Область техники
Настоящее изобретение относится к области производства архитектурно-строительных изделий с применением аддитивных технологий.
Предшествующий уровень техники
Применяемая в настоящее время технология производства некоторых архитектурно-строительных изделий, например, таких как фасадные панели для облицовки фасада зданий и различных сооружений, включает в себя по существу три этапа. На первом этапе изготавливается мастер-модель (прототип) будущего изделия. В зависимости от сложности материалом для изготовления модели может быть пластилин, глина или гипс. Некоторые крупногабаритные модели изготавливаются фрезеровкой из дерева или фанеры. На втором этапе с использованием мастер-модели изготавливается обратная матрица. На заключительном этапе изготавливается конечное изделие путем нанесения материалов на обратную матрицу. Такой процесс является трудозатратным и сложным, причем сложность его возрастает при изготовлении нестандартных фасадных панелей, предназначенных для создания 3D (трехмерных) рисунков и барельефов. Кроме того, такой способ производства вследствие значительной доли человеческого труда не позволяет добиться высокой точности изготовления фасадных панелей в соответствии с проектом.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в разработке способа изготовления архитектурно-строительных изделий произвольной формы, не имеющего перечисленных недостатков.
Краткое изложение существа изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
В соответствии с настоящим изобретением предложен способ изготовления архитектурно-строительных изделий, включающий в себя этапы, на которых: формируют трехмерную цифровую модель архитектурно-строительного изделия; на основании сформированной цифровой модели осуществляют 3D-печать (трехмерную печать) формообразующей структуры изделия, задающей форму изделия, причем на краях формообразующей структуры изделия посредством 3D-печати формируют отделяемые краевые элементы, выполненные за одно целое с формообразующей структурой, для формирования точного края изделия; наносят на формообразующую структуру конструкционный несущий слой; отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры; наносят внешний слой на упомянутый несущий слой.
Согласно одному варианту осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором после нанесения несущего слоя осуществляют механическую обработку изделия.
Согласно другому варианту осуществления способа механическая обработка включает в себя по меньшей мере одно из фрезеровки, шлифовки и обкатывания валиком.
Согласно другому варианту осуществления способа внешний слой, выполнен с возможностью выполнять декоративную и/или защитную функцию.
Согласно другому варианту осуществления способа архитектурно-строительные изделия представляют собой декоративные изделия или малые архитектурные формы.
Согласно другому варианту осуществления способа архитектурно-строительные изделия представляют собой фасадные панели для наружной облицовки зданий.
Согласно другому варианту осуществления способа на этапе 3D-печати формообразующей структуры также осуществляют 3D-печать крепежных элементов, выполненных за одно целое с формообразующей структурой.
Согласно другому варианту осуществления способа крепежные элементы используют для перемещения и фиксации изделия во время его изготовления.
Согласно другому варианту осуществления способа этап формирования трехмерной цифровой модели включает в себя этапы, на которых:
- формируют трехмерную модель фасада здания;
- формируют трехмерную модель отдельных фасадных панелей;
- формируют трехмерную модель формообразующей структуры фасадных панелей, включая отделяемые краевые элементы и крепежные элементы;
- формируют трехмерную модель конструкционного несущего слоя;
- формируют трехмерную модель внешнего слоя.
Согласно другому варианту осуществления способа форму, расположение и ориентацию крепежных элементов на фасадных панелях задают таким образом, чтобы упомянутые крепежные элементы находились в однозначном взаимном соответствии с ответными крепежными элементами на здании.
Согласно другому варианту осуществления способа расположение ответных крепежных элементов на здании определяют посредством сканирования здания.
Согласно другому варианту осуществления способа перед сканированием наносят на ответные крепежные элементы покрытие, которое облегчает их обнаружение.
Согласно другому варианту осуществления способа форму, расположение и ориентацию ответных крепежных элементов на здании задают при моделировании.
Согласно другому варианту осуществления способа форму, расположение и ориентацию крепежных элементов на фасадных панелях задают таким образом, чтобы упомянутые крепежные элементы находились в однозначном взаимном соответствии с ответными крепежными элементами на смежных фасадных панелях для обеспечения возможности соединения смежных фасадных панелей между собой.
Согласно другому варианту осуществления способа на этапе 3D-печати формообразующей структуры также осуществляют 3D-печать крепежных элементов на отделяемых краевых элементах, используют крепежные элементы для перемещения и фиксации изделия во время его изготовления, а после нанесения несущего слоя отделяют краевые элементы вместе с крепежными элементами.
