Как напечатать дом: плюсы и минусы аддитивных технологий

Поверхность модели

FDM: послойное создание модельки сопровождается грубостью получаемой заготовки. Линии хорошо видны, составляют около 50-400 мкм в зависимости от толщины сопла. Исправить эту проблему практически невозможно, только через пост-обработку. Качественная сторона во многом определяется моделированием. Это требует хорошей подготовки, которая включает корректировка пустот, разрывов и так далее.

SLA: технологический процесс предполагает использование лазера, который детально обрабатывает каждую линию и соединяет ее практически без шва. Так как линии более тонкие, можно формировать более точную и гладкую поверхность. Ширина лазера составляет всего 20 мкм.

Аддитивное производство в России

В лаборатории аддитивных технологий Самарского университета выполняются уникальные проекты 3D-печати металлами на установке SLM Solutions / Фото: Екатерина Винокурова

В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано, около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства. На предприятиях появляются лаборатории по разработке и внедрению 3D-решений на отдельных участках технологического цикла.

Сегодня речь о полном переходе на аддитивные технологии не идет – пока что они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла. Тем не менее, эксперты отрасли утверждают, что в недалеком будущем аддитивное производство станет неотъемлемой частью технологических процессов на предприятии.

Хотите узнать больше о 3D-технологиях? Подписывайтесь на наш блог и получите консультацию у экспертов iQB Technologies: +7 (495) 223-02-06.

Статья опубликована 16.08.2017 , обновлена 12.12.2022

Технология строительства дома с помощью Зд-принтера

Использовать 3д-принтер для строительства домов пытались одновременно учёные из Великобритании, США и Китая. Основной проблемой, которая мешала печатать жилые конструкции, было отсутствие подходящего материала. Для 3d-печати вещей обычно используется пластик. Однако для строительства зданий он не подходит — это не морозостойкий и не звукопоглощающий материал.

Несколько лет назад учёные из этих стран разработали особый цементный состав. Он позволяет получать изделия любых форм: прямые, изогнутые, рельефные, выпуклые, кубические. Такой цемент сделал возможной печать деталей для настоящих домов. Сейчас в качестве материала для печати используются смеси цемента с измельчённым строительным мусором, стекловолокном, целлюлозой и полимерной фиброй.

Строительная 3d-печать состоит из следующих этапов:

1. Разработка 3d-модели будущего здания в компьютерной программе.
2. Разделение модели на слои в поперечном сечении.
3. Печать моделей на специальном принтере. Аппарат послойно наносит цементный состав, формируя объёмную деталь.
4. Застывание напечатанных деталей.

После застывания модули готовы к использованию. Здания из напечатанных частей собирают на месте строительства про принципу конструктора. Современные принтеры позволяют изготавливать любые части домов (коробки, несущие конструкции, арки, цилиндры) с заранее предусмотренными технологическими отверстиями. Это значительно упрощает сборку конструкций.

3d-принтеры послойно наносят цементный состав, в итоге получая готовый строительный модуль

Впрочем, на этом развитие технологий не останавливается. В ближайшее время в продаже появятся принтеры, позволяющие печатать не отдельные детали, а здания целиком, включая проводку и даже сантехнику. 3D-печать в сфере строительства находится на самом начальном этапе развития и ближайшее время удивит мир новыми возможностями.

Преимущества и недостатки такого строительства

Отрасль печати жилых домов очень новая и инновационная. Любой производитель является исследователем и первооткрывателем. По этой причине может быть непонятно, какие плюсы и минусы есть у отрасли. Среди преимуществ 3d-печати домов можно назвать:

1. Высокую скорость строительства.
2. Напечатанные детали прочные, морозоустойчивые, хорошо переносят воздействие влаги. Фактические они не уступают деталям из стандартных строительных материалов.
3. Принтер работает в течение 24 часов, при этом не требует контроля во время печати (только на стадии запуска).
4. Современные принтеры производят не только коробки зданий и несущие конструкции, но даже перегородки, лестницы, скамейки, беседки, башни.
5. При разработке 3d-модели на компьютере детали строения многократно оптимизируются.
6. Сборка дома из готовых модулей значительно проще традиционного строительства.
7. Существенная экономия средств и трудозатрат. Средняя стоимость напечатанного дома находится на уровне 20 000 долларов (1 300 000 рублей), что примерно в 2 раза меньше кирпичного аналога.

