3D-печать в строительстве

Автор: Ватин Николай Иванович, Чумадова Людмила Ивановна, Гончаров Иван Сергеевич, Зыкова Вера Владимировна, Карпеня Александр Николаевич, Ким Антон Александрович, Финашенков Евгений Александрович

Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy

Статья в выпуске: 1 (52), 2017 года.

Бесплатный доступ

Данная статья содержит обзор мирового опыта в области применения аддитивных технологий в строительной сфере. Использование 3D-печати позволяет воплотить в жизнь архитектурные проекты любой сложности, уменьшить количество производственных отходов, сократить дефицит жилого фонда, снизить материальные, энергетические и трудовые затраты на строительство. В статье рассмотрены основные технологии, которые используются для печати зданий и сооружений, их отличительные особенности. Также изучен вопрос о материалах, применяемых для изготовления строительной смеси. Особое внимание уделено оценке современного состояния 3D-печати в мире. Проведён обзор строительных компаний, производителей оборудования и исследовательских центров, которые являются основными участниками рынка. Основными задачами исследования являются: популяризация аддитивных технологий в России, способствование внедрению инновационных методов строительства, а также созданию нормативных документов, регламентирующих производственную деятельность

Еще

3d-печать, здания и сооружения, строительство, энергоэффективность, аддитивные технологии, цифровые фабрики

