Идея строительного, многопоточного 3D принтера.

В мировой практике, подход в проектировании строительных 3D принтеров и последующее их использование в строительной печати, более чем демократичен и если описать простыми словами, то эта реализация концепта – для печати маленького здания нужен небольшой принтер, для печати здания в два этажа, принтер нужен размерами с эти самые два этажа.

Основная идея.

Многопоточная 3D печать отдельных блоков опалубки дома в производственном помещении, с последующей перевозкой напечатанных блоков и сборкой дома на территории заказчика.

Основные плюсы такого решения:

1. Многопоточность позволяет добиться высокой скорости 3D печати, и она ограничена лишь количеством потоков построения отдельных блоков опалубки.
2. При печати в стационарном производственном помещении отдельных блоков дома, не требуются этапы: перевозка строительного принтера на объект построения, его сборка и пуско-наладка при помощи многочисленного высококвалифицированного инженерно-технического персонала, а также этапа разборки принтера после выполнения печати.
3. Возможность круглогодичной строительной 3D печати домов любой этажности в режиме 24/7.

Реализация предлагаемой идеи.

Многопоточный строительный принтер.

Состоит из стандартного небольшого строительного 3D принтера с размером области построения 2200-3200-1600 мм(в-ш-г). Конструкция стандартного портала многопоточного принтера и размер области построения приведены условно.

Небольшая конструкция строительного принтера обладает низкой массой рамы, а следовательно, и небольшой инерцией перемещения и в целом позволяет добиться высокого качества и точности печати, что немаловажно для печати отдельных блоков, собираемых в единое целое или при печати отдельных малых архитектурных форм, таких как статуи, скамейки, вазы и т.д.

Также, в конструкции стандартного принтера, есть возможность его установки на дополнительные боковые рельсовые модули.

При установки стандартного принтера на боковые рельсовые модули, появляются две новые возможности: первая — это переезд принтера на новое место и печать следующего элемента и вторая – это отключение короткой оси Y и печать габаритных элементов по всей длине дополнительных рельсовых модулей.

Для реализации многопоточной печати, на боковые рельсовые модули устанавливаются несколько стандартных порталов принтеров (в примере только два, но их количество зависит от требуемой производительности всей установки), где каждый из принтеров работает независимо. Печать осуществляется из общего списка требуемых к печати элементов.

Конструкция блоков и метод сборки готового дома.

Для ускорения сборки готового дома из напечатанных блоков опалубки, был выбран вариант сухой сборки без предварительного нанесения на торцы блоков клея или скрепляющего раствора. При таком варианте проще корректировать, собирать всю конструкцию без привлечения квалифицированного персонала, а также плюс в том, что качество и скорость сборки дома или конструкции будет зависеть только от характеристик, закладываемых при производстве блоков.

Для сухой сборки блоков важна их точная геометрия, а строительная печать не может это обеспечить, с учетом установки блоков на территории сборки с гарантированным неровным основанием плоскости. Исходя из этого, был выбран путь печати блоков с введенным зазором определённой геометрии и наличии в блоках элементов регулировки как в горизонтальном так и в вертикальном положении в пространстве, относительно рядом устанавливаемых блоков. Элементы регулировки могут быть двух типов: первый – они расположены внутри блока опалубки и после регулировки и сборки дома, они остаются внутри залитых блоков опалубки и второй вариант, блоки имеют на внешней поверхности выступ для специально разработанных элементов регулировки, эти элементы после заливки напечатанных блоков опалубки снимаются.

Приблизительный вариант формы края печатных блоков

Указанный приблизительный рисунок формы краев напечатанных блоков, позволяет заполнить шов снаружи после установки блоков, а также имеет тоннель – который снижает давление заливаемого раствора внутрь блоков на внешний заделанный шов. Шов заполняется вручную цементным раствором или пеной, при помощи специализированных устройств, также возможен вариант с предварительно нанесенным в заводских условиях расширяемым от влаги уплотнительным материалом (спец герметики с коэффициентом расширения до 300%).

Вид края блоков в 3DПри реализации такой конструкции блоков, вся суть методики сборки дома будет укладываться в ряд простых в выполнении пунктов, описанных в инструкции: установка блоков, их регулировка, закладывания арматуры в необходимых местах, заделка швов и заливка полученной опалубки бетоном.

Дополнительные уточняющие моменты.