Недостатки:

1. Высокая стоимость оборудования. Эта слабая сторона компенсируется быстрой работой оборудования и быстрой окупаемостью.
2. Невозможность напечатать кровлю. Крыши у напечатанных домов в настоящее время выполняются из традиционных кровельных материалов.
3. Недостаточная распространённость на российском рынке. Компании, работающие в сфере 3d-печати зданий, являются первопроходцами. Свою работу они строят методом проб и ошибок. Хотя в целом положительный опыт доминирует над отрицательным.

Таким образом, преимуществ у нового способа строительства значительно больше, чем недостатков. А с учётом активного развития этой отрасли, можно с уверенностью сказать, что большинство минусов уже в ближайшее время будут ликвидированы.

В России уже есть дома, построенные с помощью 3d-принтера — в Ярославской и Московской областях

3D-печать послезавтра

На мой взгляд, через 30 лет большинство традиционных производственных технологий уйдут в прошлое. Останутся только высокопроизводительные технологии, такие как тонколистовая штамповка, прокат и металлические профили.

Технологию производства крупногабаритных несложных деталей, которые можно быстро изготовить традиционным способом, заменить на 3D-аналог сложно из-за их небольшой цены и высокой скорости производства. Уйдут в прошлое фрезерная обработка, литье, ковка, то есть традиционные способы изготовления деталей сложной формы.

Кроме того, с развитием технологии 3D-печати форма и внутренняя структура всех деталей будут все более сложными. Это нужно для повышения качества эксплуатации и срока службы. Если сейчас можно встретить конструкцию, которая собирается из 100 частей, для фиксации которых используется 1000 болтов, то в будущем ее можно заменить на один элемент сложной формы. Такие детали смогут выдерживать значительно большую нагрузку, а весить в два-три раза меньше, чем их современные аналоги.

Идем дальше. Разработать такую деталь человеку будет крайне проблематично и затратно, поэтому в проектировании значительную роль будет играть искусственный интеллект.

Такие детали смогут похвастаться бионическим дизайном и будут выглядеть более естественно. Их отличительной чертой станут плавные линии — как будто их создала сама природа. При проектировании будут использоваться такие же алгоритмы и принципы, как и при эволюционном развитии, только у компьютера это будет занимать часы и минуты, а не миллионы лет.

А вот домашние 3D-принтеры в каждой квартире в ближайшие 50 лет, скорее всего, не появятся. Все просто: человеку легче взять готовый продукт, чем прикладывать усилия для того, чтобы сделать все самому. Конечно, есть энтузиасты, которым это интересно, но их очень немного. Кроме того, нет такой технологии, которая позволяет без специального образования и богатого опыта изготовить что-то действительно полезное. И наконец, нет 3D-принтера, который способен создать множество объектов из разных материалов — одновременно и вилку, и ботинки. Кроме того, чтобы завоевать популярность, он должен иметь доступную цену и быть простым в использовании. Таких разработок нет и не будет даже в отдаленной перспективе.

Прочность

FDM: наличие большего ассортимента расходных материалов, которые используются с технологией, уже указывают на более широкий спектр свойств. Прочность не является исключением, поэтому получаемые детали отличаются легкостью и высоким удельным сопротивлением на излом. Если в приоритете долговечность, достаточно воспользоваться печатью с применением нейлонового углеродного волокна.

SLA: задачи фотополимерных принтеров – это создать точность, вопросы прочности отходят на второй план. На текущий момент специалисты постоянно совершенствуют смолу, делают ее более твердыми и менее подверженными механическим факторам. Трещины и деформации – это частая проблема, которая пока никак не решается.

Гибкость производства

Как уже упоминалось, аддитивное производство не требует подготовки оснастки и перепрофилирования производственных мощностей. Вся необходимая подготовка к изготовлению новой детали — это создание цифровой модели. И тут аддитивные технологии значительно превосходят литье и штамповку.