Согласно другому варианту осуществления способа формообразующая структура имеет ячеистую структуру.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяемые краевые элементы выполнены в виде бортиков.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяемые краевые элементы выполнены в виде гладких бортиков для формирования гладких краев изделия.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяемые краевые элементы выполнены в виде бортиков со ступенчатым профилем для формирования ступенчатых краев изделия.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяемые краевые элементы печатают из того же материала, что и формообразующую структуру.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяемые краевые элементы объединены с формообразующей структурой изделия перфорированным участком, обеспечивающим их временное соединение с формообразующей структурой и возможность их отделения.
Согласно другому варианту осуществления способа конструкционный несущий слой наносят на формообразующую структуру с одной стороны, которая задана в качестве лицевой стороны изделия.
Согласно другому варианту осуществления способа конструкционный несущий слой наносят на формообразующую структуру со стороны, которая задана в качестве лицевой стороны изделия, и с обратной стороны, на которой расположены крепежные элементы, при этом крепежные элементы не покрывают несущим слоем.
Согласно другому варианту осуществления способа отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры после набора прочности нанесенным несущим слоем.
Согласно другому варианту осуществления способа этап формирования трехмерной цифровой модели включает в себя этапы, на которых: формируют трехмерную модель формообразующей структуры архитектурно-строительного изделия, включая отделяемые краевые элементы; формируют трехмерную модель конструкционного несущего слоя; формируют трехмерную модель внешнего слоя.
Настоящее изобретение обеспечивает снижение сложности процесса изготовления архитектурно-строительных изделий произвольной трехмерной формы, снижение материальных и временных затрат на производство, повышение геометрической точности, конструкционных и декоративных характеристик изделий.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает блок-схему способа изготовления фасадных панелей.
Фиг. 2а-2б изображают примеры модели фасадной панели.
Фиг. 3а-3б изображают примеры модели формообразующей структуры фасадной панели.
Фиг. 4а-4б изображают варианты совмещения смежных фасадных панелей со ступенчатыми краями.
Фиг. 5а-5г изображают примерный вариант осуществления крепежных элементов и ответных крепежных элементов.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение раскрывает технологию изготовления архитектурно-строительных изделий c использованием аддитивных технологий для создания формообразующей структуры с последующим нанесением одного или нескольких слоев одного или нескольких материалов для получения требуемой прочности и вида поверхности. Данная технология может применяться для изготовления архитектурных или строительных изделий, таких как фасадные панели для наружной облицовки зданий, стеновые панели для внутренней отделки помещений, декоративные элементы, малые архитектурные формы и т.д.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ изготовления архитектурно-строительных изделий с применением 3D-печати для создания формообразующей структуры изделия любой формы, на которую затем наносится несущий слой и внешний слой.
Для простоты дальнейшее описание примерного варианта осуществления настоящего изобретения будет раскрыто в отношении трехмерных (3D) фасадных панелей. Однако, очевидно, что признаки настоящего изобретения аналогичным образом могут применяться и при изготовлении других видов изделий.
Сущность технического решения состоит в сочетании использования аддитивного производства (3D-печати) для создания внутренней формообразующей структуры фасадных панелей (фасадных элементов), с последующим нанесением укрепляющего несущего слоя из конструкционных материалов, применяющихся для производства фасадных панелей, таких как стеклофибробетон, полимерных композиций со стеклофиброй и других (гипософибра, полимербетоны, полимеры и пр.). Это позволяет получить прочные 3D фасады различных форм и конфигураций без ущерба техническим характеристикам, но без применения форм для их производства.
В настоящей заявке термины «аддитивное производство» и «3D-печать» используются взаимозаменяемо.
Способ изготовления фасадных панелей в соответствии с настоящим изобретением включает в себя следующие этапы, на которых:
- осуществляют 3D-печать формообразующей структуры фасадной панели, причем на краях формообразующей структуры фасадной панели посредством 3D-печати формируют отделяемые краевые элементы, выполненные за одно целое с формообразующей структурой, для формирования точного края фасадной панели;
- наносят на формообразующую структуру конструкционный несущий слой;
- отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры;
- наносят внешний слой на упомянутый несущий слой.
Термин «конструкционный несущий слой» в контексте строительных материалов обозначает слой, который обеспечивает основные механические характеристики конструкции, такие как прочность, жесткость и устойчивость. Этот слой является основой, которая несет все нагрузки и передает их на другие элементы конструкции.
Далее примерный вариант осуществления упомянутого способа изготовления фасадных панелей будет подробно описан со ссылкой на фиг. 1.
