Давайте печатать бетоном!

Разрабатываем прототип доступного 3Д принтера для печати домов бетоном. Кто с нами? Подробнее
Разрабатываем прототип доступного 3Д принтера для печати домов бетоном. Кто с нами?

Выберите вознаграждение

Мы разрабатываем прототип 3D принтера для печати бетоном доступного малоэтажного жилья. 

Дальнейшее повествование (да простит меня добрый читатель) пойдёт в форме катехизиса. Потому что так удобнее.


А кто эти "Мы"? Мы молодая амбициозная команда мотивированных специалистов, ориентированная на результат это два человека: 

Губанов Александр (чью говорящую голову показывают на видео) это мужчина 29 лет от роду, окончивший в 2007 году Факультет Прикладной Математики и Кибернетики Томского Государственного Университета по специальности математик, системный программист. Затем этот мужчина год работал математиком на спутниковом заводе (ОАО ИСС) в г. Железногорске Красноярского края, потом год защищал родину в ВВ МВД России, после чего несколько лет занимался фрилансом (iPhone developer), совмещая это дело с преподаванием в ВУЗах (теория вероятностей и мат. статистика в СФУ, программирование на C++ в СибГМУ). Однажды увлёкся мехатроникой и теперь не может остановиться. В проекте отвечает за механические расчёты и проектирование, электротехнику, разработку алгоритмов и программирование. Так же выполняет слесарные и токарные работы.


Кутугин Виктор это мужчина 31 года от роду, окончивший в 2005 году Химико-технологический Факультет, к. т. н., имеет несколько патентов про бетонные смеси и смесители и очень любит неорганические теплоизоляционные материалы, которые почти вечные и безопасные. В проекте отвечает за всё, что связано с бетонами, их приготовлением и использованием, а так же за организацию работы (цеховое помещение, оборудование и т.д.) В отличие от Александра умеет варить, поэтому кроме слесарных и токарных работ занимается сваркой.

Однажды возник человек, занимающийся строительством, и посетовал на то, что давно мечтает о 3D принтере для печати домов, и вот если бы кто-нибуть такой сделал, то он бы его купил. Так нам стало понятно, что народу нужны 3D принтеры для печати домов. А дальше "- а давай сделаем?" "- а давай!" мы начали заниматься этой проблемой.


Зачем вообще нужен этот проект? Для того, чтобы отработать технические решения, которые потом будут использованы при создании большого 3D принтера, которым уже можно будет печатать одно- двухэтажные жилые или хозяйственные постройки. Браться сразу за создание крупногабаритной установки (а она должна иметь область печати хотя бы 10x6x6 метров) не понимая толком, как её делать - дорого и неразумно.

Прототип должен выглядеть следующим образом:


Крупногабаритная же установка - примерно так:

NB: второе изображение - скорее художественное, чтобы показать, к чему мы идём, а вот изображение прототипа рисовалось с существующей железки и неплохо отражает действительность.



Зачем нужно печатать дома? Вопрос, на самом деле, хороший. Потому как если стоимость (по материалам) возводимой коробки превышает аналогичную при каких-то из традиционных способов строительства, а стоимость принтера и его обслуживания при постройке 5-10 домов превышает стоимость работ бригады строителей, то никому он такой золотой не нужен. Кроме разве что небольшого количества ценителей, которые отдадут лишние деньги просто ради удовольствия повозиться с новым гаджетом.

Что касается стоимости материала коробки, то, как выяснилось, если возводить её способом 3D печати и песчано-цементной смеси, а пустоты заполнять лёгким газобетоном, то цена одинаково теплой стены с сравнении с используемыми решениями оказывается меньше в 1,5-3 раза. (Стоимость считалась для Сибирского региона)


Что касается самого принтера и его обслуживания, то тут всё не так радостно. Если читатель представляет себе, сколько стоит простейший координатный ЧПУ-стол с площадью рабочей области несколько квадратных метров и высотой в 20 сантиметров (цена таких столов измеряется в сотнях тысяч) и мысленно увеличит его габариты до таких, чтобы внутрь поместился двухэтажный дом, а потом пропорционально увеличит его стоимость, то приобретать получившееся ему скорее всего уже не сильно захочется.

Дело в том, что в станках с ЧПУ используются такие двигатели и трансмиссии, которые бы обеспечивали как можно большую точность позиционирования. Имеющиеся на рынке решения действительно хороши и обеспечивают точность в сотые доли миллиметра. Чем более массивный рабочий орган нам нужно двигать, тем дороже нам обойдутся как двигатели, так и трансмиссии (4 серводвигателя, 4 безлюфтовых редуктора и 24 метра зубчатой рейки, которым нужно поднимать тонну груза на высоту 6 метров сами по себе будут стоить как небольшой домик). Выкрутиться из ситуации можно двумя способами:

1) максимально облегчить принтер (сделать лёгкую головку, лёгкую алюминиевую раму и т.д.);

2) использовать менее дорогую систему позиционирования за счёт уменьшения точности.

