Готовый перевод Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки, образования и устойчивого развития: 12. Крупномасштабная 3D-печать: от океанских глубин до Луны

Валентина Колла, Энрико Дини
Высшая школа Св. Анны, институт TeCIP, лаборатория PERCRO, Пиза, Италия,
colla@sssup.it
Компания Monolite UK, 101 Wardour Street W1F 0UN, Лондон, Великобритания
enrico.dini@d-shape.com

Введение

Интерес научного и технического сообщества к крупномасштабным трёхмерным печатным технологиям в последние годы не перестаёт расти. Это происходит благодаря широкому спектру потенциальных применений при строительстве как частей зданий, так и целых домов и других сложных конструкций практически любой формы. Со времени своего появления, которое датируется 90-ми годами, техники быстрого производства в строительных масштабах достигли весьма зрелого уровня, сегодня они используются при производстве стен, крупных скульптур и дизайнерских объектов, в первую очередь для уличного использования. На рисунке 1 изображены три примера объектов, а на рисунке 2 — целый дом небольшого размера.

Рисунок 1: Уличная скульптура, скульптура «Радиолярия» и «шезлонг» для сада

Рисунок 2: Готовый дом

Все предметы, представленные на рисунках 1 и 2, были созданы при помощи технологии D-Shape, изобретённой и запатентованной инженером Энрико Дини (Enrico Dini) из Monolite UK. Эта технология отличается от самых известных участников рынка (например, Freeform Construction [1] разработанной в Научно-исследовательской группе быстрого производства Университета Лафборо и Contour Crafting [2]) особой функцией выборочного катализа веществ в пласте подготовленного песчаного грунта путём точечного впрыска жидких «чернил»; другие техники основаны на экструзии строительного материала, предварительно смешанного со связующим веществом или катализатором. Эта особенность позволяет печатать с D-Shape очень крупномасштабные сооружения, ведь единственное, что ограничивает объём — это размер области печати. Самая новая версия принтера (гигантский плоттер с длинной распыляющей головкой, движущейся вдоль двух рам по осям x-y), изображённая на рисунке 3, имеет область печати 6×6 м и достигает 3 м в высоту.

Создание строительных блоков для лунного поселения

За свои уникальные свойства технология D-Shape была избрана для участия в проекте «3D-печать строительных блоков с использованием лунного грунта», субсидированного Европейским космическим агентством (ЕКА) и направленного на развитие концепций строительства поселений для постоянного обитания человека на Луне [3].

Рисунок 3: Принтер D-Shape

Создание человеческих колоний на Луне очень интересно с точки зрения ведения научных экспериментов, наблюдения за какой-нибудь отдалённой частью космоса без помех атмосферного щита, а также как основа для миссий по изучению глубокого космоса. Как и любая другая колонизация в человеческой истории, даже лунная должна использовать местный материал для базовой конструкции «домов». Но на Луне только песчаный грунт и немного ледяной воды. Лунный песок называют реголитом. Первая часть вышеупомянутого проекта была посвящена поиску подходящего вещества, воспроизводящего основные свойства реголита. Затем проводились тесты в вакууме, чтобы доказать, что технология D-Shape применима в отсутствие атмосферы и при пониженной гравитации, то есть в условиях, приближённых к лунным.

Эти эксперименты проходили в одной из вакуумных камер Alta SpA. Технология D-Shape к тому же была модифицирована для эксплуатации суровой лунной окружающей среды при очень ограниченной поддержке со стороны людей-операторов (возможность дистанционного управления без человеческого контроля тоже рассматривалась). Высшая школа Св. Анны провела исследования в этом направлении: принтер оснастили камерой, фотографирующей каждый напечатанный слой, и алгоритмами обработки изображений, способными сравнивать напечатанную поверхность с её идеальной формой и находить возможные дефекты. Логические схемы управления тоже были модифицированы, чтобы в автономном режиме выявлять и исправлять сбои в работе и дефекты печати. В заключение вся конструкция принтера была перепроектирована таким образом, чтобы она могла быть — в будущем — более гибкой, приспосабливаемой к неровному лунному грунту и, прежде всего, способной двигаться и взаимодействовать с другими автономными и полуавтономными вспомогательными аппаратами, например с теми, которые будут собирать реголит для печати.

