The Web-site of design Company Chelyabenergoproekt in English   English
Проектные работы в проектной организации Челябэнергопроект Заказать проектные работы в письме к проектной организации Челябэнергопроект Карта сайта
Die Web-seite der Projektorganisation Tscheljabenergoprojekt in Deutsch   Deutsch




Création de site web société française Chelyabenergoproekt   Française

   Облако тегов на сайте проектной организации Челябэнергопроект
Проекты интеллектуального мастерства!
новости компании
30.12.2015 С Новым годом!
Администрация ...
21.12.2015 С Днём Энергетика!
Уважаемые друзья и коллеги! Поздравляю вас с нашим большим праздником – Днем Энергетика! ...



новости отрасли
объекты Ростехнадзора
  Облако тегов
проектирование монтаж ключ котел кран сертификат ГОСТ ремонт заказЧелябинск

3D-печать для проектов под ключ
В условиях мирового финансового кризиса сложно наладить производство, но именно в это время могут появляться и внедряться идеи, которые, в частности, могут позволить сократить расходы на возведение малоэтажного жилья, дорог и других небольших объектов. В данной статье рассмотрен переход от струйных обычных принтеров (2D) к трехмерным принтерам (3D-принтерам).
Перенос 2D-объектов небольшого размера из реального мира в компьютер и обратно стал быстрым, простым и дешевым благодаря широкому распространению принтеров и сканеров.
Например, в Челябэнергопроект для проектных работ (сканирования и печати) применяется сканер формата A3, принтеры формата А3 и цветной плоттер формата A1.

Применяемый в Челябэнергопроект для проектных работ цветной плоттер формата A1 Hewlett-Packard DesignJet 130
Применяемый в Челябэнергопроект для проектных работ цветной плоттер формата A1 Hewlett-Packard DesignJet 130

Необходимо отметить, что возможен перенос 2D-объекта через компьютер.
Например, в Челябэнергопроект для проектных работ (копирования) применяется ксерокс формата A0.

Ксерокс формата A0 Ricoh FW780, применяемый в Челябэнергопроект для проектных работ
Ксерокс формата A0 Ricoh FW780, применяемый в Челябэнергопроект для проектных работ
Однако в случае подобного переноса 3D-объектов все сложнее.
Действительно, даже компьютерное моделирование нетиповых 3D-объектов доступно только специалистам, причем в весьма дорогостоящих пакетах, например, в пакете Autodesk 3DS Max, который стоит около 200 000 рублей.

Модель дома в Autodesk 3DS Max, созданная специалистом из Челябэнергопроект
Модель дома в Autodesk 3DS Max, созданная специалистом из Челябэнергопроект
Намного упрощает процесс переноса объектов из реального мира в компьютерный специальные 3D-сканеры. Например, при проектировании некоторых улиц Москвы планируется использование специального мобильного лазерного сканирующего устройства, которое, проходя по улицам города, будет выдавать 3D-модель.
Перенос 3D-модели в реальный мир возможен только с помощью дорогостоящего оборудования на производстве или в лаборатории, но ни как в домашних условиях.
Окупится ли создание реального объекта по ее 3D-модели, зачем это нужно? Главная потребность в индустрии – это быстрое изготовление прототипов. Действительно, высока вероятность значительного снижения стоимости разработки сложного продукта при наличии возможности посмотреть инженерам, а также заказчику на реальный продукт (или его макет), а не на альбом чертежей, понятный только соответствующим специалистам.
Кроме того, на макете можно проводить тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Более того, прототипы позволяют проводить такие тесты, которые на готовом изделии не проведешь. Например, можно использовать прозрачную пластиковую модель водоснабжения при проектировании нетиповых сооружений, таких как вращающийся небоскреб в Москве. Но главное то, что такую модель можно сделать очень быстро, что в наше время высоких скоростей очень важно. Заметим, существует целая индустрия быстрого прототипирования (rapid prototyping), которая как раз и занимается разработкой и использований технологий объемной печати для этих целей.
Следующий шаг – быстрое производство. Уже сейчас некоторые технологии быстрого прототипирования позволяют изготовлять готовые предметы из различных материалов. Это идеальное решение для малосерийного производства, поскольку стандартный техпроцесс дает возможность сделать (в разумных пределах) что угодно за относительно небольшое время. К тому же некоторые из технологий 3D-печати позволяют быстро изготовлять формы для литья, а дальше производственный процесс уже известен. Можно провести параллель с цифровыми устройствами на базе FPGA (field-programmable gate array), т.е. на базе программируемой логики, совершившими настоящую революцию в электронике. Технология FPGA позволяет описывать электронные схемы на компьютере, а затем быстро реализовывать все описанное в стандартной микросхеме. Причем можно изготовить микропроцессор, микроконтроллер и т.п. практически в домашних условиях. Рассмотрим первую ступень развития 3D-принтеров для строительства – это создание станков с программным управлением. Они называются CNC machines (CNC – computer numerically controlled, или, станок с числовым программным управлением). Эти устройства могут управляться непосредственно из CAD-программ и вырезать, выпиливать и высверливать в материале модели, которые в этих программах разрабатываются. Материалы почти любые – от пластика или дерева до мягких металлов (бронзы, алюминия).
Например, линейка станков MDX от компании Roland. Заметим, что Roland поставляет к своим станкам специальную пьезоэлектрическую сканирующую головку, которая позволяет делать обратное преобразование – переводить реальные предметы в компьютерные 3D-модели.

