Геодезический купол цельной конструкции

Заявленная полезная модель относится к области строительства и технологии изготовления трехмерных (объемных) изделий по цифровой модели методами аддитивного производства, в частности, но не ограничиваясь, по технологии – экструзия материала, способом аддитивной печати – моделирование  послойным наплавлением (FDM: Fused Deposition Modeling), и может быть использована для изготовления сооружений, выдерживающих повышенные требования к ветровым, ураганным, снеговым и сейсмическим нагрузкам, для оборудования детских площадок, а также в перспективном строительстве несущих конструкций в космосе.
Понятие «Геодезические» означает или относящиеся к большим кругам сферы или дугам таких кругов; как геодезическая линия, следовательно, линия, которая является большим кругом или ее дугой; и как геодезическая сетка, следовательно, сетка, созданная пересечениями линий большого круга или дуг (1*); и как геодезическая ячейка, созданная пересечениями линий большого круга или дуг (1).
Из уровня техники известны технические решения, которые посвящены устройству пространственных систем регулярной структуры (сетчатые своды, оболочки, купола).
В частности, известны архитектурные сооружения на основе геодезического многогранника, максимально приближенного к сферической форме, например, геодезические купола (US 2682235,1951 г; RU 2034964, 1995 г;  А.С. СССР №654773, 1979 г; RU 2383693, 2010г.). Недостатки данных технических решений: основные конструктивные элементы расположены в виде геодезической структуры приблизительных дуг большого круга, пересекающихся сформировать трехстороннюю сетку; основные конструктивные элементы соединены между собой закреплением скользящих соединений, что влечет за собой повышенную трудоемкость монтажа конструкций (монтажа каркаса и монтажа покрытия каркаса).
Известен способ узлового соединения трехслойных панелей геодезического купола (RU 2037019, 1995 г.), для реализации которого использовано узловое соединение трехслойных панелей, имеющих обшивки и заполнитель, включающее установленные с наружной и внутренней сторон купола соединительные элементы, объединенные стяжным болтом, отличающееся тем, что смежные панели с наружной и внутренней сторон купола в местах соединения выполнены с полостями, в которых размещены соединительные элементы, а каждый соединительный элемент выполнен составным из наружной и внутренней зажимных деталей, последняя из которых имеет продольное ребро жесткости и профильные углубления, а наружная переменного сечения с соответствующими углублениям профильными выступами, а обшивки смежных панелей защемлены между зажимными деталями. Недостатком данного технического решения является сложность, трудоёмкость изготовления и монтажа конструкции покрытия.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, выбранным прототипом, является техническое решение (патент RU 2054097 Узловое соединение трехслойных панелей геодезического» купола, 1996 г.), вследствие того, что в нем имеется следующая совокупность существенных признаков.
Общие с заявленным техническим решением следующие признаки прототипа:
каркас прототипа имеет геодезическую структуру, образованную трехсторонней сеткой, ячейкой которой является треугольник;
каркас прототипа приближен к сферической форме;
покрытие каркаса может иметь многослойную конструкцию для защиты купола от наружной среды и внешних воздействий.
Отличительные признаки прототипа с заявленным техническим решением: каркас прототипа выполняется монтажом из множества деталей (стальные, алюминиевые стержни, трубки, экструдированные детали, др.) с закреплением в узловых соединениях. Конструкция покрытия каркаса выполняется также монтажом (листами, многослойными панелями, др.) с закреплением в узловых соединениях с каркасом.
Недостатком выше указанных технических решений является то, что возведение геодезических куполов и подобных пространственных систем регулярной структуры (например, сетчатые купола) осуществляется монтажом, который представляет собой сложный комплекс связанных между собой трудоемких процессов, в том числе и ручного труда. Предварительно подготовленные элементы конструкции (прямые и/или изогнутые стержни, др.) скрепляются или сочленяются в логической последовательности по типоразмерам в узловых точках. Узел является наиболее сложным и ответственным элементом конструкции.
Недостатком всех известных пространственных конструкций геодезической структуры является то, что при возведении или перекрытии сооружений больших объемов значительно увеличивается число элементов конструкции, имеющих различные геометрические размеры. При этом усложняются расчеты, усложняется строительство сооружения, что приводит к неэффективности данных технологий.