Сначала на этапе S1 осуществляют моделирование фасада. Архитекторы разрабатывают дизайн фасадной системы сооружения (здания) и создают 3D-модели объектов. С помощью специальных программ или 3D-моделирования фасадная система «нарезается» на отдельные фасадные панели нужных размеров (можно осуществлять как автоматически, так и вручную).
Для этого могут применяться алгоритмы генеративного 3D дизайна. Такие алгоритмы могут автоматически генерировать различные дизайн-варианты на основе заранее заданных правил и параметров. Примеры таких алгоритмов генеративного 3D дизайна включают в себя алгоритмы генерации фракталов, методы машинного обучения, алгоритмы Voronoi и диаграммы Делоне, методы случайной генерации и т.д. Алгоритмы генеративного 3D дизайна обеспечивают создание различных вариантов форм и структур фасада. Эти алгоритмы учитывают разные параметры, такие как внешний вид, прочность, освещение и т.д. Таким образом, можно быстро создавать и визуализировать дизайн-концепции. Также генеративные алгоритмы используются для оптимизации параметров фасада. Например, алгоритм может быть настроен так, чтобы он находил оптимальные размеры и расположение элементов фасада для достижения требуемых характеристик, таких как аэродинамика. Кроме того, генеративный дизайн может использоваться для автоматического создания деталей фасада. Это включает в себя не только генерацию геометрии, но и создание текстур, рельефа, орнамента и других деталей, которые делают фасад уникальным. Эти алгоритмы позволяют проводить итеративный процесс проектирования, быстро прототипировать и оценивать различные варианты фасадов. Это позволяет оптимизировать дизайн и учесть разные потребности потребителя. Существенным преимуществом является то, что генеративный дизайн может интегрировать алгоритмы анализа и симуляции для оценки характеристик фасада, таких как теплопроводность, звукоизоляция и другие физические свойства.
Далее на основании полученной модели фасадной панели (см. фиг. 2) осуществляют моделирование формообразующей структуры (каркаса) фасадной панели. Для этого с использованием специальных программ генерируется каркас фасадной панели (см. фиг. 3), на который будет происходить нанесение несущего слоя, и формируются файлы для 3D-печати. Каркас фасадной панели моделируется с использованием различных программ для 3D-моделирования, например, таких как CAD-системы (AutoCAD, SolidWorks, CATIA, Fusion 360) или специализированные программы для архитектурного моделирования (Revit, Rhino).
На этом этапе возможно использование алгоритмов для автоматического расчета и создания каркаса с учетом требуемой прочности, гибкости и других конструктивных параметров. Такие алгоритмы могут оптимизировать размер и форму элементов каркаса для достижения требуемых характеристик. Примеры упомянутых алгоритмов включают в себя, но без ограничения: метод конечных элементов (FEM), метод конечных объёмов (FVM), метод конечных разностей (FDM), метод граничных элементов (BEM).
После моделирования формообразующей структуры осуществляют моделирование конструкционного несущего слоя и внешнего слоя. Для проведения инженерных расчетов и компьютерного моделирования механических характеристик фасадной панели в зависимости от ее толщины и используемых материалов, можно использовать разные методы и программные инструменты. Расчет напряжений и деформаций в материалах осуществляют, используя основные принципы сопротивления материалов. Для оценки прочности и упругости материала могут быть использованы уравнения, такие как формула Гука для упругости и теория Треска для оценки прочности при разных напряжениях.
Для этих задач целесообразно использовать компьютерное моделирование. Для симуляции механических характеристик фасадной панели можно использовать программы для конечно-элементного анализа (Finite Element Analysis, FEA), такие как ANSYS, Abaqus, COMSOL и другие. Например, с использованием программы ANSYS можно создать 3D-модель элемента, задать материалы с размерами (например, эпоксидную смолу, укрепленную стекловолокном, каркасный слой), определить граничные условия (как фасад крепится к зданию), а затем запустить анализ, который показывает распределение напряжений в элементе в зависимости от его толщины и нагрузок.
Толщина фасадной панели также выбирается в зависимости от получаемой упругости. Теория упругости определяет, как материал будет деформироваться и возвращаться к исходной форме под воздействием нагрузки.
Основные факторы, принимаемые во внимание при проектировании фасада - износостойкость, ветро- и влагозащита, неподверженность материала горению и морозоустойчивость.
Основные конструкционные характеристики фасадных панелей, принимаемые во внимание при проектировании, включают в себя толщину, размер панели, вес, срок эксплуатации и т.д.