Станок с числовым программным управлением, применяемый для нанесения 3D-изображений на деревянные изделия (первая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Станок с числовым программным управлением, применяемый для нанесения 3D-изображений на деревянные изделия (первая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

CNC-станки делятся на три основных вида: токарные, фрезерные и роутеры (routers) (нас интересуют последний вид). Заметим, что выпускаются и машинки с четырьмя степенями свободы, сочетающие в себе до определенной степени возможности фрезерных и токарных станков. Использовать эту технику можно для непосредственного изготовления объектов по 3D-моделям, для гравировки, моделирования, а также и для подготовки форм для литья, что существенно расширяет область их применения.
Рассмотрим вторую ступень развития 3D-принтеров для строительства – это разработка лазерной и струйной технологии 3D-печати.
Рассмотрим способы лазерной печати.
Первый способ: ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем, при этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.
Второй способ – лазерное спекание: лазер выжигает в порошке из легкосплавного пластика, слой за слоем, контур будущей детали, после этого лишний порошок стряхивается с готовой детали.
Третий способ – ламинирование – деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.
Рассмотрим способы струйной печати.
Первый способ: застывание материала при охлаждении – раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика, которые быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта Второй способ – полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы (способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета).
Третий – склеивание или спекание порошкообразного материала – то же самое что и лазерное спекание, только порошок склеивается клеящим веществом, поступающим из специальной струйной головки, при этом можно воспроизвести окраску детали, используя связующее вещество различных цветов.
Рассмотрим струйную 3D-печать более подробно, поскольку, очевидно, ее проще адаптировать для строительства.
Простейший из процессов струйной объемной печати – это т. н. Fused Deposition Modeling (FDM). Идея FDM проста – раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика (в качестве материала может использоваться практически любой промышленный термопластик). Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта (печать здесь ведется послойно). Техпроцесс FDM позволяет с достаточно высокой точностью (с минимальной толщиной слоя до 0,12 мм) изготовлять полностью готовые к использованию детали довольно большого размера (до 600x600x500 мм). Основным производителем оборудования для FDM является компания Stratasys.
Заметим, что NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на «космическую фабрику». Действительно, в космическую экспедицию нельзя взять неограниченное количество запчастей ко всему оборудованию, к тому же поместить полноценный механический цех на космический корабль невозможно. А вот загрузить исходный пластик и специальную компактную машину, которая сможет сделать из этого пластика требуемую деталь – возможно.