Короткий адрес: https://readera.org/14322361

IDR: 14322361   |   DOI: 10.18720/CUBS.52.3

Список литературы 3D-печать в строительстве

  • Di Carlo T., Khoshnevis B., Carlson A. Experimental And Numerical Techniques To Characterize Structural Properties Of Fresh Concrete. ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineer. 2013. С. V009T10A062-V009T10A062.
  • Warszawski A., Navon R. Implementation of robotics in building: Current status and future prospects. Journal of Construction Engineering and Management. 1998. No.124(1). Pp. 31-41.
  • Ibrahim M. I. M. Estimating the sustainability returns of recycling construction waste from building projects. Sustainable Cities and Society. 2016. No.23. С. 78-93. Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №1(52) Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №1(52)
  • Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. 3D-печать в строительстве/Vatin N., Chumadova L., Goncharov I., Zykova V., Karpenya A., Kim A., Finashenkov E. 3D printing in construction ©
  • Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении: Учебн. пособие. СПб.: СПбГУ, 2013. 221 с.
  • Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 сентября 2015 г. N 1013 "О создании технического комитета по стандартизации "Аддитивные технологии" [Электронный ресурс]//Информационно-правовой портал Гарант.ру. URL: ttp://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/71074904/ (дата обращения 27.09.2016)
  • Hull C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography: пат. 4575330 США. 1986.
  • Chen L. et al. The research status and development trend of additive manufacturing technology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. С.1-10.
  • Вальтер А. В. Послойный синтез армированных объемных изделий//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. Т.2. №.12.
  • Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года//Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С.7-17.
  • Gálvez J. A. Not Just a Pretty Face: Three-Dimensional Printed Custom Airway Management Devices. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2016. Т.3. No. 3. С.160-165.
  • Barazanchi A. Additive Technology: Update on Current Materials and Applications in Dentistry. Journal of Prosthodontics. 2016.
  • Kumar L. J., Nair C. G. Current Trends of Additive Manufacturing in the Aerospace Industry. Advances in 3D Printing & Additive Manufacturing Technologies. Springer Singapore. 2016. С.39-54.
  • Kreiger M. A., MacAllister B. A., Wilhoit J. M., Case M. P. The current state of 3D printing for use in construction. The Proceedings of the 2015 Conference on Autonomous and Robotic Construction of Infrastructure. Ames. Iowa. 2015. С.149-158.
  • Huang S. H. Liu P., Mokasdar A., Hou, L. Additive manufacturing and its societal impact: a literature review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Т.67. №.5-8. С.1191-1203.
  • Wong K. V., Hernandez A. A review of additive manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 2012. Т. 2012
  • Küchler S. Additive Technology and Material Cognition: A View from Anthropology. Journal of Cognition and Culture. 2014. Т.14. №.5. С.385-399.
  • Herderick E. D. Additive Manufacturing in the Minerals, Metals, and Materials Community: Past, Present, and Exciting Future. JOM. 2016. Т.68. No. 3. С.721-723.
  • Bos F. et al. Additive manufacturing of concrete in construction: potentials and challenges of 3D concrete printing. Virtual and Physical Prototyping. 2016. Т.11. №.3. С.209-225
  • L. Xi-Qiang, L. Jing-Fang, Z. Tao, H. Liang, Z. Nan, L. Juan, L. Guoyou. Cement-based composite material used for 3D printing technology as well as preparation method and application thereof: пат. CN104310918A. 2014
  • Y. Tianrong, L Qiaoling. 3D printing cement-based materia l and preparation method thereof: пат. CN10 4891891A. 2015
  • F. Peng, M. Xinmiao. Fiber reinforced composite material reinforced 3D (three-dimensional) printing structure: пат. CN104309126A. 2014
  • L. Fu-Cai, W. Yi-Yuan, X. Min, L. Bin, Z. Xin-Zhen, H. Ming. High-performance powder concrete for 3D (threedimensional) printing: пат. CN104961411A. 2015.
  • Khoshnevis B. Contour crafting extrusion nozzles: пат. US14/961,071. 2015.
  • Dini E. Method for automatically producing a conglomerate structure and apparatus therefor: пат. US8337736. 2012.
  • Dini E., Chiarugi M., Nannini R. Method and device for building automatically conglomerate structures: пат. 11/908,993 США. 2006.
  • Campbell T., C. Williams, O. Ivanova. Could 3D printing change the world. Technologies, Potential, and Implications of Additive Manufacturing, Atlantic Council, Washington, DC. 2011.
  • Kobryn P. A., Semiatin S. L. The laser additive manufacture of Ti-6Al-4V. JOM. 2001. Т. 53. No. 9. С. 40-42.
  • Brennan-Craddock J. et al. The design of impact absorbing structures for additive manufacture. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2012. Т. 382. №. 1.
  • Klammert U. et al. Cytocompatibility of brushite and monetite cell culture scaffolds made by three-dimensional powder printing. Acta Biomaterialia. 2009. Т. 5. No. 2. С. 727-734.
  • Lim S. et al. Fabricating construction components using layered manufacturing technology. Global Innovation in Construction Conference. 2009. С. 512-520. Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №1(52) Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №1(52)
  • Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. 3D-печать в строительстве/Vatin N., Chumadova L., Goncharov I., Zykova V., Karpenya A., Kim A., Finashenkov E. 3D printing in construction ©
