Применение в строительстве современных технологий 3D-печати дает возможность возводить здания в кратчайшие сроки, и при этом использовать нестандартные архитектурные формы
Технологии возведения жилых и коммерческих зданий, производственных и других строений развиваются непрерывно. Движущей силой этого развития является стремление повысить качество и функциональность зданий, улучшить их дизайн, и одновременно упростить и ускорить процесс строительства.
Относительно недавно в мире появилась технология изготовления различных деталей при помощи 3D-принтера. С его помощью можно быстро производить детали самых разных форм, в том числе и сложных, без использования обрабатывающих станков и другого традиционного производственного оборудования.
Строительная отрасль не осталась в стороне от этой новой технологии. Идея возводить здания при помощи 3D-печати в автоматическом режиме быстро завоевала умы инженеров.
Главные преимущества строительной 3D-печати:
На сегодняшний день методом строительной 3D-печати возможно возведение зданий в несколько этажей. В мировой практике уже есть примеры постройки 5-этажных жилых домов, в то же время о возведении высоток речи пока не идет.
Созданием строительных 3D-принтеров занимаются во всем мире, в том числе и в России. При этом компании экспериментируют с различными подходами и технологиями при их разработке. Сегодня наиболее эффективной и перспективной представляется портальная конструкция строительного 3D-принтера на базе автоматизированных систем управления.
Российская инжиниринговая компания Smart Build при разработке своего строительного 3D-принтера в качестве управляющей системы выбрала системы ЧПУ Delta NC300/30E компании Delta Electronics. Одним из главных критериев выбора этих систем является их гибкая архитектура, позволяющая разработчикам создавать на базе NC300 и NC30E нестандартное оборудование.
Широкоформатный строительный 3D-принтер SmartBuild массой около 3000 кг имеет подвижную конструкцию с областью печати 10700х12200х7000 мм. Высота возводимых им зданий — до 7 м.
Конструктивно этот 3D-принтер состоит из портальной консоли с установленным на неё экструдером, бункера готовой строительной смеси, системы ее подачи в экструдер и системы управления на базе средств автоматизации Delta Electronics — системы ЧПУ NC300 или NC30E, сервоприводов серии ASD-A2, преобразователей частоты для управления двигателями станции замешивания и другого вспомогательного оборудования.
Принцип работы 3D-принтера SmartBuild заключается в экструзии (продавливании через сопло) специальной̆ строительной смеси, слой за слоем (толщина каждого слоя 2,5 см), по заданной трёхмерной компьютерной модели. Таким образом формируются стены-опалубка, как показано на рис. 2. Ширина сопла экструдера составляет 2,5 см, однако за счет выдавливания пластичной строительной смеси в стороны ширина стены в один проход может достигать 8 см. При этом 3D-принтер SmartBuild в состоянии возвести жилой одноэтажный дом площадью 10х10 м2 с внутренними перегородками примерно за 30 часов!
Текущая версия 3D-принтера SmartBuild построена на базе контроллера ЧПУ Delta NC300 со встроенным пультом оператора и экраном 8”, обеспечивающего управление восемью осями (из них четыре — с интерполяцией). При этом в контроллере NC300 заложены все возможности для простой его модернизации под управление нестандартным оборудованием. Так, например, в состав бесплатного ПО системы NC300 включен редактор пользовательских экранов, а также редакторы параметров ЧПУ и программ управления электроавтоматикой (ПЛК).
Благодаря таким возможностям архитектуры NC300, разработчики 3D-принтера SmartBuild легко справились с задачей адаптации встроенной логики работы контроллера под свое применение. Кроме того, были внесены немалые изменения и в базовую программу электроавтоматики NC300, чтобы обеспечить управление другими механизмами принтера. Например, управление насосом подачи смеси в экструдер реализовано через функцию работы шпинделя фрезерного станка. При этом система ЧПУ, управляя, как она думает, скоростью вращения шпинделя, на деле регулирует скорость работы насоса и, как следствие, — давление в системе подачи.