Некоторые создатели 3D принтеров для печати домов идут по первому пути. Этот путь хорош, но по нему, во-первых, уже идут, а, во-вторых, он не так хорош как второй (особенно если представить себе реальный принтер на реальной стройке с реальными строителями :) ). 

Из очевидных недостатков первого способа: принтер не может поднимать грузы и нужно держать рядом кран; с принтером нужно обращаться бережно, перевозить бережно, если не дай бог какие-то из прецизионно изготовленных деталей сломаются в чистом поле, то работа встанет надолго. Так же в этом варианте трудно разместить смеситель внутри головки.

У второго способа недостаток только один: точность измеряется не в сотых долях миллиметра, а в миллиметрах. Но для строительства дома такой точности достаточно.


Итак, мы выбрали второй путь и пока он нас радует. Точности позиционирования +-1 мм на прототипе нам уже удалось добиться, а ориентировочная рыночная стоимость готового полноразмерного принтера для печати настоящих домов, по нашим подсчётам, не будет превышать 1 миллиона рублей. Эта цифра уже вполне приемлема и делает покупку агрегата целесообразной.


Ах, да. Отвлеклись от темы. Печатать дома нужно потому, что ну интересно же )

Чем мы лучше других? Хм. Если в целом по жизни, то наверное ничем. А что касательно 3D принтера, то есть несколько вещей, которые отличают наш проект от других нам известных. Ещё до того, как начать собственно конструирование, мы выдвинули несколько требований, которым должен удовлетворять 3D принтер:

- доступная цена (чтоб печатать дома, а не выставочные экспонаты);

- достаточно хорошее качество печати;

- минимум дорогих и сложных в изготовлении узлов, максимум ремонтопригодность;

- носимость/возимость/сваливаемость_в_кучу, простота сборки/разборки, простота эксплуатации;

- высокая грузоподъёмность (достаточная, чтобы плиту перекрытия поднять);

Всего этого вместе и сразу мы ещё ни у кого не видели. Более того, такой подход заставляет практически с нуля разрабатывать  всё:

- механику (готовые рельсы с каретками, которые используются в ЧПУ, тут уже не подходят);

- контур управления с обратной связью и учётом специфичности поведения асинхронных двигателей, имунный к люфтам и деформациям в трансмиссиях;

- смеситель непрерывного действия, который возможно располагать в печатной головке, куда подавать отдельно воду и сухую смесь (так можно сократить сроки твердения смеси и упростить обслуживание смесителя);

- рецептуры смесей;

Мы считаем, что нам это по плечу, так как на любую задачу в команде есть специалисты и часть проблем уже успешно решена.


Что-то сделано, или пока только разговоры да картинки? Да, что-то определённо сделано, иначе нас бы здесь не было. Когда всё только начиналось, было ещё не совсем понятно, возможно ли с нашим подходом к конструированию роутера получить удовлетворительную точность, потому как если нет, то нет смысла разрабатывать всё остальное. Мы взялись за разработку роутера и выглядело это примерно так:

Рисуем

Считаем

Делаем

Смотрим, как работает без обратной связи

Ввиду ограниченности бюджета энкодеры делаем сами

Ой. Зима близко. Надо срочно обшивать стены в цеху

В промежутках приделываем к принтеру новые детали

Ура, есть обратная связь! Пробуем рисовать фигуры на песке

Фигуры на песке говорят нам, что мы молодцы. Прямые линии действительно прямые. И 10 см. действительно 10 см. А вот один из датчиков не молодец и шумит, отчего всё плывёт в одну сторону. Но это дело поправимое

Внезапно наступила зима. Строим тёплую избушку вокруг принтера

Избушка готова! А заодно и ось Z, так что теперь мы можем кататься на принтере ещё и вверх/вниз

Ну и просто красивая фотография из серии "я и диод"

То, что у нас получилось на данный момент, обнадёживает: с сидящим на принтере человеком точность позиционирования получается порядка +/- 1мм, и это на достаточно простом алгоритме управления. У нас есть идеи о том, как улучшить этот показатель.

Сейчас мы разрабатываем печатающие составы и пора уже разрабатывать головку и смеситель. Но..


Зачем нам нужны деньги? В процессе создания прототипа собственные накопления иссякли, а нам требуется:

- разрабатывать и тестировать несколько вариантов смесителей непрерывного действия, а для них уже нужно заказывать некоторые работы на стороне (например, вытачивать стальные шнеки);

- разрабатывать печатающую головку и систему подачи смеси;

- доработать роутер (с фиксирующими элементами из дерева и струбцин он выглядит очень грустно; так же потребуется более мощный привод по оси Z);

- оплачивать аренду цехового помещения, электричество и отопление;

- платить заработную плату сотрудникам, иначе сотрудники уйдут работать в другое место и принтер будет строиться очень долго;

- разрабатывать и испытывать в лабораторных условиях составы для печати;

- пробовать печатать.


На этом, пожалуй, всё. Да здравствует дочитавший до конца!