 2 Дом в Аризоне был построен летом: в это время строительство обычно останавливается из-за сильной жары. 80% дома было построено с использованием 3D-печати, включая внутренние и внешние стены, а остальная часть, например крыша, была построена традиционными методами. [ 32 ] Habitat for Humanity надеется, что дома, напечатанные на 3D-принтере, могут стать решением проблемы доступного жилья, а также решения проблемы нехватки рабочей силы в экстремальных климатических и экологических условиях.
ПЕРИ: Веха проекта
[ редактировать ]Первое жилое здание в Германии, напечатанное на 3D-принтере, было построено в сентябре 2020 года компанией PERI с использованием принтера COBOD BOD2 и бетонной смеси Heidelberg Cement. [ 31 ] 24 бетонных элемента были распечатаны на предприятии, а затем доставлены на площадку для сборки. Принтер создал 1 м 2 стены каждые 5 минут, преодолевая 160 м. 2 домой к ноябрю 2020 года. Только два оператора должны были напечатать стены, включая разводку воды, электричество и подключение труб. [ 31 ]
Неймеген, Нидерланды: пешеходный мост
[ редактировать ]В 2021 году в голландском городе Неймеген был открыт самый длинный в мире бетонный пешеходный мост, напечатанный на 3D-принтере, длиной 29 метров. [ 33 ] Было подсчитано, что 3D-печать позволяет сэкономить около 50% материалов, поскольку бетон помещается только там, где требуется прочность конструкции. Компоненты моста, напечатанные на 3D-принтере, были изготовлены компаниями BAM и Weber Beamix за пределами объекта, откуда они затем были перевезены и собраны на месте. Предыдущий рекордсмен по самому длинному бетонному мосту, напечатанному на 3D-принтере, составлял 26 метров и был построен Университетом Цинхуа в Шанхае. [ 33 ]
Экономические последствия
[ редактировать ]
С точки зрения стоимости и экономики одним из преимуществ 3D-печатного бетона является то, что он не требует опалубки, которая используется для формирования формы для обычной заливки бетона. Опалубка может составлять до 50% от общего объема бетонной конструкции из-за затрат на материалы и рабочую силу. [ 34 ] Однако существуют затраты, связанные с оборудованием, включая сопла печатающей головки и дополнительные устройства мониторинга. Кроме того, бетонные смеси, напечатанные на 3D-принтере, часто отличаются от обычного бетона добавками наноглины, нанокремнезема и других химических добавок, которые облегчают процесс экструзии. [ 34 ]
Есть косвенные экономические выгоды от 3D-печатного бетона с точки зрения производительности. Строительный сектор часто является весьма традиционным, и по большей части процессы оставались схожими на протяжении последних десятилетий. Во многом это связано с тем, что существующие процессы по-прежнему эффективны во многих сферах строительства. Например, исследование Гарсиа де Сото сравнило сборку стен, изготовленную роботом, и изготовленную традиционным способом с разной степенью сложности, и обнаружило, что традиционная конструкция превосходит роботизированное изготовление более простых стен, в то время как робот становится более производительным по мере увеличения геометрической сложности. [ 34 ] Никаких дополнительных затрат из-за роботизированного изготовления не возникло, и в обоих случаях определяющим фактором затрат было производство материалов, а не строительные процедуры. [ 34 ]
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Воздействие бетона, напечатанного на 3D-принтере, на окружающую среду во многом зависит от процессов и материалов, используемых в конкретном проекте. Бетон с 3D-печатью имеет потенциал для сокращения расхода материалов при производстве бетона за счет устранения опалубки, но специализированные добавки и необходимые технологии могут оказывать такое же воздействие на окружающую среду, как и обычные бетонные конструкции. от колыбели до могилы Оценка жизненного цикла (LCA), сравнивающая воздействие на окружающую среду бетонной стены, построенной традиционным способом, с бетонной стеной, напечатанной на 3D-принтере, показала, что альтернатива, напечатанная на 3D-принтере, снижает воздействие на окружающую среду только тогда, когда не используется армирование. [ 35 ] Влияние LCA на потенциал глобального потепления , потенциал подкисления, потенциал эвтрофикации и потенциал образования смога использовалось для измерения воздействия на окружающую среду. После того, как в бетонную конструкцию, напечатанную на 3D-принтере, было добавлено армирование, эти воздействия оказались сильнее, чем при использовании традиционных методов строительства, особенно в отношении глобального потепления и потенциального образования смога. [ 35 ]
