Анализ существующих технологических решений 3D-печати в строительстве

УДК [681.6-3+69.001.5](691.32) DOI: 10.22227/1997-0935.2018.7.863-876

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ BD-ПЕЧАТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

А.С. Иноземцев, Е.В. Королев, Зыонг Тхань Куй

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

АННОТАЦИЯ: представлен международный опыт реализации технологии 3D-ne4a™ в строительстве. Выполнен анализ существующих технологических решений отечественных и зарубежных организаций (WinSun, АМТ-СПЕЦАВИА, StroyBot, BetAbram, Contour Crafting Corp., ApisCor, Loughborough University, CyBe Construction, Batiprint3D, MIT Media Lab и DUS Architects). Показаны преимущества и недостатки различных подходов к выполнению послойного возведения строительных конструкций.

Предмет исследования: в работе выполнен анализ изделий и конструкций из цементных бетонов, произведенных методом послойной экструзии.

Цели: выявление преимуществ и недостатков технологии 3D-печати в строительстве на основе анализа особенностей изготовления изделий и конструкций и свойств материалов.

Материалы и методы: используется комплекс общенаучных логических методов исследования, основанных на теоретическом анализе технологических решений, представленных в научно-технической литературе, информационных ресурсах разработчиков и средствах массовой информации, в том числе патентах, научных статьях и научных отчетах.

Результаты: проанализированы существующие технологические решения 3D-печати в строительстве, показаны их < В преимущества и недостатки, сформулированы проблемы развития технологии. Установлено, что основным мате- s С риалом для 3D-печати является цементный тяжелый мелкозернистый бетон, в состав которого входят заполнитель

размером не более 4 мм, минеральные добавки, микрофибра, противоусадочные химические добавки и регуляторы к *

сроков схватывания. Такие бетоны имеют среднюю плотность 2100...2200 кг/м3 и прочность при сжатии 25...50 МПа. д *

Установлено, что неоптимальные реологические свойства смесей и отсутствие решений по повышению эксплуа- О Щ

тационных свойств бетона не позволяют расширить функциональное назначение напечатанных элементов более и о

ограждающих конструкций или несъемной опалубки и в полной мере реализовать потенциал 3D-печати. . ^

Выводы: необходимо формулирование общих требований к материалам для 3D-печати из бетона и разработка уни- г

версальных рецептурных решений, позволяющих одновременно управлять вязкостью и текучестью смеси в процессе с

экструзии, а также формировать требуемые физико-механические и эксплуатационные свойства. е _

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: 3D-технологии, 3D-печать, контурное строительства, быстрое прототипирование, матери- <2 ^

алы для 3D-печати, экструзия, послойное возведение конструкции, 3D-принтер, смесь для 3D-печати, строительные 0 9

чернила, высокопрочные бетоны, сухие строительные смеси м 7

Благодарности: Работа выполнена в рамках соглашения № 14.583.21.0072 о предоставлении субсидий для реа- о з

лизации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития :> (

научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (идентификатор проекта — RFMEFI58318X0072) при со Г финансовой поддержке Минобрнауки РФ.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Иноземцев А.С., Королев Е.В., Зыонг Тхань Куй. Анализ существующих технологических i S

решений 3D-печати в строительстве // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 7 (118). С. 863-876. DOI: 10.22227/1997- Г Z 0935.2018.7.863-876

ANALYSIS OF EXISTING TECHNOLOGICAL SOLUTIONS OF ^ (

3D-PRINTING IN CONSTRUCTION <1. i

A.S. Inozemtcev, E.V. Korolev, Duong Thanh Qui g

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU),

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation ° Т

ABSTRACT: the paper discusses the international experience of 3D-printing technology implementation in construction. <D 3

The analysis of existing technological solutions of domestic and foreign organizations such as WinSun, AMT-SPETSAVIA, StroyBot, BetAbram, Contour Crafting Corp., ApisCor, Loughborough University, CyBe Construction, Batiprint3D, MIT Media I £ Lab and DUS Architects is performed. The advantages and disadvantages of different approaches to performing layer-by- $ y layer construction of building structures are shown.

Subject: the analysis of products and structures made of cement concretes produced by the layer-by-layer extrusion method 7 7 is carried out in this paper. - -

Materials and methods: in this work we use a complex of general scientific logical methods of research based on a 0 0 theoretical analysis of technological solutions presented in the scientific and technical literature, information resources from developers and the media recourses, including patents, scientific articles and scientific reports.

© А.С. Иноземцев, Е.В. Королев, Зыонг Тхань Куй, 2018

Results: the existing technological solutions of 3D-printing in construction are analyzed, their advantages and disadvantages are shown, and the problems of technology development are formulated. It is established that the main material for 3D-printing is the cement heavyweight fine-grained concrete, which includes a filler of size no more than 4 mm, mineral additives, microfiber, anti-shrinkage chemical additives and setting time regulators. The concrete has an average density of 2100...2200 kg/m3 and a compressive strength of 25...50 MPa. It was found that the non-optimal rheological properties of mixtures and the absence of solutions to improve the operational properties of concrete do not allow us to expand the functionality of printed elements beyond enclosing structures or permanent formwork and fully realize the potential of 3D printing. Conclusions: the process of extrusion for building construction must be based on general principles and requirements to materials and structures. The search of the complex technological solutions on the each stage of construction is a promising task for the development of 3D-printing in construction. It is necessary to formulate general requirements to materials used in concrete 3D-printing and develop universal prescription solutions that allow us to simultaneously control the viscosity and flow of the mixture during extrusion and also create the required physical, mechanical and operational properties.

