Комплекс строительной 3D-печати
CONSTRUCTION 3D PRINTING COMPLEX

Область техники
Изобретение относится к строительной отрасли. Комплекс предназначен для возведения непосредственно на стройплощадке конструкций зданий и сооружений, их элементов, включая несъемную опалубку, малых архитектурных форм и т.д. по электронной трехмерной геометрической модели, путем укладки материала для аддитивного строительного производства, слой за слоем.
Уровень техники
Известна система подготовки и подачи материала строительного 3D-принтера (патент РФ на изобретение №2767464, кл. МПК B29C 67/04, E04G 21/02, опубл. 17.03.2022), содержащая корпус, внутри которого имеются две полости: полость перемешивания и полость подачи, соединенные между собой каналом подачи готовой смеси, в полости перемешивания установлен перемешивающий вал, в полости подачи установлен подающий вал, при этом перемешивающий вал выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода и представляет из себя цилиндр с установленными на нем двумя функциональными элементами: перемешивающими элементами и подающим элементом, подающий вал выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода и представляет из себя ротор героторной пары, причем оси перемешивающего вала и подающего вала взаимно перпендикулярны, при этом к полости перемешивания присоединен циклон подачи сухой смеси в порошкообразном виде, который соединен с каналом подачи сухой смеси, а также канал подачи жидкости, на выходе из полости подачи установлена сменная насадка с собственным приводом.
Известен строительный 3D-принтер (патент РФ на изобретение №2753324, кл. МПК E04B 1/16, B33Y 30/00, опубл. 13.08.2021), содержащий опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора, причем узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения.
Известен мобильный строительный 3D-принтер (патент на изобретение №2636980, опубл. 29.11.2017), который включает включает шасси, содержащее платформу с установленным на ней двигателем с приводом на движитель в виде колес; подъемный механизм по оси Z; печатающую головку, содержащую экструдер и двигатель с приводом механизма подачи смеси экструдера; аппаратную часть с блоком питания, устройством позиционирования и блоком управления ЧПУ. Платформа шасси дополнительно содержит кабину с размещенными внутри нее рабочим местом оператора и органами управления шасси; модуль навески ЧПУ, содержащий навеску ЧПУ с установленными на ней механизмами перемещения печатающей головки по осям X, Y, Z, а также двигателями и приводами для каждой оси X,Y, Z, держатель навески ЧПУ, выполненный с возможностью его перемещения посредством подъемного механизма по модулю навески ЧПУ, механическое крепление модуля навески ЧПУ с расположенными на нем механизмами юстировки по вертикали и горизонтали, обеспечивающими заданное отклонение модуля навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по вертикали и горизонтали соответственно; устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку; аппаратная часть дополнительно содержит блок управления устройством приготовления и подачи смеси.
Недостатком известных систем 3D-печати является несогласованность работы элементов систем, что негативно сказывается на надежности, эффективности, скорости печати и качестве изготовленных строительных конструкций.
Краткое описание чертежей и иных материалов
На фиг. 1 представлена блок-схема взаимодействия элементов комплекса строительной 3D-печати.
На фиг. 2 представлена схема варианта загрузки готовой сухой строительной смеси.
На фиг. 3-7 представлены фото этапов работы комплекса: монтаж 3D-принтера; начало 3D-печати дома; выход на окна; внутренняя полость строения; эмуляция модели на пульте оператора.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - контроллер комплекса, 2 - станция приготовления строительной смеси (бетона или раствора) для печати, 3 - насосная станция, 4 - строительный 3D-принтер, 5 - устройство отображения видеосигнала, 6 - видеокамера, 7 - свето-звуковое сигнальное устройство, 8 - компоненты смеси на замес, 9 - контейнер с сухой смесью, 10 - емкостной бункер, 11 - шнековый питатель, ГСП - готовая смесь для печати, ~ - сигналы управления и обратной связи.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который достигается с помощью предлагаемого изобретения, заключается в повышении надежности и эффективности работы оборудования, входящего в комплекс, что позволяет уменьшить эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт комплекса. Комплекс позволяет также снизить потребление энергоресурсов за счет оптимизации работы оборудования; расширить функциональные возможности и модернизационной потенциал за счет возможности комплектации комплекса дополнительными устройствами и системами. Также заявленный комплекс позволяет ускорить строительство, минимизировать брак при производстве работ, уменьшить количество обслуживающего персонала комплекса.
