Мечта из стекла и бетона

3D-принтеры демонстрируют большие перспективы в строительстве зданий, можно просто напечатать коробку из бетона и доставить её на строительную площадку. Исследовательский проект Либерецкого технического университета в Чешской Республике направлен на создание мобильного робота, который может печатать здания прямо на стройплощадке. Команда использует элементы управления, приводы, средства визуализации и программное обеспечение B&R для управления сложной печатающей головкой инновационного робота.

Первые 3D-принтеры, которые использовались в архитектуре, играли вспомогательную роль в процессе проектирования - на них создавали пластиковую модель для демонстрации макета здания. Сейчас же существуют огромные роботы, которые печатают компоненты из бетона, и используются непосредственно в строительстве. Однако в техническом университете Либереца в Чехии группа исследователей уже готовится к следующему шагу - это создание мобильного робота, который будет печатать прямо на строительной площадке.

3D-печать обещает впечатляющие преимущества в сфере строительства. Элементы здания печатают из смеси бетона и армирующих материалов. Но не только новые возможности дизайна вдохновляют строителей, куда более важно то, что производство компонентов станет значительно экономичнее. Поскольку 3D печать не требует обширной опалубки, необходимой для обычных монолитных конструкций, что уменьшает количество отходов.

Однако, какими бы захватывающими ни были эти экспериментальные методы, нынешний уровень техники все еще имеет ряд недостатков. Компоненты изготавливаются в производственном цехе, а затем их необходимо транспортировать на строительную площадку. Транспортные средства, используемые для транспортировки, накладывают ограничения на габариты компонентов и вызывают значительные логистические затраты. Современные системы печатают только вертикальные элементы здания, в то время как горизонтальные плиты - перекрытия и потолки создаются традиционными методами.

Исследовательский проект 3D Star в техническом университете Либерец (TUL) в Чешской Республике призван преодолеть эти недостатки, и позволить печатать целые многоэтажные здания, в том числе полы и потолки, прямо на строительной площадке. Исследовательская команда планирует сделать это с помощью своего мобильного робота "Printing Mantis" для 3D-печати, робот назван так из-за сходства рук робота с удлиненными клешнями богомола. Проект осуществляется в сотрудничестве с институтом теории информации и автоматизации Академии наук Чешской Республики и институтом Клокнера Чешского технического университета в Праге и будет включать средства управления, визуализации, приводы и программное обеспечение от B&R.

Иржи Сухомель с факультета искусств и архитектуры технического университета Либерец предсказывает, что печать на месте с помощью Printing Mantis позволит архитекторам еще более творчески подойти к реализации сложных архитектурных элементов с беспрецедентной точностью до 2-3 миллиметров. Робот будет собирать на месте многоэтажные здания, на подобии конструктора Lego. «Горизонтальные плиты будут напечатаны на земле и подняты на место, а вертикальные стены будут напечатаны непосредственно на их окончательном месте», - рассказывает Сухомель. «Всё непосредственно на месте.»

Производство цемента оказывает значительное воздействие на окружающую среду, а заполнители и гравий, которые требуются для изготовления бетона, обычно сильно ограничены в количестве. «Вот почему мы хотим строить легкие, тонкостенные бетонные конструкции с нетрадиционным армированием. Это значительно снизит расход материала» , - объясняет Сухомель.

Большинство из нас привыкли, что 3D-принтеры работают либо с пластиком, либо с порошком. Поэтому изменить конструкцию принтера для печати дома - это нечто большее, чем просто замена одного материала на другой. Даже сам процесс замеса бетонной смеси представляет собой сложную задачу. Ведь консистенция бетона должна быть достаточно пластичной, чтобы с ней можно было работать, но достаточно твёрдой, чтобы нижний слой не расплывался во все стороны. Полное твердение бетона происходит за 28 дней, однако напечатанная структура должна сразу же после печати сохранять и держать форму.

Другая немаловажная задача - научить робота печатать стены практически любой кривизны, включая точки перегиба, создавать острые углы и делать промежутки. «Это важно, чтобы мы могли предоставить архитекторам максимальную свободу», - говорит один из ведущих конструкторов Con4Bot, доцент Вацлав Зада из института мехатроники и компьютерной инженерии технического университета Либерец. Благодаря конструкции Con4Bot, когда конечный исполнительный элемент на короткое время прекращает печать, чтобы оставить место для двери или окна, остальная часть робота продолжает движение. «Большой робот способен сохранять значительную кинетическую энергию, у других машин нет такой особенности» - отмечает Зада.

Когда робот Printing Mantis будет завершен, он научится вращаться, а размах его руки по горизонтали будет составлять до 5,6 метров, а по вертикали до 3,3 метров. На сегодняшний день проект ведётся на двух прототипах. Первый - это SCARA-робот в масштабе 1: 4, который благодаря своим размерам и весу можно транспортировать обычными строительными транспортными средствами. Второй прототип - это линейный робот в институте Клоклнера в Праге, где исследователи тестируют и разрабатывают печатающую головку вместе с различными смесями строительных материалов.

После десятилетнего сотрудничества с B&R исследовательская группа была абсолютно уверена в том, что система автоматизации B&R обеспечит не только необходимую производительность, но и масштабируемость, позволяющую на поздних этапах разработки и внедрения без проблем применять роботов большего размера и сложности. «Мы создали решение для автоматизации, которое может удовлетворить любые новые требования, которые обязательно появятся в будущем», - говорит инженер B&R Томаш Кохоут.

Приводная система оснащена осями с абсолютными многооборотными энкодерами, серводвигателями, модульной системой управления и обладает расширенными функциями безопасности. «Интегрированная система управления движением от B&R сделала решение очень удобным как для конструкторов, так и для будущих пользователей», - говорит Леош Беран из института мехатроники и компьютерной инженерии Либерецкого технического университета. «Решение обладает огромным запасом прочности и потенциала для будущего, это крайне важно для любого исследовательского проекта, особенно нашего».

Концевой исполнительный элемент печатающей головки робота управляется системой управления B&R. Ядро программного обеспечения для 3D-печати базируется на стандартных компонентах ЧПУ от B&R. Платформа mapp Technology от B&R избавила команду разработчиков от необходимости программировать основные рутинные функции, например, управление рецептами и управление пользователями.

Управляющее программное обеспечение работает на мощном промышленном ПК серии Automation PC от B&R. «Помимо самой системы управления на компьютере Automation PC будет запускаться пользовательский веб-интерфейс», -отмечает Кохоут. Приложение визуализации отображается на панели Automation Panel 5000, установленной на поворотном кронштейне с настраиваемыми элементами управления (программируемыми кнопками). «Высокопроизводительная панель для визуализации предлагает высокую степень гибкости и эргономики управления, - отмечает Кохоут, - а пользовательский веб-интерфейс можно открыть на ноутбуке, смартфоне или планшете».

Когда и где Printing Mantis построит свое первое многоэтажное здание, пока еще неизвестно. И не в последнюю очередь многое зависит от того, насколько быстро будут одобрены строительные нормы для напечатанных конструкций. Однако одно можно сказать наверняка: с B&R в качестве партнера по автоматизации, исследовательская группа имеет доступ к широкому ассортименту гибких, масштабируемых решений и может быстро и легко адаптировать своего робота Printing Mantis к любым задачам, с которыми она столкнется при печати зданий в будущем.