Результатом этапа S1 является формирование модели архитектурного или строительного изделия (фасадной панели) и передача ее в дальнейшее производство.
Далее на этапе S2 осуществляют 3D-печать формообразующей структуры фасадной панели на основе сформированной модели.
Формообразующая структура в предпочтительном варианте осуществления имеет ячеистую (сетчатую) структуру.
В альтернативном варианте осуществления формообразующая структура может иметь сплошную поверхность с интегрированными в конструкцию ребрами жесткости для поддержания формы изделия и обеспечения прочности и жесткости.
При печати могут быть использованы смолы с добавлением стекловолокна для усиления фасада и повышения прочности, а также другие материалы, такие как бетон, гипс, песок, металл, полимеры и т.д. В таблице 1 ниже приведены некоторые примеры полимеров для 3D-печати, а также температурные диапазоны для их использования и нагрева платформы при 3D-печати:
Таблица 1
Выбор материалов для печати формообразующей структуры осуществляется на основе требуемых функций и заданных характеристик изделия.
Использование 3D-печати для создания формообразующей структуры фасадных панелей позволяет достичь высокой степени геометрической сложности и индивидуальности фасадных конструкций.
В настоящем изобретении предусмотрена возможность использования отделяемых краевых элементов на краях формообразующей структуры фасадной панели. Отделяемые краевые элементы, выполненные в виде бортиков, представляют собой дополнительные элементы, которые печатаются вместе с формообразующей структурой фасадной панели во время процесса 3D-печати.
Отделяемые краевые элементы могут быть выполнены в виде гладких бортиков. Путем 3D-печати этих краевых элементов на краях формообразующей структуры гарантируется геометрическая точность всех форм и размеров изготовленных фасадных панелей, что обеспечивает точное соединение фасадных панелей между собой. Дополнительно это решает проблему сложной очистки краев фасадных панелей и обеспечивает плотное прилегание фасадных панелей друг к другу.
Альтернативно, отделяемые краевые элементы могут иметь, например, ступенчатый профиль, который приводит к формированию ступенчатого края фасадной панели. Форма ступенчатого края фасадной панели может быть комплементарной с формой края смежной фасадной панели, что обеспечивает возможность их установки впритык друг к другу без зазора (см. фиг. 4а), либо с минимальным зазором (см. фиг. 4б). В таком случае перекрывающиеся ступенчатые края смежных фасадных панелей снижают вероятность смещения упомянутых панелей друг относительно друга.
В предпочтительном варианте осуществления краевые элементы печатаются из того же материала, что и формообразующая структура фасадной панели. Краевые элементы объединены с формообразующей структурой изделия перфорированным участком, обеспечивающим их временное соединение с формообразующей структурой и возможность их отделения.
Альтернативно, краевые элементы могут быть объединены с формообразующей структурой изделия точечным соединением.
В альтернативном варианте осуществления краевые элементы могут печататься из материала, отличного от материала формообразующей структуры, и могут быть выполнены, например, водорастворимыми.
Кроме того, на данном этапе также печатаются крепежные элементы, что позволяет получить единую конструкцию из формообразующей структуры, краевых и крепежных элементов. Имея 3D модель крепежа для фасадных панелей на здании, крепежные элементы на фасадной панели печатаются сразу на нужных местах. Эта конструкция создается с использованием соответствующих материалов, которые обеспечивают прочность и надежность. Формообразующая структура фасада, краевые и крепежные элементы печатаются как один цельный элемент, и их структура интегрирована друг в друга. Это позволяет им быть связанными без необходимости дополнительного крепления.
Чтобы избежать последующего нанесения несущего слоя на крепежные элементы, параметры печати в местах, где находятся крепежные элементы, могут быть настроены таким образом, чтобы увеличить заполнение и количество внешних слоев. Это означает, что в этих областях используется больше материала для печати крепежных элементов на формообразующей структуре, что делает соединение крепким и надежным. Это также способствует тому, что несущий слой при нанесении не полностью покрывает крепеж, оставляя крепежные элементы открытыми.
Такой подход обеспечивает прочное и надежное соединение между формообразующей структурой фасадной панели и крепежными элементами, что позволяет им выполнять свою функцию без необходимости полного заливания несущим слоем.
