Бетон в цифровом производстве: возможности и вызовы

РЕФЕРАТ. Цифровое производство, названное в последние годы «третьей промышленной революцией», открывает перспективы для радикального преобразования строительной отрасли. Среди них развитие архитектуры свободных форм, снижение объема отходов и производственных затрат, повышение безопасности труда. Однако вяжущие материалы стали относительно широко применяться в технологиях цифрового производства лишь с недавних пор.

В данной статье * описываются методы цифрового изготовления изделий из бетона, включая 3D-печать, и обсуждаются основные сложности применения бетона в этой области. Также рассматривается метод послойной экструзии как наиболее популярная технология цифрового производства с использованием бетона и акцентируется внимание на важности контроля гидратации для успешной реализации этой технологии на практике.

Ключевые слова: бетон, цифровое производство, реология, управляемое схватывание, тиксотропия.

Keywords: concrete, digital fabrication, rheology, set on demand, thixotropy.

1. Введение

Бетон – ​наиболее широко используемый человечеством материал (после воды) с объемом потребления около 2 млрд т в год. Главная причина его популярности как строи­тельного материала — способность течь и заполнять предложенную форму, а потом естественным образом переходить в твердое состояние и приобретать проч­ность, достаточную, чтобы выдерживать эксплуатационную нагрузку. Это свойство предоставляет большую гибкость в работе с бетоном и открывает перспективы его применения в сочетании с технологиями цифрового производства.

Термин «цифровое производство» можно определить как сочетание цифрового трехмерного моделирования и соответ­ствующих производственных технологий, позволяющих получать физические объекты произвольных форм. Цифровое производ­ство, объявленное в последние годы «третьей промышленной революцией» [1], обещает радикальные изменения во всех отраслях индустрии. Одна из технологий такого производства — 3D‑печать, которая, несмотря на растущее в последние годы внимание к ней в областях архитектуры и строительства, все еще находится на этапе становления [2–6].

Сегодня методы 3D‑печати успешно реализуются на практике с применением полимерных материалов, экструдируемых в жидком состоянии с последующим затвердеванием нанесенных слоев. Применение для этих целей бетона, претерпевающего после укладки схожее фазовое превращение, выглядит естественным шагом, однако сопряжено с рядом сложностей при увеличении масштабов производства.

Вместе с тем область применения бетона в цифровом производстве не ограничивается лишь непосредственно 3D‑печатью: существуют и иные технологии, позволяющие обойти имею­щиеся ограничения 3D‑печати с использованием бетона. В целом, независимо от используемой технологии, цифровое производство в области строительства и архитектуры предоставляет преимущества в части создания изделий свободных форм, прецизионного нанесения материала, увеличения скорости выполнения работ, снижения трудозатрат и повышения безопас­ности для рабочего персонала. Кроме того, цифровое производство — экологически более дружественный процесс, чем технологии традиционного строительства, благодаря оптимизации дизайна создаваемого изделия, экономии материала за счет его точного дозирования по мес­ту и сопутствующего снижения количе­ства образующихся при производстве отходов, особенно отработанных материалов опалубки.

При этом изготовление железобетонных конструкций с применением методов цифрового производства сопряжено с рядом серьезных затруднений, к которым относятся:

⋅ доставка и укладка материала,

⋅ оценка и контроль фазовых преобразований при твердении бетона,

⋅ слоистость получаемой структуры и образование «холодных стыков»,

⋅ армирование массы бетона арматурой или ориентированной под влиянием течения фиброй,

⋅ финишная отделка поверхности изделия.

Эти вопросы рассмотрены далее в контексте существующих сегодня технологий цифрового производства с использованием бетона. Все эти технологии можно условно разделить на две категории: литье в формы и аддитивное производство. Кроме того, можно выделить и различные методы печати бетоном: струйную 3D‑печать, при которой связующий материал слой за слоем наносится на свободно насыпанный матричный материал (binder jetting); экструзионную послойную печать и заливку со скользящей опалубкой (slipforming).

2. Технологии и проблемы в цифровом производстве бетонных изделий

2.1. Литье в индивидуальную одноразовую опалубку. Среди технологий цифрового производства с применением бетона широкое распространение получил метод цифрового проектирования и изготовления опалубки. Системы автоматизированного производства (Computer aided manufacturing — ​CAM) позволяют создавать опалубочные формы сложной геометрической конфигурации, однако для этого нужны фрезеровальные станки с числовым программным управлением (ЧПУ), чтобы изготавливать сегменты опалубки из блоков пенополистирола или из дерева.

Один из примеров конструкций, возведенных таким образом, — мост Spencer Dock Bridge в Дублине, построенный в 2012 году (рис. 1) [7]. Для реализации проек­та потребовалось изготовить более 100 одноразовых сегментов опалубки со сложной гео­метрией. В том же году в Дубае возведена башня O‑14 с уникальным сплошным бетонным фасадом, в котором имеются 1300 отверстий различного размера. Фрагменты опалубки для фасада также были изготовлены на станке с ЧПУ [8].


