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Die 3D-Presse für die Projekte schlüsselfertig
Unter den Bedingungen der weltweiten Finanzkrise ist es kompliziert, die Produktion einzustellen, aber gerade zu dieser Zeit können und eindringen die Ideen erscheinen, die, insbesondere zulassen können, die Kosten auf die Errichtung der low-rise Wohnfläche, der Wege und anderer kleiner Objekte herabzusetzen. Im vorliegenden Artikel ist der Übergang von den gewöhnlichen Strahldruckern (2D) zu den dreidimensionalen Druckern (3D-Druckern) betrachtet.
Die Übertragung der 2D-Objekte des kleinen Umfanges aus der realen Welt in den Rechner und wurde schnell, einfach und billig dank dem breiten Vertrieb der Drucker und der Scanner zurück.
Zum Beispiel, in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten (das Scannen und die Presse) wird der Scanner des Formates A3, die Drucker des Formates A3 und farbig Plotter des Formates A1 verwendet.

Verwendet in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten farbig Plotter des Formates A1 Hewlett-Packard DesignJet 130
Verwendet in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten farbig Plotter des Formates A1 Hewlett-Packard DesignJet 130

Man muss bemerken, dass die Übertragung des 2D-Objektes durch den Rechner möglich ist.
Zum Beispiel, in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten (das Kopieren) wird der Kopierer des Formates A0 verwendet.

Der Kopierer des Formates A0 Ricoh FW780, die in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten verwendet werden
Der Kopierer des Formates A0 Ricoh FW780, die in Челябэнергопроект für die Projektarbeiten verwendet werden
Jedoch ist im Falle der ähnlichen Übertragung der 3D-Objekte aller komplizierter.
Wirklich, sogar die Computersimulation der nicht typisierten 3D-Objekte ist nur den Fachkräften, wobei in den sehr kostspieligen Paketen, zum Beispiel, im Paket Autodesk 3DS Max zugänglich, der neben 200 000 Rubeln kostet.

Das Modell des Hauses in Autodesk 3DS Max, erstellt von der Fachkraft aus Челябэнергопроект
Das Modell des Hauses in Autodesk 3DS Max, erstellt von der Fachkraft aus Челябэнергопроект
Um vieles vereinfacht den Prozess der Übertragung der Objekte aus der realen Welt in computer- die speziellen 3D-Scanner. Zum Beispiel, bei der Projektierung einiger Straßen Moskaus wird die Nutzung des speziellen mobilen Laserscanners geplant, die, nach den Straßen der Stadt gehend, wird das 3D-Modell ausgeben.
Die Übertragung des 3D-Modells in die reale Welt ist nur mit Hilfe der kostspieligen Ausrüstung in der Produktion oder im Labor, aber wie in den häuslichen Bedingungen möglich.
Ob sich die Bildung des realen Objektes nach ihrem 3D-Modell decken wird, ist warum es notwendig? Das Hauptbedürfnis nach der Industrie ist eine schnelle Herstellung der Prototypen. Wirklich, es ist die Wahrscheinlichkeit der bedeutenden Senkung des Wertes der Entwicklung des komplizierten Produktes bei Vorhandensein von der Möglichkeit hoch, den Ingenieuren, sowie dem Besteller das reale Produkt (oder seine Brettschaltung), und nicht auf das Album der Zeichnungen, klar nur den entsprechenden Fachkräften anzuschauen.
Außerdem kann man auf der Brettschaltung die Prüfungen noch durchführen solange, bis die endgültige Variante des Erzeugnisses fertig sein wird. Außerdem, die Prototypen lassen zu, solche Prüfungen durchzuführen, die du auf der Fertigware nicht durchführen wirst. Zum Beispiel, man kann das durchsichtige Plastikmodell der Wasserversorgung bei der Projektierung der nicht typisierten Bauten, solcher wie den sich drehenden Wolkenkratzer in Moskau verwenden. Aber die Hauptsache, dass man solches Modell sehr schnell machen kann, was heute der hohen Geschwindigkeiten sehr wichtig ist. Wir werden bemerken, es existiert eine ganze Industrie schnell Prototyping (rapid prototyping), die sich gerade und mit der Entwicklung und der Nutzungen der Technologien der räumlichen Presse für diese Ziele beschäftigt.
Der folgende Schritt – die schnelle Produktion. Schon jetzt lassen einige Technologien schnell Prototyping zu, die fertigen Gegenstände aus verschiedenen Materialien zu herstellen. Diese ideale Lösung für die kleinserien Produktionen, da standardmäßig technischen Prozesses ermöglicht, (in den vernünftigen Grenzen) dass für die verhältnismäßig kleine Uhrzeit zu machen. Dazu erlauben den Technologien einige 3D-Pressen schnell, die Formen für das Gießen zu herstellen, und es ist der Produktionsprozess schon weiter ist bekannt. Man kann mit den Digitalgeräten auf Grund von FPGA (field-programmable gate array), d.h. auf Grund von der programmierten Logik, begehend die gegenwärtige Revolution in der Elektronik parallelisieren. Die Technologie FPGA lässt zu, die elektrischen Schaltungen auf dem Rechner zu beschreiben, und dann es ist schnell, ganz beschrieben im standardmäßigen integrierten Schaltkreis zu realisieren. Wobei man den Mikroprozessor herstellen kann, ist es der Mikrokontroller in den häuslichen Bedingungen u.ä. praktisch. Wir betrachten die erste Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau ist eine Bildung der Werkbänke mit der Programmsteuerung. Sie heißen CNC machines (CNC – computer numerically controlled, oder, die Werkbank mit der Zahlenprogrammsteuerung). Diese Einrichtungen können unmittelbar aus den CAD-Programmen zurechtkommen und, auszuschneiden, und bohrer im Material des Modells auszusägen, die in diesen Programmen entwickelt werden. Die Materialien fast jede – vom Plaststoff oder dem Baum bis zu den weichen Metallen (Bronze, des Aluminiums).
Zum Beispiel, das Lineal der Werkbänke MDX von der Gesellschaft Roland. Wir werden bemerken, dass Roland zu den Werkbänken speziell den piezoelektrischen abtastenden Kopf liefert, der zulässt, Rückumwandeln zu machen – die realen Gegenstände in die Computer-3D-Modelle zu übersetzen.

