1
1
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Практика применения 3D-технологий в строительстве
магистрант Козлова А.Е.
Аннотация
Объектом исследования являются 3D-технологии. Цель работы заключается в исследование способностей технологии 3D-печати, области ее применения и отраслей уже получивших значимый экономический эффект с помощью ее применения. Проведен анализ действующей практики применения 3D-технологий, в инвестиционно-строительной сфере, где внедрение 3D-печати сможет оказать наибольшее влияние в ближайшие 7-9 лет. Информация о применении 3D-печати представлена с учетом отраслевой специфики.
Ключевые слова: новые технологии, когнитивное программирование, 3D-технология, 3Dмоделирование, 3D-прототипирование, скульптинг.
Annotation
The subject of the study are 3D-technologies. The purpose of this work is to investigate the capabilities of 3D-printing technology, the field of its application and industries that have already received significant economic benefits through its application. The analysis of the current practice of using 3D technologies in the investment and construction sector is conducted, where the introduction of 3D printing can have the greatest impact in the next 7-9 years. Information about the application of 3D-printing is presented taking into account the industry specificity.
Keywords: new technologies, cognitive programming, 3D-technology, 3D-modeling, 3D-prototyping, sculpting
Новым технологиям в строительстве посвящено множество монографий и статей [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Прорывные технологии за последние 10-15 лет сильно изменили нашу жизнь. Интернет, Wi-Fi, цифровой контент и смартфоны полностью трансформировали способы получения информации, характер коммуникации и скорость принятия решений в жизни и бизнесе. В свое время цифровые технологии повлияли на компании Kodak и Polaroid, а революция в персональных компьютерах привела к банкротству DEC и других компаний. печать инвестиционный строительный технология
Рынок 3D-печати, включающий оборудование и сервисы в 2015 г. составляет $5,35 млрд., среднегодовая динамика рынка 3D-печати - 24% (CAGR 2008-2015) . 3D-печать уже оказывает влияние на процессы создания прототипов, мелкосерийное производство и промышленный дизайн, позволяя кратно увеличить скорость разработки новых изделий, уменьшить производственную себестоимость и получить готовое изделие по индивидуальными и специфичным запросам [8, стр. 200-205].
Кроме этого, своевременное изучение возможностей и внедрение 3D-печати в действующие процессы:
- позволит обеспечить кратный рост в скорости разработки и производстве новых продуктов, снизит себестоимость производства мелкосерийной продукции
- позволит создать уникальные кастомизированные продукты и даст возможность вовлечь потребителей в процессы создания и тестирования новых разработок.
3D-производство постепенно смещает потребительскую ценность: ценным становится владение не готовым продуктом, а информационной моделью и возможностью напечатать ее несколькими видами материалов. Каждый день 2015 г. по всему миру продавалось 595 персональных принтеров и 37 профессиональных принтеров. C 2010 г. цена готового принтера снизилась с $20 тыс. до $2 тыс. Рынок США лидирует по числу отгрузок профессиональных 3D-принтеров. Компания Adidas в 2015 г. анонсировала сервис Futurecraft 3D: покупатель в отдельных магазинах фирменной сети может заказать изготовление пары кроссовок по индивидуальным параметрам (в магазине сканируется стопа клиента, через несколько недель покупатель получает по почте модель кроссовок со стелькой и подошвой, изготовленной на 3D-принтере с учетом индивидуальных размеров).
Программные пакеты, позволяющие моделировать цифровые образы проектов и создавать твердотельные пространственные объекты, достаточно разнообразны. В последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты, такие как Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo, ZBrush, Lightwave 3D, 3design CAD, CATIA и SolidWorks (Dassault Systиmes), КОМПАС, Maxon Cinema 4D и другие. Доступно и открытое программное обеспечение, например пакеты Blender, SALOME, FreeCAD и Wings3D. Можно создавать трехмерные модели в коммерческих пакетах компании AutoDesk (например, 3D-Studio Max, Maya).
2013-2015 гг. считаются периодом развития для 3D-печати. По разным оценкам в мире 50-70 производителей профессиональных 3D-принтеров, более 190 производителей и расходных материалов, и 200+ производителей принтеров, ориентированных на потребительский рынок настольных принтеров. Сложилась устойчивая тенденция к использованию 3D-принтеров для мелкосерийного производства, в ювелирной отрасли, в здравоохранении.
