В 21 веке четвёртая промышленная революция (её ещё называют Индустрия 4.0) позволила достичь значительных научных и технологических достижений для создания интеллектуальных систем производства, за счёт объединения физических и цифровых технологий, таких, как робототехника, аддитивное производство, искусственный интеллект, создание новейших передовых материалов, высокопроизводительные вычисления, когнитивные технологии и дополненная реальность. Часть технологий была адаптирована к строительной отрасли. Их внедрение позволило строительным компаниям повысить сложность проектов и производительность, сократить время и стоимость строительства, а также более эффективно обеспечить безопасность на стройплощадках. При этом, качество и эффективность возводимых объектов вышли на новую высоту.
Одним из основополагающих столпов инновационных технологий в строительстве явилось аддитивное производство - его в большинстве проектов представляют, как процесс соединения материалов для формирования деталей с использованием данных из 3D-модели, обычно построенной слой за слоем, в отличие от субтрактивного производства. Но есть у него и другие итерации в данной отрасли. Несмотря на то, что разновидности технологических подходов аддитивного производства предлагает различные преимущества, такие, как автоматизация производственных процессов, свобода проектирования и большой потенциал для оптимизации, его интеграция в строительную отрасль всё ещё нуждается в серьёзных доработках и изучении новых применений.
Индустрия 4.0 инкапсулирует слияние существующих цифровых технологий и методов для создания ресурсоэффективного, автоматизированного и интеллектуального процесса строительства, но она в значительной степени зависит ещё от таких технологий, как Интернет вещей, искусственный интеллект и робототехника. Однако комбинаторика этих технологий с аддитивным производством традиционно ограничивались промышленным сектором, их использование заключалось в производстве небольших прототипов со сложными конструкциями, в основном для концептуализации продукта, общей эстетики и начального тестирования функциональности. А технологию 3D-печати на заре появления часто называли «быстрым прототипированием». Но не прошло и 10 лет, как был изобретён процесс 3D-печати бетона, способный производить строительные элементы. Таким образом, использование 3D-принтеров в строительстве начало расширяться, показывая большой потенциал.
Тем не менее, несмотря на очевидный потенциал и уменьшение стоимости возведения уникальных объектов, уменьшении времени производства, свободу проектирования и возможность быстрого возведения сложных конструкций, достигнутые в приложениях 3D-печати для мелкомасштабных строительных проектов, различные ограничения препятствуют принятию этой технологии для крупномасштабного применения (возведения больших зданий). Переход от малого к большому геометрическому масштабу - часто необходимому при производстве элементов для строительной отрасли - влечёт за собой значительные проблемы.
Ещё одной областью применения (значительно эффективным процессом при ремонте или повторном изготовлении) является объёмная печать металлических компонентов. Само по себе, преимуществом использования производства элементов в единичном экземпляре для строительства является снижение веса конструкции. Это использование высокой гибкости 3D-печати по металлу, при создании геометрически оптимизированных деталей, имеет огромный потенциал применения – например, при тёплом остеклении балконов необычной фигурной формы или изготовлении балюстрад для лестниц. Но отсутствие специальных правил проектирования и опыта в строительной отрасли, является основным барьером, препятствующим широкомасштабному внедрению 3D-печати по металлу в производство большеразмерных конструкций.
Некоторые области строительного аддитивного процесса взаимосвязаны - например, бетон и 3D-печать тесно связаны с экструзией и производством металла путём использования электродуговой присадки посредством направленного энергетического напыления. Цифровое производство открывают новые горизонты для строительства с использованием материалов на основе заполнителей, а возможность возведения бетонных конструкций без опалубки является большим преимуществом с точки зрения скорости производства и архитектурной свободы. Формирование сложных геометрий позволяет создавать прочные и устойчивые конструкции, способные выдерживать нагрузки, такие как фермообразные конструкции и сложные изгибы. Такие материалы, как бетон, являются наиболее распространёнными в строительстве, причём наиболее применяемыми являются процессы экструзии материалов и нанесения покрытий. Чтобы состав был пригоден для печати, он должен соответствовать определённым требуемым физико-механическим и термостойким характеристикам. Для бетона это означает правильное использование содержания примесей, модификаторов вязкости и последовательное использование соотношений воды и заполнителя для хорошей межслойной адгезии.
