ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ПРИМЕРЕ РАЗРАБОТКИ 3D-МОДЕЛИ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПЕЧАТЬЮ

УДК 624.05

ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ПРИМЕРЕ РАЗРАБОТКИ 3D-МОДЕЛИ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПЕЧАТЬЮ

Д.Д. Коротеев*, А.И. Коренева**

^Национальный исследовательский Московский Государственный Строительный Университет (НИУ МГСУ), Москва "Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва

Ключевые слова:

аддитивное производство, 3D-пе-чать, цифровое производство, 3D-модель, инновационная технология строительства, автоматизация строительства. История статьи: Дата поступления в редакцию 02.07.21

Дата принятия к печати 11.07.21

Аннотация.

Технология 3D-печати, применительно к строительной отрасли, может рассматриваться как перспективная с точки зрения ее реализации при проектировании, строительстве, эксплуатации, реконструкции, то есть в период всех этапов строительного процесса. Данная статья посвящена особенностям применения аддитивного производства в строительной отрасли. Технология рассматривается относительно внедрения в строительное производство для возведения зданий. Методология статьи основана на исследовании модели, разработка и реализация которой играют важную роль для успешного производства. Целью данной статьи было показать исчерпывающую практическую перспективу применения аддитивных технологий в строительстве.

Кроме того, в ходе проведенного эксперимента была создана модель здания для воспроизведения и изучения процесса аддитивного строительного производства. Результаты анализа полученной информации могут иметь прикладное и важное значение для дальнейших экспериментальных исследований с целью оценки возможности использования традиционных, уже хорошо зарекомендовавших себя, строительных материалов, применительно к аддитивному строительному производству. Представленная реализация применения аддитивного строительного производства отмечает потребность во внедрении САПР (системы автоматизированного проектирования) в процесс строительства не только непосредственно на строительной площадке, но и за ее пределами. Проведенный эксперимент продемонстрировал все основные этапы создания модели с помощью аддитивных технологий производства.

Введение

В современном быстро развивающемся мире механизация и цифровизация окружают нас повсюду. Практически все отрасли промышленности уже используют в той или иной мере автоматизацию. На сегодняшний день она нашла свое применение и в строительной отрасли. Правда, в значительно меньшей степени, чем в других отраслях промышленности, которые используют ее уже давно и успешно [1,2]. Одним из примеров технологий автоматизации является аддитивное производство или 3D-печати, под которыми понимается полностью или частично автоматизированное нанесение слоев [3]. Применительно к строительной отрасли, аддитивные технологии могут быть менее эффективным, по сравнению с другими отраслями промышленности, из-за большего размера изготавливаемых элементов [4]. Как известно,

строительство является достаточно трудоемкой, дорогостоящей и подверженной высокому количеству несчастных случаев отраслью [5-7]. В свою очередь 3Б-печать имеет несколько ключевых преимуществ, способных снизить себестоимость строительства, упростить процесс возведения, уменьшить время строительства и снизить количество несчастных случаев, тем самым повысив уровень безопасности на строительной площадке [5,7-12]. Наряду с вышеперечисленными преимуществами рассматриваемой технологии, существует также ряд других немаловажных достоинств. Еще одним преимуществом является свобода архитектурных форм при проектировании, позволяющая создавать нелинейные формы без дополнительных вспомогательных конструкций опалубок и обеспечивающая гибкость дизайна [1,5,9-1011,13-14]. Что также немаловажно, 3Б-печать позволяет изготавливать элементы без использования опалубки [1,5,7,9-10,13,15-17]. Уже немалое количество усилий было предпринято для реализации возможностей аддитивных технологий, однако все еще остаются некоторые практические вопросы, о которых свидетельствуют существующие примеры воплощения в жизнь аддитивных технологий.

Первые исследования по внедрению аддитивных технологий рассматривали их применение в качестве хорошего решения для эффективного использования сырья [4]. Кроме того, аддитивное производство может снизить стоимость сырья за счет точного и необходимого нанесения материала, а точность изготавливаемых изделий при этом повысится [9,11]. При этом снизится количество отходов в процессе строительного производства [1,9-10,18]. Ожидается, что усовершенствование и оптимизация строительной отрасли будут происходить параллельно сразу по нескольким основным направлениям. Особый интерес также представляет концепция задействования и развития новых областей исследований [9]. Одним из основных условий дальнейшего детального изучения и применения особенностей технологии и ее устойчивого развития является понимание анализа механического поведения образцов, напечатанных на 3Б-принтере [6].