FDM-принтер, применяемый для изготовления 3D-изделий из пластика (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
FDM-принтер, применяемый для изготовления 3D-изделий из пластика (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Другая технология – это разработка Polyjet от компании Objet Geometries. Здесь струйная головка используется для печати фотополимерным пластиком. Модель также печатается слой за слоем, причем разрешение в слое составляет 600x300 dpi, а толщина слоя может быть доведена всего до 0,16 мм. Каждый отпечатанный слой полимеризируется в твердый пластик под действием ультрафиолетовой лампы. В принципе, это похоже на стереолитографию (исторически самый первый способ лазерной печати, суть которого в том, при освещении ультрафиолетовым светом жидкий фотополимер, находящийся в рабочей зоне принтера, затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик), но намного быстрее, точнее, проще и компактнее. При этом цена на принтеры Objet в несколько раз меньше, чем у установок для стереолитографии. Аналогичную систему под названием InVison производит и компания 3D Systems. Необходимо отметить, что системы быстрого прототипирования в последние годы быстро дешевеют.
И еще одна технология струйной печати, но с использованием порошковых материалов, была разработана в Массачусетском Технологическом Институте, а первым и основным производителем оборудования стала компания Z Corporation. Её 3D принтеры относительно недороги (от 10 000$ до 30 000$) и работают существенно быстрее вышеописанных устройств. Суть технологии следующая – специальная струйная головка (кстати, адаптированная из струйных принтеров Hewlett-Packard) набрызгивает на порошковый материал клеящее вещество. В качестве порошка используется обычный гипс или крахмал. В «забрызганных» местах порошок склеивается и формирует модель. Печать, как и в предыдущих случаях, идет послойно, а лишний порошок в конце стряхивается. Однако есть и существенная разница – этот принтер может использовать клеящую жидкость с добавление пигментных красителей – а значит, печатать цветные модели. В цветном принтере от Z Corporation установлены 4 струйные головки с чернилами-клеем основных цветов, так что полученная модель может воспроизводить не только форму, но и окраску (то есть, текстуру) своего виртуального прототипа. Гипсовые модели получаются не очень прочными, но их можно использовать в качестве форм для литья.

Архитектурная 3D-композиция из порошка (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Архитектурная 3D-композиция из порошка (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Необходимо отметить интересный вариант вышеописанной порошковой струйной печати, разрабатываемый компанией ProMetal. Ее фирменный производственный процесс (т.н. Direct Metal Process) работает аналогично, только вместо гипсового порошка применятся металлический порошок. Затем сформованное изделие обжигается в печи, так что порошок либо сплавляется сам, либо связывается более легкоплавким металлом (как и при лазерном спекании металлических порошков).

3D-деталь, изготовленная из металла по технологии ProMetal (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
3D-деталь, изготовленная из металла по технологии ProMetal (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Разумеется, для строительных нужд больше всего подходит способ склеивания порошкообразного материала. В этом случае в резервуар, подобный картриджу в струйных принтерах, помещается цемент, полимерные материала, керамический раствор, или другие жидкие материалы; отмеренные количества строительных материалов выдавливаются сквозь отверстия, формируя конструкцию, заданную файлом – 3D-моделью в компьютере. Этот резервуар может перемещаться над строительной площадкой с помощью крана с программным управлением.
Такой принципиально новый вид автоматизированной строительной техники, которая в перспективе может применяться в крупномасштабном строительстве домов и других структур, был разработан исследователями из Центра автоматизации технологий производства при Калифорнийском университете на базе струйных и 3D-принтеров и машин для быстрого прототипирования.
В планы этих исследователей входит разработка машин для создания как одноэтажных, так и многоэтажных домов.