Процесс экструзии состоит из извлечения и нанесения материала через сопло на подложку в полутвёрдом состоянии, которое затвердевает, когда достигает своей окончательной формы. В масштабах строительства процессы экструзии материалов уже широко применяются в различных вариациях и для разных материалов. Наиболее распространёнными технологиями АП с материалами на основе заполнителей являются контурное моделирование. В процессе сопло управляется декартовым манипулятором портального типа, который выдавливает материал, пока сопло перемещается вдоль стен конструкции; затем материал выравнивается, что позволяет получать гладкие и точные поверхности. После печати слоя сопло поднимается на высоту, равную толщине нанесённого слоя, повторяя процесс до тех пор, пока не будет получена полная конструкция.
По сравнению с традиционными методами строительства, печать бетоном потребляет меньше энергии при применении к более сложным конструкциям, оптимизируя систему в соответствии с условиями работы. Важным сопутствующим фактором является определение требуемых свойств смеси, включая экструдируемость, укладываемость, текучесть и время. В хорошо напечатанной конструкции каждый слой должен иметь одинаковую ширину и высоту без существенных деформаций или разрывов. Горизонтальные и вертикальные адгезии между слоями также должны быть учтены. Что касается укладываемости, это определяет, какое напряжение могут передавать нижние слои напечатанной конструкции из-за нагрузок последующих слоёв бетона, поскольку в процессе печати бетон затвердевает, со временем увеличивая свою прочность на сжатие и жёсткость, вызывая зависимость от разумной скорости и оттиска. После завершения процесса печати прочность и долговечность продукта могут быть улучшены путём инфильтрации или термической обработки. Преимущество этой технологии аддитивного производства заключается в возможности изготовления деталей высокой сложности конструкции малым тиражом, что обеспечивает среднюю себестоимость и короткие сроки изготовления.
Технология Powder Bed Fusion - это передовая производственная технология, которая позволяет изготавливать металлические детали по разработанной 3D-модели. Она преобразует материал из порошка в твёрдое тело путём плавления или спекания, активируется источником энергии (обычно лазером или источником электронов) или отверждается химической реакцией. После завершения изготовления объекта оставшийся порошок можно использовать повторно. Наиболее используемыми технологиями являются селективное лазерное плавление (SLM) и селективное лазерное спекание, а также электронно-лучевое плавление (EBM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS). Процессы DMLS, SLS и SHS позволяют получать объекты с меньшей плотностью по сравнению с EBM или SLM, где можно производить более сложные детали.
Системы направленного энергетического осаждения (DED) используют сфокусированный источник энергии и поток металлического порошка или проволоки, пересекающийся в определённой точке, определяемой лазером, электроном или плазмой. Это пересечение генерирует расплавленное осаждение, которое может быть точно размещено и осаждено для дальнейшего использования. Аддитивное производство с использованием дуговой сварки (WAAM) — это инновационная технология, которая использует инструменты для дуговой сварки и проволоку для изготовления сложных компонентов. В этом процессе конечный объект тщательно строится путём осаждения и сплавления последовательных слоёв сварочного материала. Преимущество WAAM заключается в том, что вся структура создаётся с использованием осаждаемого сварочного материала, что приводит к прочному и полностью сформированному продукту.
Использование полимеров в строительстве меньше, чем материалов на основе заполнителей или металлов. Однако, если их объединить с другими материалами, которые повышают их устойчивость, полимеры могут использоваться в строительстве в эстетических или структурных целях. Преимущество обработки с использованием полимерных аддитивных технологий заключается в высоком уровне точности и исключении большинства этапов постобработки, что делает её более экономически эффективной, чем другие традиционные методы, такие как формование и экструзия. Это позволяет строительной отрасли использовать конструктивные элементы различной формы в качестве соединителей или соединений, что делает строительную архитектуру новым рубежом для развития.
Помимо 3D-печати для бетонных конструкций, такие применения, как производство опалубки, используют аддитивные методы для поддержки производства сборных бетонных компонентов. Например, в сборных железобетонных конструкциях эта технология включает создание формы с использованием геометрии объекта, в который заливается бетон. Опалубка моделирует желаемую форму, и эти формы затем используются для придания окончательной конструкции её предполагаемого дизайна. Интеграция аддитивного производства в эти области подчёркивает его потенциал для революционных преобразований в строительной отрасли, решения проблем, с которыми традиционные методы не справлялись.
