Приведены результаты отработки рабочих параметров строительного 3D-принтера; эксплуатационные затраты на возведение 1 м³ готовой продукции методом 3D формирования.
Ключевые слова: строительный 3D-принтер, рабочие параметры, аддитивные технологии, объём бункера, объём изделия, масса бетонной смеси, эксплуатационные затраты.
Развитие аддитивных технологий строительного производства уже в ближайшем будущем позволит кардинально изменить взгляды на традиционные способы возведения зданий и сооружений, а также решить целый ряд проблем в строительной сфере. Одними из наиболее насущных методов являются использование 3D-принтера. Применение аддитивных технологии позволяет создать любую, самую необычную форму в кратчайшие сроки с минимальными затратами в процессе строительства. Строительный 3D принтер работает на принципе экструдирования, когда каждый новый слой строительного материала выдавливается из принтера поверх предыдущего слоя. Нижние слои постепенно уплотняются, что даёт возможность выдерживать все более увеличивающийся вес конструкции. Причём опалубки не требуется.
На сегодняшний день разработаны три основные конструкции строительного 3D-принтера: портального типа, кранового типа и на основе робота — манипулятора [1]. Принтеры портального типа довольно громоздки и тяжелы, их транспортировка и установка требуют значительного времени и усилий. Поэтому наиболее удобными являются устройства кранового и манипуляторного типов, так как они более универсальные, мобильные и компактные. И в отличие от портального могут «печатать» дом как изнутри, так и снаружи в зависимости от конкретных условий [2].
Целью является отработка рабочих параметров строительного 3D принтера портального типа
Методы исследования:
В качестве объекта исследований принят строительный 3D принтер, приведенный на рис. 1.
Рис. 1. Строительный 3D-принтер: 1 — подъёмно-поворотная опорная часть; 2 — экструдер; 3 — маневровая стрела; 4 — бетоновод; 5 — противовес; 6 — защитный кожух бетоновода
Для отработки рабочих параметров разработана расчетная схема строительного 3D-принтера, приведенная на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема строительного 3D-принтера: 1 — мобильный 3D принтер; 2 — отпечатанная стена; 3 — бетоновод; А — шаг сетки цифровых осей; В — толщина стены; С — шаг сетки буквенных осей; H — высота стены; L — длина окружности стены
Определение рабочих параметров оборудования.
Необходимый объём бункера определяется по формуле:
Vв = 1,2 · 
, м³ (1)
где Vи — запроектированный объём изделий одной формовки, м³; ε — пористость бетонной смеси до вибрирования (0,1…0,2).
Объём изделий одной формовки:
Vи = V1 · n, м³ (2)
где V1 — объём бетона на 1 этаж, м³
Длина холостого хода:
lx.x = 2 · lд/ф, м (3)
где lд/ф-перемещение 3D принтера, м. При стендовом способе производства lд/ф = 8…15 м.
Длина рабочего хода:
lр.x = 2 · lф, м (4)
где lф — длина формования, м.
Среднее значение скорости рабочего хода:
Vср.р = Vр / 60, м/с (5)
где Vр — скорость рабочего хода 3D принтера, м/мин
Среднее значение скорости холостого хода:
Vср.х = · 
, м/с (6)
где Vх — скорость холостого хода 3D принтера, м/мин
Масса бетонной смеси в бункере:
mб = W · ρ, кг (7)
где W — объем МАК, м³; ρ — плотность сухих составляющих, кг/м³.
Расход бетонной смеси через проходное отверстия бункера:
Q = F · V · kз, (8)
где F — площадь проходного отверстия бункера, м²;
V — скорость истечения бетонной смеси из бункера, м/с;
kз — коэффициент, учитывающий густоту армирования и состав бетонной смеси, принимаемый от 0,15 до 0,40.
Объем бетона, требуемого для укладки (рисунок 2):
W = А · L, м³ (9)
где L — длина укладываемой конструкции, м; А — площадь поперечного сечения укладываемой конструкции, м².
Эксплуатационные затраты на возведение 1 м³ готовой продукции методом 3D формирования определяем по формуле:
Сэ.сб = Сд.м. + Спр.б. + Сп, (10)
где Сд.м. — стоимость доставки материалов на приготовление 1м³ строительной смеси, м³/руб (без учета стоимости материалов) [5];
Спр.б. — стоимость приготовления 1м³ строительной смеси, м³/руб (без учета стоимости материалов) [5];
Сп. — стоимость печати 1м³ готовой продукции, м³/руб (без учета стоимости материалов).
Эксплуатационные затраты на возведение 1 м³ готовой продукции составили 1192 руб/м³.
Рис. 3. График зависимости объёма работ от стоимости работ
Литература:
- Ватин Н. И., Чумадова Л. И., Гончаров И. С., Зыкова В. В., Карпеня А. Н., Ким А. А., Финашенков Е. А. 3D-печать в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 1 (52). С. 27–46.
- Р. Т. Емельянов, В. И. Жаданов, Г. В. Игнатьев, И. С. Инжутов, А. П. Прокопьев Механизация и автоматизация технологических процессов дорожного строительств. Учебное пособие. Красноярск-Оренбург. СФУ-ОГУ. 2017. 132 с.
- Постоев П. А. Влияние колебательного процесса на динамические параметры бункера укладчика бетонной смеси/ Постоев П. А., Цыганкова А. В. / Материалы всероссийской научно-технической конференции молодых ученых. Инновации и актуальные проблемы техники и технологий. Том 2. Саратов. 2010. С. 187–189.
- Prokopiev A.P The analytical solution and the dynamic characteristics of the system model velocity control vibrating roller. Prokopiev A. P., Ivanchura V. I. Emelianov R. Т.
- Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2014. Т. 7. № 4. С. 480–488.
- Сборники расценок ФЕР 06–01–081–06 «Приготовление легкого бетона: на мелком заполнителе» и ФССЦ 310–3020–1 «Перевозка грузов на расстоянии до 20км» и 311–01–142 «Разгрузка грузов» в редакции 2009 года.