Ещё одно преимущество 3D-принтеров заключается в способности напечатать практически всё, что может поместиться в объеме его области печати. Другие же производственные процессы (кроме фрезерования) требуют изготовления нового инструмента, пресс-формы или матрицы для создания нового или изменения дизайна существующего продукта.

Фото: simplify3d.com

Одним из наиболее существенных недостатков 3Д принтеров является использование поддержек. Суть состоит в том, что 3D-принтер создаёт модель послойно, и в точках, где возможна деформация или есть смещение центра тяжести, необходимо использование поддержек, чтобы предотвратить опрокидывание или разрушение модели в процессе печати

В последующем необходимо произвести постобработку, осторожно удаляя лишний материал, а затем отшлифовать деталь, чтобы сгладить шероховатости. Есть и альтернативные решения, такие как поддержки из PVA

ПВА растворяется в теплой воде, поэтому удалить его можно погрузив модель в воду на ночь.

Фото: all3dp.com

Однако, для использования этого метода требуется принтер, который может печатать несколькими материалами одновременно, а PVA несколько дороже, чем обычные PLA или ABS пластики.

Фото: community.ultimaker.com

При 3D-печати по технологии SLS, когда принтер лазерным лучом спекает между собой частицы наносимого послойно порошка, обычно нейлонового или из другого полимера, поддержкой служит сам находящийся вокруг порошок, что позволяет не использовать конструкционные поддержки и печатать любое количество деталей во всем объеме камеры принтера.

Иллюстрация: Formlabs.com

Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства также ярко выражены и в возможности печати подвижных частей и механизмов в собранном состоянии. Это же утверждение справедливо и в отношении простоты производства деталей со скрытыми полостями и сложной структурой заполнения материалом.

Фото: pinterest.com

Скептики частенько указывают на такой недостаток технологии, как ограниченность в выборе материалов для производства. Данное утверждение справедливо, но на сегодняшний день уже существуют сотни различных материалов, с которыми могут работать 3D-печатники и этот перечень неуклонно расширяется. Ассортимент этих материалов не ограничивается лишь различиями в цвете или механических свойствах, существуют ароматизированные, магнитные, токопроводящие, изменяющие цвет и многие другие виды филаментов, порошков и фотополимеров для 3D-печати.

Фото: filamentguide.net

Недостатки аддитивных технологий

Недостатки всегда являются обратной стороной преимуществ. Насколько хорошо аддитивное производство мелкосерийных и уникальных изделий, настолько же оно проигрывает, когда речь идет о масс-маркете. Можно поставить принтер в каждый дом и не покупать кружки и ложки в магазине, а печатать их штучно. Но массовое производство делает эти изделия дешевле на два порядка, и домашний 3D-принтер при таком использовании не окупится никогда.

Есть и технические минусы, обусловленные особенностями технологии:

1.

Свойства материала (детали, изготовленные по АП-процессу часто имеют анизотропные свойства, что обусловлено их послойной природой);

С чем связаны проблемы 3D-печати

В опросе, проведенном Jabil в 2017 году, респонденты назвали главной проблемой аддитивного производства расходы на него (на предварительную и постобработку, оборудование и материалы), а в 2019-м большинство опрошенных сетовали на высокую стоимость материалов. И действительно, в последние годы технология все больше сталкивается с проблемами, связанными с материалами для производства. Взгляните:

Несмотря на то, что в таблице представлены только основные 5 проблем, с которыми сталкиваются производители в таких отраслях, как бытовая электроника, здравоохранение, производство тяжелой техники, автомобилестроение, транспорт и промышленное станкостроение, при их индивидуальном рассмотрении мы также обнаруживаем определенную закономерность.