Рис. 1. Собранные вместе в готовую форму фрагменты опалубки, изготовленные на фрезеровальном станке с ЧПУ (слева) и вид снизу на мост Spencer Dock (справа), Дублин, 2012 год [10]

Несмотря на возможности создания произвольных геометрических форм, применение ЧПУ‑станков для изготовления опалубки сегодня признается нерациональным подходом из-за низкой производительности и энергозатратности, а также из-за того, что получаемая опалубка — одноразовая [9]. Кроме того, хотя сама по себе укладка бетона в собранную форму не является сложной задачей, изготовление и установка арматуры, повторяющей произвольную геометрию конструкции, трудозатратна.

Тем не менее литье в опалубку, изготавливаемую на станках с ЧПУ, сегодня остается самой эффективной технологией для создания сложных геометрических форм из бетона.

2.2. Литье в несъемную опалубку. Альтернатива изготовлению опалубки субтрактивными методами — выполнение несъем­ной опалубки, заполняемой впоследствии бетоном. Этот подход может оказаться более рациональным, если принять во внимание все недостатки субтрактивной обработки. Кроме того, полученная опалубка может не только быть формой для заливки бетона, но и выполнять иные функ­ции.

В качестве примера можно привести технологию изготовления металлической сетки (рис. 2), разработанную в Федеральной высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich): промышленный робот со специальным манипулятором изгибает и сваривает куски металлической проволоки в трехмерную сетчатую структуру, которая  работает как порис­тая опалубка во время бетонирования и выполняет армирующие функции после затвердевания бетона [11—14]. Поверхность полученного изделия можно обработать при помощи робота или вручную.


Рис. 2. Сетчатая форма, изготовленная с использованием мобильного робота-манипулятора (ETH Zurich)

Этот подход помогает решить проблемы, характерные для технологии послойной печати бетоном — ​интегрирование армирующей сетки в напечатанное изделие и формирование «холодных стыков» из-за недостаточного перемешивания бетона соседних слоев. Благодаря своей гибкости и универсальности робот способен создавать пространственные сетки любой конфигурации, причем стоимость их производства не зависит от сложнос­ти гео­метрии. Мобильность робота позволяет использовать его для изготовления сетки непосредственно в месте эксплуатации.

Альтернативный метод создания не­съем­ной опалубки — заводское изготовление элементов произвольной формы, например, с использованием технологии струйной 3D‑печати элементов из песка. Сущность технологии заключается в нанесении органического или неорганического жидкого связующего на подложку из формовочного песка: последнее скреп­ляет отдельные песчинки между собой, и таким образом слой за слоем формируется целостное изделие. На сегодняшний день эта технология в основном используется при изготовлении форм для отливки металлических изделий, но с недавнего времени она стала применяться и для создания архитектурных элементов с пространственным разрешением порядка нескольких миллиметров [15, 16]. Таким образом, методом струйной 3D‑печати с послойным нанесением связующего создаются отдельные элементы опалубки практически любой произвольной формы, которые впоследствии собираются в готовый «скелет», заливаемый конструкционным бетоном. При этом можно проектировать и создавать структурные элементы с такой геометрической конфигурацией, которая позволила бы снизить массу конструкции при сохранении ее проч­ностных характеристик или интегрировать в нее другие конструкционные или инженерные элементы.

Хотя для этой технологии существует то же ограничение, что и для любых других методов 3D‑печати (максимальные габариты готового изделия ограничиваются размером самого принтера), ​конечная стоимость изделия и время его изготовления практически не зависят от сложности его форм. Это поз­воляет рассматривать данную технологию как перспективный способ изготовления элементов опалубки. Конечно, армирование готового бетонного изделия по-прежнему представляется непростой задачей. Методами ее решения могут стать печать формы с каналами для закладки арматуры перед заливкой с ее последующим напряжением либо применение бетона, армированного стальной фиброй. Вообще говоря, применение бетона в цифровом производстве само по себе должно стимулировать разработки в области управления ориен­тацией фибры при заливке бетона и расширить сферу применения фиб­робетона в целом, поскольку предлагаемые методы производ­ства обещают неисчерпаемые возможности воплощения в бетоне самых причудливых геометрических форм.

2.3. Аддитивное производство: струйная 3D‑печать (binder jetting). Помимо рассмотренных выше подходов с применением одноразовой или несъемной опалубки изготавливать изделия из бетона можно также методами аддитивного производства, например, с использованием технологии струйной 3D‑печати — послойного точечного нанесения воды или жидкого связующего на подушку из цемента либо нанесения готового цементного теста на подушку из заполнителя. Возможность применения данной технологии в строительстве изучается на протяжении нескольких последних десятилетий [17], но лишь недавно она применена для создания сложных элементов архитектором Энрико Дини и фирмой Emerging Objects (США) [18,19]. В сравнении с другими технологиями 3D‑печати, использующимися в архитектуре, струйная печать обеспечивает наи­большую свободу при формировании геометрической конфигурации изделия. Она позволяет легко создавать консольные балки и пустоты благодаря тому, что в ходе печати несвязанный материал подушки представляет собой опору для формирующихся элементов изделия. Можно изготавливать изделия с такой же конструкционной прочнос­тью, как у неармированного портландцемента [20]. 

