Напечатанные города: строительный принтер
- В случае если проект калифорнийских ученых воплотится в судьбу, то строительная площадка середины XXI века будет смотреться непривычно пустынной. Возведением строения займутся две роботизированные руки (на практике — в зависимости от масштабов стройки — их возможно и больше), одна из которых слой за слоем организует цементные части конструкции, а вторая установит элементы арматуры и проложит коммуникации.
- Для обслуживания таковой строительной техники хватит маленькой оператора монтажников контролёра и бригады-оборудования
Вовнутрь строящихся цементных стен рука-манипулятор засунет элементы арматуры. Очевидно, эта арматура обязана складываться из маленьких по размеру, легко сочленяемых подробностей.
- На схеме продемонстрировано, как манипулятор со сменяемыми рабочими головками будет составлять арматурную сборку, устанавливая ее на очередной залитый слой бетона. Таким же образом роботизированная рука проложит в стенках все нужные коммуникации. Программа, управляющая принтером, укажет манипулятору, заливающему растворы, в каких как раз местах нужно покинуть технологические полости для прокладки кабелей, труб и коробов с проводкой
Так строительный принтер возводит стенке
- Непростые работы по отделке нужно будет выполнять «в две руки»
Строительство лунной базы потребует новых необычных материалов и технологий
Роботизированная рука, оснащенная мастерком, — великая сила!
- Уже сейчас в лаборатории Университета Южной Каролины из керамической пасты изготавливаются элементы конструкций самых причудливых форм. В будущем для строительного принтера фактически не будет отличия, лепить ли типовое строение либо, трудясь со сложными поверхностями, воплощать в судьбу уникальные архитектурные идеи
Но, доктору наук Университета Южной Калифорнии Бероху Хошневису о таких мелочах, как место в истории, возможно уже и не тревожиться. Ему осталось только воплотить в судьбу собственный эпохальное изобретение.
Как растут дома
Бич Юга — землетрясение. Столбы пыли над разбитыми в щебень хижинами, много либо тысячи погибших, толпы беженцев. В первую очередь на место трагедии доставляют палатки, лекарства, продовольствие — пострадавшие должны срочно взять укрытие от стихии, пропитание и помощь. Но какое количество нужно будет жить людям в палаточном городе без элементарных житейских удобств? Виден ли край их отчаянию?
Да! Нужно только мало набраться терпения. Вот на расчищенной бульдозером площадке особые бригады уже монтируют какие-то необычные П-образные конструкции, отдаленно напоминающие портальные краны для загрузки ЖД вагонов. По окончании окончания монтажа автомобили оживают. Двигаясь вперед и назад по рельсам, они размахивают руками-манипуляторами, деловито жужжат и пыхтят. И прямо на глазах под каждой из автомобилей вырастает просторный одноэтажный дом.
Сейчас осталось засунуть окна, проложить канализации и трубы водопровода, совершить электричество, отштукатурить и оклеить обоями стенки, настелить полы да ничего аналогичного! Дом всецело готов: в нем уже проложены коммуникации и совершена внутренняя отделка. Возможно расселять беженцев из палаток в новые недорогие жилища со всеми удобствами.
Все это пока не репортаж с места событий, но как раз так в недалеком будущем новая робототехника сможет помогать жертвам природных катаклизмов. И не только им, само собой разумеется. Но все в один раз началось как раз с землетрясения
Без встряски нет открытия
В то время, когда в первой половине 90-ых годов двадцатого века очень сильно тряхнуло Лос-Анджелес, в стенке дома, принадлежавшего мистеру Хошневису, показалась больших размеров трещина. Умело орудуя кельмой (в просторечье именуемой «мастерком»), хозяин заполнил щель раствором и идеально выровнял стенке. Сейчас озарения Хошневис поразмыслил о том, что мастерок при всей собственной кажущейся простоте — страно эргономичный инструмент для работы со строительными растворами.
С его помощью возможно легко придать нужную форму застывающей массе и сгладить каждые неровности. А ну как мастерок вручить роботу?
Все самые продуктивные идеи появляются тогда, в то время, когда их воплощению сопутствуют благоприятные события. Приблизительно тогда же, в середине 90-х годов прошлого века, показались первые устройства для жёстких трехмерных макетов по компьютерным CAD-моделям. ПО этих по сути 3D-принтеров обрисовывало будущий макет как совокупность узких слоев материала, последовательно накладываемых друг на друга. Как раз так формировался и сам отпечаток.