Более детальное исследование показывает, что для 56% компаний главной проблемой использования 3D-печати является стоимость или доступность необходимых материалов. 44% особо подчеркивают свои проблемы с кадрами (такие как нехватка квалифицированного персонала или профильных специалистов), а 39% выделяют трудности с самими производственными процессами (например, проблемы проектирования или постобработки). Среди прочих трудностей, связанных с 3D-печатью, респонденты указывали на проблемы с платформой (доступность или стоимость 3D-принтеров применительно к решению конкретных задач) и экосистемой (взаимодействие с производственным циклом, системами управления предприятием и организации производства). Подобного рода трудности распределены в таблице по отраслям.

Устройство строительного 3D принтера, принцип работы

Стоит отметить, что аддитивные технологии и способы 3D печати бывают разные: лазерное плавление, спекание, стереолитография, наплавления. Следовательно, устройства принтеров тоже различны.

В строительстве используется два типа печати:

• метод экструзии LDM, аналогичный FDM, но без нагрева;
• 3DP или 3D печать сухим порошковым материалом. Данный способ аналогичен SLS (лазерному спеканию), но вместо лазера материал склеивают связующим раствором.

Метод экструзии является самый распространённым. С его помощью можно создавать отдельные строительные элементы, а также полностью возводить здание непосредственно на участке. Второй способ применяется в основном для изготовления декоративных строительных элементов, малых архитектурных форм.

Печать осуществляется специально печатающей головкой, оснащённой шнековым экструдером и бункером для смеси. Специальная мелкозернистая смесь подаётся в бункер вручную или с помощью насоса и послойно выдавливается на участок согласно проектной документации. Таким образом формируются отдельные детали или стены дома.

Существует три основных вида строительного принтера:

• портальный;
• с дельтовидным приводом;
• кранового типа;
• манипулятор.

Портальный строительный принтер

Наиболее перспективный вид строительного 3D принтера. Он напоминает козловой кран, но вместо крюка на тросе у него ферма с печатающей головкой. Этот тип ещё называют XYZ-принтер, поскольку при печати он перемещается по трём взаимно перпендикулярным осям.

В качестве привода обычно используются шаговые двигатели. Такие принтеры способны печатать отдельные детали, малые архитектурные формы, а также небольшие здания целиком, при условии, что они помещаются под аркой устройства.

Простота и надёжность конструкции, а также возможность возведения здания непосредственно на участке являются важными преимуществами данного оборудования. В тоже время, большие габариты и трудоёмкий процесс сборки ограничивают возможность оперативного перемещения.

Трёхосевой (дельтовидный) принтер

Конструкция трёхосевых принтеров похожи на портальную. Основой конструкции также является металлическая ферма. Но она не перемещается на рельсах, а фиксирована. Также отличается крепление печатающей головки. Бункер с экструдером закреплены на рычагах, представляющих собой перевёрнутый штатив с телескопическими «ногами», которые закреплены на направляющих. Таким образом обеспечивается большая подвижность печатающего устройства, но ограничивается площадь печати.

Именно небольшое пространство рабочей зоны дельтавидного 3D принтера и трудоёмкий процесс сборки существенно сужают сферу применения данного оборудования.

Крановый принтер и манипулятор

Иногда печатающее устройство ставят не по периметру, а в середину объекта. Такие принтеры напоминают башенные строительные краны. Их обычно размещают внутри здания, поскольку рабочая зона такого оборудования ограничена вылетом стрелы. Однако они имеют небольшие габариты и вес, что позволяет легко транспортировать. К тому же подготовка такого оборудования к работе происходит достаточно быстро.

Принтеры-манипуляторы используют роботизированную руку для перемещения печатающей головки. Они мобильны, имеют большую гибкость по сравнению с оборудованием кранового типа. Но из-за своей технологичности их цена гораздо выше аналогов.

Стоит отметить, что разработчики не останавливаются на стандартных решениях. Кроме создания непосредственно 3D принтеров, существует оборудование для печати строительных конструкций, являющееся сменным оборудованием. Например, французская компания оснастила кран-паук бетононасосным оборудованием, которое подаёт раствор на закреплённую на конце стрелы печатающую головку. Таким образом базовая машина может выполнять функции крана или возводить бетонные внутренние перегородки.

3d строительство домов — миф или реальность?