При всех своих достоинствах струйная печать имеет и недостатки, среди которых трудности с армированием печатаемого изделия и необходимость последующей обработки изделия и пропитки его укрепляющими составами, а также утилизации несвязанного материала (цемента), теряющего активность при длительном воздействии атмосферной влаги. Толщина одиночного слоя при печати зависит от свойств связующего и напрямую влияет на скорость печати и пространственное разрешение (детализацию) получаемого изделия.

Представляется, что дальнейшее развитие технологии струйной 3D‑печати будет направлено на расширение спектра применяе­мых комбинаций порошок—связующее для улучшения эксплуатационных характерис­тик печатаемых деталей, решения задачи их армирования, создания более экологически чис­того и устойчивого производства.

2.4. Аддитивное производство: послойная экструзионная печать. Термин 3D‑печать обычно воспринимается именно как послойная экструзионная печать. Данная технология сегодня находит широкое применение для изготовления изделий произвольных форм из различных термопластичных полимеров. Разработками в области технологии 3D‑печати бетоном, когда бетонная масса наносится слой за слоем при помощи печатающей головки с цифровым управлением, на протяжении последнего десятилетия занимаются несколько исследовательских институтов. Пионером в этой сфере следует признать профессора Берока Хошневиса из Университета Южной Калифорнии, еще в 2004 году разработавшего процесс, получивший название «Контурное строитель­ство» (Contour Crafting) [2, 3, 5]. Технологию предполагалось применять для «печати» высотных сооружений и даже зданий на Луне [21]. Аналогичный подход был выбран в рамках исследовательского проекта Free Form Construction, реализуемого Университетом Лафборо (Великобритания) с 2010 года [4, 5, 22].

Независимо от габаритов создаваемого объекта для реализации технологии требуется наличие модульного переносного прин­тера, размер которого обычно больше размера самого «печатаемого» строе­ния. Кроме того, для напечатанных таким образом объектов характерна проблема «холодных швов» между отдельными слоями. Армирование все так же представляется трудной задачей, поскольку размещение прутов арматуры не должно создавать препятствий для перемещения печатающей головки. Выходом из ситуации может стать печать изделия с технологическими отверстиями, в которых уже после завершения печати размещается арматура. Свободное простран­ство между арматурным прутом и стенками отверстия впоследствии заполняется бетоном. При таком подходе данный процесс фактически сводится к рассмот­ренному выше литью в несъемную опа­лубку.

Оба упомянутых выше пилотных проекта значительно повлияли на формирование отрасли 3D‑печати бетоном и вскоре привели к возникновению целого ряда исследовательских организаций и компаний, реализующих проекты в этой области для заводского изготовления архитектурных элементов. Одна из таких компаний — WinSun (Китай) — недавно продемонстрировала способность построить полноразмерный дом из бетона менее чем за сутки путем сборки предварительно напечатанных элементов (рис. 3) [23]. Другая компания — Total Kustom, основанная архитектором Андреем Руденко, — в 2015 году «напечатала» на Филиппинах целый гостиничный номер [24]. Итальянская фирма WASP собрала самый высокий в мире прин­тер — ​12-метровую гексагональную машину [25]. Китайская компания HuaShang Tengda недавно напечатала виллу площадью 400 м2, при этом удалось совместить технологию горизонтальной послойной печати с использованием армирования благодаря применению печатающей головки инновационного дизайна для нанесения бетона вокруг предварительно установленного арматурного каркаса [26]. Постоянно возрастающий интерес к 3D‑печати бетоном привел к формированию материаловедческого подхода, нашедшего отражение в нескольких недавно запущенных проектах, таких как ConPrint3D (Технический университет Дрездена, Германия), 3D Concrete Printing (Технический университет Эйндховена, Нидерланды) и проек­та французской команды XTreeE [27—29].


Рис. 3. Контурное строительство (толщина слоя около 5 см) (слева) и дом, напечатанный и построенный по подобной технологии компанией WinSun, Китай (справа)

Одна из главных проблем в технологии послойной печати бетоном — допустимая скорость роста высоты печатаемого изделия. К бетону, применяемому в качестве «чернил», предъявляются противоречивые требования: в момент экструзии через сопло печатающей головки он должен быть достаточно пластичным, однако нанесенный слой должен быстро приобретать прочность, достаточную для поддержания новых слоев, и в то же время скорость твердения должна быть строго контролируемой, чтобы обеспечить достаточное перемешивание материала соседних слоев друг с другом и тем самым исключить формирование «холодных швов», снижающее структурную прочность и срок службы готовой конструкции.