Упомянутые крепежные элементы также могут использоваться роботами-манипуляторами в процессе производства для захвата, перемещения и фиксации фасадной панели на разных этапах. Для этого упомянутые роботы-манипуляторы на последующих этапах обращаются к модели фасадной панели для определения мест расположения крепежных элементов на фасадной панели. Автоматизация процесса позиционирования фасадной панели с помощью технических крепежных элементов упрощает нанесение несущего слоя, последующую обработку, нанесение внешнего слоя и окраску фасада. Кроме того, фиксация фасадной панели посредством крепежных элементов в процессе производства позволяет предотвратить деформацию формообразующей структуры фасадной панели в момент нанесения несущего слоя и до его высыхания.
Стоит отметить, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения (например, при изготовлении декоративных элементов или малых архитектурных форм) произведенное изделие не обязательно должно иметь крепежные элементы. Кроме того, в таких изделиях может потребоваться нанесение внешнего слоя со всех сторон изделия, что исключает наличие крепежных элементов на произведенном изделии. В таком случае крепежные элементы, используемые в процессе производства для перемещения и фиксации изделия, могут формироваться на отделяемых краевых элементах, а затем после нанесения несущего слоя отделяться от изделия вместе с упомянутыми краевыми элементами.
3D-печать формообразующей структуры произвольной трехмерной формы с краевыми и крепежными элементами позволяет увеличить скорость и снизить сложность процесса изготовления изделий.
Результатом этапа S2 является единая структурная конструкция готовая к передаче на этап S3.
После завершения печати, робот-манипулятор отклеивает деталь (каркас фасадной панели) от платформы для печати и передает ее на конвейерную линию для дальнейшей обработки либо это можно произвести вручную.
Далее на этапе S3 формообразующая структура фасадной панели передается в зону нанесения укрепляющего несущего слоя, где устанавливается на фиксированное крепление с использованием крепежных элементов на каркасе. Робот-манипулятор запускает процесс нанесения конструкционного несущего слоя на формообразующую структуру в соответствии с разработанной ранее моделью. В процессе используются различные материалы, например, такие как феноловая смола, силиконовая смола, полиэфирные смолы с волокнами стекла, эпоксидные смолы, укрепленные полиуретаны, акриловые смолы, полиэстеровые материалы, стеклофибробетон, полимерные композиции со стеклофиброй, гипсофибра, полимербетоны и иные применимые вяжущие вещества с армирующим компонентом и т.д. Преимущественно в качестве несущего слоя наносится стеклопластик или стеклофибробетон.
Несущий слой после высыхания придает фасадной панели необходимую прочность и устойчивость, обеспечивая надежность и долговечность фасадных панелей.
В предпочтительном варианте осуществления несущий слой наносится на формообразующую структуру только с одной стороны, которая задана в качестве лицевой стороны будущего изделия. В таком варианте осуществления может обеспечиваться изделие с заданными требованиями, обладающее малой толщиной и весом, при этом расход материала несущего слоя также является небольшим. В то же время попадание несущего слоя на крепежные элементы, формируемые в основном на обратной стороне будущего изделия, может быть предотвращено.
Альтернативно, несущий слой наносится на формообразующую структуру как со стороны, которая задана в качестве лицевой стороны изделия, так и с обратной стороны, на которой расположены крепежные элементы, при этом крепежные элементы не покрыты несущим слоем.
Применение различных материалов для укрепления фасада обеспечивает высокую прочность и адаптируемость к различным архитектурным требованиям.
В Таблице 2 приведены несколько примеров систем нанесения связующего и стекловолокна, которые могут найти применение в настоящей технологии.
Таблица 2
После нанесения несущего слоя и набора первичной прочности изделия отделяемые краевые элементы на этапе S4 могут быть аккуратно отделены от формообразующей структуры фасадной панели. Это делается путем аккуратного разрушения перфорированного соединения, аналогично тому, как бумага отрывается вдоль надреза. Краевые элементы могут легко отделяться без повреждения самой формообразующей структуры фасадной панели благодаря данному механизму. После отделения краевых элементов каждая фасадная панель точно прилегает к другой, что позволяет им защелкиваться или соединяться между собой с высокой точностью. Это обеспечивает плотное прилегание фасадных панелей в фасадной системе друг к другу и соответствие всех форм и размеров.
Результатом этапа S4 является единая структурная конструкция с нанесенным несущим слоем, готовая к передаче в зону механической обработки.
После нанесения несущего слоя и сушки полученную деталь перемещают в зону механической обработки.
Далее на этапе S5 деталь фиксируется на специальном креплении, и робот-манипулятор осуществляет ее механическую обработку. Механическая обработка может включать в себя, например, фрезеровку, шлифовку, обкатывание валиком и т.д. Упомянутая обработка также может выполняться вручную.