Многоэтажный дом (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Многоэтажный дом (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Машина для 3D-печати бетоном (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Машина для 3D-печати бетоном (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Можно провести параллель со строительством дома из венцов (слоев), которые в свою очередь состоят из профилированного бруса. Однако, во-первых, в интересующем нас случае 3D-принтер находится на стройплощадке (а не в цеху, в котором разрезаются профилированные брусья). Во-вторых, печать осуществляется из CAD-файла с 3D-моделью (а не сборкой по альбому обычных чертежей). В-третьих, строительные элементы значительно меньшего размера (порошковые строительные материалы) по сравнению профилированным брусом и соединяются с помощью специального материала (цемента). Наконец, подача строительного материала (бетона и профилированного бруса соответственно) осуществляется не строителями, а с помощью робота-крана.

Коттедж из профилированного бруса в Челябинской области, строящийся по проекту Челябэнергопроект (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Коттедж из профилированного бруса в Челябинской области, строящийся по проекту Челябэнергопроект (вторая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Как отмечают разработчики этого нового способа строительства, печать бетоном из CAD-файлов делает возведение новых объектов более быстрым, точным (до миллиметра) дешевым и менее загрязняющим строительную площадку. Также уменьшаются отходы и энергетические затраты.
Следующая ступень развития 3D-принтеров для строительства – объединение формы и содержания.
Действительно, рассматриваемая 3D-печать позволяет одновременно создавать как форму, так и содержание. Под содержанием здесь подразумевается электронная начинка. Исследователи из Центра автоматизации технологий производства при Калифорнийском университете уточняют, что в стены можно вставить датчики деформации (strain gauges) и другие «интеллектуальные» компоненты, а также менять материалы в различных слоях конструкции. Сантехника, электрические системы, управление окнами и др. также могут автоматизироваться.

Стена со встроенной электронной начинкой (третья ступень развития 3D-принтеров для строительства)
Стена со встроенной электронной начинкой (третья ступень развития 3D-принтеров для строительства)

В университете Loughborough научно-исследовательская группа быстрого производства работает над способом создания строения вплоть до уровня арматуры и встроенной мебели. Также ведутся работы над проектами по исследованию материалов, бионики (biomimicry), адаптивными построениями и технологиями для проверки и поддерживания строений, что во много раз (до нескольких лет) уменьшает создание дома по проектам «под ключ» (необходимо отметить, что в компании Челябэнергопроект создают проекты «под ключ»).
Рассматриваемая технология заинтересовала разработчиков и инженеров. «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», – сказал Jalal El-Ali, инженер из Buro Happold в Лондоне.
Следующая ступень развития 3D-принтеров для строительства – это 3D-принтеры, которые могут воспроизводить детали собственной конструкции, то есть реплицировать сами себя. Сегодня это вполне осуществимо, и разработка такой машины ведётся проектом RepRap, причём информация о конструкции 3D-принтера и необходимое программное обеспечение распространяется по условиям лицензии GNU General Public Licence.

3D-принтер (RepRap) из полимера, способный к саморепликации (четвертая ступень развития 3D-принтеров для строительства)
3D-принтер (RepRap) из полимера, способный к саморепликации (четвертая ступень развития 3D-принтеров для строительства)

Объединение такого 3D-принтера с самообучающейся нейронной сетью может стать тем самым универсальным конструктором, о котором писал математик Джон фон Нейман полвека назад (именно на базе архитектуры фон Неймана построены современные персональные компьютеры).
Таким образом, рассмотренная «печать» позволяет более экономично производить сложные по форме и содержанию (с «интеллектуальной» начинкой, мебелью) цветные строительные элементы с высокой деталировкой и качеством обработки поверхности непосредственно по CAD-файлу. Также с помощью новой технологии возможно варьирование структуры материала внутри элемента конструкции путем использования для создания внутренних слоев разных материалов.

Источники:
1. Афанасьев, К. 3D-принтеры, 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]

Автор: Челябэнергопроект
Дата: 03.03.2009

Комментарии специалистов Челябэнергопроект:
Нет
Статьи

смета проектных работ
©Челябэнергопроект – проектные работыinfo@chepr.ru, 2007-2013
DRA.RU - проектирование сайта под ключ; системный администратор ООО «Челябэнергопроект»
Главная|О компании|Стратегия|
Компетенция / услуги|Контакты
Сертификат качества