Вопросы расчетов времени твердения слоя бетона при 3D‑печати рассмот­рены далее.

2.5. Аддитивное производство: заливка со скользящей опалубкой. В отличие от послойной экструзионной печати, позволяю­щей печатать все более крупные объекты, разработанная в 2012 году ETH Zurich технология, получившая название Smart Dynamic Casting (SDC), адаптирует хорошо известный способ возведения массивных конструкций методом скользящей опалубки для автоматизированного изготовления нестандартных бетонных элементов относительно небольших размеров [30, 31]. В то время как методом скользящей опалубки традиционно выполняются объекты, имеющие площадь сечения в несколько квадратных метров, технология SDC позволяет изготавливать элементы с сечением, площадь которого измеряется в квад­ратных сантимет­рах, при помощи контро­лируемого роботом перемещения заливочной формы, вертикальный габарит которой намного меньше конечной высоты получаемого элемента.

В обоих случаях бетонная/растворная масса заливается в опалубку в жидком состоянии и покидает ее уже в затвердевшем, что обусловливает необходимость управления скоростью схватывания и твердения смеси. При крупнотоннажной заливке это достигается путем периодической доставки на объект и заливки в скользящую опалубку отдельных порций бетона. В случае использования метода SDC раствор подается в форму непрерывно, а гидратацией содержащегося в нем цемента управляют, вводя химические добавки (рис. 4). В начале работ подготавливается большой объем очень медленно твердеющего раствора с самоуплотняю­щейся консис­тенцией. В ходе подачи в форму в раствор вводится строго заданное количество ускорителя схватывания [32, 33]. Такой подход позволяет достичь скорости формирования изделия в вертикальном направлении порядка 1 м/ч. Процесс схематично показан на рис. 5.


Рис. 4. Заготовка колонны высотой около 2 м, изготовленная роботизированным методом непрерывной заливки со скользящей опалубкой, способной изменять свою форму


Рис. 5. Схема реализации технологии SDC: а – ​материал (раствор) с замедленным схватыванием, б – ​химические ускорители схватывания, в – ​встроенная измерительная система, г — ​управляющая программа

Раствор или бетон, поступающий в по­движную форму сверху в жидком состоянии, к моменту выхода из опалубки должен иметь достаточную прочность, чтобы поддерживать вновь формируемые сверху участки изделия, однако вместе с тем твердеющий раствор не должен задерживаться в форме сверх необходимого времени, поскольку в противном случае между затвердевшим материалом изделия и стенками формы возникают силы трения, способные привести к растрескиванию материала [34, 35].

Метод SDC позволяет печатать неограниченное число одинаковых вертикальных элементов при помощи одной-единственной формы, а также предварительно армировать изделие. Кроме того, непрерывный характер процесса исключает образование «холодных швов». В то же время богатство геометрической конфигурации изделий ограничивается возможностями самой опалубки, поэтому печать сложных элементов данным методом требует предварительного изготовления не менее сложных форм.

Преимущества и недостатки существующих сегодня технологий цифрового производства бетонных изделий указаны в таб­лице.


3. Материаловедческий взгляд на основные проблемы 3D‑печати бетоном

Поскольку в облас­ти цифрового производства из бетона наиболее активно развиваются методы послойной экструзионной печати, проанализируем основную, на наш взгляд, проблему, связанную с применением данной технологии. Это необходимость обеспечить такое поведение материала при твердении, при котором экструдированный слой получается достаточно жестким и прочным, чтобы нести последующие слои, и достаточно плас­тичным, чтобы обеспечить должное перемешивание материалов нового и предыдущего слоев.

3.1. Изменение предела текучести при переходе от отдельного слоя ко всей структуре. Схема послойной печати бетоном показана на рис. 6.


Рис. 6. Схема послойной экструзии бетона. Экструзионная головка с цифровым управлением движется со скоростью V, создавая слои индивидуальной высотой h и шириной w. Суммарная высота зависит от скорости и длины контура L.

Непосредственно после нанесения плас­тичного слоя материала его предел текучести t0, н должен быть достаточным для поддержки этого слоя [36]:


где ρ, g и h — ​плотность материала слоя, гравитационная постоянная и высота слоя соответственно.

После завершения печати предел текучести t0, к материала ниж­него слоя должен быть достаточным для того, чтобы этот слой мог выдерживать действие веса всей конструкции Hm:


Таким образом, отношение пределов текучести в конечный и начальный моменты времени равно:

  

Согласно имеющимся у нас данным, типичная высота слоя обычно варьируется в диапазоне 1—3 см, а конечная высота напечатанного изделия в среднем составляет 80—150 см. Таким образом, указанное отношение будет равно 25—150.