  • Horbach S. et al. Building blocks for adaptable factory systems. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2011. Vol. 27. No. 4. С. 735-740.
  • Müller E. Building Blocks as an Approach for the Planning of Adaptable Production Systems. Advanced Manufacturing and Sustainable Logistics. Springer Berlin Heidelberg, 2010. С. 37-45.
  • Gibson I., Rosen D, Stucker B. Additive manufacturing technologies. New York: Springer, 2010. Т.238.
  • Johnston, W. D. Design and Construction of Concrete Formwork. E. G. Nawy (ed.), Concrete Construction Engineering Handbook. CRC Press, 2008. 7-1-7-49.
  • Lloret E. et al. Complex concrete structures: Merging existing casting techniques with digital fabrication. Computer-Aided Design. 2015. No.60. С. 40-49.
  • Khoshnevis B. et al. Mega-scale fabrication by contour crafting. International Journal of Industrial and Systems Engineering. 2006. Т.1. №.3. С.301-320.
  • N. Ramachandran, A. Gale. Space colonization. Aerospace America. 2008. Т. 46, No.12, C. 77.
  • Pegna, J. Construction automation: Are we solving the wrong problem? RPI/RDRC Technical Report 92010. 1992
  • Pegna J. Exploratory investigation of solid freeform construction. Automation in construction. 1997. Т. 5. No. 5. С. 427-437.
  • Khoshnevis B., Dutton R. Innovative rapid prototyping process makes large sized, smooth surfaced complex shapes in a wide variety of materials. Materials Technology. 1998. Т.13. №.2. С.53-56.
  • Khoshnevis B. Automated construction by contour crafting-related robotics and information technologies. Automation in construction. 2004. Т. 13. No. 1. С. 5-19.
  • Hwang D., Khoshnevis B. Concrete wall fabrication by contour crafting. 21st International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC 2004), Jeju, South Korea. 2004.
  • Perkins I., Skitmore M. Three-dimensional printing in the construction industry: A review. International Journal of Construction Management. 2015. Т.15. №.1. С. 1-9.
  • Gardiner J. Exploring the emerging design territory of construction 3D printing-project led architectural research. 2011. 382c.
  • Tay Y. W. et al. Processing and Properties of Construction Materials for 3D Printing. Materials Science Forum. -2016. -Vol. 861. С. 177-181.
  • Lim S. et al. Development of a viable concrete printing process. 28th International Symposium on Automation and Robotics in Construction. 2011. С. 665-670.
  • Buswell R. A. et al. Freeform construction: mega-scale rapid manufacturing for construction. Automation in construction. 2007. Vol. 16. No. 2. С. 224-231.
  • Buswell R. A. et al. Design, data and process issues for mega-scale rapid manufacturing machines used for construction. Automation in Construction. 2008. Vol. 17. No. 8. С. 923-929.
  • Mahapatra S. S., Panda B. N. Benchmarking of rapid prototyping systems using grey relational analysis. International Journal of Services and Operations Management. 2013. Vol. 16. No. 4. С. 460-477.
  • Lim S. et al. Developments in construction-scale additive manufacturing processes. Automation in construction. 2012. Т. 21. С. 262-268.
  • Le T. T. et al. Mix design an d fresh properties for high-performance printing concrete. Materials and structures. 2012. Т. 45. No. 8. С. 1221-1232.
  • Laurent, P., Erica, M., Laurent, F. and Safaâ, M. Advanced building materials, Bus. Innovaion Obs. 2014. Pp. 2-14.
  • Tibaut A., Rebolj D., Perc M. N. Interoperability requirements for automated manufacturing systems in construction. Journal of Intelligent Manufacturing. 2016. Т. 27. No. 1. Pp. 251-262.
  • Cesaretti G. et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology. Acta Astronautica. 2014. Т. 93. С. 430-450.
  • Grugel R. N., Toutanji H. Sulfur "concrete" for lunar applications-Sublimation concerns. Advances in Space Research. 2008. Т. 41. No. 1. С. 103-112.
  • Hager I., Golonka A., Putanowicz R. 3D printing of buildings and building components as the future of sustainable construction?. Procedia Engineering. 2016. No. 151. С. 292-299.
  • Le T. T. et al. Hardened properties of high-performance printing concrete. Cement and Concrete Research. 2012. Т.42. No. 3. С. 558-566.
  • Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques. Materials and Structures. 2016. Т. 49. No. 4. С. 1213-1220. Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №1(52) Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №1(52)
  • Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. 3D-печать в строительстве/Vatin N., Chumadova L., Goncharov I., Zykova V., Karpenya A., Kim A., Finashenkov E. 3D printing in construction ©
  • Shahab A. R. et al. Smart dynamic casting or how to exploit the liquid to solid transition in cementitious materials//Proceedings CD od the 1st international conference on rheology and processing of construction materials and of the 7th international conference on self-compacting concrete, Paris, France. 2013.
  • Perrot A. et al. Use of ram extruder as a combined rheo-tribometer to study the behaviour of high yield stress fluids at low strain rate. Rheologica acta. 2012. Т. 51. No. 8. С. 743-754.
  • Josserand L., Coussy O., de Larrard F. Bleeding of concrete as an ageing consolidation process. Cement and concrete research. 2006. Т. 36. No. 9. С. 1603-1608.
  • Roussel N. Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes. Cement and concrete research. 2005. Т.35.No. 9. С. 1656-1664.
  • Roussel N. A thixotropy model for fresh fluid concretes: theory, validation and applications. Cement and Concrete Research. -2006. Т. 36. No. 10. С. 1797-1806.