Впрыскиваемый форсунками пластичный материал слой за слоем «вылеплял» объект, форма которого была задана компьютером.
Сейчас осталось совместить мастерок в руке робота с разработками создания жёстких 3D-слепков по цифровой модели, дабы появилась мысль строительного принтера, автомобили, которая, взяв команду от компьютера, возведет дом без посторонней помощи.
Двурукий хайтек
Это думается парадоксальным, но однако одна из самых динамично развивающихся в современной экономике отраслей — строительство — остается подлинным пристанищем лоутека. На стройплощадках вовсю употребляются разработке, созданные десятилетия, в противном случае и столетия назад. Активно используется ручной труд, и, как следствие, велик уровень травматизма среди рабочих.
Стройки так же, как и прежде остаются источником разнообразные загрязнений внешней среды: они шумят, пылят и создают через чур много отходов. Новая разработка Contour Crafting, созданная под управлением Бероха Хошневиса в стенках Университета Южной Калифорнии, призвана стать началом хайтек-революции в строительном деле. Созданный в рамках данной технологии строительный принтер сможет возводить жилища довольно негромко, экономно и фактически без участия человека.
Фактически, конструкция этого устройства не так уж и сложна. Стройплощадка находится в широкой рельсовой колеи, по которой перемещается подвижная П-образная станина (назвать ее «кареткой» легко язык не поворачивается). На станине размещены две (как минимум) роботизированные руки-манипулятора, рабочие головки которых смогут вольно передвигаться по всем осям.
Головка одного из манипуляторов оснащена форсункой для подачи строительных растворов, и инструментом в виде железной пластины — это и имеется тот самый мастерок, кельма, лопатка каменщика. Раствор, подаваемый под давлением через форсунку, владеет достаточной вязкостью и густотой, дабы не растекаться лужей, а вырабатывать устойчивый слой заданной толщины.
Края слоя обрабатываются «мастерком», так что вырастающая слой за слоем стенки будет иметь идеально вертикальные и ровные поверхности. Так как головка манипулятора возможно оснащена не одной, а несколькими форсунками, стенки будет сходу возводиться с внутренней и внешней отделкой. К примеру, внешняя поверхность делается из гипса, внутренняя — из штукатурной смеси.
Вовнутрь оказавшейся «опалубки» центральная форсунка заливает строительный бетон.
Всем тем, что не относится к созданию цементных конструкций, займется второй манипулятор, закрепленный на станине. Его многофункциональная рабочая головка будет встраивать в технологические вакуумы, покинутые в бетоне, железную арматуру, водопроводные трубы, короба с кабелями и проводами, и наносить декоративный рисунок на внутренние стенки, укладывать напольное покрытие, вставлять оконные рамы, навешивать потолки и возводить кровлю.
Правильное позиционирование головок манипуляторов будет достигаться перемещением самих рабочих головок, перемещением манипуляторов на протяжении самой станины и станины по рельсам.
Недавно в сети показался видеоролик, что демонстрировал, как команда из восьми с чем-то сотен добровольцев выстроила обычный американский одноэтажный дом со стенками из гипсокартона за 2 часа 41 60 секунд. Данный забавный и тщетный рекорд производительности весьма интересно сравнить с расчетными показателями строительного принтера.
Так вот, по заявлениям калифорнийских конструкторов, полнофункциональное устройство Contour Crafting сможет возвести цементный одноэтажный дом неспециализированной площадью 200 м? менее чем за день! Наряду с этим, очевидно, мобилизовать толпы строителей не придется — достаточно будет оператора, сидящего у дисплея.
Застройка «одноэтажной Америки», конечно же, не все, на что будет способна в возможности техника Contour Crafting. Строительный принтер сможет «напечатать» и высотное строение. Но с учетом того, что высота строящегося дома ограничена верхней перекладиной буквы «П», рельсовый путь для станины придется всегда поднимать на один либо пара этажей вверх.
Рельсы будут прикрепляться к стенкам строения посредством временных конструкций.