Указанный технический результат достигается тем, что комплекс строительной 3D-печати включает последовательно соединенные: станцию приготовления строительной смеси, насосную станцию и строительный 3D-принтер, а также комплекс содержит, по меньшей мере, одну видеокамеру, устройство отображения видеосигнала, свето-звуковое сигнальное устройство и контроллер, который выполнен с возможностью передачи сигналов управления на каждое устройство комплекса и получения сигналов обратной связи от них.
Станция приготовления строительной смеси содержит узел подачи воды и приемную полость, соединенную шнековым транспортером со смесительной камерой.
Насосная станция содержит камеру домешивания, героторный насос и растворный рукав.
Устройство отображения видеосигнала может быть выполнено в виде монитора, планшета, ноутбука, мобильного телефона.
Для работы с использованием сухих готовых смесей комплекс дополнительно может содержать емкостной бункер, соединенный с помощью шнекового питателя с приемной полостью станции приготовления смеси.
Заявленный комплекс отличается наличием контроллера, обеспечивающего управление всеми элементами комплекса, а также станции для приготовления и автоматической подачи бетона или раствора для печати на печатающую головку (хопер) строительного 3D-принтера. Заявленное техническое решение комплекса обеспечивает синхронизацию процесса подачи строительной смеси на печатающую головку принтера, процесс печати строительной конструкции становится автоматизированным, что позволяет избежать дополнительных трудозатрат, сократить время печатания конструкции и повысить его качественные характеристики.
Осуществление изобретения
Комплекс строительной 3D-печати включает последовательно соединенные: станцию приготовления 2 строительной смеси, насосную станцию 3 и строительный 3D-принтер 4, а также комплекс содержит, по меньшей мере, одну видеокамеру 6, устройство отображения 5 видеосигнала, свето-звуковое сигнальное устройство 7 и контроллер 1.
Контроллер 1 выполнен с возможностью передачи сигналов управления на каждое устройство комплекса и получения сигналов обратной связи от них.
Станция 2 предназначена для приготовления и автоматической подачи бетона или раствора для печати с помощью насосной станции 3 на печатающую головку (хопер) строительного 3D-принтера 4. Станция приготовления 2 строительной смеси содержит узел подачи воды и приемную полость, соединенную шнековым транспортером со смесительной камерой.
Насосная станция 3 содержит камеру домешивания, героторный насос и растворный рукав.
Устройство отображения 5 видеосигнала может быть выполнено в виде монитора, планшета, ноутбука, мобильного телефона.
Для работы с использованием сухих готовых смесей комплекс дополнительно может содержать емкостной бункер 10, соединенный с помощью шнекового питателя 11 с приемной полостью станции приготовления 2 смеси.
Комплекс строительной 3D-печати работает следующим образом.
Станция 2 приготовления строительной смеси может работать в режиме питания, как на готовых сухих смесях заводского изготовления, так и на отдельных компонентах смесей с возможностью смешения.
Работа на сухих готовых смесях (см. фиг. 2).
Готовые смеси доставляются с завода в жестких контейнерах 9 или в мягких контейнерах (например, биг-бегах), содержимое которых пересыпается в емкостной бункер 10 (силос).
Из емкостного бункера 10, через шнековый питатель 11 смесь поступает в приемную полость станции 2, из которой перемещается шнековым транспортером в смесительную камеру, где затворяется водой в необходимом количестве. Количество смеси поступившей в станцию 2, согласовано с производительностью строительного 3D-принтера 4 по раствору/бетону.
Затем, затворенная смесь попадает в камеру домешивания насосной станции 3, откуда через растворный рукав подается на печатающую головку (хопер) принтера 4.