1. Существующие технологии строительства, условно можно поделить на два направления, быстровозводимые конструкции из различных панелей и готовых элементов, изготавливаемых на заводе и классическое строительство по монолитной методике или при помощи кладки кирпича или блоков. Оба направления имеют свои плюсы и минусы, при этом, если грамотно и оптимально выстроить все этапы предложенной методики строительной 3D печати, то такая концепция может достойно конкурировать как и по скорости строительства, так и по основательности получаемой конструкции. При этом предположительный срок возведения дома от момента заявки на печать до приема сдаточных мероприятий собранной опалубки дома с самой распространённой площадью в 80-120 кв.м. (по РФ) может составить 1-2 дня (без учета времени перевозки и скорости набора прочности напечатанных блоков, высокая скорость набора прочности блоков достигается различными стандартными способами и средствами).
2. Габариты печатаемых блоков, нужно будет выбрать большого или среднего размера – все это упрощает и ускоряет сборку и регулировку всей конструкции. Размер блоков следует подобрать ориентируюсь на технику для перевозки и укладки, а так как блоки будут пустотелые для последующей заливки, то перевозка и их укладка будет производится малогабаритной строительной техникой. Использование крупногабаритных блоков, также способствует к снижению количеству специализированных элементов регулировки ориентации в пространстве.
3. Конструкция стандартного одиночного портала принтера, должна соответствовать максимальному размеру печатаемого блока, скорее всего можно ориентироваться на габариты стандартной плиты по ГОСТ для ограждения территорий – для печати элементов ограждения в многопоточном режиме.
4. Первый вариант конструкции блоков, должен быть под монолитную заливку раствора из бетона перевозчика со стандартными решениями фасада, так как соц. опрос по ссылке, указывают на недоверие в 67% покупателей домов к решениям из СИП панелей. С развитием проекта необходимо будет расширить ассортимент вариантов блоков с интегрированным утеплителем и интегрированной фасадной системой.
5. Сильный выигрыш в себестоимости и времени построения дома, а также привлекательности 3D печати дома по описанной технологии, можно получить интегрировав элементы инженерных коммуникаций в проект печати, все необходимые  штробы и технологические отверстия под электрику, канализацию, отопление, горячее и холодное водоснабжение, элементы лестниц будут уже напечатаны в блоках и по переданной заказчику документации реализовать все инженерные системы будет очень просто и быстро.
6. Относительно недорогой «входной билет» для строительных организаций, внедряющих технологию 3D печати на рынок. Первоначально необходимо будет приобрести только один небольшой портал принтера, а с увеличением потребностей объема строительства, просто увеличивать весь комплекс необходимым количеством порталов и боковыми направляющими. Такая особенность, позволяет быстро популяризировать методику строительной 3D печати.
7. Разработка и опробование 3D принтера по описанной технологии также сильно упрощается, удешевляется и ускоряется, так как нужно лишь построить один портал для тестирования и отладки всей технологии.
8. По описанной технологии, возможно также печатать элементы опалубки межэтажных перекрытий. Также осуществима печать высотных объектов, многоэтажные дома и ёмкости для хранения нефтепродуктов. Единственный момент в высотном строительстве, сборку опалубки необходимо будет разбить на несколько этапов перемежевывая с заливкой собранной конструкции. Также возможно реализовать специализированные блоки с вертикальными камерами для заливки отдельными сегментами в несколько этапов, но при этом вся конструкция опалубки собирается сразу. Необходимо также реализовать вариант блоков для непрерывного армо-пояса по всему периметру здания.
9. Модульная конструкция всего комплекса печати, с мало габаритными разборными элементами, позволяет вписать всю конструкцию в стандартные контейнеры для транспортировки и тем самым реализовать идею с мобильным заводом для быстрой печати конструкций (для военных или для случаев чрезвычайных ситуаций природного характера).
10. Так как планируется интеграция технологии печати с инженерными системами и требуется печатать блоки со штробами и технологическими отверстиями то необходимо разработать технологию, головку и состав для печати вымываемыми поддержками или легкоудаляемыми, а также вариант головки под автоматизированную укладку арматуры. Автоматизированная укладка арматуры, в описанной технологи осуществима, так как блоки будут стандартизированы.
11. Специальную конструкцию краев блоков, нужно будет предусмотреть со всех сторон, схематическим примером в описании показан только концепт реализации примыкания соседних блоков.  Для цоколя здания, перекрытий, межэтажных лестниц, крепления кровли, окон и дверных проемов предусмотреть специализированные решения блоков.

Сложности.

На самом деле, уточняющих моментов написано более 30 и не указанные тут в описании имеют отношение к конструкции принтера, форме блоков, методов регулирования и коррекции в конструкции, повышения качества печати и т.д. Со временем что-то дописываю, что-то додумываю и прежде чем приступить к реализации задуманного вопрос к тем, кто прочтет эту статью: может, кто встречал совокупное похожее описание всего проекта? Или какой ни будь патент на изобретение?

И самое главное - проект масштабный, сложный и нашей группе в четыре человека это не реализовать все полностью в сжатые сроки, тем более что мы ведем разработку плат управления и рабочая нагрузка уже велика (в конце мая опубликую статью про серийные платы, целое семейство). Нужен большой коллектив, который сможет решать множества различных узко специализированных задач, от конструирования до продаж. Поэтому, скорее всего, если и решаться на реализацию такого проекта, то необходимо объединять усилия и финансирование совместно с кем-то и это должна быть либо действующая фирма со всеми необходимыми компетенциями, либо реализовать все это с Вами, коллегами печатниками (диванные эксперты в приоритете).

В целом, конструкция принтера не сложна, вся сложность будет с ПО, электроникой, автоматикой. По ПО, есть уже приблизительные варианты развития, с электроникой и автоматикой – есть все необходимые наработки и решения для реализации автоматизированного завода, печатающего блоки 24/7.

По электронике: разработал схемотехнику контроллера центрального контроллера всего комплекса с первоначальной возможностью управления единичным порталом, разработан он в соответствии с ГОСТ IEC 61131-2-2012. (Межгосударственный стандарт. Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания). В указанном ГОСТ, прописаны все электрические параметры контроллеров для промышленности и соответственно все порты ввода-вывода разработанного контроллера совместимы с другим промышленным оборудованием.

По автоматике: в 50% времени я занимаюсь автоматизацией зданий или автоматизацией технологических процессов. Разрабатываю щиты управления, состоящие из контролеров, магнитных пускателей, автоматических выключателей, частотных приводов и т.д.

В видео ЩИТ управления, разработанный мной на стандартном контроллере с датчиков, снимаются различные параметры, идет управление насосами, заслонками с электроприводами.