Машина грезы
Нетрудно подметить, что для действующего строительного принтера не потребуется никаких фундаментальных технических новшеств. Роботизированные станки, к коим непременно возможно отнести и устройство Contour Crafting, в далеком прошлом существуют и трудятся в индустрии. Но отчего же тогда команда доктора наук Хошневиса прогнозирует начало применения на практике строительного принтера не раньше чем лет через 15?
Дело в том, что для большинства перспективных проектов в области робототехники «железо» — отнюдь не основное. Куда серьёзнее разработка ПО, а по свидетельству самих разработчиков, сделать в данной области еще предстоит весьма и довольно много. Нужно создать ПО, переводящее CAD-модели на язык команд для аккуратных устройств строительного принтера. Да и сам данный язык нужно будет создавать.
Наряду с этим компьютер обязан будет руководить не только перемещениями манипуляторов, но и своевременной подачей всех нужных для работы материалов: раствора, железных и пластиковых элементов конструкции, покрытий, краски, проводов и труб. В совершенстве устройство Contour Crafting призвано стать для архитекторов настоящей машиной выполнения грезы. Создав в CAD-среде проект собственного воздушно-виртуального замка, архитектор передаст все предстоящие инженерные расчеты электронному мозгу принтера.
Машина самостоятельно организует список нужных стройматериалов и деталей, и выяснит последовательность операций по возведению строения. Но все это будет нескоро.
Дешево и пустынно
Как бы то ни было, надежды, возлагаемые конструкторами на собственный детище, поражают масштабностью. Создатели Contour Crafting уверены, что последовательность решающих преимуществ, которыми владеет их разработка, разрешат ей завоевать всю землю, а после этого приступить и к освоению космоса.
Одно из главных преимуществ — низкая стоимость. С этим утверждением сходу хочется поспорить, так как как мы знаем, что робототехника, а особенно ее новейшие образцы, отнюдь не отличается «демократичностью стоимостей». Но разработчики, как в большинстве случаев, уверены, что, чуть только их устройства начнут производиться серийно, цена на них упадет и будет дешёвой кроме того для маленьких девелоперских компаний.
Предполагается, что через 15 лет строительный принтер будет продаваться за 200−300 тысяч долларов. Но если сравнивать с нынешней строительной практикой возможно сэкономить на заработных платах инженеров, рабочих и прорабов (достаточно оператора и, быть может, маленькой запасного бригады, обслуживающей сам принтер). Нет рабочих — нет травматизма и несчастных случаев, соответственно, застройщику не нужно будет выплачивать положенные пострадавшим компенсации и нести судебные издержки.
Отсутствие необходимости подвозить к стройплощадке крупногабаритные и тяжелые подробности (наподобие цементных плит), и вывозить много мусора и отходов разрешит избежать важных транспортных затрат, что также возможно отнести к экономическим плюсам. Вся конструкция принтера будет легкой и легкоразборной — ее перемещение от одной стройки к второй не потребует особого транспорта и сложного монтажного оборудования.
Еще одна особенность разработки Contour Crafting — предельно оптимальные размеры стройплощадки, что избавит компанию от необходимости платить за применение дополнительных участков почвы. Ну и наконец, скорость возведения строений при практически одновременном исполнении строительных и ремонта дает кроме этого большой экономический выигрыш. Как думает Берох Хошневис, в будущем дома, выстроенные по новой разработке, окажутся многократно дешевле нынешних при более высоком качестве, достигнутом за счет полной автоматизации процесса.
Простор для фантазии
Низкая стоимость свидетельствует доступность. Как вычисляют конструкторы, устройствами Contour Crafting смогут заинтересоваться компании и правительства развивающихся государств, имеющих неприятности с урбанистическим перенаселением (к примеру, Индии). Дать недорогое, качественное жильё и простой не только жертвам катаклизмов, но и жителям трущоб в кишащих как муравейники мегаполисах Латинской Америки и стран Азии — задача очень и очень добропорядочная.
Но не следует воображать дело так, что строительный принтер будет всего лишь штамповать стандартное жилье для бедных. Наоборот, Берох Хошневис видит широчайшие возможности коммерческого применения собственного изобретения, которое сможет удовлетворить запросы самых взыскательных клиентов. Дело в том, что современная строительная индустрия во многом основана на применении стандартных подробностей, поставляемых к месту возведения строения в готовом виде.