Этап механической обработки после нанесения несущего слоя не всегда является обязательным и зависит от конкретных требований к конечному продукту и его конструктивным характеристикам. Если по проекту предусмотрена текстурная поверхность, которая не требует абсолютной гладкости, то механическая обработка может быть опущена.
Механическая обработка позволяет выровнять поверхность, улучшить поверхностную текстуру детали и удалить излишки несущего слоя. Если поверхность фасада должна быть абсолютно гладкой и без дефектов, то фрезеровка или другие методы могут использоваться для выравнивания поверхности. Если при нанесении несущего слоя возникли излишки, которые необходимо удалить, например, для того чтобы продукт соответствовал определенным размерам или форме, то механическая обработка может быть необходимой.
После механической обработки деталь перемещается в зону финальной обработки.
Далее на этапе S6 осуществляют нанесение на изделие внешнего слоя. Упомянутые внешний слой, выполнен с возможностью выполнять декоративную и/или защитную функцию.
Нанесение внешнего слоя на изделие может быть выполнено разными способами (например, безвоздушное распыление, пневматическое распыление, электродуговая металлизация, УФ печать и т.д.), и выбор метода зависит от конкретных требований, а также от типа внешнего декоративного или защитного слоя изделия. Робот-манипулятор либо человек наносит слой фасадной краски, гипса, металлического напыления или иного финального покрытия на фасад.
Для точного нанесения рисунков с помощью робота-манипулятора, важно точное цифровое моделирование внешнего вида фасадной панели. Эта модель затем используется для программирования робота-манипулятора. Для точного нанесения рисунка на фасадную панель робот может быть калиброван с помощью маркеров или отметок на фасаде. Эти маркеры наносятся на панель на этапе подготовки поверхности перед началом нанесения рисунков с помощью робота-манипулятора и помогают роботу определить свое положение и ориентацию на поверхности. Кроме того, важно настроить робота так, чтобы он двигался с необходимой точностью и скоростью для создания требуемого рисунка или текстуры.
Для создания определенных эффектов или текстур могут потребоваться специальные виды красок или покрытий.
Стоит отметить, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения этап нанесения внешнего слоя может являться необязательным.
Таким образом, описанный выше способ изготовления позволяет получить фасадные панели произвольной трехмерной формы с высокой геометрической точностью, высокими конструкционными и декоративными характеристиками. При этом настоящее изобретение позволяет снизить сложность процесса изготовления изделий, а также материальные и временные затраты на производство и монтаж изделий.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается архитектурно-строительное изделие, включающее в себя внутреннюю формообразующую структуру, изготовленную с помощью технологии 3D-печати, несущий слой, нанесенный на формообразующую структуру, и внешний слой, нанесенный на конструкционный несущий слой.
В примерном варианте осуществления, упомянутое изделие представляет собой фасадную панель. Упомянутая фасадная панель дополнительно включает в себя крепежные элементы, выполненные за одно целое (интегрированные) с внутренней формообразующей структурой, для крепления фасадной панели, например, к стене здания.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается крепежная система для фасадных панелей. Далее подробнее будут описаны крепежные элементы фасадной панели в соответствии с настоящим изобретением, которые позволяют автоматизировать производство и точно позиционировать фасадные панели при их установке, т.е одни и те же крепежные элементы могут использоваться и на этапе производства, и для установки фасадных панелей на фасаде здания. Роботы в процессе производства могут использовать эти крепежные элементы для захвата, перемещения и фиксации изделия, что упрощает процесс нанесения несущего слоя, последующую механическую обработку и нанесение внешнего слоя. Это способствует повышению качества производства и сокращению времени выполнения работ.
В альтернативном варианте осуществления разные крепежные элементы используются на этапе производства и при установке фасадных панелей на здании.
В общем случае крепежная система состоит из по меньшей мере двух крепежных элементов, расположенных на фасадной панели, и по меньшей мере двух ответных крепежных элементов, устанавливаемых, например, на стене здания, где должны быть закреплены фасадные панели. Согласно настоящему изобретению для каждой соответствующей пары крепежного элемента и ответного крепежного элемента выполняется следующее: один из крепежного элемента и ответного крепежного элемента включает в себя фигурный выступ, в то время как другой из крепежного элемента и ответного крепежного элемента включает в себя комплементарный паз для размещения упомянутого фигурного выступа.
