В статье рассмотрены перспективы применения технологий трехмерной печати для прототипирования архитектурные макетов объектов капитального строительства. Также рассмотрена возможность последующего дооснащения указанных макетов моделями инженерных систем, позволяющими отработать инновационные решения по улучшению качественных и количественных характеристик условий микроклимата и освещения в помещениях.
Ключевые слова, макет, трехмерная печать, инженерные системы, архитектура.
Мы уже не представляем современный мир без трехмерных технологий. Они везде: в киноиндустрии, развлечениях, искусстве, фотографии и даже печати. За последние несколько лет человечество сумело шагнуть далеко вперед. Мы достигаем значительных успехов в инновационных технологиях, создаем все больше полезных устройств, разработанных для того, чтобы облегчить нашу жизнь. Одним из наиболее любопытных изобретений последних лет является 3D-принтер. С увеличением разнообразия технологий изготовления трехмерных принтеров расширилась и сфера их применения. Если раньше они использовались исключительно в исследованиях крупнейших компаний, то теперь возможности 3D-печати доступны практически всем. Подобные принтеры применяются в таких сферах как наука, медицина, дизайн, ювелирное дело и даже кулинария. Сейчас в интернете можно найти множество доступных схем для трехмерной печати. Все это делает будущее еще более постижимым для нас. [1] Архитектура и строительство — сферы, в которых 3D-принтеры используются очень активно. Характерно, что в последние пару лет 3D-печать стала незаменимым помощником не только крупных компаний, но и небольших архитектурных студий по всему миру. Трехмерная печать стала настоящей революцией в области строительного макетирования, востребованного в архитектуре, инженерии и дизайне [2]
Преимущества использования 3D-печати архитектурных макетов:
– Наглядность. Физическая модель здания более наглядна и понятна, чем картинка на мониторе. 3D-макет позволяет архитектору эффективно оценить детали, а заказчику понять его замысел и оценить масштаб.
– Экономия времени. Ручное изготовление макетов — сложный, трудоемкий и затратный процесс. Зачастую, создание архитектурного макета традиционным способом растягивается на месяцы. Благодаря 3D-принтеру время изготовления сокращается до нескольких часов.
– Высокая детализация. Современные 3D-принтеры позволяют печатать макеты любых форм, цветов и размеров. Можно получить цветной макет здания, комплекса или целого города с высокой детализацией и четкостью.
– Экономия финансов. 3D-макет позволит сэкономить время архитектору и деньги заказчику, оперативно внося изменения в действующий проект.
3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта [3]. На данный момент времени существует две основных технологии выращивания слоев, это лазерная и струйная.
Лазерная 3D-печать, включающая в себя стереолитографию (SLA), позволяющую создавать трехмерную модель по компьютерным CAD-чертежам. На SLA-принтерах можно печатать детали до 75 см в высоту. Однако сами устройства очень дороги и отличаются большими размерами величиной размером с немаленький шкаф, они весят около тонны, а стоят в районе 150 тысяч евро. Они имеют небольшую скорость воспроизведения — всего несколько миллиметров в час. Компенсирует медленную скорость и большую цену высокое качество конечной модели, которая к тому же становится очень надежной и прочной.
Более быстрая и дешевая методика — технология лазерного спекания (SLS), где в роли заготовочного материала выступает уже не фотополимер, а порошок из легкоплавкого пластика. Лазерное спекание позволяет получить очень качественные и прочные модели при относительно высокой скорости (около нескольких сантиметров в час плюс время на прогрев и остывание). Из основных положительных моментов надо отметить возможность печати металлических изделий. В результате получается металлическая деталь из смеси стали и бронзы, готовая к использованию. В качестве основы в таком порошке может быть использована керамика или стекло, что позволяет создать после процедуры запекания термостойкую или устойчивую к химическим веществам модель.
Струйная 3D-печать очень схожа с работой обычного принтера, только вместо краски соплом выдавливается некоторое количество разогретого пластика на охлажденную платформу, это так называемая Fused Deposition Modeling (FDM) технология. Капли очень быстро застывают и образуют один из слоев будущей трехмерной модели (как и в лазерной печати, создание модели ведется послойно). Существует технология струйной 3D-печати и с использованием полимерного порошка. Специальная головка впрыскивает на гипсовый или крахмальный порошок клеящую основу, которая при застывании образует один из слоев будущей модели. Изюминка данной технологии состоит в том, что в клей можно добавлять красящие вещества и делать модель не только объемной, но и разноцветной. Принтеры, работающие по такому принципу, стоят относительно немного — от 8 до 30 тысяч долларов, что в десятки раз меньше стоимости лазерных аналогов.
Рассмотрим принцип работы на примере 3D-принтеров Z Corporation. Они работают с файлами форматов, используемых в BIM, формируя трехмерные физические макеты из композитного порошкового гипса. Модель, полученную из таких программ, как Autodesk Revit или Autodesk 3ds Max, программа Z Corp разрезает на тысячи горизонтальных слоев. Затем печатающая головка принтера совершает тысячи проходов сквозь порошок, оставляя на точках пересечения жидкое связующее вещество. Там, где это вещество соприкасается с порошком, тот быстро застывает. Таким образом, печатая с вертикальной скоростью около одного дюйма в час, принтер наносит материал слой за слоем и создает из порошкового гипса готовый макет (рисунок1.).