Die Werkbank mit der Zahlenprogrammsteuerung, verwendet für das Auftragen der 3D-Darstellungen auf die hölzernen Erzeugnisse (die erste Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Die Werkbank mit der Zahlenprogrammsteuerung, verwendet für das Auftragen der 3D-Darstellungen auf die hölzernen Erzeugnisse (die erste Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Die CNC-Werkbänke teilen sich in drei Haupt- Arten: dreh-, fräs- und Router (routers) (uns interessieren die letzte Art). Wir werden bemerken, dass auch die Maschinen mit vier Stufen der Freiheiten, die in sich bis zu einer bestimmten Stufe der Möglichkeit der Fräs- und Drehwerkbänke kombinieren ausgegeben werden. Diese Technik verwenden es kann für die unmittelbare Herstellung der Objekte nach den 3D-Modellen, für die Gravierung, die Modellierung, und auch für die Vorbereitung der Formen für das Gießen, was das Gebiet ihrer Anwendung wesentlich ausdehnt.
Wir betrachten die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau ist eine Entwicklung der Laser- und Strahltechnologie der 3D-Presse.
Wir betrachten die Weisen der Laserpresse.
Die erste Weise: der ultraviolette Laser schrittweise, das Pixel hinter dem Pixel, belichtet das flüssige Fotopolymer, oder das Fotopolymer wird von der ultravioletten Lampe durch die Fotomaske belichtet, die sich mit der neuen Schicht ändert, dabei verhärtet er und verwandelt sich in den genug festen Plaststoff.
Die zweite Weise – das Lasersintern: der Laser brennt im Pulver aus die legierung Plaststoffe, die Schicht hinter der Schicht, die Kontur des zukünftigen Details aus, danach wird das überflüssige Pulver vom Fertigteil abgeschüttelt.
Die dritte Weise – Laminierung – das Detail wird aus der großen Menge der Schichten des Arbeitsmaterials erstellt, die aufeinander schrittweise aufgelegt werden und werden geklebt, dabei schneidet der Laser in jedem die Kontur des Schnitts des zukünftigen Details aus.
Wir betrachten die Weisen des Tintenstrahldruckes.
Die erste Weise: bei der Abkühlung – presst der Verteilungskopf das Erstarren des Materials auf den gekühlten Bahnsteig-Grundlage des Tropfens des aufgewärmten Thermoplaststoffs aus, die schnell erstarren und kleben miteinander zusammen, die Schichten des zukünftigen Objektes die Zweite Weise – die Polyrisation des fotopolymeren Plaststoffs unter dem Einfluß von der ultravioletten Lampe bildend (die Weise auf vorhergehend ähnlich ist, aber sich der Plaststoff unter dem Einfluß vom Ultraviolett verhärtet).
Dritter – das Zusammenkleben oder das Sintern des pulverförmigen Materials – selb dass auch das Lasersintern, wird nur das Pulver vom klebenden Stoff geklebt, der aus dem speziellen Strahlkopf handelt, man kann die Färbung des Details dabei wiedergeben, den verbindenden Stoff verschiedener Farben verwendend.
Wir betrachten Strahl-3D-Presse bis ins Einzelne, da es, offenbar ist, ihr ist es einfacher, für den Bau anzupassen.
Elementar- der Prozesse der räumlichen Strahlpresse ist s.g. Fused Deposition Modeling (FDM). Die Idee FDM ist einfach – der Verteilungskopf presst auf den gekühlten Bahnsteig-Grundlage des Tropfens des aufgewärmten Thermoplaststoffs (aus als Material kann der tatsächlich beliebiger industrielle Thermoplaststoff verwendet werden). Die Tropfen erstarren schnell und kleben miteinander zusammen, die Schichten des zukünftigen Objektes bildend (wird die Presse schichten hier geführt). Technischer Ablauf FDM lässt mit genug hohen Genauigkeit (mit der minimalen Dicke der Schicht bis zu 0,12 mm) die zur Nutzung vollständig fertigen Details des ziemlich großen Umfanges (bis zu 600x600x500 mm zu herstellen) zu. Ein Hauptproduzent der Ausrüstung für FDM ist die Gesellschaft Stratasys.
Wir werden bemerken, dass NASA eine Technologie FDM als Kandidat auf betrachtet “die kosmische Fabrik”. Wirklich, in die kosmische Expedition darf man nicht die unbeschränkte Zahl der Ersatzteile zur ganzen Ausrüstung nehmen, dazu die vollwertige mechanische Abteilung auf das Raumschiff zu unterbringen es ist unmöglich. Und den Ausgangsplaststoff und den speziellen kompakten Wagen zu laden, der aus diesem Plaststoff das geforderte Detail – möglich machen kann.