Данная статья описывает процесс технологии аддитивного производства на примерах возведения зданий и сооружений. Большая часть проведенных на сегодняшний день исследований, связанных с 3Б-печатью, посвящены строительству зданий. Применение аддитивных технологий при возведении инженерных сооружений в той же мере предусматривается внедрением 3Б-печати. Рассмотрим несколько уже реализованных и воплощенных в жизнь примеров использования технологий аддитивного производства.

Одним из наиболее известных реализованных проектов в сфере 3Б-печати является строительство офисного пространства "The Office of the Future" в Дубае, ОАЭ. Одноэтажное здание было напечатано в мае 2016 года китайской компанией WinSun за 17 дней. Общая площадь составила 250 м2. В процессе строительства был задействован всего один человек, который следил за процессом печати. Отдельные элементы печатались на заводе компании в Шанхае, после чего были смонтированы непосредственно на строительной площадке в Дубае в течение 2 дней. После завершения сборки конструкций были выполнены внешняя и внутренняя отделки [9-10,18-22]. Другой пример, отдельно стоящий одноэтажный дом сложной формы, находится в Ступино, России. В 2016 году здание было напечатано менее чем за 24 часа компанией Apis Core с площадью 38 м2. Здание включало в себя ванную комнату, кухню и гостиную, которую можно превратить в спальню. Кроме крыши, изоляции, окон и мебели, все остальные элементы были созданы с помощью 3Б-принтера. В качестве внешней отделки здание было покрашено [2,5,9,18,23].

Помимо напечатанных зданий существуют также примеры мостов, возведенных с помощью аддитивных технологий. Первый напечатанный мост из металла был создан с помощью метода селективного лазерного спекания (SLS) и располагается в Амстердаме, Нидерланды. Напечатанный на 3Б-принтере MX3D с 6-ю роботизированными руками мост был выполнен международной инженерной компанией Arup и исследователями из Imperial College London. Длина составила 8 (10) м, ширина 2.5 (4) м. Заранее напечатанное за пределами места установки стальное сооружение после

Z м

О

-I

м

D CD

i

со S н S

ГО

<U S I (U I (U Z S

(U со н

и j

ц

(U н s

aä = и

< со

Ш m

Ш m

I Р

ш и

о 2

s/ U

* m  s

S о

< с

21 tS

О о

IL I

О X

* «

* 3

завершения печати было транспортировано [2,9,21]. Другой пример, впервые напечатанный из предварительно напряженного железобетона велосипедный мост, располагается также в Нидерландах, Гементе. Он был создан BAM Infrastructure совместно с техническим университетом Эйндховена. Размеры моста составили 8 м в длину и 3.5 м в ширину. Процесс печати моста не требовал каких-либо вспомогательных опалубочных систем, бетонная смесь выдавливалась, создавая тем самым конструкцию моста. Процесс производства моста происходил по частям, после чего все элементы были доставлены на строительную площадку и собраны вместе [2,19,23]. Наряду с этим в Лилле, Франция, был напечатан на 3D-принтере дождевой коллектор размерами 2.15 х 2.2 х 2.6 м менее чем за 9 часов. Сооружение было выполнено компаниями Point P TP, Sade, XtreeE [8].

Кроме того, существует ряд не только архитектурных отдельностоящих элементов и прототипов зданий, позволивших продемонстрировать на практике возможности реализации технологий аддитивного изготовления, но и другие примеры, такие как колонна, ротонда, свод павильона, плита перекрытия, строительные леса, искусственные рифы, предметы внутреннего интерьера, узлы соединения и элементы конструкций [2,5,8,10-11,22,25]. Вдобавок к перечисленному не только сами конструкции могут создаваться с использованием аддитивных технологий, но и элементы конструкций в процессе реконструкции взамен старых поврежденных из-за размыва. Примером этому могут служить напечатанные опоры моста [26]. Компания Laing O'Rourke разработала создаваемые с помощью 3D-печати опалубочные формы. Технология под названием FreeFAB служит для изготовления опалубки из воска, в которую после можно залить бетон традиционным методом. Размеры создаваемых элементов составляют 30 х 3.5 х 1.5 м, а время изготовления около 3 часов вместо 8 дней с использованием дерева или полистирола. Основным преимуществом является возможность создания опалубочных систем сложных геометрических форм [2].