  • Wallevik J. E. Rheological properties of cement paste: thixotropic behavior and structural breakdown. Cement and Concrete Research. 2009. Т. 39. No. 1. С. 14-29.
  • Billberg P. Form pressure generated by self-compacting concrete. Proceedings of the 3rd international RILEM symposium on self-compacting concrete, RILEM PRO33 Reykjavik, Iceland. 2003. С. 271-280.
  • Lowke D, Kra ¨nkel T, Ghelen C, Schiessl P. Effect of cement type and superplasticizer adsorption on static yield stress, thixotropy and segregation resistance. Khayat K, Feys D (eds) Design, production and placement of selfconsolidating concrete. Springer, Heidelberg. 2010
  • Ferron R. P. et al. Rheological method to evaluate structural buildup in self-consolidating concrete cement pastes. ACI materials journal. 2007. Т. 104. No. 3. С. 242.
  • Perrot A. et al. Prediction of lateral form pressure exerted by concrete at low casting rates. Materials and Structures. 2015. Т. 48. No. 7. С. 2315-2322.
  • Khoshnevis B. et al. Mega-scale fabrication by contour crafting. International Journal of Industrial and Systems Engineering. 2006. Т. 1. No. 3. С. 301-320.
  • Zhang J., Khoshnevis B. Optimal machine operation planning for construction by Contour Crafting. Automation in Construction. 2013. No. 29. С. 50-67.
  • Bederina M., Makhloufi Z., Bouziani T. Effect of limestone fillers the physic-mechanical properties of limestone concrete. Physics Procedia. 2011. No. 21. С. 28-34.
  • Alhozaimy A. M. Effect of absorption of limestone aggregates on strength and slump loss of concrete. Cement and Concrete Composites. 2009. Т. 31. No. 7. С. 470-473.
  • Голубева О. А., Потапова Е. Н. Влияние метакаолина на свойства белого портландцемента//Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. №8 (157).
  • Duan P. et al. Enhancing microstructure and durability of concrete from ground granulated blast furnace slag and metakaolin as cement replacement materials//Journal of Materials Research and Technology. 2013. Т. 2. No. 1. С. 52-59.
  • Стеенберг М. и др. Композиционный цемент на основе портл андцемента, известняка и прокаленной глины//Цемент и его применение. 2012. № 9. С. 44-49.
  • Изотов В. С., Соколова Ю. А. Химические добавки для модификации бетона. Монография. М.: Изд-во «Палеотип», 2006. 244 с.
  • Камалова З. А. и др. Суперпластификаторы в технологии изготовления композиционного бетона//Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 8. С. 148-152
  • Lim S. et al. Developments in construction-scale additive manufacturing processes. Automation in construction. 2012. No. 21. С. 262-268.
  • Abdou M. I., Abuseda H. Upgrading offshore pipelines concrete coated by silica fume additive against aggressive mechanical laying and environmental impact. Egyptian Journal of Petroleum. 2016. Т. 25. No. 2. C. 193-199
  • Karahan O., Atis C. D. The durability properties of polypropylene fiber reinforced fly ash concrete. Materials & Design. 2011. Т. 32. No. 2. С. 1044-1049.
  • Malaeb Z. et al. 3D Concrete printing: machine and mix design. International Journal of Civil Engineering. 2015. Т. 6. No. 6.
  • Baehr D. O., Izard D. G. Method for the production of glass fiber-reinforced gypsum sheets and gypsum board formed therefrom: пат. 4265979 США. 1981.
  • Liu K., Wu Y. F., Jiang X. L. Shear strength of concrete filled glass fiber reinforced gypsum walls. Materials and Structures. 2008. Т. 41.No. 4.С. 649-662. Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №1(52) Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №1(52)
  • Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. 3D-печать в строительстве/Vatin N., Chumadova L., Goncharov I., Zykova V., Karpenya A., Kim A., Finashenkov E. 3D printing in construction ©
  • Серых И. Р., Панченко Л. А. Прочность стеклофибробетона//Научные труды Sworld. 2014. Т. 9. № 2. С. 43-47.
  • Kim G. B., Pilakoutas K., Waldron P. Development of thin FRP reinforced GFRC permanent formwork systems. Construction and Building Materials. 2008. Т. 22. № 11. С. 2250-2259.
  • M. Yi. 3D (Three-Dimensional) printing high-strength composite board: пат. CN 104328890 A. 2014
  • Клюев А.В., Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В. Мелкозернистый фибробетон армированный полипропиленовым волокном//Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2014. № 4. С. 67 -72
  • Habert G., De Lacaillerie J. B. D. E., Roussel N. An environmental evaluation of geopolymer based concrete production: reviewing current research trends. Journal of Cleaner Production. 2011. Т. 19. No. 11. С. 1229-1238.
  • Кузьмин С. Н. 3D принтеры. Рабочее поле и виды кинематических схем//Красноярск, Сибирский федеральный университет, 15-25 апреля 2016 г. 2016. С. 94.
  • Mathieus G. J. Rotating nozzle: пат. 5617886 США. 1997.
  • Pearce J. M. et al. 3-D printing of open source appropriate technologies for self-directed sustainable development. Journal of Sustainable Development. 2010. Т. 3. No. 4. С. 17.
  • Малышева В. Л., Красимирова С. С. Возможности 3D принтера в строительстве//Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 12-2.
  • Мустафин Н. Ш., Барышников А. А. Новейшие технологии в строительстве. 3D принтер//Региональное развитие: электронный научно-практический журнал. 2015. № 8 (12)
  • Savytskyi M. V., Shatov S. V., Ozhyshchenko O. A. 3D-printing of build objects. Вiсник Приднiпровської державної академiї будiвництва та архiтектури. 2016. № 3 (216).
  • Шарманов В. В. и др. Трудности поэтапного внедрения BIM//Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. №10(37). С. 108-120.
  • Барабанщиков Ю. Г., Архарова А. А., Терновский М. В. Бетон с пониженной усадкой и ползучестью//
Еще
Статья научная