Der FDM-Drucker, der für die Herstellung der 3D-Erzeugnisse aus dem Plaststoff verwendet wird (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Der FDM-Drucker, der für die Herstellung der 3D-Erzeugnisse aus dem Plaststoff verwendet wird (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Andere Technologie ist eine Entwicklung Polyjet von der Gesellschaft Objet Geometries. Hier wird der Strahlkopf für die Presse vom fotopolymeren Plaststoff verwendet. Das Modell wird die Schicht hinter der Schicht auch gedruckt, wobei die Auflösung in der Schicht 600x300 dpi bildet, und die Dicke der Schicht kann allen bis zu 0,16 mm hingeführt sein. Jede abgedruckte Schicht polymerisiert in den festen Plaststoff unter dem Einfluß von der ultravioletten Lampe. Im Prinzip, es ist auf Stereolithographie (ähnlich historisch verwandelt sich die am meisten erste Weise der Laserpresse, dessen Wesen darin, bei der Beleuchtung vom ultravioletten Licht das flüssige Fotopolymer, das sich in der Arbeitszone des Druckers befindet, verhärtet und in den genug festen Plaststoff), aber es ist um vieles schneller, genauer, einfacher und kompakter. Dabei ist es der Preis für die Drucker Objet mehrmals weniger, als bei den Installationen für Stereolithographie. Das ähnliche System unter dem Titel InVison erzeugt auch die Gesellschaft 3D Systems. Man muss bemerken, dass die Systeme schnell Prototyping in die letzten Jahre schnell billig werden.
Und noch eine Technologie des Tintenstrahldruckes, aber mit der Nutzung der Pulvermaterialien, war im Massen-Atschussetski Technologischen Institut entwickelt, und von erste und dem Hauptproduzenten der Ausrüstung wurde die Gesellschaft Z Corporation. Sie 3D sind die Drucker (von 10 000$ bis zu 30 000$) verhältnismäßig preiswert und arbeiten wesentlich schneller als obenangeführten Einrichtungen. Das Wesen der Technologie folgend – der spezielle Strahlkopf (übrigens angepasst aus den Tintenstrahldruckern Hewlett-Packard) gesprüht auf das Pulvermaterial der klebende Stoff. Als Pulver wird der gewöhnliche Gips oder die Stärke verwendet. In “bespritzt” die Plätze wird das Pulver geklebt und bildet das Modell. Die Presse, wie auch für die vorhergehenden Fälle, geht schichten, und das überflüssige Pulver wird am Ende abgeschüttelt. Jedoch gibt es auch den wesentlichen Unterschied – dieser Drucker kann die klebende Flüssigkeit um der Ergänzung der Pigmentfarbstoffe – so verwenden, die farbigen Modelle zu drucken. Im Farbdrucker von Z Corporation sind 4 Strahlköpfe mit den Tinten-Leimen der Primärfarben bestimmt, so dass das bekommene Modell nicht nur die Form, sondern auch die Färbung (das heißt, die Struktur) des virtuellen Prototyps wiedergeben kann. Die Gipsmodelle ergeben sich nicht sehr fest, aber sie kann man als Formen für das Gießen verwenden.