Другой LCA провел аналогичное исследование, сравнивая обычные бетонные стены и бетонные стены, напечатанные на 3D-принтере, но варьировал сложность конструкции. Было обнаружено, что по мере увеличения сложности конструкции метод 3D-печати снижает воздействие на окружающую среду. [ 34 ] В основном это произошло благодаря способности бетона, напечатанного на 3D-принтере, достигать сложных форм при экономии строительных материалов с точки зрения опалубки и объема бетона. [ 34 ] В целом, воздействие бетона, напечатанного на 3D-принтере, на окружающую среду зависит от конструкции конструкции и от того, насколько хорошо инженер может оптимизировать использование материала. С точки зрения материалов воздействие на окружающую среду аналогично воздействию обычного бетона, поскольку по-прежнему требуется цементное вяжущее. Однако оптимизированный процесс строительства с помощью 3D-печати снижает отходы материалов и выбросы на месте. [ 36 ]
На основе четырех примеров было подсчитано, что вклад выбросов парниковых газов на квадратный метр, связанный со строительством домов, напечатанных на 3D-принтере, ниже, чем у домов, построенных традиционным способом. [ 37 ]
Проблемы и ограничения
[ редактировать ]Ряд ограничений не позволяет широко использовать 3D-печать бетона в строительной отрасли. Во-первых, палитра материалов, которые можно использовать для 3D-печатного бетона, ограничена, особенно из-за экструзии сопла и процесса осаждения слоев бетона, что создает проблему преждевременного разрушения. [ 34 ] Поэтому исследование свойств материалов и разработка высококачественных вяжущих материалов, которые соответствуют как нормам конструкционного бетона, так и приложениям 3D-печати, являются актуальными направлениями. Из-за чувствительности бетонной смеси изменение типа цемента, заполнителя или добавки повлияет на свойства и поведение бетона.
Действующие строительные нормы и правила рассматривают бетон как однородный материал, хотя на самом деле бетон анизотропен . Эта анизотропия еще больше проявляется в печатных слоях, поэтому необходимо разработать новые методы оценки деформаций и растрескивания. Кроме того, текущие испытания материалов бетона состоят из цилиндрических образцов в соответствии со стандартом ASTM C39. [ 38 ] В настоящее время не существует систематической или теоретической основы для 3D-печати бетона, особенно когда речь идет о стандартных испытаниях.
Текущие проекты 3D-печати ограничиваются моделированием прототипов и малоэтажными зданиями большой площади, а не высотными коммерческими зданиями, из-за ограничений в технологии 3D-принтеров. [ 8 ] Принтеры должны быть совместимы с высотой здания, поэтому необходимы дополнительные исследования стабильности и дизайна 3D-принтеров. Существуют также проблемы с армированием при 3D-печати бетона, которая необходима для более высоких конструкций. см . в разделе «Армирование для 3D-печати бетона» Более подробную информацию .
Исследования и разработки
[ редактировать ]Новаторские исследования по теме 3D-печати бетона проводятся в ETH Цюрихе, Университете Лафборо , Технологическом университете Суинберна , Технологическом университете Эйндховена , Институте передовой архитектуры Каталонии и многих других учреждениях.
Конференции
[ редактировать ]В связи с возросшим интересом к 3D-печати бетона как со стороны промышленности, так и в научных кругах, на международном уровне начался ряд конференций. В феврале и ноябре 2017 года компания 3DPrinthused в Копенгагене организовала две отраслевые международные конференции. Впоследствии научная конференция Digital Concrete, проводимая два раза в год, была организована в ETH Zürich в 2018 году, в Технологическом институте Эйндховена в 2020 году и в Университете Лафборо в 2022 году. Параллельная серия повторяющихся конференций, посвященных Азиатско-Тихоокеанскому региону, была организована. организован в Технологическом университете Суинберна в 2018 году, Тяньцзиньском университете в 2019 году и Шанхайских университетах Тунцзи и Хэбэй в 2020 году.
Связанные темы
[ редактировать ]Печать по бетону можно использовать непосредственно для изготовления конечной детали или косвенно для изготовления опалубки, в которую заливают или распыляют бетон. [ 39 ]
3D-печатные опалубки решают некоторые основные проблемы 3D-печати бетона. Арматурные стержни могут быть встроены традиционным способом, а традиционный литой или набрызг-бетон соответствует строительным нормам. Кроме того, качество поверхности бетона значительно лучше, чем при 3D-печати бетона. Чтобы добиться гладкой поверхности, опалубку, напечатанную на 3D-принтере, можно покрыть лаком или отполировать.
3D-печатный бетон в качестве опалубки
[ редактировать ]3D-печать бетона с послойной экструзией использовалась для изготовления несъемной опалубки для заливки бетона. При таком подходе на первом этапе изготавливается тонкая оболочка, состоящая из одного или двух контуров, напечатанных на 3D-принтере, либо на заводе-изготовителе, либо непосредственно на месте. Далее устанавливаются и закрепляются арматурные каркасы. Наконец, внутри оболочки заливается бетон либо за один прием, либо в несколько приемов, чтобы предотвратить нарастание гидростатического давления в нижних частях опалубки. [ 39 ]
При структурных расчетах оболочка, напечатанная на 3D-принтере, обычно не учитывается, а несущим считается только литой бетон. Тем не менее, оболочка, напечатанная на 3D-принтере, может рассматриваться как необходимое армирующее покрытие бетона, защищающее сталь от коррозии .