Наибольшим потенциалом развития обладают сферы промышленного применения, наиболее крупные рынки - аэрокосмическая, автомобильная промышленность, производство потребительских товаров, объединенный медицинский рынок. Отдельные сегменты в здравоохранении практически полностью зависят от 3D-печати.
3D-принтеры позволяют компаниям экономить время, деньги, трудовые ресурсы, но кроме того открывают новые возможности для создания продуктов с уникальными потребительскими характеристиками. Благодаря 3D-печати компании могут протестировать большее количество прототипов и повысить качественные характеристики собственных продуктов, находить новые сочетания материалов, оптимизировать и дорабатывать продукт по запросу клиентов, быстро вносить изменения в мелкосерийные модели и избавится от складских запасов отдельных компонентов, создавая детали по фактическим запросам.
По оценкам McKinsey Global Institute, к 2025 г. 3D-принтеры внесут вклад в мировую экономику в размере $230-$550 млрд в год.
Наиболее важными преимуществами использования аддитивных технологий будут:
1. Ускорение процесса разработки новых продуктов. 3D-печать позволила увеличить скорость получения первых версий продукта с различными вариациями (формами, функционалом и т.д.) и модификациями, что в свою очередь привело к возможности получить обратную связь максимально быстро (метод позволяет создать форм-факторы моделей за несколько часов и уже в этот день получить результаты первых тестов и потребительскую реакцию). Это стало возможным благодаря доступному высокому разрешению, возможности печати разными цветами и материалами. Также у производственных компаний появляется возможность создать мелкосерийные партии продуктов еще до того, как будут полностью готовы промышленные мощности. Это принципиально меняет подход к разработке новых продуктов и работе R&D отделов, так как вместе со скоростью снижается стоимость разработки новых продуктов и риски при коммерческом запуске. Вклад 3D-печати в мировой ВВП составит к 2025 г. $11 трлн (8,4% от ВВП $131 трлн).
2. Изменение видения производственной стратегии. В 2011 г. 25% мощностей 3Dоборудования использовались непосредственно для создания конечных продуктов (рынок оборудования для организаций растет на 40-45% в 2011-2015 г.). Часть производ- ственных мощностей потеряют свою актуальность, т.к. с постепенным снижением цены и ростом качества печати 3D-принтеры уже позволяют создавать отдельные детали, при- менимые в серийном производстве.
3. Изменение генераторов прибыли. Компании, занимающиеся ремонтом и обслуживанием, могут сократить объем складского пространства и исключить затраты на доставку деталей, которые можно напечатать на 3D-принтере. Для тестирования этой возможности достаточно попробовать напечатать несколько образцов у компаний, предоставляющих услуги печати. Также появляется возможность кастомизации продукта - персонализации в дизайне и функционале, что позволит придать контрастные характеристики продукту относительно массового производства. Наибольшее преимущество появляется у компаний розничной и специализированной торговли: установив у себя 3D-принтеры, они смогут печатать непродовольственные товары: игрушки, товары для дома, и т.д. Выручка от продажи игрушек, произведенных методом 3D-печати, к 2025 г. составит $85 млрд.
4. Новые возможности для дизайнеров и архитекторов. Т.к. дизайн привязан к методам производства, то прикладные знания в области использования и возможностей 3D-печати смогут обеспечить конкурентные преимущества в работе над проектами.
5. Конкуренция за обладание прорывной технологией. Технология 3D-печати помогает сделать менее инвестиционно-емким выход на рынок для новых компаний (особенно в мелкосерийном производстве). А конкурентные преимущества новой технологии позволяют в отдельных сегментах конкурировать с крупными компаниями, обладающими прочными позициями на рынке. Часть новых игроков, строящих свой бизнес на компетенции в 3D-печати, будут делать ставку на кастомизацию и персонализацию, другие - на «печати по запросу» (printing-on-demand, сервис, позволяющий принимать заказы онлайн и отправлять их потребителям).