Известно достаточное количество технических решений, в которых заявлены узловые соединения конструктивных элементов сборных геодезических куполов. Сущность вышеуказанных технических решений − сокращение типоразмеров конструктивных элементов, повышение надежности узловых соединений каркаса и покрытия каркаса, повышение жесткости, прочности сборных геодезических конструкций.
Задачей создания заявленной полезной модели является удовлетворение в потребности создания конструкций, выдерживающих повышенные ветровые, ураганные, снеговые и сейсмические нагрузки, для оборудования детских площадок, а также в перспективном строительстве несущих конструкций в космосе.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в создании геодезического купола цельной конструкции, который заменяет сборные пространственные конструкции, смонтированные из отдельных элементов и приближенные к сферической форме, так как  только геодезический купол,  созданный по цифровой модели в процессе аддитивного производства, соответствует геодезической сетке и обладает достаточной пространственной жесткостью, в отличие от архитектурных сооружений, на основе геодезических многогранников, максимально приближенных к сферической форме и возведенных монтажом.
Геодезический купол, имеющий по сравнению с аналогами повышенную технологичность за счет того, что его жесткий каркас имеет сферическую форму и выполнен из сквозных сферических равносторонних треугольников (геодезических ячеек), которые образуют цельную геодезическую структуру (сетку) каркаса, а покрытие каркаса представляет собой монолитную сферическую поверхность, ограждающую каркас от наружной среды и внешних воздействий. При этом каркас и его покрытие образованы как единое целое и предпочтительно создаются печатью 3D-принтера по цифровой модели, экструзией через сопло 1 и сопло 2, и соединены между собой при послойном наплавлении, затвердении и связывании с прилегающими слоями, где каждый новый слой связывается с материалом прилегающего слоя и материалом соседних участков – в результате создается распечатка с монолитным соединением, при этом каждая точка поверхности геодезического купола соответствует параметрам его цифровой модели.
Цельная конструкция геодезического купола, элементом которого является геодезическая ячейка, может быть выполнена с многослойным покрытием. Заявляемая конструкция геодезического купола является цельной пространственной системой с малым весом, геометрически неизменяемой при сейсмических, ветровых и снеговых нагрузках, а также устойчива к внешним воздействиям и воздействиям наружной среды, в том числе и космической среды.
Дополнительные преимущества заявляемого технического решения в том, что использование полимерных материалов, в том числе композиционных, при создании цельного каркаса геодезической структуры исключает деформативность несущей конструкции и нежелательные изгибающие моменты, а также обеспечивает малый вес конструкции.
Раскрытие сущности полезной модели
Геодезический купол цельной конструкции представляет собой архитектурное сооружение – жесткий каркас с монолитным покрытием, созданный трехмерной печатью, выполненный на основе геодезических многогранников в соответствии с геодезической структурой. Структурной ячейкой жесткого каркаса является геодезический треугольник.
Покрытие каркаса представляет собой монолитную сферическую поверхность, ограждающую каркас от наружной среды и внешних воздействий, при этом каркас и его покрытие созданы 3Д-принтером и соединены между собой при послойном наплавлении, затвердении и связывании с прилегающими слоями − каждый новый слой связывается с материалом прилегающего слоя и материалом соседних участков, в результате создается распечатка с монолитным соединением.
При этом каждая точка поверхности геодезического купола соответствует параметрам цифровой модели.
Конструкция геодезического купола может быть выполнена с многослойным покрытием.
Жесткий каркас и его монолитное покрытие могут быть выполнены из полимерных материалов, в том числе композиционных, отличающихся между собой по химической структуре.
В процессе аддитивного производства жесткий каркас и его покрытие могут быть образованы печатью многосопельной головкой 3D-принтера в согласии с траекторией, заданной цифровой моделью, экструзией через сопло 1 и сопло 2, при этом геодезический купол создается как единое целое.
В качестве материалов для трехмерной печати каркаса выбираются материалы полимерной структуры, в том числе композиционные, обеспечивающие прочность и жесткость цельного каркаса.  Для трехмерной печати покрытия выбираются материалы полимерной структуры, в том числе композиционные, с усиленной защитой от наружной среды и внешних воздействий.