Количество крепежных элементов и ответных крепежных элементов задается на этапе S1 моделирования для обеспечения надежной фиксации фасадной панели.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения крепежные элементы (см. фиг. 5а) представляют собой детали, включающие в себя «Т-образные» выступы и расположенные на тыльной стороне фасадной панели. Фиксация (соединение) происходит с помощью комплементарных элементов, таких как ответные крепежные элементы с «Т-образными» пазами (см. Фиг. 5в, 5г), которые устанавливают на стене здания.
Форма выступа крепежного элемента может быть отличной от Т-образной. Например, выступ крепежного элемента может иметь крестообразную, квадратную, треугольную, прямоугольную форму и т.д., при этом ответный крепежный элемент должен иметь паз соответствующей формы для размещения выступа.
В примерном варианте осуществления все крепежные элементы на фасадных панелях имеют выступ, в то время как все ответные крепежные элементы на стене здания, на которой должны быть закреплены фасадные панели, имеют соответствующий паз. В альтернативном варианте осуществления все крепежные элементы на фасадных панелях имеют паз, в то время как все ответные крепежные элементы имеют соответствующий выступ. В еще одном альтернативном варианте осуществления возможна смешанная реализация крепежных элементов и ответных крепежных элементов, т.е. на фасадных панелях часть крепежных элементов имеют выступы, а другая часть крепежных элементов имеют пазы, а ответные крепежные элементы на стене здания имеют соответствующие комплементарные пазы и выступы.
Крепление ответных крепежных элементов на стене здания может осуществляться посредством клеевого, резьбового или сварного соединения, либо иных подходящих известных способов крепления.
Ответные крепежные элементы также могут изготавливаться посредством аддитивного производства (3D-печати).
В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления ответные крепежные элементы, устанавливаемые, например, на стене здания, могут быть любыми известными из уровня техники (стандартными) крепежными элементами. Они могут быть изготовлены из пластика, металла, композитных материалов и т.д. В таком случае, крепежные элементы, расположенные на фасадной панели, формируются на этапе S2 таким образом, чтобы иметь возможность взаимодействия (соединения) с упомянутыми известными ответными крепежными элементами. Альтернативно, крепежные элементы, расположенные на фасадной панели, формируются с возможностью установки на них (соединения с ними) других известных из уровня техники крепежных элементов, которые в данном случае играют роль промежуточных крепежных элементов, предназначенных для соединения с упомянутыми ответными крепежными элементами, известными из уровня техники.
Соединение крепежных элементов и ответных крепежных элементов осуществляется по методу «ключ-замок». Это означает, что крепежные элементы и ответные крепежные элементы имеют однозначное взаимное соответствие и определенные фасадные панели могут быть установлены только на определенные места с помощью этого крепежа. Это предотвращает неправильную установку и повышает точность позиционирования фасадных панелей. Таким образом, метод «ключ-замок» обеспечивает точное соответствие и защиту от неправильной установки.
Однозначное взаимное соответствие крепежных элементов и ответных крепежных элементов обеспечивается заданием формы, положения и ориентации (угла поворота, угла наклона) крепежного элемента (см. фиг. 5б) и комплементарной формы, положения и ориентации ответного крепежного элемента.
Форма, положение и ориентация крепежных элементов и ответных крепежных элементов задается на этапе S1 моделирования фасада.
В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления фасадные панели могут соединяться между собой посредством крепежных элементов и соответствующих им ответных крепежных элементов, размещенных на смежных фасадных панелях.
После соединения крепежного элемента и ответного крепежного элемента соединение типа «ключ-замок» фиксируется посредством клеевого соединения, бесклеевого соединения или посредством дополнительного крепежа, такого как защелки, клипсы, заклепки, метизы и т.д.
Таким образом, крепежная система в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает прочное и надежное крепление фасадных панелей к опоре (стене здания) и соединение фасадных панелей между собой, предотвращает их неправильную установку, а также облегчает процессы нанесения несущего слоя, механической обработки, нанесения внешнего слоя и перемещения изделия в процессе производства.
В одном варианте осуществления крепежные элементы в виде «дюбеля» (см. фиг. 5г), на которые крепят теплоизоляционные материалы, в данном решении добавочно являются ответными крепежными элементами для крепежных элементов фасадных панелей. Упомянутые ответные крепежные элементы сначала используются для закрепления к стене теплоизоляционных материалов. Затем к ним крепятся фасадные панели посредством своих крепежных элементов. Т.е. ответные крепежные элементы могут предназначаться не только для крепления непосредственно фасадных панелей, но и для крепления других сопутствующих материалов и изделий.