Разработанная специалистами SmartBuild программа ЧПУ учитывает множество нюансов, возникающих при строительстве методом 3D-печати. Например, движение экструдера по выкладке первого слоя должно начаться только после того, как смесь дойдет до его сопла и давление в системе ее подачи достигнет определенного значения.
Для решения этой задачи NC300 запускает насос (ось шпинделя) с повышенной скоростью и только спустя несколько секунд начинает движение, на ходу плавно снижая скорость вращения двигателя насоса до рабочей, обеспечивающей требуемое давление. Время задержки может задаваться оператором на пользовательском экране ЧПУ в ходе выполнения программы. Величина задержки выбирается в зависимости от вязкости строительной смеси, условий окружающей среды (температура и влажность воздуха, атмосферное давление) и т. п.
Кроме того, в NC300 реализован алгоритм снижения давления и остановки экструзии с последующим возобновлением. Это может потребоваться для осуществления холостых пробегов во время переходов от одного элемента к другому в процессе печати.
Следующие модели 3D-принтеров SmartBuild будут построены на базе новой серии ЧПУ Delta NC30E. Эта система имеет открытую архитектуру с набором API-команд, свободно доступных разработчикам оборудования. NC30E включает в себя сразу три устройства —контроллер ЧПУ, ПЛК и панель оператора (экран, например, Delta NC-MOT, подключается отдельно).
NC30E включает в себя все функции серии Delta NC300 и обеспечивает управление 8-ю осями по высокоскоростному интерфейсу DMCNET (с интерполяцией до 4 осей, опционально — до 5 осей). Также контроллер поддерживает все типы стандартных G-кодов фрезерной и токарной обработки, включая различные виды интерполяции.
Используя возможности встроенной в NC30E панели оператора, разработчики могут создавать собственный интерфейс системы в бесплатной среде программирования CNCSoft-B, которая поставляется в комплекте с контроллером. А используя набор открытых API-команд NC30E, на его базе в связке с промышленным компьютером появляется возможность реализовывать проекты любой сложности, в том числе с элементами CAD/CAM-систем.
Благодаря такой гибкости архитектуры NC30E, для строительного 3D-принтера SmartBuild был разработан индивидуальный интерфейс, учитывающий все нюансы работы оборудования. Кроме того, реализована также возможность удаленного управления системой с рабочего места оператора-технолога, используя встроенный в контроллер VNC-сервер.
В статье «Разработка систем ЧПУ с индивидуальной средой управления (интерфейсом) на базе Delta NC30E» специалисты нашей компании подробно описывают возможности этого инновационного контроллера.
Технология 3D-печати позволяет возводить здания любой формы. При этом свобода архитектурной мысли практически не ограничена. Благодаря описанным в статье особенностям технологии и свойствам строительной смеси (пластичность, прочность, время схватывания, полезная нагрузка и т.д.) возможно создавать округлые и овальные здания, с башнями, шпилями и любыми другими декоративными и функциональными элементами.
Предварительно разработанную по архитектурным чертежам программу ЧПУ для 3D-принтеров SmartBuild в процессе строительства можно корректировать прямо на объекте. Например, если появилась необходимость в дополнительной нише в стене или требуется сместить расположение отверстия для труб канализации в ещё ненапечатанной части дома.
Армирование и утепление стен выполняется непосредственно в процессе их возведения. Рабочие согласно проектной документации вручную укладывают горизонтальную арматуру по мере печати слоев, а внутренний объем после застывания стен-опалубки заполняется утеплителем или заливается пенобетоном с дополнительным армированием в соответствии с проектом.
Точный контроль смещения печатного слоя при помощи систем ЧПУ Delta NC300/NC30E позволяет создавать практически любое декоративное оформление стен. Например, это может быть логотип компании, сложный рельеф и даже картина. Далее —покрытие грунтом, окрашивание, и фасад готов. Остальные участки стен могут быть оштукатурены, закрыты сайдингом или оставлены как есть — строительная смесь, используемая 3D-принтером SmartBuild, является всепогодной.