В статье особое внимание уделяется возможности применения технологий аддитивного производства не только при возведении зданий и сооружений, но и применительно ко всем основным этапам строительного процесса, а именно при проектировании, строительстве, эксплуатации, реконструкции. Неразрывно с этим необходимость использования программ САПР и технологий BIM (Building Information Modeling, информационного моделирования) является очевидной. Благодаря цифровому производству процесс строительства становится более эффективным. То есть применение технологий 3D-печати может рассматриваться как фактор повышения устойчивости строительной отрасли в целом. Строительство само по себе считается трудозатратным и дорогостоящим из-за использования вспомогательного оборудования. Принято считать, что использование аддитивных технологий способно решить эти проблем, ведь, как упоминалось ранее, применение данной технологии связано с отсутствием необходимости, к примеру, в опалубочных формах [5]. Процесс внедрение технологий аддитивного производства продолжает оставаться открытым вопросом для дальнейшего обсуждения, но перспектива предстает благоприятной и многообещающей. В данной статье исследуется и поднимается вопрос о совместном применении технологий аддитивного производства и BIM в строительной отрасли. Применение данных технологий уже имело место, по этой причине они становятся незаменимыми компонентами дальнейшего развития. При этом в технологии 3D-печати все еще остается множество неисследованных проблем, требующих более детального изучения [17,27].

Методы и материалы

Данная статья посвящена процессу разработки и изготовления модели здания. Проведенный эксперимент позволил получить уменьшенный образец возможной модели здания. Маленькие габариты образца были приняты с целью последовательного изучения и воспроизведения всех этапов подготовки проекта, а полученный в ходе данного эксперимента опыт может быть сопоставим с реальной подготовкой проекта для 3D-печати. Напечатанная на 3D-принтере модель здания была выполнена в стиле ар-деко.

При проведении эксперимента использовалось коммерчески доступное программное обеспечение. Для создания и разработки 3D-модели использовался Autodesk AutoCAD 2018 с бесплатным доступом

для учащихся и преподавателей, который был скачан с https://www.autodesk.com/education/edu-software/overview. Для создания 3D-модели использовалось рабочее пространство «eD-моделирова-ние». Модель была создана с заданием формата единиц измерения чертежа в миллиметрах, чтобы быть приемлемой для дальнейшей печати 3D-принтером в соответствии с используемыми им единицами измерения. В качестве оборудования использовался 3D-принтер MakerBot Replicator Z18 3D Printer. Технические характеристики используемого принтера представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики принтера MakerBot Replicator Z18 3D Printer

Характеристика Значение

Технология печати FDM

Количество печатающих головок 1

Количество экструдеров 1

Область печати 305 х 305 х 457 мм

Толщина слоя 100 мкм

Диаметр материала 1.75 мм

Диаметр сопла 0.4 мм

Точность печати XY 11 мкм

Точность печати Z 2.5 мкм

О

cû

1-

и

-Û

с;

ш

1-

S

О

a

1-

и

О

Z

н

Û

-1

M

Э

CÛ

Работающий по FDM-технологии (моделирование методом послойного наплавления) принтер расплавляет термопластичную полимерную нить и строит модель слой за слоем. Рис. 1 демонстрирует схематичную иллюстрацию принципа работы 3D-принтера.

Рис. 1. Схематичная иллюстрация принципа работы 3D-принтера

I

и s н s

ГО

а;

S I

(U I

(U

z s

(U

u

H

и j

ç

(U H

s

aâ

= и

< u

10 m Ш ^

I S

ш и

о 2

s/ u

* m  s

S о

< с

21 fcg

О о

IL I

О X

* {H

* S

Для анализа данных модели использовалось программное обеспечение MakerBot Desktop с версией 3.10.1 в свободном доступе, которое было загружено с https://support.makerbot.com/s/article/Download-MakerBot-Desktop. Данная программа также использовалась для подготовки файла задания на печать для 3D-принтера в G-code формата .MAKERBOT. После завершения печати было принято решение соединить все напечатанные части модели с помощью клея для пластмассы дихлорэтан. В качестве используемого для печати материала использовался PLA-пластик REC с диаметром нити 1.75 мм непрозрачного черного цвет (RAL 9004).