Рисунок 4: Строительный блок внешнего купола лунного поселения и процесс его печати

Модель конструкции лунного поселения и строительных блоков была разработана известной лондонской дизайнерской компанией Fosters+Partners, которая тоже участвовала в проекте. Лунные «дома» должны быть похожи на иглу с толстым внешним куполом из реголита. Внутренняя конструкция купола будет скомпонована по принципу замкнутых ячеек (то есть запертых внутри полых пузырьков), что обеспечит приемлемую теплоизоляцию и защиту от микрометеоров, не требуя чрезмерного количества связующего вещества. Ну а самую глубокую «внутренность» образует воздухоопорная герметичная конструкция. Диаметр нижнего слоя будет около 10 м, а общая высота — около 5 м. На рисунке 4 показан опытный образец строительного блока (общим объёмом около 1,5 м3) с демонстрацией одного из слоёв в разрезе, а также процесс печати этого образца, чтобы было понятно, насколько технология D-Shape эффективна для создания подобной конструкции.

На рисунке 5 изображён макет укомплектованного лунного поселения.

Рисунок 5: Макет лунного поселения (с любезного разрешения Fosters+Partners, участвовавших в проекте, профинансированном ЕКА)

D-Shape для морской среды

Пористость объектов, напечатанных по технологии D-Shape, делает их пригодными для внедрения в естественную среду. Например, на этих конструкциях могут легко укрепиться вьющиеся растения, постепенно покрывая их и порождая уникальные и неожиданные формы, в полном согласии с природным ходом вещей. По тому же принципу подводная растительность и представители мелкой морской фауны могут использовать этот вид конструкции (при условии подходящего дизайна) как благоприятное место для жизни и размножения. Поэтому данные предметы можно с успехом использовать для быстрого восстановления морского дна, повреждённого природными явлениями или человеческим вмешательством (например, при авариях или из-за вредящих окружающей среде сооружений).

Заключение

D-Shape — одна из самых крупномасштабных технологий 3D-печати, использующая в качестве сырья песок, соединённый особым связующим веществом. Она позволяет распечатывать сооружения самой разнообразной формы и для самых разных нужд, от архитектуры до искусства, подходящих для самых разных сред, таких как сады, парки, здания и океанское дно. Ближайшие работы будут посвящены, с одной стороны, дальнейшему развитию принтера, тому, чтобы сделать его более быстрым и способным к самодиагностике в случае сбоя; с другой стороны, сейчас изучаются и разрабатываются новые сферы применения, главным образом связанные с экологически безопасной архитектурой и конструкциями для восстановления природной среды.

Благодарности

Сооружения для строительных блоков лунного поселения были разработаны в рамках проекта «3D-печать строительных блоков с использованием лунного грунта», профинансированного Европейским космическим агентством по плану субсидирования «Программы общих исследований» (GSP). Авторы хотели бы поблагодарить за ценный вклад всех участников проекта, в особенности команду под руководством Джованни Чезаретти (Giovanni Cesaretti) из Alta S.p.A., команду Ксавье де Кестелье (Xavier De Kestelier) из Fosters+Partners, а также Лорана Памбагиана (Laurent Pambaguian) и Скотта Ховленда (Scott Hovland) из ЕКА, которые снабдили всю команду проекта своими обширными знаниями об условиях космических исследований.

Ссылки
1 Buswell et al.: “Freeform Construction: mega-scale rapid manufacturing for construction”,Automat. Construct., 16 (2), pp. 224-231, 2007.
2 B. Khoshnevis, D. Hwang: “Contour Crafting, a mega scale fabrication technology”,
Manufact. Sys. Eng. Series, 6 (II), pp. 221-251, 2006.
3 F. Ceccanti, E. Dini, X. De Kestelier, V. Colla, L. Pambaguian: “3D printing tecnology for a moon outpost exploiting lunar soil”, Proceedings of the 61th International Astronautical Congress IAC 2010, Prague, Czech Republic, September 27- October 1 2010.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/41907/160958

Переводчики: aks_id, kindra, Zayac316