Опалубка для бетона, напечатанная на 3D-принтере
[ редактировать ]В качестве альтернативы для изготовления опалубок для бетона можно использовать 3D-печать нецементными материалами. экструзионная печать глиной, пеной, воском и полимерами, а также струйная обработка связующим песком и стереолитография Для изготовления опалубок для архитектурных бетонных элементов применяется .
См. также
[ редактировать ]- Строительная 3D печать
- Армирование бетона 3D печать
- 3D printing
- Процессы 3D-печати
- Применение 3D-печати
- Жилое строительство
- Формовка скольжения
- Контурное ремесло
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патент США 772191 , Томас, Джон, «Машина для укладки кирпичей», опубликован 11 октября 1904 г.
- ^ Патент США 3325960 , Джеймс, Хьюберт Х., «Машина для укладки кирпича», опубликован 20 июня 1967 г.
- ^ «Motor Mason, «робот» для кладки кирпича 1960-х годов, обнаруженный в британском архиве Pathé» . Журнал «Менеджер строительства» . 8 сентября 2015 г. Архивировано из оригинала 31 декабря 2021 г.
- ^ Смит Кетчум, Майло (1911). Проектирование стенок, бункеров и элеваторов . Нью-Йорк: Издательство Engineering News.
- ^ Макдональд, Джеймс (1911). «Передвижные формы для железобетонных бункеров». Журнал Американского института бетона . 7 : 544–551.
- ^ «Проектирование стен, бункеров и элеваторов». Майло Смит Кетчум, The Engineering News Publishing Co., 1907, стр. 294. [1]
- ^ Пенья, Джозеф (1997). «Исследовательское исследование твердых конструкций произвольной формы» . Автоматизация в строительстве . 5 (5): 427–437. дои : 10.1016/S0926-5805(96)00166-5 . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н Лю, Фуян; Чжао, Дунлян; Хоу, Сяохуэй; Сан, Ли; Чжан, Цян (20 октября 2021 г.). «Обзор развития 3D-печати бетона: обзор» . Прикладные науки . 11 21):9822.doi : ( 10.3390/app11219822 .
- ^ Хошневис, Берох; Даттон, Розанна (январь 1998 г.). «Инновационный процесс быстрого прототипирования позволяет создавать сложные формы крупных размеров с гладкой поверхностью из самых разных материалов» . Технология материалов . 13 (2): 53–56. Бибкод : 1998MaTec..13...53K . дои : 10.1080/10667857.1998.11752766 . hdl : 10983/26729 . ISSN 1066-7857 .
- ^ Линдеманн, Х.; Герберс, Р.; Ибрагим, С.; Дитрих, Ф.; Херрманн, Э.; Дрёдер, К.; Раатц, А.; Клофт, Х. (2019). «Разработка технологии 3D-печати торкрет-бетона (SC3DP) для аддитивного производства железобетонных конструкций произвольной формы» . В Ванглере, Тимоти; Флэтт, Роберт Дж. (ред.). Первая международная конференция RILEM по бетону и цифровому производству – Digital Concrete 2018 . Книжная серия РИЛЕМ. Том. 19. Чам: Международное издательство Springer. стр. 287–298. дои : 10.1007/978-3-319-99519-9_27 . ISBN 978-3-319-99519-9 . S2CID 139441775 .
- ^ US 5204055 , Сакс, Эмануэль М.; Хаггерти, Джон С. и Сима, Майкл Дж. и др., «Техники трехмерной печати», опубликовано 20 апреля 1993 г., поручено Массачусетскому технологическому институту .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Мирюсефи Ата, Сара; Каземян, Али; Джафари, Амирхосейн (7 марта 2022 г.). «Применение 3D-печати бетона для строительства мостов: текущие проблемы и будущие направления». Конгресс строительных исследований 2022 . Американское общество инженеров-строителей. стр. 869–879. дои : 10.1061/9780784483961.091 . ISBN 9780784483961 . S2CID 247301733 .
- ^ «D-Shape: революция XXI века в строительных технологиях имеет имя» (PDF) . ООО "Монолит" D-Shape . Проверено 2 января 2022 г.
- ^ Кнаак, Ульрих (2015). Бетонируемый . Саша Хикерт, Линда Хильдебранд. Роттердам. ISBN 978-94-6208-221-2 . OCLC 899978250 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Ванглер, Тимоти; Льорет, Эна; Райтер, Лекс; Хак, Норман; Грамазио, Фабио; Колер, Матиас; Бернхард, Матиас; Дилленбургер, Бенджамин; Бухли, Йонас; Руссель, Николя; Флэтт, Роберт (31 октября 2016 г.). «Цифровой бетон: возможности и вызовы» . Технические письма РИЛЕМ . 1 : 67–75. дои : 10.21809/rilemtechlett.2016.16 . hdl : 20.500.11850/233218 . ISSN 2518-0231 .