Предел текучести можно представить как произведение некоторой функции объемной доли и средней силы взаимодействия час­тиц [37]. Если пренебречь гидратацией, то отношение t0,f/t0,i  равно отношению сил взаимодействия частиц, которые, в свою очередь, можно соотнести с эффективной толщиной слоев стерической изоляции d [38]:


Это отношение может варьироваться от 5 до 12. В простейшем случае df — средняя толщина слоя жидкой фазы в отсутствие добавок, оцениваемая в 0,8 нм [39]. Следовательно, начальная толщина слоя могла бы составлять 4—10 нм.

Это существенно больше значений, обычно наблюдаемых при вводе суперпластификаторов, поэтому можно заключить, что роста предела текучести, а значит, и фазового превращения нельзя достичь, только устранив вызываемое суперпластификаторами дис­пергирование частиц.

Требуемый предел текучести уложенного слоя может быть достигнут несколькими способами:

1) путем смешивания свежих порций быстро­схватывающегося раствора/бетона непосред­ственно перед подачей в экструдер;

2) путем ввода ускорителя схватывания в смесь и поддержания ее подвижности (предела текучес­ти) до подачи на печать путем интенсивного перемешивания. В этом и предыдущем случаях скорость роста предела текучести будет в первую очередь определяться процессами гидратации;

3) путем приготовления смеси с изначально высоким пределом текучести, что, однако, приводит к росту рабочего давления в экструдере и повышает риск формирования «холодных стыков».

Тем не менее при любом из предложенных подходов существует опасность недостаточного сцепления напечатанных слоев между собой.

3.2. Скорость роста предела текучес­ти. В цифровом производстве скорость рос­та предела текучести Aтикс является важным технологическим параметром [36]. Она связана с минимальным допустимым временем экструзии одного слоя th, min и всех слоев tH, min при изготовлении изделия высотой H соотношением


Если структурообразование обусловлено исключительно тиксотропными свойствами раствора, то верхний предел Aтикс равен 2 Па/с [40]. Тогда минимальное время возведения конструкции высотой 1 м составит 100 мин.

Для определения максимальной скорос­ти укладки горизонтального слоя V время его укладки удобно выразить как функцию величины Aтикс:

         

Тогда скорость V должна удовлетворять следующему соотношению:

       

где L – ​длина контура. 

Основываясь на статистических данных для типичных конфигураций печатаемых стеновых конструкций, можно утверждать, что длина контура обычно в 3 раза превышает габаритную длину конструкции в целом.

3.3. «Холодные стыки». Такие стыки возникают между последовательно нанесенными слоями бетона, если перемешивание материала соседних слоев затруднено. Это может произойти, если превышено некоторое критическое значение «открытого времени» — ​периода между нанесением одного слоя и следующего слоя поверх него [40]. Открытым временем ограничивается «сверху» время печати одного слоя (рис. 7):


где μп – ​пластическая вязкость. 


Рис. 7. Зависимость возможной высоты изделия от времени при 3D-печати бетоном. Начальная проч­ность слоев зависит от предела текучести, обусловленного реологическими свой­ствами материала. Чтобы изготавливать достаточно высокие объекты и повышать скорость печати, необходима гидратация, с началом которой ускоряется схватывание. Скорость роста предела текучести определяется значением Aтикс, приведенным к пределу текучести, при котором экструдированный слой устойчив к воздействию силы собственного веса согласно уравнению (1)

В уравнении (8) не учитывается значение предела текучести, что вполне допустимо для бетонной смеси самоуплотняющейся консис­тенции. Если говорить о бетоне, применяемом в технологии экструзионной печати, то предел текучести свежеуложенного слоя должен быть как минимум вдвое меньше, чем слоя, лежащего под ним. В этом случае уравнение (8) поз­воляет достаточно точно определить максимальное время печати одного слоя. Очевидно, открытое время должно быть больше минимально допустимого времени (уравнение (5)) и фактического времени печати одного слоя (уравнение (6)), поэтому скорость печати горизонтального слоя должна удовлетворять соотношению


3.4. «Рабочее окно». Уравнения (6) и (8) определяют границы интервала времени печати одного слоя (рис. 7), а соотношения (7) и (9) — допустимые значения скорости печати горизонтального слоя. Основываясь на соотношении (9), можно определить минимальную длину L одного слоя (контура):

      

При толщине слоя 1—3 см, пластической вязкости 50 Па · с, плотности 2400 кг/м3 и скорости роста предела текучести 2 Па·с длина контура должна составлять не менее 0,6—15 м (в зависимости от толщины слоя). При снижении скорости роста предела текучести приблизительно до 0,1 Па·с диапазон возможных значений длины контура увеличивается до 11—300 м. При меньших значениях этой скорости необходима пауза в работе принтера после укладки каждого слоя, позволяющая избежать коллапса конструкции под действием силы веса вновь наносимых слоев. В этих условиях линейная скорость печати остается ниже ожидаемой (0,2 м/с).

