Возможно ли собрать строительный 3D-принтер за 50 тысяч рублей? 
Ответ – да.

На сегодняшний день применение 3D-принтеров в строительстве не только активно практикуется, но и само оборудование постоянно модернизируется. Модернизация требует исследования, а исследование невозможно без экспериментов. Именно поэтому я задумал этот проект, который, как мне кажется, не только ускорит процесс развития, но и не потеряется в ветке эволюционного совершенствования всей технологии 3D-строительства.

Цели и задачи

Много лет работая с аддитивными технологиями, в частности, со строительными 3D-принтерами, я задумался об одном немаловажном практическом вопросе. Как создать на строительной площадке однотипные повторяющиеся элементы, сделанные по принципу послойного нанесения смеси с максимально низкой себестоимостью? Разработка подобной технологии позволила бы печатать опалубку и тем самым быстро создавать множество одинаковых объектов. Подобное решение могло бы минимизировать расходы при печати малых форм, опалубки и т.п., к примеру, при массовой застройке.

Уже изначально я понимал, что такая технология должна быть не только экономичной, но и более дешёвой, чем наиболее распространённый на данный момент способ. Как сейчас решается задача создания опалубки, колонн и других малых архитектурных форм? Самый дешёвый вариант – это отливка изделий в форму. Это выглядит так: готовим форму из деревянных досок, заливаем в неё бетон или цемент – смотря, что строим, ждём высыхания. После высыхания получаем готовую конструкцию: опалубку, балку, перекрытие, колонну и тому подобное. Просто, дёшево, но трудозатратно из-за невозможности многоразово использовать форму (ее необходимо собирать из досок снова), и медленно.

В результате эксперимента я хотел получить альтернативу, применив свой опыт аддитивных технологий. Осуществляя задуманное, я отталкивался от обратного: строительный принтер компании Апис Кор, в создании которого я принимал участие, являлся универсальным, призванным разнообразить архитектурный ландшафт за счёт возможности печатать объекты любых форм и размеров. Мне же в рамках исследования было необходимо создать узкоспециализированное оборудование, печатающее только по заранее заданной траектории, то есть один и тот же архитектурный элемент.

Претворяем идею в жизнь

Оговорюсь, что мой проект изначально был достаточно авантюрный по замыслу и нищенский по бюджету. Я решил опробовать собрать принтер, используя метод движения каретки по криволинейной траектории с использованием зубчатого зацепления, я имел в своём распоряжении лишь:

• Станок лазерной резки
• Токарный станок
• Два шаговых мотора

Для теста я решил выбрать П-образную конструкцию с габаритами 1,5 Х 1,5 метра и высотой до 2 метров, что-то похожее на шахту лифта, или колонну, или другой элемент строительной конструкции.

Проектировка не заняла много времени. Быстро накидав концепт сборки в CAD, я принялся варить раму из алюминиевых профилей и труб.

Задуманная мной конструкция состояла из трёх узлов:

1.  механизм подъема платформы,
2.  сама платформа с рейкой с зубчатым зацеплением, которая базируется на раме, 
3.  каретка с двигателем и экструдером.

Механизм подъема

Чтобы не усложнять и не удорожать итоговую стоимость конструкции, я сварил простую пространственную раму из стальной трубы, которую нашел в цеху. Механизм подъема состоял из асинхронного двигатель мощностью 750 Вт, который вращал шкиф и наматывал тросик, присоединенный к платформе. Так как мощность двигателя была невысокой, ему не хватало момента чтобы поднять платформу весом около 70 кг, и пришлось добавить противовес – небольшой бетонный блок.

Платформа

Самым сложным было выстроить правильную геометрию зубчатого зацепления. Так как траектория криволинейная, пришлось повозиться с реализацией. Платформу с зубчатым зацеплением я вырезал на станке лазерной резки из обычной стали, а раму делал уже по месту из алюминиевого профиля для облегчения конструкции. 

Каретка

С кареткой всё было чуть сложнее, так как нужно было решить несколько задач, учитывая сложное криволинейное движение: скомпоновать в один механизм ролики, которые катятся по рейке, зубчатое колесо с мотором, а также учесть возможность поворота экструдера вокруг своей оси. Для движения каретки я использовал асинхронный двигатель на 250 Вт.

Тесты экспериментального механизма

При первом же запуске я понял, что не учел расположение провода питания мотора, который движет каретку, с каждым слоем он всё туже наматывался на шланг. Проблема была успешно решена – я установил поворотный контактор, после чего продолжил тестирование.

Проводя исследование, я отметил, что портальная конструкция строительного 3D-принтера имеет важное достоинство: траектория не уходит с увеличением высоты отпечатанной конструкции. Поэтому я сосредоточился на непосредственном наблюдении за механизмом каретки.

Проведённые мной тесты были проведены несколько раз и дали устойчивый положительный результат.

Итоги эксперимента

В результате мне удалось:

• Создать работающий механизм, выполняющий поставленную перед ним задачу – печатать структуру требуемой формы.
• Уложиться в бюджет. На все работы было израсходовано порядка 50 тысяч рублей.

Учитывая вышесказанное, я сделал вывод, что предложенный мной механизм может стать достойной альтернативой существующей технологии отливки и найти себя при строительстве небольших объектов повторяющейся формы. 

В целом я утвердился в мысли, что аддитивные технологии имеют большой потенциал для использования в различных сферах, в том числе, в строительстве. 3D-печать же, войдя в нашу жизнь, позволит значительно оптимизировать строительные процессы, ускорив их и значительно удешевив.

Инженер-конструктор Никита Жеребцов