Работа на компонентах смеси.
Компоненты смеси подаются в приемную полость станции 2 индивидуально, механизированно через шнековые питатели в необходимых пропорциях. В приемной полости станции 2 происходит перемешивание компонентов до гомогенного состава смеси, которая перемещается шнековым транспортером в смесительную камеру. Далее, процесс продолжается, как в случае работы станции 2 на сухих готовых смесях.
Работа устройств, входящих в комплекс, согласована между собой на аппаратном уровне, посредством автоматической системы мониторинга технологического процесса 3D-печати по распределенному принципу и легко масштабируется, как аппаратно, так и функционально.
Например, скорость позиционирования строительного 3D-принтера 4 по осям Х и У может варьироваться от 0 до 14,5 м/мин (0...0,24 м/с).
3
Притом, производительность по бетону (раствору) также варьируется в диапазоне от 0 до 0,696 м в час пропорционально изменению скорости.
Станция 2 приготовления бетона или раствора для 3D-печати имеет узел подачи воды для затворения смеси компонентов бетона или раствора в количестве 3-5 л/мин с пределом регулирования ±5%.
Комплекс строительной 3D-печати работает на базе надежного программного и аппаратного обеспечения, что предполагает простоту обслуживания и модернизации.
Комплекс позволяет производить:
- корректный запуск и контроль состояния оборудования комплекса в режиме текущего времени;
- корректная остановка комплекса, включающая в себя автоматическую промывку частей оборудования, контактирующих с раствором или бетоном;
- задание установок согласованных режимов работы;
- видеофиксация процесса печати и просмотр параметров, событий, журналов аварий на 512 записей;
- свето-звуковая сигнализация аварийных состояний;
- автоматический контроль и учет действия персонала за последние 20 часов.
Автоматизация технологического процесса и увязка всего оборудования в единый комплекс позволяет:
- повысить надежность оборудования, входящего в комплекс;
- снизить потребление энергоресурсов за счет оптимизации работы оборудования;
- уменьшить эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт комплекса;
- ускорить строительство;
- уменьшить количество брака в производстве работ;
- уменьшить количество обслуживающего персонала комплекса;
- расширить функциональные возможности и модернизационный потенциал, в зависимости от комплектации комплекса дополнительными системами и устройствами.
Пример реализации
С 4 по 8 апреля 2022 года в компании ООО «СМАРТБИЛД» проводились испытания строительного комплекса 3D-печати (см. фото этапов работы на фиг. 3-7). В результате проведенных испытаний, комиссией в составе сотрудников ООО «СМАРТБИЛД»: директора, исполнительного директора и главного конструктора, были зафиксированы следующие результаты.
1. Максимальная скорость позиционирования 3D-принтера по осям Х и У составила 14,3 м/мин (0,234м/с).
2. Точность позиционирования составила не более: +/- 1 мм.
3. Максимальная производительность по бетону (раствору) составила 0,689 м3/час.
4. Расход воды уменьшился на 35...40% по сравнению с традиционным способом строительства.
5. Расход электроэнергии уменьшился на 20...25% по сравнению с традиционным способом строительства.
6. Затраты на обслуживание комплекса минимальны (чистка и мойка оборудования) - 1...1,5 чел/час.
7. За весь цикл испытаний не выявлено ни одного отказа техники.
8. Скорость возведения (3D-печати) одноэтажного здания площадью 100 м2 составило 36 часов. Экономия времени составила 50...75% по сравнению с традиционным способом строительства.
Таким образом, заявленный комплекс позволяет повысить надежность работы, уменьшить эксплуатационные затраты и снизить потребление энергоресурсов, а также ускорить строительство, минимизировать брак при производстве работ и уменьшить количество обслуживающего персонала.
Сопоставительный анализ заявленного комплекса строительной 3D-печати показывает, что совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники и, значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного комплекса и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного технического решения для возведения непосредственно на стройплощадке конструкций зданий, сооружений и их элементов, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».