В процессе 3D-печати полимерный материал подается в блок экструзии в печатающей головке принтера в твердом виде, где он нагревается до температуры плавления и расплавляется, затем принтер экструдирует или же выдавливает вязкий расплав материала из своего сопла на платформу печати.
Принтер непрерывно перемещает сопло в согласии с траекторией, заданной системой автоматизированного проектирования CAD, укладывая расплавленный материал в необходимых местах. После того как полимерный материал был экструдирован на платформу печати, он должен затвердеть и связаться с прилегающим полимерным материалом, образовывается готовый слой распечатка. Процесс продолжается, пока не будут распечатаны все слои и создание объекта (https://www.qbed.space/knowledge/blog/additive-manufacturing-technologies).
При использовании нагревательных систем в материале должно оставаться достаточное количество тепла для связывания поверхностей соседних участков, в результате чего образуется монолитное соединение.
Размещение траекторий экструзии друг над другом в виде переплетения также способствует более равномерному распределению прочности материала в каждой части изделия.
Для получения конструкций (объектов), удовлетворяющих необходимым критериям качества, а именно прочности, точности и отсутствию дефектов, необходимо сформировать такие режимы печати, при которых температура печати оказывает минимальное воздействие на нарушение структуры образующегося слоя конструкции, но является достаточным фактором для образования связей между соседними слоями, что в свою очередь достигается с помощью оптимального выбора шаблона заполнения слоя (5).
Подробно исследовано влияние технологических режимов на физико-механические свойства образцов, полученных способом FDM-печати. Прочностные характеристики деталей, изготовленных с использованием оптимальных параметров печати, вплотную приближаются к свойствам изделий, полученных способом литья под давлением. Армированные пластики, полученные с использованием FDM-технологий, по своим прочностным характеристикам вплотную приблизились к алюминиевым сплавам при практически в 2 раза меньшей плотности. Анализ этих данных демонстрирует большой потенциал использования FDM-печати для изготовления конструкций, в том числе для авиакосмической техники (6).
Геодезический купол цельной конструкции создается из полимерных материалов, выбранных по назначению (материал А – для каркаса, материал Б – для покрытия каркаса). Трехмерная печать геодезического купола выполняется многосопельной печатающей головкой 3D-принтера в согласии с траекторией, заданной цифровой моделью, экструзией полимерного материала А через сопло 1 и экструзией полимерного материала Б через сопло 2. После того как полимерный материал А и Б были экструдированы на платформу печати, они должны затвердеть и связаться с прилегающим полимерным материалом (АА), (ББ) и поверхностью соседних участков (АБ-БА) через интервал времени, достаточный для связывания с прилегающим материалом и поверхностью соседних участков. В результате образовывается готовый слой распечатка -АА-АБ-ББ-БА- с монолитным соединением. Процесс продолжается, пока не будут распечатаны все слои объекта − геодезического купола.
Головка принтера на таком инструменте должна быть компактной и легкой, чтобы позволить ее быстро перемещать и точно позиционировать без неблагоприятных эффектов инерции. Наличие нескольких экструзионных сопел на головке принтера обеспечивает повышенную производительность и технологичность за счет возможности легко менять экструзионные материалы и/или их цвета без удаления прежнего материала и замены катушки с материалом на новую, что обычно занимает значительное время на односопельных принтерах.
Примером реализации многосопельной печатающей головки 3D-принтера может быть выбрана многосопельная печатающая головка 3D-принтера (www.stereotech.org), имеющая нескольких сопел, установленных в одном блоке экструзии в канале для подачи материала вдоль прямой линии и снабженных индивидуальными механизмами перекрытия. Применение индивидуальных механизмов перекрытия сопел обеспечивает своевременное их включение и выключение в процессе работы при заполнении слоев, содержащих внутренние полости. Одновременное использование в процессе работы нескольких сопел позволяет выполнить задачу заявленной полезной модели и повысить производительность аддитивного процесса.
Примеры выполнения
На фиг.1 приведена цельная конструкция геодезического купола для оборудования детской площадки. Ячейкой цельного геодезического купола выбран равносторонний треугольник. Геодезический купол выполнен из полимерного материала акрилонитрилбутадиенстирола (ABS). ABS –термопластик, обладает рядом преимуществ – долговечность, механическая прочность, устойчивость к влаге и повышенным температурам, прекрасно реагирует на окрашивание и др. Геодезический купол выполнен трехмерной печатью одно или многосопельной (при цветном исполнении) печатающей головкой 3D-принтера в согласии с цифровой моделью, экструзией через сопло, послойным наплавление макрилонитрилбутадиенстирола с образованием сетчатого сферического сегмента – геодезического купола цельной конструкции, при этом каждая точка поверхности цельного геодезического купола соответствует параметрам цифровой модели.