3.5. Выводы и перспективы. При непрерывной послойной 3D‑печати бетоном время нанесения одного слоя определяется исходя из допустимых максимального и минимального значений горизонтальной (линейной) скорости печати, образующих «рабочее окно». Если время нанесения не выходит за пределы этого окна, то будет достигаться прочность формируе­мых слоев конструкции, достаточная для поддержания последующих слоев материала, и вмес­те с тем не возникнет риск формирования «холодных стыков» между слоями. Тем же определяется минимальная длина печатаемого контура, которая зависит от толщины слоя, скорости роста предела текучести, пластической вязкости и плотности материала. 

Характер зависимости вертикальной скорости печати от скорости формирования структуры показан на рис. 7. 

Существование граничных условий по длине контура создает проблему при печати объек­тов, сильно вытянутых по высоте, по­этому, например, при печати по используе­мой для производства подобных изделий технологии Smart Dynamic Casting [31] и по технологии, разработанной поз­же командой XTreeE [29], в смесь обязательно добавляют ускорители схватывания. В целом это также накладывает ограничения при переходе к производству изделий больших размеров. Из-за жесткой взаимосвязи параметров печати и свойств материала переход от изготовления маленьких моделей к производству крупных изделий практически неосуществим без серьезного модифицирования свойств применяе­мых для печати мате­риалов.

Отметим, что для печати объектов высотой более 1,0—1,5 м затруднительно сохранять структурную прочность изделия лишь за счет реологических свойств исходной бетонной смеси — необходимо твердение массы за счет реакций гидратации (рис. 7). Необходимо использовать химические реакции, и в связи с этим перед химией материалов стоит серьезная задача. Ее можно определить как «схватывание по требованию» — смесь должна храниться в пассивном состоянии и активироваться непосредственно перед укладкой. Другой вариант решения той же задачи — непрерывное перемешивание свежеприготовленной смеси. В обоих случаях скорость роста предела текучести и технологические парамет­ры связаны уравнением (10). 

4. Требования к робототехнике в цифровом производстве изделий из бетона

Железобетон — ​это композитный материал; для сооружения бетонной стены с требуе­мыми физико-механическими характеристиками необходимы несколько различных материалов и многоэтапное производство. Например, для описанной нами технологии Mesh Mould Metal основные этапы включают в себя подачу проволоки, резку на куски, соединение этих кусков (например, путем сварки), изгибание и др. Неудивительно, что для цифрового производства сложных композитных изделий нужно решить множество вопросов из области мехатроники. Требуется переосмыс­лить и разработать заново всю технологию изготовления конкретного изделия, но уже с учетом возможностей и ограничений роботов-сборщиков, а не с позиций ручного труда. Ограничения цифрового производства изделий из железобетона связаны с поведением бетонной смеси, структурными требованиями к изделию, топологией армирующей сетки, возможностями мехатронной головки печатающего инструмента и роботизированного комплекса-сборщика в целом. Все эти аспекты взаимосвязаны, их совокупность оказывает решающее влияние на успешность реализации цифрового производственного процесса.

Некоторые из наиболее фундаментальных проблем в области мехатронных систем для цифрового производства из бетона одновременно являются фундаментальными проблемами в робототехнике и цифровом производстве в области архитектуры в целом. К ним относятся задачи измерения и контроля характеристик изделия в ходе сборки, позиционирования рабочих элементов, обработки неполных и неточных данных о геометрии изделия и его отдельных узлов. Стремясь перенести цифровое производ­ство из цеха непосредственно на стройплощадку, необходимо решать вопросы обеспечения мобильности роботов-сборщиков, точности и свободы позиционирования их рабочих элементов.

Вместе с тем некоторые из этих задач предлагают уникальные возможности и способны подсказать, где системы цифрового производства позволят обойти ограничения современных парадигм строительства. Например, необходимость постоянной оперативной обратной связи рабочего органа в ходе сборки объекта генерирует богатый, высокоинформативный поток данных, который впослед­ствии можно было бы хранить и анализировать для контроля качества возведенного объекта и его соответствия строительным нормам, оптимизации производства и др. Решение задач самостоятельного позиционирования рабочих элементов сборщика в масштабе всего возводимого объекта и относительно печатаемого в настоящий момент фрагмента устранило бы необходимость в размещении на строительной площадке внешних систем позиционирования, что повысит эффективность работы всей сборочной системы, а совершенствование управляющих программ позволит «на лету» обнаруживать и исправлять ошибки и неточности в работе оборудования.

5. Заключение

Вероятно, в скором времени, благодаря продолжающемуся широкому внедрению цифровых технологий в области строительства и архитектуры, технологии применения бетона — ​наиболее широко используемого человечеством рукотворного материала — ​выйдут на принципиально новый уровень. Уже суще­ствующие технологии, описанные в этой статье, и новые процессы могут получить стремительное развитие.