Первым этапом все элементы модели здания были созданы из различных твердых тел, используя стандартные 3D-примитивы, путем их взаимного редактирования. 3D-модель, как описано выше, была создана с помощью программы САПР. После создания всей модели здания целиком она была разрезана на отдельные части для 3D-принтера путем создания сечений. Данная операция была осуществлена с целью уменьшения размера модели для ускорения обработки и печати. Итоговая модель состояла всего из 4 частей (Рис. 2). Сведения о печати представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сведения о печати

Элемент Размеры (X x Y x Z) Время печати Объем пластика

Цоколь (№1) 125 x 40 x 40 мм 8:20 ч 39.4353 см3

Наружные стены (№2) 130 x 45 x 50 мм 9:10 ч 40.2483 см3

Карниз (№3) 130 x 45 x 12.5 мм 3:53 ч 19.1083 см3

Крыша (№4) 120 x 35 x 5 мм 1:51 ч 11.2503 см3

Рис. 2. Нумерация элементов модели

Чтобы определить наличие каких-либо дефектов, отверстий или неправильной ориентации нормалей (инвертированности) требовалась тщательная проверка 3Б-модели перед следующим этапом. Данный вопрос может быть рассмотрен совместно с допустимыми размерами печати, применительно к используемому 3Б-принтеру, толщиной стенок и особенностями филигранных деталей. Было принято решение провести визуальный осмотр с помощью секущих плоскостей и выполнить проверку на пригодность 3Б-модели к печати. Характеристики задания на печать приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристики печати

Характеристика Значение

Высота первого слоя 0.20 мм

Высота последующих слоев 0.08 мм

Плотность заполнения детали 20%

Ширина линий периметров и заполнения 0.3 мм

Толщина оболочки 1 мм

Количество периметров 3

Шаблон заполнения детали Октагоны

Как только предыдущий этап был выполнен, для модели задается траектория печати (перемещение печатающей головки). К этому моменту 3Б-принтер подготавливается к самой печати. Перед началом печати на съемную рабочую пластину приклеивается лента, после чего она устанавливается на рабочую платформу, а также загружается материал для печати. В процессе печати модель должна плотно прилегать к основанию рабочей пластины и не иметь отрывов или отслоений из-за плохого сцепления с поверхностью и малой адгезией. Далее происходит запуск на печать файла, который был записан в О-соёе формата .МАКБББОТ. Теперь можно приступать непосредственно к 3Б-печати. Вначале принтер охлаждает экструдер, затем перемещает в исходное положение для печати, после чего происходит его окончательный нагрев. Основываясь на технологии 3Б-печа-ти моделированием методом послойного наплавления, элементы модели здания создаются за счет экструзии расплавленной нити ББА-пластика и послойного нанесения выдавливаемого материала. Данная описанная выше процедура повторяется с каждым поперечным сечением 3Б-модели до тех пор, пока печатающая головка не прошла всю траекторию печати в соответствии с заданием и не закончила создание печатаемого объекта.

Значительное внимание следует уделять началу процессу 3Б-печати. Во время возведения первого слоя высока вероятность отрыва поверхности печатаемого элемента от рабочей пластины. Именно поэтому процессу организации и контроля 3Б-печати необходимо уделять значительное время и внимание. После завершения печати печатающая головка возвращается с кареткой в исходное положение, а съемная рабочая пластина может быть извлечена.