По итогам 2015 г. рост мирового рынка 3D-принтеров и сопутствующих материалов в денежном выражении +33%, объем $2,65 млрд (в 2014 г. $2 млрд). Средний рост выручки TOP-10 крупнейших игроков +38%. В 2014 г. на долю 3D Systems и Stratasys в сумме приходилось >30% всех продаж 3D-принтеров. Рост сегмента персональных принтеров с 2010 г., показавшего динамику 122% (2010-2014 гг.), обусловлен истечением срока действия патентов на FDM принтеры, благодаря чему сред- няя цена принтера снизилась с $20 тыс. до $2 тыс. за готовый принтер и до $200-500 за DIY сборочные конструкторы. Наиболее крупными производителями персональных принтеров по итогам 2014 г. стали компании Makerbot (36% рынка), 3D-Systems (16%), Flash Forege (16%), Ultimaker (5%). К 2020 г. потребительский сегмент продолжит рост за счет появления 3D-принтеров по цене ниже $500, обладающих простым для освоения процессом использо- вания и интуитивнопонятным интерфейсом.
Производители 3-D технологий в России:
* МНТЦ (г.Томск) сделал один из первых отечественных 3D принтеров. В последнее время отсутствуют сообщения о продолжении работ (http://mntc.ru).
• В Москве производство 3D принтеров Picaso Builder осуществляет компания Picaso 3D, которая была создана в 2012 году на базе ООО «Научно-Производственное Предприятие Интеллектуальные Информационные Системы» («НПП ИИС»).
• В Нижнем Тагиле Общество с ограниченной ответственностью "Центр информационных технологий" (ООО "ЦИТ"), производит 3D принтеры "Хамелеон". http://reprap-russia.org/
• Компания Maket-City из Курска производит 3D принтеры под названием Люмен http://cnc.maket-city.ru
• Проект Print & Play из Новосибирского Академгородка осуществляет мелкосерийное производство 3D принтеров собственной конструкции под маркой SibRap
* Московская RGT (разрабатывает и производит оборудование с числовым программным управлением) выпустила в конце 2013 года модель PrintBox3D One
• Компания «СТАНКИН-АТ» - частное предприятие при МГТУ «СТАНКИН недавно продали свои первые Prusa Mendel.
Создание трехмерных изображений в настоящий момент - это огромная индустрия. 3D-технологии уже сейчас широко применяются в следующих областях, и список постоянно расширяется:
• архитектура и дизайн интерьеров;
• промышленный дизайн;
• машиностроение;
• образование;
• реклама;
• нефте- и газодобыча;
• безопасность промышленных объектов;
• управление воздушным движением;
• компьютерные игры и симуляторы;
• медицинская диагностика;
• научные исследования;
• киноиндустрия;
• шоу-бизнес.
Мировыми лидерами рынка 3D-технологий являются компании EON Reality, Autodesk, Mitsubishi Electric Europe B.V. В России этот рынок активно развивается в течение последних 10-15 лет. Только в сегменте 3D-тренажеров и симуляторов уже работают десятки крупных компаний. Лидерами в сфере создания систем виртуальной реальности в нашей стране являются компании «3D Лига», VE Group, Nettle. Помимо разработки оборудования и ПО, крайне важным направлением является разработка 3Dконтента. Специалистов по этому направлению у нас пока крайне мало.
На рисунке 1. представлен прогноз снижения цены на печать металлом.
Рис. 1 Прогноз снижения цены на печать металлом
3-D технологии в строительстве. Сегодня у представителей различных видов экономической деятельности 3D-печать вызывает очень большой интерес. Первые 3Dпринтеры появились совсем недавно, но за этот короткий промежуток времени люди уже научились печатать посуду, одежду, игрушки, расходные материалы для принтеров и сами принтеры, машины и даже человеческие органы и ткани.
Следующим шагом на пути развития технологии 3D-печати стала печать строительных конструкций.
Строительная площадка является зоной повышенной опасности. По данным Бориса Сошенко, представителя профсоюза работников строительства и промышленности строительных материалов, в среднем около 5 человек на 100 тыс. погибают каждый год на стройках России. А при строительстве зданий при помощи 3D-технологий участие человека сводится к минимуму, тем самым открывая перед человечеством в сфере строительства новые горизонты [9].
Использование 3D-технологий дает возможность возводить здания практически любой формы, а так же любого дизайнерского и архитектурного решения.
Строительный 3D-принтер в своей работе использует технологию экструдирования, при которой каждый новый слой строительного материала выдавливается из принтера поверх предыдущего слоя по заложенному программой контуру, выращивая стены здания. Такая технология называется FDM . Разработаны программы, в которых можно создать 3D-модель. Большинство из них находятся в свободном доступе. О высоком разрешении печати в данном случае говорить не приходится, да это и не критично для строительства, так как бетон легко поддаётся последующей обработке и отделке.