2. На фиг.2 приведена цельная конструкция геодезического купола для сейсмических районов. Ячейкой цельного геодезического купола выбран равносторонний треугольник. Геодезический купол для сейсмических районов выполнен из акрилонитрилбутадиенстирола/ABS (каркас) и композиционного материала с древесным наполнителем (КМ) и/или сверхпрочного стекла (покрытие). Геодезический купол выполнен трехмерной печатью многосопельной печатающей головкой 3D-принтера в согласии с цифровой моделью, экструзией полимерного материала каркаса (акрилонитрилбутадиенстирола) через сопло 1 и экструзией полимерного материала покрытия (композиционного материала с древесным наполнителем) через сопло 2. После того как ABS и КМ были экструдированы на платформу печати, они должны затвердеть и связаться с прилегающими полимерными материалами (ABS-ABS), (КМ-КМ) и поверхностью соседних участков (ABSКМ-КМABS), через интервал времени, достаточный для связывания с прилегающими материалами и поверхностью соседних участков. В результате образовывается готовый слой распечатка-ABSABS-ABSКМ-КМКМ-КМABS- с образованием монолитного соединения. Процесс продолжается, пока не будут распечатаны все слои объекта − геодезического купола цельной конструкции для сейсмических районов.
Основные преимущества геодезического купола цельной конструкции для сейсмических районов:
высокая прочность, обеспеченная пространственной работой системы;
высокая устойчивость, обеспеченная пониженным центром тяжести сооружения;
максимальная сейсмостойкость (по шкале Рихтера – до 12 баллов);
при строительстве экономия материалов составляет до 30 %;
только за счет формы значительно экономится тепло, так как на 30 % площадь сферической оболочки меньше площади стен параллелепипеда;
значительно (в разы) уменьшается вес оболочки дома, что упрощает устройство фундамента;
значительно (в разы) ускоряется возведение дома (7).
3. На фиг.3 приведена цельная конструкция геодезического купола для космоса. Ячейкой цельного каркаса выбран равносторонний треугольник. Геодезический купол для космоса выполнен из суперкомпозиционного материала (каркас) и полимерно-матричного композита – нанокомпозита (покрытие), обеспечивающего в космосе тройную защиту – тепловую, радиационную и противоударную. Геодезический купол для космоса выполнен трехмерной печатью многосопельной печатающей головкой 3D-принтера в согласии с цифровой моделью, экструзией суперкомпозиционного материала каркаса (СКМ) через сопло 1 и экструзией нанокомпозита покрытия (НП) через сопло 2. После того как СКМ и НП были экструдированы на платформу печати, они должны затвердеть и связаться с прилегающими полимерными материалами (СКМ-СКМ), (НП-НП) и поверхностью соседних участков (СКМНР-НРСКМ), через интервал времени, достаточный для связывания с прилегающими материалами и поверхностью соседних участков. В результате образовывается готовый слой распечатка -СКМСКМ-СКМНР-НРНР-НРСКМ- с образованием монолитного соединения. Процесс продолжается, пока не будут распечатаны все слои объекта − геодезического купола цельной конструкции для космоса.
Используемая литература
1*. Патент US 2,682,235, 1951 г.
2. RU 2034964, 1995 г.
3. А.С. СССР №654773, 1979 г.
4. RU 2383693, 2010 г..
5.Преображенская Е. В. Обеспечение адгезии слоёв экструдируемого материала при FDM-печати. УДК 621.812.
6. С. В. Кондрашов, А.А. Пыхтин, С. А. Ларионов, А.Е. Сорокин. Влияние технологических режимов FDM - печати и состава используемых материалов на физико-механические характеристики FDM-моделей (обзор). УДК 678.8.
7. В. А. Баранов, А. Г. Шипилов, Ю.П. Юценко, 2014 Идеи купольного жилого дома. УДК 694.1+728.1.