Результаты и обсуждение

В данной статье представлен процесс подготовки и изготовления модели здания с помощью аддитивных технологий. Поскольку применение совместимых строительных материалов для аддитивных технологий не исследовано еще в достаточной мере, развитие материаловедения в данном направлении должно происходить совместно с разработкой основных технологических процессов. Это связано с тем, что возможные строительные материалы зависят от применяемого механизма подачи материала и особенностей оборудования [1]. Использованная при проведении эксперимента технология производства имеет ряд привлекательных и практических при применении преимуществ. Во время написания этой статьи авторами были решены многие важные вопросы, связанные с подготовкой 3Б-модели к печати. Авторы придерживаются мнения, что решенные вопросы имеют

03

г

м О

-I

м

Э СО

I

и

Н

га

<и

I

Щ

I

(и

5

Щ

и н

и

.0 ц

щ

н

= и

< и

Ш т

Ш т

I Р

ш и

о 2

V/ (В

* т  5

5 О

< с

О о а х

О х

* «

важное практическое значение и применение в будущих исследованиях. Иначе говоря, многие другие исследователи могут в свою очередь столкнуться с ними в своей работе.

Представленные рисунки демонстрируют пошаговый процесс создания 3D-модели. Как уже было сказано выше, при проверке модели на ее целостность использовались как визуальный осмотр со всех сторон, так и проверка в программе-слайсере. При визуальном осмотре необходимо было учесть технические характеристики принтера и в особенности технологию печати. В программе-слайсере происходила подготовка элементов модели здания к печати с контролем основных параметров операции для дальнейшего построения образца.

После того, как модель была успешно напечатана, она подверглась тщательному осмотру. У напечатанных элементов модели здания края и поверхности были оценены как удовлетворительные. Последующий процесс обработки образца проводился в соответствии с особенностями напечатанной модели, полученной с использованием данного 3D-принтера. Сначала зачистили и отшлифовали края соприкосновения смежных элементов модели здания. Затем все части модели были склеены дихлорэтановым клеем для пластмассы (Рис. 3). Для полного склеивания поверхностей время схватывания элементов здания модели было принято равным 30 часам. Итоговая напечатанная модель после сборки является прототипом ее 3D-модели с большой точностью детализации. Это свидетельствует об успешно проведенном эксперименте и достижении поставленных в начале целей и задач. Все трудности, возникшие в ходе проведения эксперимента, были описаны в данной статье и могут рассматриваться как справочный материал при проведении последующих экспериментов, связанных с аддитивными технологиями. Говоря другими словами, полученная в результате эксперимента итоговая модель здания свидетельствует о достижении поставленных целей.

Рисунок 3. Сборка напечатанных элементов модели. (а) - до; (б) - после.

Как было отмечено во введении, эксперимент был проведен с целью изучения и описания процессов аддитивных технологий. Поскольку проводимый эксперимент может быть рассмотрен как реальный производственный процесс в уменьшенном масштабе, проделанный наглядный процесс создания модели здания позволил продемонстрировать и убедиться в возможностях аддитивных технологий, связанных с применением в крупномасштабном строительстве. Традиционные методы создания образцов, включая формование, являются намного более трудоемкими даже в контексте проведения экспериментов в лаборатории.

Заключение

Проделанный эксперимент подтвердил тесную взаимосвязь отдельных этапов производства и необходимость комплексного контроля их выполнения, что является одной из основных задач при внедрении 3D-печати в строительный комплекс. Технология аддитивного производства может использоваться не только при возведении зданий и сооружений, но также при изготовлении вспомогательных элементов и в ходе реконструкции.

В результате проведенного анализа не был получен достаточный объем сведений о пригодных для печати строительных материалах, что требует дальнейшего изучения. Авторы придерживаются мнения, что в ходе проведенного эксперимента достоверность напечатанной модели здания относительно разработанной 3D-модели может служить подтверждением возможности внедрения аддитивных технологий в строительную отрасль. Это свидетельствует о подобной возможности применения при крупномасштабном строительстве.

Еще одним ключевым фактором, требующим более подробного изучения, является топологическая оптимизация, которая играет важную роль не только при создании и разработки 3D-модели, но и для получения более эффективной геометрии изделия и улучшения механических характеристик твердых тел. Существует несколько примеров, демонстрирующих связь между разработанной 3D-моделью и топологической оптимизацией. Это свидетельствует о том, что полученная в результате процесса производства с помощью аддитивных технологий 3D-модель может быть использована для дальнейших расчетов и при проектировании конструкций [28].