Сегодня соперничают между собой две технологии 3d в строительстве: европейская и китайская. Согласно первой, строительный 3d принтер используется исключительно для производства строительных материалов и комплектующих в различных количествах. Однако само строительство здесь отводится человеку.

Китайские новаторы шагнули дальше. В их понимании проще все делать «под ключ». Поэтому в фокусе внимания – создание при помощи 3-d принтера дешевого и эффективного специального стекловолокна. При его добавлении бетонная смесь приобретала сильные технико-эксплуатационные свойства (например, снижалась теплопроводность). Человеческий фактор при этом – отсутствует на всех этапах печати.

Станет ли 3D- печать экологическим будущим строительства?

3D-печать способна коренным образом изменить цепочку и структуру поставок, благодаря новому методу проектирования и производства. Согласно исследованию,  3D-печать может помочь строительной отрасли стать более экономичной, более эффективной и экологичной.

Ученые из Саксонского Университета Прикладных наук Иво Котман и Нейлс Фабер утверждают, что технология 3D печати «изменят правила игры». Они исследовали возможности 3D-печати бетона, и их выводы таковы:

• 3D-печать сокращает цепочку поставок и в целом сам процесс проектирования. 3D-печать прямо на стройплощадке исключает трудоемкие этапы процесса проектирования. Архитекторы, инженеры, подрядчики, клиенты и  руководители, которые обычно должны активно участвовать в проекте, в 3D-печати больше не нужны. Поскольку все задачи могут совмещаться в одной фигуре архитектора, который использует метод моделирования и воспроизводит точные целостные конструкции.
• Монтаж труб и проводка электричества становятся проще и более эффективнее. Системы отопления, изоляция, водопровод и электричество — все это требует трудоемкого монтажа на месте при традиционном строительстве. Однако при 3D-печати некоторые из этих функций могут быть включены в процесс 3D-печати. Печать полых стен требует меньше ресурсов, улучшает изоляцию и она дает возможность использовать напечатанные на 3D-принтере каналы для подачи горячей или холодной воды. Более того, нивелируется необходимость установки на стройплощадке, что напрямую влияет на сокращение отходов.
• Лучшая логистика. 3D-печать устраняет 3 проблемы, связанных с логистикой и доставкой. Во-первых, много материалов и элементов часто портятся при доставке, а если печатать все на площадке, то повреждения минимизируются

Во-вторых, чтобы выдерживать транспортировку, части должны быть с повышенными техническими характеристиками, что по умолчанию удорожает их, а значит, и весь проект. Избежать таких дополнительных затрат поможет 3D-печать прямо на строительной площадке.

Создание индивидуальных проектов домов, доступных для широкого рынка. Обычно строительство дома с привлечением к проекту архитектора дорогое удовольствие для большинства потребителей. Но с 3D-печатью из бетона вы можете не беспокоится о выбранной форме, это не будет стоить дороже. Фактически, это значит, что в будущем больше людей смогут покупать дома по их собственному проекту в соответствии с их индивидуальными потребностями

Специалист по аддитивным технологиям, 3D-печати

Тест на профессию

Вид деятельности

Творить, создавать нечто новое, проектировать, контролировать, проверять, оценивать, работать по технологии, в соответствии с требованиями и правилами

Краткое описание

Специалист по аддитивным технологиям

(инженер в сфере аддитивных технологий, специалист 3D-печати, инженер 3D-печати, оператор 3D-печати) – специалист, создающий изделия методом 3D-печати. Профессия появилась с распространением революционной технологии – создания объемного объекта путем послойной печати. С помощью 3D-принтера и разных материалов уже создают детали для машиностроения и электроники, дома, музыкальные инструменты, еду, биологические объекты (например, стволовые клетки), но перспективы аддитивных технологий в масштабах мировой экономики еще трудно оценить. 3D-печать удешевляет и упрощает многие производственные процессы.

Главные преимущества 3D-печати:

• Безотходность производства. Обычную деталь вытачивают, значит, остается лишний материал, а при послойной печати материал использует без остатка, т.е. экономно.
• Независимость производства. Теперь компания, имеющая 3D-печатное оборудование может не зависеть от поставок комплектующих, а создавать нужные детали на своей технической базе. Особенно перспективно устанавливать 3D-оборудование на военных судах, подводных лодках, космической станции, где доставка деталей для ремонта затруднена.

