Основной целью этой работы является анализ потенциальной энергии и экологических преимуществ 3D-печати в строительстве зданий. В современной литературе сообщается о значительном количестве преимуществ 3D-печати, а именно: сокращение использования материалов, снижение эксплуатационных расходов и экономия времени. Авторы также отмечают свободу дизайна, более высокую эффективность, производительность и качество. В этой работе представлены последние разработки в области 3D-печати в гражданском строительстве, а именно обзор последних проектов 3D-печати и ограничения строительной 3D-печати с акцентом на крупномасштабные приложения, технологические затраты, разработку и оптимизацию смеси и тепловое поведение.
Ключевые слова: 3D-печать, производство добавок, автоматизация зданий, гражданское строительство.
1.1. Сокращение отходов и использование альтернативных связующих
Хотя в первые дни 3D-печати бетона смеси имели высокое содержание цемента, около 40–50 %, по мере развития технологии в смесях становилось меньше цемента, который был заменен другими альтернативными вяжущими. Летучая зола и шлак в настоящее время используются в качестве замены цемента или активируются в геополимерах, напечатанных на 3D-принтере. Тинг и др. [8] попытались заменить песок переработанным стеклом в 3D-печати, и хотя результаты были не такими хорошими, как у песчано-цементной смеси, результаты показывают многообещающую траекторию использования переработанных заполнителей в смесях 3DP.
Такие компании разрабатывают новые решения для увеличения использования переработанных материалов, таких как кальцинированная глина и летучая зола, для создания оптимизированного бетона. Эти инновации не только помогают окружающей среде, сокращая использование материалов массового производства, но и могут помочь развивающимся странам, где стоимость материалов очень высока. Литература показывает, что постепенное применение 3D-печати оказывает большое влияние на крупномасштабное производство с заметным снижением соотношения цемент/вода, что означает, что требуется меньше цемента, что, в свою очередь, может снизить потребление энергии производителями цемента [7].
1.2. Воздействие на человеческий труд
Здания становятся все более сложными, а строительные площадки менее безопасными для строителей; во всем мире уровень несчастных случаев в этом секторе является одним из самых высоких, что в сочетании с нехваткой квалифицированной рабочей силы делает отрасль одной из наименее эффективных. Автоматизация, сокращая зависимость от человеческого труда, снижает количество несчастных случаев, травм и болезней. Естественно, для работы с 3D-печатью требуется новый набор навыков, и строительному сектору придется адаптироваться, обучая рабочих и нанимая новый персонал. Переход, следующий за тем, что уже произошло в других отраслях, выведет строительную отрасль на более высокий технологический уровень.
1.3. Стоимость и скорость
Автоматизация в строительстве зданий может значительно сократить общие затраты на строительные проекты. Затраты на материалы можно снизить более чем на 50 %, а сборка бетонных конструкций, таких как стены, кровельные системы и панели пола, может привести к значительному снижению общих затрат из-за возможности снижения веса на 54 % за счет объема материала. [6].
Технология 3D-принтеров также экономит время, обеспечивая непрерывную печать, которую можно остановить только при желании. Структуры, на строительство которых обычно уходят месяцы, могут быть построены в течение нескольких дней после даты начала проекта. Еще одним дополнительным преимуществом технологии 3DP, которое способствует повышению устойчивости и снижению затрат, является отсутствие опалубки [5]. На опалубку в традиционном строительстве приходится 28–50 % общей стоимости бетонной конструкции.
Веллер и др. [4] проанализировали несколько принципов, относящихся к производителям, основанных на экономических моделях, и пришли к выводу, что аддитивное производство предлагает большую гибкость, продукты с высокой степенью индивидуализации без штрафных санкций и с быстрым производством, что приводит к более низким ценам для потребителей.
1.4. Сложность дизайна
3DP обеспечивает большую свободу проектирования, ограниченную только вычислительными возможностями, открывая целый ряд новых возможностей для архитекторов и инженеров по созданию зданий на заказ. В прошлом некоторые сложные формы достигались с помощью обычной опалубки; однако аддитивное производство дает больше свободы без увеличения затрат. При 3DP воздействие конструкции на окружающую среду не увеличивается с ее сложностью, как это происходит с обычными конструкциями [3].
2. Ограничения строительной 3D-печати
2.1. Крупномасштабные приложения
Применение 3DP в больших масштабах, хотя и осуществимо, по-прежнему сопряжено с некоторыми проблемами. Споры о том, как обеспечить постоянную поставку сырья, продолжаются до сих пор. В большинстве проектов используется обычное дозирование, но также изучается возможность микродозирования или смешивания в форсунке.
Форма экструзионного сопла обычно прямоугольная или круглая, и уже известно, что его форма и размер могут влиять на скорость печати, способ нанесения каждого печатного слоя и эффект при изменении направления печати [2].
Когда масштаб элемента увеличивается и время печати увеличивается, происходит повышение температуры, вызванное нагревом в насосе и трением в насосе и шланге. Влияние температуры на прокачиваемость, экструдируемость и раннее схватывание материала до сих пор полностью не изучено, но этот эффект виден в изменениях, наблюдаемых в материале. Более крупные элементы также имеют более высокий риск разрушения под действием собственного веса, и пока единственным вариантом является ограничение высоты печатного объекта [1].
Масштабирование процесса печати означает увеличение скорости печати и размера объекта, что может привести к ухудшению адгезии слоев, поскольку более длинные траектории печати могут привести к ухудшению качества печати.
Литература:
1. Фэн П.; Мэн, X.; Чен, Дж. Ф.; Е, Л. Механические свойства структур, напечатанных на 3D-принтере цементными порошками. Пост. Строить Матер. 2015, 93, 486–497. [Перекрестная ссылка]
2. Тай, Ю. В. Д.; Панда, Б.; Пол, Южная Каролина; Нур Мохамед, Северная Америка; Тан, MJ; Леонг, К. Ф. Тенденции 3D-печати в строительстве: обзор. Виртуальный физ. Протот. 2017, 12, 261–276. [Перекрестная ссылка]
3. Диксит, М. К. Расчет рекуррентной воплощенной энергии жизненного цикла зданий: обзор. Дж. Чистый. Произв. 2018, 209, 731–754. [Перекрестная ссылка]
4. Ким, Дж. Б.; Чон, В.; Клейтон, MJ; Хаберл, Дж. С.; Ян, В. Разработка физической библиотеки BIM для моделирования тепловой энергии здания. автомат. Констр. 2015, 50, 16–28. [Перекрестная ссылка]
5. Гурлис Г.; Ковачич, И. Информационное моделирование зданий для анализа энергоэффективных промышленных зданий — тематическое исследование. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 2017, 68, 953–963. [Перекрестная ссылка]
6. Варшавский, А.; Навон, Р. Внедрение робототехники в строительстве: текущее состояние и перспективы на будущее. Дж. Констр. англ. Управление ASCE 1998, 124, 31–41. [Перекрестная ссылка]
7. Алви, А.; Караяннис, С.; Старки, Б.; Гарднер, М.; Редик, К.; Варли, Т. Строительство, Мегамасштабная 3D-печать; Университет Суррея: Гилфорд, Великобритания, 2013 г.; стр. 199–200.
8. Ву, П.; Ван, Дж.; Ван, X. Критический обзор использования 3D-печати в строительной отрасли. автомат. Констр. 2016, 68, 21–31. [Перекрестная ссылка]
