Оптимизация строительного бетона для 3D-принтеров напрямую связана с экспериментами различных научно-исследовательских институтов. Так, ещё в середине 2000-х годов создавалась система «Contour Crafting» - реальная 3D-печать зданий принтером. Конструкция работает аналогично настольному принтеру для бумаги, с той лишь разницей, что сопло 3D-печати бетоном смонтировано на строительном кране. Для создания конструктивных элементов здания данным устройством используется своего рода уникальный бетон.
Новый способ производства прототипов
Материал для цифровой 3D-печати зданий (печатный бетон), по сути, соответствовал инженерным разработкам американской корпорации «NASA». Такие американцы разработали под строительство объектов на Луне и Марсе. Соответственно, метод аддитивного производства рассматривался исследовательскими институтами всего мира перспективной технологией.
Появление технологии 3D-печати явилось результатом спроса строительной отрасли на быстрый экономичный способ производства прототипов. Поэтому с момента изобретения (2006 год) концепции 3D-печати бетоном с системой контурной обработки, эта концепция отметилась быстрым развитием.
Процесс добавления слоёв материалов одного на другой до момента готовности начинается с цифровой модели структуры или объекта. Такой цифровой моделью, к примеру, выступает файл CAD. Создаётся файл CAD посредством программного обеспечения на пространственное моделирование или трёхмерное сканирование объекта.
Программным обеспечением формируется пространственная (цифровая) копия объекта. Следующим шагом является нарезка созданной модели. Нарезка - это разделение трёхмерной модели на сотни (тысячи) горизонтальных слоёв. Здесь используются специальные компьютерные программы:
- Slic3r,
- Ultimaker,
- Simplify3D и другие.
Разрезанная модель отправляется на принтер, который печатает объект или структуру слой за слоем. Устройством 3D-принтер читается каждый слой в двухмерной форме. Как результат - в процессе печати формируется трёхмерный строительный объект.
Три строительных этапа 3D-печать бетонного объекта
Строительство методом 3D-печати бетоном сопровождается тремя этапами:
- Подготовка данных.
- Подготовка бетонной смеси.
- 3D-печать объекта.
На этапе подготовки данных пространственная модель объекта 3D-печати создаётся в формате САПР. Затем объект нарезается на слои с помощью одной из программ для нарезки. Программное обеспечение создаёт план для 3D-принтера на укладку бетона послойно.
Следующим этапом является подготовка бетонной смеси и управление подачей бетона на 3D-принтер. Подача бетона на принтер производится либо периодически (смесь готовится в нужных объёмах и помещается в контейнер), либо непрерывно. На этом этапе необходимо контролировать время подачи бетона, чтобы исключить быстрое затвердевание и как следствие засорение принтера.
На третьем этапе 3D-печати бетонная смесь выдавливается из принтера через форсунку. Насос или шкив используется для экструдирования бетонной смеси и укладывания послойно. Бетон течёт через сопло принтера по заданному пути, запрограммированному пользователем.
Этот путь запрограммирован соответствующим образом, так что принтер укладывает бетон послойно, образуя реальный трёхмерный объект по образу цифровой модели. На данном этапе печати жизнеспособность бетона играет важную роль. Обрабатываемость определяет, как экструдируемость, так и аспекты конструктивности бетона. Таким образом достижение оптимальной смеси:
- цемента,
- заполнителей,
- воды и химических добавок,
обязательно требуется для оптимизации работоспособности устройства 3D-печати бетоном.
Бетонные печатные установки - 3D принтеры
Технология бетонная 3D-печать подразумевает использование многими способами в строительной отрасли. Одним из вариантов является 3D-печать элементов на производстве, после чего эти элементы транспортируются на строительные площадки для сборки.
Другим вариантом является установка принтера непосредственно на строительной площадке, где требуемая структура печатается в виде элементов для сборки воедино. Или же выполняется непосредственно 3D-печать структуры на месте. Следует отметить, что эта практика основана на 3D-печати вертикальных элементов путём размещения материалов горизонтально послойно.
Типичное исполнение рабочих бетонных установок
Промышленность использует принтеры двух типов:
- Каркасные.
- Некаркасные.
Первый тип принтера подходит только под эксплуатацию на производстве, учитывая сложности транспортировки и сборки такой техники. Недостатком каркасного принтера является также существенно увеличенный размер рамы относительно основной конструкции. Большеразмерная рама делает принтер дорогостоящим, сложным в транспортировке и сборке.
Второй тип - некаркасный бетонный принтер, по сути, представляет роботизированный печатный рычаг, установленный на транспортном средстве. Конструкцию принтера легко и удобно транспортировать, нет надобности в наземной панели.
Традиционные методы против 3D-печати
На разных этапах традиционного метода бетонного строительства задействованы человеческие ресурсы в разных местах структуры. Такой вариант отнимает массу времени и обходится дорого для подрядчика.
С другой стороны, 3D-принтер показывает, что является инструментом и производителем одновременно. Чем меньше вовлечение пользователя в процесс 3D-печати, тем более плавный процесс автоматизации.
Системы бетонной печати
Впервые системы печати бетоном были опубликованы в 1997 году. Эта технология получила широкое развитие. На текущий момент существует две основные категории технологий 3D-печати:
- Контурная обработка.
- Струйная связка D-образной формы.
Три технологии были испытаны и доказали свою эффективность в качестве методов печати сложных геометрических бетонных конструкций. Несмотря на то, что три процесса одинаковы в производстве, все три используют различное сырьё в зависимости от применения и условий окружающей среды.
Также технологии используют различные методы аддитивного производства. Например, процессом струйной обработки вяжущего, капли связующего вещества на основе магния упрочняют песок до образования камня. Этот момент характерен для одного метода послойного строительства.
А вот, технология «Contour Crafting» является формой аддитивного производства, когда гигантская рукоять робота выдавливает бетон через насадки. Налицо также послойная методика построения структуры объекта, но уже несколько иным образом.