Такая стандартизация, понятное дело, «подрезает крылья» фантазии как архитектора, так и будущего обладателя дома. Само собой разумеется, вероятно строительство квартир по личным проектам, но в этом случае цена для того чтобы жилища возрастает на порядок. Но, как мы знаем, строительный принтер фактически не будет применять готовые подробности, «вылепляя» дом слой за слоем в соответствии с заданной CAD-модели.
И потому машине, в неспециализированном-то, все равно, строить ли невыразительную цементную коробку либо уникальное строение с неестественными архитектурными элементами. Дело том, что сглаживающий и формующий инструмент на рабочей головке манипулятора (тот самый «мастерок») возможно адаптирован под обработку сложных поверхностей.
В производственной лаборатории Университета Южной Калифорнии уже ведутся опыты по изготовлению фигурных подробностей, исходным материалом для которых помогает керамическая паста. Очевидно, все эти подробности формирует по заданной модели роботизированный манипулятор, тот самый, что будет установлен на принтере.
Не обращая внимания на то что до начала массового «распечатывания» жилых домов, офис-билдингов и торговых комплексов осталось не меньше полутора десятилетий, работы над созданием новой разработке ведутся вовсю и уже показались первые осязаемые результаты. Лабораторный пример манипулятора отливает идеально ровные стенки по той самой технологии, которая коротко упомянута выше: сперва изготавливается внешний слой, что-то наподобие опалубки (к примеру, из быстрозастывающего гипса), после этого внутренняя полость заливается строительным бетоном. Уже в следующем году команда Бероха Хошневиса сохраняет надежду выстроить посредством автомобили Contour Crafting первый дом.
На Луну!
Что в том месте «одноэтажная Америка» либо кварталы Бомбея. Марс и Луна — вот где разработку Contour Crafting ожидает настоящий звездный час. Правительство США уже заявило о замыслах возвращения человека на ночное светило, что предполагает строительство лунной базы, которая со временем станет трамплином для марсианской экспедиции. База — это строения: жилища, лаборатории, ангары и склады.
Все эти строения должны создавать комфортные условия для человека и надежно защищать его от солнечной радиации. Иными словами, речь заходит о прочных и добротных строениях, вмещающих в себя коммуникации и сложнейшее оборудование. Вместе с тем возможности строительства на Луне очень сильно ограничены грузовместимостью лунных модулей. На спутник Почвы сложно завезти большие подробности конструкции, кирпич, плиты, балки и партию мешков со строительными смесями.
Помимо этого, делать строительные работы в лунном скафандре — это, пожалуй, через чур экстремальное приключение кроме того для подлинных храбрецов космоса. Какой выход? Максимально применять строительные материалы местного происхождения и использовать для строительных работ автоматику.
Как раз в этих направлениях исследуют конструкторы из Университета Южной Калифорнии.
В качестве связующего материала для бетона на Луне возможно применять выработанный из местных материалов аналог портлендского цемента, благо основной его компонент — оксид кальция (CaO) — присутствует в лунном стекле, анортите и базальте. Главной проблемой наряду с этим остается вода, которой на Луне нет. Везти воду с Почвы нерационально, исходя из этого рассматривается возможность получения ее методом восстановления оксидов посредством водорода (его с Почвы все-таки нужно будет привезти).
Второй путь — применение вместо цементного раствора расплавленной серы, которая обильно представлена в лунных породах. Как показывают расчеты, «серный» бетон лучше простого выдерживает растяжение и сжатие, стремительнее застывает, более устойчив к кислотам и солям и практически не впитывает воду. В качестве армирующих элементов и для разнообразные изолирующих покрытий возможно применять лунное стекло и изготовленное на его базе стекловолокно.
Так, строительному принтеру имеется с чем трудиться на Луне, но его конструкцию нужно будет адаптировать к космическим потребностям. Устройство будет включать в себя множество складных и телескопических элементов, каковые облегчат развёртывание и свёртывание комплекса. Благодаря умению создавать не только плоские поверхности, но и элементы сложной кривизны принтер сможет строить помещения, укрытые цементным куполом либо сводом.
В условиях Луны это разрешит обеспечить более надежную защиту строений от космического холода и солнечной радиации.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№74, декабрь 2008).
<
h4>