- ^ Льорет Фричи, Эна (2016). Smart Dynamic Casting - цифровой метод изготовления нестандартных бетонных конструкций (докторская диссертация). ETH Цюрих. doi : 10.3929/ethz-a-010800371 . hdl : 20.500.11850/123830 .
- ^ «МаксиПринтер | Конструкции-3D» . www.constructions-3d.com . Проверено 03 июля 2024 г.
- ^ «БОД2» . КОБОД . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ «Журавлевая оса» . ОСА . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Шер, Давиде (11 июля 2021 г.). «Вот Vertica EVA, строительный 3D-принтер стоимостью 50 000 экземпляров» . Медиа-сеть 3D-печати . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ «3D-принтеры для бетона» . СайБе . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и «ICON и Леннар объявляют о создании сообщества 3D-печатных домов в Джорджтауне, штат Техас» . iconbuild.com . ИКОНА. 10 ноября 2022 г. . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ «МаксиПринтер» . Конструкции-3D . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Бхаттачерджи, Шантану; Басаварадж, Ануша; Рахул, А.В.; Сантанам, Ману; Гетту, Равиндра (сентябрь 2021 г.). «Экологичные материалы для 3D-печати бетона» . Цемент и бетонные композиты . 122 : 104156. doi : 10.1016/j.cemconcomp.2021.104156 . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Ле, ТТ; Остин, ЮАР; Лим, С.; Басвелл, РА; Гибб, AGF; Торп, Т. (19 января 2012 г.). «Смешайте дизайн и новые свойства для высокоэффективной печати на бетоне» . Материалы и конструкции . 45 (8): 1221–1232. дои : 10.1617/s11527-012-9828-z . S2CID 255306224 .
- ^ «Sika Group: 3D-печать бетона» . США.sika.com . Сика США.
- ^ «КиБи Миномет» . cybe.eu. СайБе . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ «i.tech 3D: Высокотехнологичный материал для 3D-печати бетона» . ГейдельбергЦемент . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ «LafargeHolcim и GE Renewable Energy распечатывают на 3D-принтере опоры турбин» . Бетонные изделия . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ «ПЕРВОЕ В МИРЕ БЕТОННОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ ОТ CEMEX & COBOD» . КОБОД . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «3D-печать бетона — полное руководство» . all3dp.com . АЛЛ3ДП . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Habitat for Humanity строит свой первый дом, напечатанный на 3D-принтере, в Аризоне» . Сайт Habitacaz.org . Среда обитания человечества . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Эверетт, Хейли (9 сентября 2021 г.). «Самый длинный в мире бетонный пешеходный мост, напечатанный на 3D-принтере, открыт в Неймегене» . 3dprintingindustry.com . Индустрия 3D-печати . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Де Шуттер, Герт; Лесаж, Карел; Меччерин, Виктор; Найду Нерелла, Венкатеш; Абер, Гийом; Агусти-Хуан, Изольда (октябрь 2018 г.). «Видение 3D-печати бетоном – технический, экономический и экологический потенциал» . Исследования цемента и бетона . 112 : 25–36. doi : 10.1016/j.cemconres.2018.06.001 . S2CID 139131465 . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Мохаммад, Малек; Масад, Эйад; Аль-Гамди, Сами Г. (17 декабря 2020 г.). «Устойчивость 3D-печати бетона: сравнительная оценка жизненного цикла четырех сценариев методов строительства» . Здания . 10 (12): 245. doi : 10.3390/building10120245 .
- ^ Кастенсон, Дженнифер. «3D-печать обеспечивает выдающиеся преимущества в области устойчивого развития, а также позволяет избежать проблем с цепочкой поставок» . Журнал Форбс . Проверено 15 декабря 2022 г.
- ^ Росси, Костанца (2024). «Сравнение содержания углерода в домах, напечатанных на 3D-принтере, и домах, построенных традиционным способом». Городские находки . дои : 10.32866/001c.89707 .
- ^ «Испытание бетонного цилиндра на сжатие ASTM C39» . admet.com . Американское общество по испытаниям и материалам . Проверено 12 декабря 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джипа, Андрей; Дилленбургер, Бенджамин (2021 г.) [27 сентября 2021 г.]. «3D-печатная опалубка для бетона: современное состояние, возможности, проблемы и применение» . Аддитивное производство для 3D-печати . 9 (2). Паб Мэри Энн Либерт: 84–107. дои : 10.1089/3dp.2021.0024 . ПМК 9059241 . ПМИД 35509810 .