Die Architektonische 3D-Komposition aus dem Pulver (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Die architektonische 3D-Komposition aus dem Pulver (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Man muss die interessante Variante des obenangeführten Pulvertintenstrahldruckes, die von der Gesellschaft ProMetal entwickelt wird bemerken. Ihr Originalproduktionsprozess (s.g. Direct Metal Process ähnlich) arbeitet ist es, nur anstelle des Gipspulvers werden das Metallpulver verwendet werden. Dann verbrennt sich das vorgeformte Erzeugnis im Ofen, so dass das Pulver entweder selbst abgeschoben wird, oder verbindet sich mehr vom schmelzbar Metall (wie auch beim Lasersintern der Metallpulver).

Das 3D-Detail, das aus dem Metall nach den Technologien ProMetal hergestellt ist (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Das 3D-Detail, das aus dem Metall nach den Technologien ProMetal hergestellt ist (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Natürlich, für die Baubedürfnisse kommt die Weise des Zusammenklebens des pulverförmigen Materials am meisten heran. In diesem Fall wird in den Behälter, der dem Cartridge in den Tintenstrahldruckern ähnlich ist, der Zement, polymer des Materials, die keramische Lösung, oder andere flüssige Materialien unterbracht; freigaben werden die Zahlen der Baustoffe durch die Öffnungen ausgepresst, die Konstruktion, die von der Datei aufgegeben ist – den 3D-Modell im Rechner bildend. Dieser Behälter kann über dem Bauplatz mit Hilfe des Kranes mit der Programmsteuerung verschoben werden.
Solche grundsätzlich neue Art der automatisierten Bautechnik, die im grossräumigen Bau der Häuser und anderer Strukturen in der Perspektive verwendet werden kann, war von den Forscher aus dem Zentrum der Automatisierung der Technologien bei der Kalifornischen Universität auf Grund von tintenstrahl- und der 3D-Drucker und der Wagen für schnell Prototyping entwickelt.
Zu den Plänen dieser Forscher gehört die Entwicklung der Wagen für die Bildung wie eingeschossig, als auch der mehrstöckigen Häuser.

Das Mehrstöckige Haus (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Das mehrstöckige Haus (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Der Wagen für die 3D-Presse vom Beton (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Der Wagen für die 3D-Presse vom Beton (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Man kann mit dem Hausbau aus den Kränzen (den Schichten) parallelisieren, die aus des profilierten Balkens seinerseits bestehen. Jedoch befindet sich erstens der 3D-Drucker im uns interessierenden Fall auf dem Bauplatz (und nicht in der Abteilung, in die profilierten Balken zerschnitten werden). Zweitens verwirklicht sich die Presse aus der CAD-Datei mit dem 3D-Modell (und nicht von der Montage nach dem Album der gewöhnlichen Zeichnungen). Drittens, die Bauelemente wesentlich des kleineren Umfanges (der Pulverbaustoffe) nach dem Vergleich vom profilierten Balken verbinden sich mit der Hilfe des speziellen Materials (dem Zement) eben. Endlich, die Abgabe des Baustoffs (des Betons und des profilierten Balkens entsprechend) verwirklicht sich nicht von den Bauarbeitern, und mit Hilfe des Roboters-Kranes.