Рис. 1. Модель частного дома
3D-принтеры Z Corp уникальны: только они умеют делать модели в цвете. Ни одна другая технология создания 3D-макетов не предполагает такой возможности. Кроме того, на модель можно наносить графику и фотографии, чтобы еще больше усилить сходство с оригиналом. Программное обеспечение Z Corp позволяет не ограничиваться размерами области построения. Макет здания можно разделить на части, а программа ZEdit Pro автоматически добавит к ним шпильки и отверстия для последующей сборки практически заподлицо 3D принтер — революционное и очень полезное новшество, которое не только изменило строительную отрасль [4,5], облегчило работу инженеров, ученых и дизайнеров, но и найдет свое применении в образовательном процессе [6]
Тем не менее необходимо рассмотреть и перспективную возможность интеграции технологий трехмерной печати с одновременным оснащением строительных конструкций необходимыми инженерными системами так, например, в процессе строительства объекта с помощью специальных накопителей и манипуляторов, возможно обеспечить подачу кабельной сети в заранее проложенные ниши в строительных конструкциях или сразу же по месту устанавливать оборудование слаботочных систем. Тогда имея определенную информационную модель объекта и соотнеся ее с управляющей программой комбинированного устройства возможно было бы обеспечить автоматическую компоновку макета здания такими же макетами инженерных сетей, что позволило бы в перспективе отработать данную технологию и для производства реальных объектов строительства. Теоретически оснащение объекта строительства инженерными сетями позволяет с одной стороны уменьшить простои, связанные с неоптимальной организации процесса строительное монтажных работ, с другой стороны исключить неизбежные в процессе производства строительное-монтажных работ ошибки, вызванные «человеческим фактором». Другим вариантом применения интегрированных технологий печати и манипуляторов, может быть покрытие конструкций слоем теплоизоляции, когда в автоматическом режиме в строительные конструкции закладывается утеплитель, что также позволило бы ускорить и удешевить процесс строительства. Тем не менее указанные решения как в техническом, так и в организационном плане являются крайне сложными, поэтому нуждаются в усиленной дополнительной проработке со стороны научно-технического сообщества. Отдельно хотелось бы рассмотреть вопрос применения напечатанных макетов зданий для отработки обеспечения режимов окружающей среды имитирующих естественные [7], в том числе освещения как искусственного, так и совмещенного [8]. Не смотря на потенциальную актуальность исследований в данной сфере [9] в настоящее время в силу неразвитости рынка систем человеко-ориентированного освещения, проведение натурных экспериментов на существующих объектах капитального строительства становится затруднительным, таким образом применение масштабных макетов может стать важным шагом, направленным на продвижение указанной концепции систем освещения.
Технологии применения 3D прототипирования открывают практически безграничные возможности по моделированию строительных объектов на этапах предшествующих строительно-монтажным работам, тем не менее существуют перспективы по увеличению функциональности указанных систем за счет одновременного оснащения печатаемых макетов зданий необходимой инженерной инфраструктурой, не смотря на высокую сложность применения указанной концепции, она является актуальной и нуждается в дальнейшем проведении исследований.
Литература:
- Mir3D.ru — портал о 3D технологиях. Режим доступа: http://www.mir3d.ru/articles/921/, свободный (дата обращения: 18.10.2012г.). Ильин, Ю. 3D принтеры: что и зачем.
- САПР и графика№ 2’2016. 3D-печать в архитектуре.12–16с.
- Ревич, Ю.В. 3D в натуре / Ю. В. Ревич //Компьютерра. 2009. № 8. С. 37–41.
- Мустафин Наиль Шамильевич, Барышников Александр Анатольевич Новейшие технологии в строительстве. 3D принтер // Региональное развитие. 2015. № 8 (12).
- Малышева В. Л., Красимирова С. С. Возможности 3D принтера в строительстве // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 12–2. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnosti-3d-printera-v-stroitelstve (дата обращения: 21.03.2016).
- Лейбов А. М., каменев Р. В., Осокина О. М. Применение технологий 3D-прототипирования в образовательном процессе // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С.93.
- Беккер Ю. Л. Актуальность и перспективы концепции квази-естественного освещения. / Ю. Л. Беккер, В. А. Завьялов, Р. С. Ульянов, и др. // Естественные и технические науки. — 2015. — № 5. — С. 143–145.
- Беккер Ю. Л. Выявление ключевых аспектов системы совмещенного освещения с позиции соответствия концепции квази-естественного освещения. / Ю. Л. Беккер, В. А. Завьялов, Р. С. Ульянов, и др. // Естественные и технические науки. — 2015. — С. 149–151.
- Завьялов В. А. Достижение параметров квази-естественного освещения за счет применения автоматических систем освещения на базе CИД. / В.А Завьялов, Ю. Л. Беккер, Р. С. Ульянов, и др. // Системы. Методы. Технологии. — 2014. — № 4. — С. 88–93.