Однако вначале специалистам в областях архитектуры, материаловедения, строительной механики, робототехники и др. предстоит решить множество задач, и только их совместными усилиями возможности индустрии цифрового производства из бетона могут выйти на абсолютно новые рубежи.

Благодарности

Исследования в области цифрового производства из бетона, проводящиеся в ETH Zurich, поддерживаются Швейцарским нацио­нальным научным фондом и Национальным центром компетенций в исследованиях в области цифрового производства – ​инновационных строительных процессов в архитектуре, который начал финансирование организации в 2014 году. Благодаря этой помощи ведутся исследования по проектам Smart Dynamic Casting, Mesh Mould Metal и «Композиционные сверхвысокопрочные фибробетоны» (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) composites).



* Материал является переводом статьи Digital Concrete: Opportunities and Challenges // RILEM Technical Letters. 2016. Vol. 1.



ЛИТЕРАТУРА

1. The third industrial revolution // The Economist. April 2012 [Электронный ресурс]. URL:  https://www.economist.com/leaders/2012/04/21/the-third-industrial-revolution (2012) (дата обращения 15.04.2019).

2. Khoshnevis B. Automated construction by contour crafting – ​related robotics and information technologies // Autom Constr. 2004. Vol. 13. P. 5—19 [Электронный ресурс]. URL:  http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2003.08.012 (дата обращения 15.04.2019).

3. Khoshnevis B., Hwang D., Yao K.-T., Yeh Z. Mega-scale fabrication by Contour Crafting // Int. J. Ind. Syst. Eng. 2006. Vol. 1. P. 301—320 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1504/IJISE.2006.009791 (дата обращения 15.04.2019).

4. Buswell R. A., Soar R. C., Gibb A.G.F., Thorpe A. Freeform construction: mega-scale rapid manufacturing for construction // Autom. Constr. 2007. Vol. 16. P. 224—231 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2006.05.002 (дата обращения 15.04.2019).

5. Lim S., et al. Developments in construction-scale additive manufacturing processes // Autom. Constr. 2012. Vol. 21. P. 262—268 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2011.06.010 (дата обращения 15.04.2019).

6. Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural built-up of cementbased materials used for 3D‑printing extrusion techniques // Mater. Struct. 2016. Vol. 49. P. 1213—1220 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1617/s11527–015–0571–0 (дата обращения 15.04.2019).

7. Lavery C. Spencer Dock Bridge // Concr. Int. 2013. Vol. 35. P. 28—31.

8. In progress: 0–14 tower by Reiser + Umemoto // ArchDaily. 2009 [Электронный ресурс]. URL: http://www.archdaily.com/22200/in-progress‑0–14-tower-by-reiserumemoto/ (дата обращения 21.08.2016).

9. Li L., Yan J., Xing Z. Energy requirements evaluation of milling machines based on thermal equilibrium and empirical modelling // J. Clean. Prod. 2013. Vol. 52. P. 113—121 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.02.039 (дата обращения 15.04.2019).

10. Spencer Dock Bridge Dublin — ​Nedcam / Modellbau Nachtigall [Электронный ресурс]. URL: http://www.nedcam.com/spencer-dock-bridge-dublin.htm (дата обращения 08.09.2016). 11. Hack N., Lauer W. V. Mesh-Mould: Robotically fabricated spatial meshes as reinforced concrete formwork // Archit. Des. 2014. Vol. 84: P. 44—53 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1002/ad.1753 (дата обращения 15.04.2019).

12. Norman Hack W.V.L. Mesh Mould: Robotically fabricated metal meshes as concrete formwork and reinforcement. 2015.

13. Sandy T., Giftthaler M., Doerfler K., Kohler M., Buchli J. Auto­nomous repositioning and localization of an in situ fabricator // IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. 2016. P. 2852—2858 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1109/icra.2016.7487449 (дата обращения 15.04.2019).

14. Kumar N., et al. Design, development, and experimental assessment of a robotic end-effector for non-standard concrete applications // IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. 2017. 

15. Casting of concrete [Электронный ресурс]. URL: http://www.voxeljet.de/en/case-studies/casestudies/casting-of-concrete/(дата обращения 25.08.2016).

16. dbt, Digital Building Technologies [Электронный ресурс]. URL: http://www.dbt.arch.ethz.ch (дата обращения 21.08.2016).

17. Pegna J. Exploratory investigation of solid freeform construction // Autom. Constr. 1997. Vol. 5. P. 427—437 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/S0926–5805(96)00166– 5 (дата обращения 15.04.2019).

18. Bloom, Emerging Objects [Электронный ресурс]. URL: http://www.emergingobjects.com/project/bloom‑2/ (дата обращения 21.08.2016).

19. D‑shape [Электронный ресурс]. URL: http://www.d-shape. com (дата обращения 21.08.2016).

20. Cesaretti G., Dini E., De Kestelier X., Colla V., Pambaguian L. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology // Acta Astronaut. 2014. Vol. 93. P. 430—450 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.07.034 (дата обращения 21.08.2016).

