Новый взгляд на способы применения 3D печати. Архитектура и строительство.

Сначала объясним о чем пойдёт речь: поговорим о использовании деталей распечатанных на 3D принтерах в качестве элементов облицовки и декора. Всем надоели безличные навесные фасады. Их можно сделать интересными именно с помощью 3D печати.

Процесс создания 3D печатного фасада можно в общем разделить на следующие этапы:

Эскизирование и детальное моделирование отдельных элементов фасада
Создание 3D модели сборки элементов
Подбор материала и вывод элемента на печать
Монтаж мелких элементов в единую конструкцию фасада
Проверка конструкции на соответствие различным требованиям (безопасности, устойчивости и т.д.)

Первые 3 этапа вам хорошо знакомы. Чтобы показать вам остальные, мы приготовили примеры.

Проект ARACHNE Institute for Advanced Architecture of Catalonia, MAA01 2020/21.

Arachne - это фасадная система, разработанная Лей Ю и Яньсин Ван. Фасад использует 3D-печать для реализации составных частей из ABS-пластика и композиции в целом. Отдельно стоящий фасад Arachne занимает площадь 308 квадратных метров, состоит из 2218 компонентов, напечатанных на 3D-принтере, и насчитывает 5 тонн пластика.

Разработка мелкомасштабной 3D-модели прототипа осуществлялась в облачных программах для 3D моделирования. Подобные программы позволяют создать прототип, соответствующий требованиям водонепроницаемости и позволяют добиться точности в доли миллиметра. Понимание сильных сторон 3D-печати, дало представление, что взаимосвязанные компоненты функционируют в пределах параметров, определённых при изготовлении. Процесс моделирования начался с цифрового объёма, затем прототип был изготовлен из PLA-пластика для проверки соответствия всем требованиям.

Каждый элемент фасада состоит из 4 соединений, которые обеспечивают устойчивость посредством соединения с основанием. Боковые ветви детали собираются посредством подсоединения к центральному связующему элементу. Верхняя ветвь ещё подсоединяется к соседнему центру геометрической сетки, образующей структуру фасада. Подобная структура обеспечивает перенос нагрузок и распределение их равномерно между элементами геометрической сетки. Выбранная геометрическая структура обеспечивает жёсткость и устойчивость конструкции.

Для окончательного изготовления модели было использовано оборудование Zortrax M200. Основным материалом для итоговой модели выбран ABS-пластик, обеспечивающий оптимальное время печати при сохранении жесткости соединения отдельных деталей. Основными факторами, имеющими решающее значение для получения требуемых характеристик сетки фасада стали ориентация, структурная поддержка и масштаб деталей. Также очень важны пороговые значения 3D-принтера, на основе которых разрабатывалось соединение, помимо поиска интересной формы. Общее время печати одного элемента сетки составило 9 часов.
После фасад собрали из готовых крупных деталей.

Technical University of Munich, Fluid Morphology design

Ещё один интересный способ изготовления фасада здания с помощью 3D печати предложила команда из Мюнхенского технического университета.

Представьте, что вы находитесь в здании, в которое со всех сторон проникает мягкий свет. Оно полностью защищено от непогоды, изолировано от улицы и окружено стенами, но они полупрозрачны. Это концепция, которую разработали исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM). Используя 3D-принтер, они создали образец фасада здания, который является одновременно полупрозрачным и многофункциональным. Образец фасада был напечатан на ULTIMAKERе техникой печати FDM из полупрозрачного поликарбоната шириной 60 см и высотой один метр. На прототип фасада приятно смотреть, он многофункционален. Прежде всего, конструкция прочная и устойчивая. Ячейки внутри прототипа обеспечивают устойчивость, а также создают заполненные воздухом полости для изоляции. Материал напечатан волнами для создания теней, а тонкие встроенные трубки позволяют воздуху циркулировать от одного конца изделия к другому, обеспечивая оптимальную вентиляцию. Микроструктурированная поверхность обеспечивает идеальную акустику. Все это может быть масштабировано и адаптировано для удовлетворения индивидуальных потребностей без дополнительных затрат.

Концепция дизайна называется Fluid Morphology. Поверхность структуры фасада не однородна, она образует волны и выпуклости, становится толще и тоньше, без видимого рисунка. Однако дизайн волновой структуры очень продуман. Волны расположены так, чтобы они защищали фасад от жары летом и пропускали как можно больше света зимой.

На данный момент прототип фасада проходит тестирование. В течение года полный элемент размером 1,6 х 2,8 метра тестируется на солнечной станции и в испытательном центре в главном кампусе TUM. В течение этого времени датчики собирают данные, о том, сколько света проникает в 3D-печатный фасад и где, насколько материал устойчив к ультрафиолетовому излучению и погодным условиям, и насколько эффективно конструкция изолирует внутреннее пространство от внешних воздействий. Исследование позволит на основе полученных данных улучшить показатели конструкции. Предполагается, что полупрозрачный фасад будет использоваться для музеев, библиотек, торговых центров и актовых залов.

Основные преимущества 3D печати для архитектуры и строительства заключаются в следующем:

Возможность с наименьшими затратами, в сравнении с классическими производственными технологиями, создавать уникальные, персонализированные и мелкосерийные изделия, которые можно объединять в крупные блоки, создавая уникальные архитектурные формы.
Возможность создавать сложные формы без потери устойчивости. Благодаря многослойности 3D печати появляется возможность сразу решить задачи вентилирования, акустики, и инсоляции здания.
Соотношение сравнительной простоты изготовления и эстетических качеств объекта. Требования к облицовочным материалами и отлаженность технологии 3D печати полимерными составами делают использование распечатанных элементов облицовки и декора более выигрышным с точки зрения скорости внедрения в проектный и производственный процесс.
Новые композитные материалы предоставляют новые возможности формообразования и светопреломления.
Сокращение человеческих трудозатрат.

Применение 3D печати в изготовлении штучных сборных элементов для создания сложных фасадов может стать новой ступенью в развитии технологии навесных фасадных систем. Поскольку технологии полимерной печати, такие как FDM или SLS позволяют без удорожания изготавливать элементы любой формы, сложные формы 3D печатных фасадов могут вытеснить безликие стандартные навесные фасады.

Хотим обратить внимание, что на наших 3D принтерах также можно осуществлять печать деталей под разные нужды. Широкая линейка оборудования, высокие характеристики печати и большой список поддерживаемых материалов позволят вам осуществить любые задумки.