ЛИТЕРАТУРА

1. Kazemian A., Yuan X., Meier R., Khoshnevis B. Performance-Based Testing of Portland Cement Concrete for Construction-Scale 3D Printing. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 2: 13-35. DOI:10.1016/B978-0-12-815481-6.00002-6

2. Buchanan C., Gardner L. Metal 3D printing in construction: A review of methods, research, applications, opportunities and challenges. Engineering Structures. 2019: 180: 332-348. D0I:10.1016/j. engstruct.2018.11.045

3. Hambach M., Rutzen M., Volkmer D. Properties of 3D-Printed Fiber-Reinforced Portland Cement Paste. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J. G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 5: 73-113. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00005-1

4. Nam Y.J., Hwang Y.K., Park J.W., Lim Y.M. Fiber-Reinforced Cementitious Composite Design with Controlled Distribution and Orientation of Fibers Using Three-Dimensional Printing Technology. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 4: 59-72. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00004-X

5. Sanjayan J.G., Nematollahi B. 3D Concrete Printing for Construction Applications. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 1: 1-11. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00001-4

6. Feng P., MengX., Chen J.F., Ye L. Mechanical Properties of Structures 3D-Printed With Cementitious Powders. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 9: 181-209. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00009-9

7. Xia M., Nematollahi B., Sanjayan J.G. Properties of Powder-Based 3D Printed Geopolymers. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 13: 265-280. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00013-0

8. Gaudilliere N., Duballet R., Bouyssou C., Mallet A., Roux Ph., Zakeri M., Dirrenberger J. Building Applications Using Lost Formworks 0btained Through Large-Scale Additive Manufacturing of Ultra-High-Performance Concrete. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 3: 37-58. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00003-8

z

м О

-I

м

D CD

i

u s н s

re

<U

s

I

(U I

(U

z s

(U

u

I-

и j

s

(U н s

= и

< u

10 rn Ш $

I P

ш и

о 2

* m  s s о

< с

21

jjjg

О о

CL X

О X

S

9. Holt C., Edwards L., Keyte L., Moghaddam F., Townsend B. Construction 3D Printing. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 17: 349-370. DOI:10.1016/B978-0-12-815481-6.00017-8

10. Н.И. Ватин, Л.И. Чумадова, И.С. Гончаров , В.В. Зыкова , А.Н. Карпеня, А.А. Ким , E.A. Финашенков. 3D-ne4aTb в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2017. - 1 (52): 27-46. D0I:10.18720/CUBS.52.3

11. М.Н. Свирский. Анализ возможностей применения 3D-технологий в строительстве // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. - 2017. - 1: 351-356.

12. Shatornaya, A.M.; Chislova, M.M.; Drozdetskaya, M.A.; Ptuhina, I.S. Efficiency of 3D printers in Civil Engineering. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017: 9(60): 22-30. D0I:10.18720/CUBS.60.2

13. Malaeb Z., AlSakka F., Hamzeh F. 3D Concrete Crinting: Machine Design, Mix Proportioning, and Mix Comparison Between Difference Machine Setups. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 6: 115-136. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00006-3

14. В.П. Грахов, С.А. Мохначев, О.В. Бороздов. Влияние развития 3D-технологий на экономику строительства // Фундаментальные исследования. - 2014. - 11-12: 2673-2676. D0I:10.18720/CUBS.63.4

15. Cao X., Li Z. Factors Influencing the Mechanical Properties of Three-Dimensional Printed Products From Magnesium Potassium Phosphate Cement Material. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 10: 211-222. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00010-5

16. Nerella V.N., Mechtcherine V. Studying the Printability of Fresh Concrete for Formwork-Free Concrete 0nsite 3D Printing Technology (C0NPrint3D). In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 16: 333-347. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00016-6

17. Ford S., Despeisse M. Additive manufacturing and sustainability: an exploratory study of the advantages and challenges. Journal of Cleaner Production. 2016: 137: 1573-1587. D0I:10.1016/j.jclepro.2016.04.150

18. А.К. Демиденко, А.В. Кулибаба, М.Ф. Иванов. Перспективы применения 3D-печати в строительном комплексе Российской Федерации // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2017. - 12 (63): 71-96. D0I:10.18720/CUBS.63.4

19. Valente M., Sibai A., Sambucci M. Extrusion-Based Additive Manufacturing of Concrete Products: Revolutionizing and Remodeling the Construction Industry. Journal of Composites Science. 2019: 3(88). D0I:10.3390/jcs3030088