Das Einzelhaus aus des profilierten Balkens in Gebiet Tscheljabinsk, nach dem Projekt gebaut werdenden Челябэнергопроект (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Das Einzelhaus aus des profilierten Balkens in Gebiet Tscheljabinsk, nach dem Projekt gebaut werdenden Челябэнергопроект (die zweite Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Wie die Hersteller dieser neuen Weise des Baues bemerken, macht die Presse vom Beton aus den CAD-Dateien eine Errichtung der neuen Objekte schneller, genau (bis zu Millimeter) billig und weniger verschmutzend den Bauplatz. Auch verringern sich die Abfälle und die energetischen Aufwände.
Die nächste Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau – die Vereinigung der Form und des Inhalts.
Wirklich, die betrachtete 3D-Presse lässt gleichzeitig zu, wie die Form, als auch den Inhalt zu erstellen. Unter dem Inhalt hier wird die elektronische Füllung verstanden. Die Forscher aus dem Zentrum der Automatisierung der Technologien berichten bei der Kalifornischen Universität, dass man in die Wände die Sensoren der Deformation (strain gauges) und andere einfügen kann “intellektuell” die Komponenten, sowie die Materialien in verschiedenen Schichten der Konstruktion zu tauschen. Des Installateurs, die elektrischen Systeme, die Verwaltung der Fenster u.a. können auch automatisiert werden.

Die Wand mit der eingebauten elektronischen Füllung (die dritte Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Die Wand mit der eingebauten elektronischen Füllung (die dritte Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

An der Universität Loughborough arbeitet das Forschungsteam der schnellen Produktion an der Weise der Bildung des Baus bis zum Niveau der Armatur und der eingebauten Möbel. Auch werden die Arbeiten an den Projekte nach der Forschung der Materialien, der Bionik (biomimicry), den anpassungsfähigen Konstruktionen und den Technologien für die Prüfung und Aufrechterhaltung der Bauten geführt, dass in oftmals (bis zu einigen Jahren) die Bildung des Hauses nach den Projekten verringert “schlüsselfertig” (man muss bemerken, dass in der Gesellschaft Челябэнергопроект die Projekte erstellen “schlüsselfertig”).
Die betrachtete Technologie hat die Hersteller und die Ingenieure interessiert. “Our main interest is in making structures more efficient by controlling the amount and the distribution of material in the structure according to its needs” – hat Jalal El-Ali, der Ingenieur aus Buro Happold in London gesagt.
Die nächste Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau sind 3D-Drucker, die die Details der eigenen Konstruktion, das heißt wiederholen sich wiedergeben können. Heute wird es vollkommen möglich, und die Entwicklung solchen Wagens vom Projekt RepRap geführt, wobei sich die Informationen über die Konstruktion des 3D-Druckers und die notwendige Software nach den Bedingungen der Lizenz GNU General Public Licence erstreckt.

Der 3D-Drucker (RepRap) aus dem Polymer, begabt zur Selbstreplikation (die vierte Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)
Der 3D-Drucker (RepRap) aus dem Polymer, begabt zur Selbstreplikation (die vierte Stufe der Entwicklung der 3D-Drucker für den Bau)

Die Vereinigung solchen 3D-Druckers mit selbstausgebildet vom neuronalen Netz kann ein das universeller Konstrukteur werden, über den Mathematiker John den Hintergrund Nejman vor einem halben Jahrhundert (gerade auf Grund von der Architektur den Hintergrund Nejmana schrieb es sind die modernen Personalrechner) aufgebaut.
So betrachtet “die Presse” erlaubt es ist mehr rentabel, kompliziert nach der Form und dem Inhalt (mit zu erzeugen “intellektuell” von der Füllung, der Möbel) die farbigen Bauelemente mit hoch Detaillierung und der Qualität der Bearbeitung der Oberfläche ist es nach der CAD-Datei unmittelbar. Auch ist mit Hilfe der neuen Technologie das Variieren der Struktur des Materials innerhalb des Elementes der Konstruktion mittels der Nutzung für die Bildung der inneren Schichten verschiedener Materialien möglich.

Die Quellen:
1. Afanasyev K. Die 3D-Drucker, 2004 [http://www.3dnews.ru/peripheral/3d-print/]
2. Bowen T. As prefabrication sheds its off-the-rack image, automation via 3D printing threatens to transform conventional construction, 2007
[http://archrecord.construction.com/tech/techBriefs/0704dignews-2.asp]

Der Autor: Челябэнергопроект
Das Datum: 03.03.2009

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