KEY WORDS: 3D-technology, 3D-printing, contour construction, rapid prototyping, materials for 3D-printing, extrusion, layer-by-layer design construction, 3D-printer, mixture for 3D-printing, building ink, high-strength concretes, dry building mixtures

Acknowledgements: The work was carried out within the framework of the agreement No. 14.583.21.0072 on granting awards for implementation of the federal target program "Research and development in priority directions of development of the scientific and technological complex of Russia for 2014-2020" (project identifier RFMEFI58318X0072) with the financial support from the Ministry of Education and Science of the Russian Federation.

FOR CITATION: Inozemtcev A.S., Korolev E.V., Duong Thanh Qui. Analiz suschestvuyuschikh tekhnologicheskikh resheniy 3D-pechati v stroitel'stve [Analysis of existing technological solutions of 3D-printing in construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2018, vol. 13, issue 7 (118), pp. 863-876. DOI: 10.22227/1997-0935.2018.7.863-876

Z от CO £= <Л T3 — <u <u о о

Обеспечение конкурентного преимущества в экономике внутри страны или на глобальном рынке возможно за счет снижения периода внедрения высокотехнологичной продукции и ее доступности. Одним из источников таких инновационных продуктов может быть создание товаров посредством технологии быстрого прототипирова-ния (БП-технологии), сущность которой заключается в создании прототипа (модели) или его части непосредственно на основе цифровой версии объекта. Основной принцип этой технологии заключается в масштабируемом послойном воспроизведении детали из цифровой 3D-модели посредством автоматизированных (роботизированных) устройств и механизмов.

В связи с ростом финансирования технология 3D-печати в различных отраслях получила свое развитие в начале 90-х гг. XX в. Объем капиталовложений за четыре года (с 1992 по 1996 г.) вырос на 1200 % до 421 млн долл. [1]. К концу 2000 г. количество выпущенных 3D-принтеров составило 1320 машин, 45 % которых было изготовлено в Северной Америке, 28,6 и 24,6 % — в Азии (Тихоокеанский регион) и Европе, соответственно [1, 2].

В настоящее время ведущими странами по развитию БП-технологии являются США, Китай, Япония, Германия [3, 4] и в последнее время Россия [5-7]. Существует множество технических решений, в том числе уже представленных в виде

коммерческих продуктов (3D-принтеров), позволяющих изготавливать 3D-объекты различного назначения.

БП- или 3D-технология вызывает интерес и в строительной отрасли [8-11], что связано с недостаточной автоматизацией как производства строительных материалов, так и технологических процессов непосредственно на строительной площадке. Актуальность подобных технологий возрастает в связи с проблемами в мировой строительной отрасли: низкая производительность труда и квалификация рабочей силы, сложность осуществления контроля на строительной площадке, высокая мате-риало- и энергоемкость. Возможность реализации автоматизированной системы возведения зданий (3D-печати) на месте строительства в кратчайшие сроки позволит сократить технологическое отставание строительной индустрии и повысить ее эффективность.

Решением задачи по организации компьютеризированного строительного процесса посредством 3D-печати занимаются в различных производственных и исследовательских организациях США, Китая, Великобритании, Голландии, России, других странах Европы. Однако различные технологии реализации 3D-печати не предлагают универсализированных решений, позволяющих осуществить промышленное применение. Необходим анализ мирового опыта для обобщения достижений и формулирования проблем, препятствующих развитию 3D-технологии в строительстве.

Табл. 1. Особенности технологии ЗБ-печати в строительстве Table 1. Features of 3D-printing in construction

№ Разработчик / Developer Ширина/ Толщина Материал / Material Плотность, кг/м3 Прочность*, МПа / Strength*, МРа Преимущества технологии / Advantages of technology Недостатки технологии / Disadvantages of technology Ссылка / Reference

слоя, MM / Layer width and thickness, m Density, kg/m3 при изгибе / in bending при сжатии / in compression

1 WinSun (Китай) / (China) 30-60 н/д n/a Цементно-песчаная смесь с отходами от сноса зданий, стекловолокном и специальными добавками / Cement-sand mixture with waste from building demolition, fiberglass and special additives 2000-2200 8,2 34,5 Используются продукты переработки строительных материалов, микроармирование / Products of building materials processing are used, micro-reinforcement Требует больших производственных площадей и обслуживающего персонала, наличие нефункциональной опалубки, неровная вертикальная поверхность/ Requires large production areas and maintenance staff, the presence of nonfunctional formwork, uneven vertical surface [20-23]

2 AMT- СПЕЦАВИА (Россия)/ AMT-SPETSAV-IA (Russia) 20-50 5-10 Высокопрочная цементная смесь, стеклофибробетон, пескобетон М300, каолиновая смесь/ High-strength cement mixture, fiberglass concrete, sand concrete M300, kaolin mixture 2200-2350 н/д/ n/a от 30 / from 30 Армирование, вариативность материалов / Reinforcement, variability of materials Наличие нефункциональной опалубки, неровная вертикальная поверхность / The presence of non-functional formwork, uneven vertical surface [30, 31]

3 StroyBot (Rudenko 3D Printer) 30 10 Геополимерный бетон с примесями вулканического пепла/ Geopolymer concrete with impurities of volcanic ash 2100-2250 н/д/ n/a н/д/ n/a Использование местного сырья для бетонных смесей / Use of local raw materials for concrete mixtures Неровная…