20. Camacho D.D., Clayton P., O'Brien W., Ferron R., Juenger M., Salamone S., Seepersad C. Applications of additive manufacturing in the construction industry - a prospective review. 34th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC 2017), Taipei, Taiwan. 2017: 246-253. D0I:10.22260/ISARC2017/0033

21. Camacho D.D, Clayton P., O'Brien W.J., Seepersad C., Juenger M., Ferron R., Salamone S. Applications of additive manufacturing in the construction industry - A forward-looking review. Automation in Construction. 2018: 89: 110119. D0I:10.1016/j.autcon.2017.12.031

22. Allouzi R., Al-Azhari W., Allouzi R. Conventional Construction and 3D Printing: A Comparison Study on Material Cost in Jordan. Journal of Engineering. 2020. D0I:10.1155/2020/1424682

23. Ghaffar S.H., Corker J., Fan M. Additive manufacturing technology and its implementation in construction as an eco-innovative solution. Automation in Construction. 2018: 93: 1-11. D0I:10.1016/j.autcon.2018.05.005

24. Syachrani S., Jeong H.S., Rai V., Chae M.J., Iseley T. A risk management approach to safety assessment of trenchless technologies for culvert rehabilitation. Tunneling and Underground Space Technology. 2010: 25(6): 681-688. D0I:10.1016/j.tust.2010.05.005

25. Li Z., Wang L., Ma G. Method for the Enhancement of Buildability and Bending Resistance of Three-Dimensional-Printable Tailing Mortar. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 8: 161-180. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00008-7

26. Avrutis D., Nazari A., Sanjayan J.G. Industrial Adoption of 3D Concrete Printing in the Australian Market: Potentials and Challenges. In 3D Concrete Printing Technology, 1st ed.; Sanjayan J.G., Nazari A., Nematollahi B., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019: 19: 389-409. D0I:10.1016/B978-0-12-815481-6.00019-1

27. Lim S., BuswellR.A., Le T.T., Austin S.A., Gibb A.G., Thorpe T. Developments in construction-scale additive manufacturing processes. Automation in Construction. 2012: 21: 262-268. D0I:10.1016/j.autcon.2011.06.010

28. Sengsri P., Kaewunruen S. Additive manufacturing meta-functional composites for engineered bridge bearings: A review. Construction and Building Materials. 2020: 262. D0I:10.1016/j.conbuildmat.2020.120535

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Д.Д. Коротеев, А.И. Коренева. Применение аддитивных технологий производства в строительстве на примере разработки 3D-модели с последующей печатью. — Системные технологии. — 2021. — № 39. — С. 20—29.

AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY APPLICATION IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY USING THE EXAMPLE OF 3D-MODEL DESIGN AND PRINTING

D.D. Koroteev*, A.I. Koreneva**

*Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow **Peoples Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow

Key words.

additive manufacturing, 3D-printing, digital fabrication, 3D-model, innovative construction technology, construction automation.

Date of receipt in edition: 02.07.21 Date o f acceptance for printing: 11.07.21

Abstract.

For the purpose of construction industry, 3D-printing technology can be considered to be promising in the terms of design, build, operation and reconstruction, or in other words, including all the process steps. This article discusses the application features of the additive manufacturing (AM) in the construction industry. The mentioned above technology is considered with the respect to the building construction implementation. The chosen methodology is based on the model research. It is the model which development and realization play the essential role in effective manufacturing. The aim of this paper was to demonstrate the comprehensive practical perspective of AM utilization in construction.

Moreover, in the conducted experiment the building model was created to display and investigate the AM process itself. The analysis results of the obtained data could have practical and key meaning. It may be used in the future experimental study to define the use of traditional already well-established construction materials applied to AM. The presented AM realization indicates CAD (Computer Aided Design) integration not only for on-site usage but also for off-site. All the main steps of the model creation using AM were shown in the carried out experiment.

z

H Û -I H

D CD

I

u s

H

s

ГО

(U S I (U I (U

z s

(U

u

H

и j

ç

(U H

s

aâ

= и

< u

Ш m Ш m

X S

ш и

о 2

s/ u

* m  s

S о

< с

21 fcg

О о

IL I

О X

* «

* S