21. Krassenstein B. Contour crafting inventor Dr. Khoshnevis: Widespread 3D printed homes in 5 years, high-rises in 10 years. 2015 [Электронный ресурс]. URL: https://3dprint.com/53437/contour-crafting-dr-khoshnevis/ (дата обращения 21.08.2016).

22. Le T. T., et al. Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete // Mater. Struct. 2012. Vol. 45. P. 1221—1232 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1617/s11527–012–9828-z (дата обращения 21.08.2016).

23. N. Davison. 3D‑printed cities: is this the future? // The Guardian. 2015 [Электронный ресурс]. URL: https://www.theguardian.com/cities/2015/feb/26/3d-printed-cities-future-housing- (дата обращения 22.04.2019).

24. Rudenko 3D Printer [Электронный ресурс]. URL: http://www.totalkustom.com/ (дата обращения 21.08.2016).

25. Concrete beam created with 3D printing — ​WASP [Электронный ресурс]. URL: http://www.wasproject.it/w/en/concrete-beam-created-with‑3dprinting/ (дата обращения 21.08.2016).

26. Exquisite 400 m2 villa 3D printed on-site in Beijing in just 45 days // 3ders.org [Электронный ресурс]. URL: http://www.3ders.org/articles/20160614-exquisite‑400-m2-villa‑3d-printed-on-site-in-beijing-in-just‑... (дата обращения 21.08.2016).

27. CONPrint3D // TU Dresd. [Электронный ресурс]. URL: https://tu-dresden.de/bu/bauingenieurwesen/ifb/dasinstitut/news/CONPrint3D?set_language=en (дата обращения 11.08.2016).

28. 3D Concrete Printing [Электронный ресурс]. URL: http://www.tue.nl/universiteit/faculteiten/bouwkunde/onderzoek/onderzoeksprogrammas/structural-desig... (дата обращения 21.08.2016).

29. Gosselin C., et al. Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete — ​a new processing route for architects and builders // Mater. Des. 2016. Vol. 100. P. 102—109 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2016.03.097 (дата обращения 21.08.2016).

30. Shahab A., et al. Smart dynamic casting or how to exploit the liquid to solid transition in cementitious materials // Proc. CD of the 1st Intern. Conf. on Rheology and Processing of Construction Materials and of the 7th Intern. Conf. on Self Compacting Concrete. Paris, 2014.

31. Lloret E., et al. Complex concrete structures: Merging existing casting techniques with digital fabrication // Comput-Aided Des. 2015. Vol. 60. P. 40—49 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.cad.2014.02.011 (дата обращения 21.08.2016).

32. Reiter L., Palacios M., Wangler T., Flatt R. J. Putting concrete to sleep and waking it up with chemical admixtures // Spec. Publ. 2015.  Vol. 302. P. 145—154.

33. Reiter L., Kaessmann R., Wangler T., Flatt R. J. Strategies to wake up sleeping concrete // Proc. of Intern. Conf. on the Chemistry of Cement. Beijing, 2015.

34. Schultheiss M., et al. Feedback control of Smart Dynamic Casting through formwork friction measurements // Proc. CD of the 8th Intern. RILEM Symp. on Self-Compacting Concrete. Washington, DC. 2016.

35. Mettler L., Wittel F., Flatt R., Hermann H. Evolution of strength and failure of SCC during early hydration // Cem. Concr. Res. 2016. Vol. 89. P. 288—296 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2016.09.004 (дата обращения 21.08.2016).

36. Schowalter W. R., Christensen G. Toward a rationalization of the slump test for fresh concrete: Comparisons of calculations and experiments // J. Rheol. 1998. Vol. 42. P.  865—870 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1122/1.550905 (дата обращения 21.08.2016).

37. Flatt R.J., Bowen P. Yodel: A yield stress model for suspensions // J. Am. Ceram. Soc. 2006. Vol. 89. P. 1244—1256. 

38. Gelardi G., Flatt R.J. 11 — Working mechanisms of water reducers and superplasticizers // Sci. Technol. Concr. Admix. Woodhead Publishing, 2016. P. 257—278.

39. Perrot A., Lecompte T., Khelifi H., et al. Yield stress and bleeding of fresh cement pastes // Cem Concr Res. 2012. Vol. 42. P. 937—944. 

40. Roussel N., Cussigh F. Distinct-layer casting of SCC: The mechanical consequences of thixotropy // Cem. Concr. Res. 2008. Vol. 38. P. 624—632 [Электронный ресурс]. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2007.09.023 (дата обращения 21.08.2016).





Автор: Т. Уэнглер, Э. Льоре, Л. Райтер, Н. Хак, Ф. Грамацио, М. Колер, М. Бернхард, Б. Дилленбургер, Й. Бухли, Н. Руссель, Р. Флатт

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.