Чем занимается специалист по аддитивным технологиям:

• Прием заявок от клиентов, обработка и систематизация заказов
• Подготовка моделей под 3D-печать (моделирование и проектирование)
• Запуск 3D-принтеров и обеспечение бесперебойности печати
• Постобработка результатов 3D-печати
• Сервисное обслуживание 3D-принтеров
• Обучение коллег
• Консультирование клиентов азам и нюансам 3D-печати

Где учиться

Образование по специальности «Аддитивные технологии» в России только зарождается. Оно относится к среднему профессиональному образованию. В результате обучения выпускник получает квалификацию «техник-технолог». Программы обучения аддитивным технологиям входят и в инженерную специальность «Инноватика», которую можно получить в передовых технических вузах.

Направления образования:

Машиностроение (15.00.00) Управление в технических системах (27.00.00)

Вузы:

• Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ)
• Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
• Московский политехнический университет

Колледжи, техникумы, училища:

• Политехнический колледж №8 им. Дважды Героя Советского союза И.Ф. Павлова (ПК №8)
• Колледж предпринимательства №11 (КП №11)
• Колледж современных технологий им. Героя Советского Союза М.Ф. Панова
• Рошальский техникум

Где работать

• General Electric
• Airbus
• HP
• Top 3D Shop
• Лаборатории НИОКР
• Сколково
• Детские кружки по моделированию, программированию и 3D-печати

Чем печатает: расходные материалы

Основные расходные материалы для трехмерных моделей – пластик и фотополимер.

• АБС пластик. Не токсичен, не имеет запаха, обладает высокой ударопрочностью, термостойкостью и эластичностью. Плавится при температуре около 245° C. Продается в виде порошка или цветных нитей. Не переносит прямых солнечных лучей, не позволяет получать прозрачные модели. Растрескивается, расслаивается, острые углы, тонкие выступы деформируются. При работе нужна вентиляция.
• ПЛА-пластик. Полилактид – экологически чистый пластик, производимый из остатков кормовых культур: свеклы, кукурузы. Приятно пахнет при расплавлении. Модели со временем разлагаются в теплых помещениях, дорогой, по сравнению с АБС-пластиком. При механическом воздействии сгибается, сжимается, разрушается вследствие падений. При температуре от 600 C теряет форму.
• PET. Распространенный полимер, встречающийся в бутылках из-под напитков и воды, пищевых контейнерах. Для 3D-принтеров применяется модификация PETG – пластик чище, менее хрупкий. Впитывает влагу, а потому нуждается в хранении в сухих помещениях. Несмотря на механическую стойкость, легко царапается, противостоит термическим воздействиям.
• Нержавейка. Печатает «долгоживущие» изделия, которые противостоят коррозии – статуэтки, узлы механизмов, брелоки. Наряду с нержавейкой применяются алюминий, латунь, медь, бронза. Прототипы нуждаются в постобработке.
• Дерево. Дорогой и эстетичный материал, состоящий из полимерной основы с добавкой деревянных волокон (стружки, тирсы) кедра, сосны, березы. Встречаются и экзотические образцы с частицами черешни, кокоса, пробкового дерева, бамбука. Изделия пахнут деревом, после шлифовки практически не отличаются от столярных. Актуально, когда внешний вид важнее точности и цены.
• Смолы. Дорогой расходник для получения гладких прочных моделей с высокой детализацией. Используется в многоструйных принтерах (MJP) и принтерах лазерной стереолитографии. Смолы бывают жесткими, эластичными, матовыми, прозрачными, цветными, термостойкими. Под воздействием солнечного света фотополимерная смола теряет прозрачность. Отличаются гладкой поверхностью и простотой постобработки.
• Нейлон. Аналог ABS-пластика с повышенной до 320°C температурой плавления, гигроскопичностью и токсичностью. Долго остывает и требует экструдера с шипами. Используется для печати движущихся деталей.