Помимо описанной выше системы крепления фасадных панелей в настоящем изобретении могут использоваться и другие способы крепления фасадных панелей к зданию, такие как клей, профилированная подсистема, кронштейны и т.д.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ позиционирования крепежных элементов в фасадной панели.
В соответствии с упомянутым способом устанавливают ответные крепежные элементы на поверхности сооружения (здания), подлежащей облицовке фасадными панелями, при этом на концы ответных крепежных элементов наносят специальное покрытие, которое облегчает их обнаружение камерой. Упомянутое покрытие может быть одним из следующего:
- люминесцентное покрытие (например, GloNation Paint), которое излучает свет в видимом диапазоне после облучения ультрафиолетовыми (УФ) лучами (100-400 нм). Такие покрытия могут использоваться для визуализации и маркировки на поверхностях, облегчая обнаружение и сканирование;
- флуоресцентное покрытие (например, Rust-Oleum 214944), которое поглощает свет в одном диапазоне длин волн и излучает его в другом диапазоне (например, поглощает УФ (100-400 нм) для возбуждения и излучает видимый свет (400-700 нм)). Такие покрытия обеспечивают яркую видимость маркеров под УФ светом, что облегчает их точное позиционирование;
- инфракрасное (ИК) отражающее покрытие (например, 3M Scotchlite 7610), которое отражает инфракрасные лучи. Такие покрытия используются для теплового сканирования и обнаружения объектов в условиях низкой видимости.
Далее осуществляют сканирование сооружения, например, посредством одного из следующих способов:
- лазерное сканирование, которое обеспечивает создание точных трехмерных карт объектов и местности с высокой детализацией. Осуществляется посредством лидара (например, Leica BLK360);
- фотограмметрия, применяемая для сбора изображений для создания трехмерных моделей зданий и объектов. Осуществляется посредством дронов с камерой высокого разрешения (например, DJI Phantom 4 RTK);
- сканирование с помощью структурированного света. Осуществляется с использованием проекторов и камер, которые создают и фиксируют деформации шаблона света на объекте (например, сканер Artec Eva).
Посредством сканирования здания формируется цифровая карта с разметкой ответных крепежных элементов. Цифровая карта представляет собой трехмерную модель здания или объекта, созданную с помощью одного из вышеупомянутых методов сканирования. Эта модель включает в себя точные данные о расположении всех ответных крепежных элементов и других деталей конструкции, что позволяет эффективно планировать и выполнять монтажные работы. Данная цифровая карта ответных крепежных элементов на здании учитывается на этапе S1 моделирования фасадных панелей для задания расположения крепежных элементов на фасадных панелях, причем требуемые положения для комплементарных крепежных элементов на фасадных панелях определяют на основании 3D модели фасада здания и карты ответных крепежных элементов на здании для обеспечения однозначного взаимного соответствия между упомянутыми крепежными элементами и соответствующими ответными крепежными элементами. Это позволяет обеспечить точное соответствие крепежных элементов и ответных крепежных элементов и, следовательно, точную установку фасадных панелей.
Затем изготавливают фасадные панели с крепежными элементами в упомянутых определенных положениях, как это описано выше.
Существует несколько способов задания положения ответных крепежных элементов на здании.
В соответствии с одним из альтернативных способов на цифровой 3D модели здания можно заранее задать точки крепления фасадных панелей. Во время строительства можно использовать проектор для проекции точек крепления на стену на основании цифровой модели. Строители могут следовать этой проекции для точного размещения ответных крепежных элементов на здании. На основании упомянутой цифровой модели формируются фасадные панели, как это описано выше, и монтируются на стену здания.
В соответствии с альтернативным способом точки крепления ответных крепежных элементов можно заранее разметить на фасаде здания с заранее заданным интервалом, например, через каждый метр. Строители могут использовать нивелиры и лазерные указатели для соблюдения этих отметок. После установки ответных крепежных элементов можно проверить правильность их размещения, например, сфотографировав стену и обработав полученную фотографию посредством соответствующего программного обеспечения. Альтернативно, правильность размещения ответных крепежных элементов можно проверить посредством сканирования стены здания, как это раскрыто выше. Затем на основании цифровой модели формируются фасадные панели, как это описано выше, и монтируются на стену здания.
Кроме того, на основании разработанной цифровой модели здания с помощью мобильных устройств и приложений для дополненной реальности можно показать точки крепления на фасаде здания в реальном времени. Строители могут следовать этим точкам для правильного размещения ответных крепежных элементов.
В случае осуществления реставрации фасада здания могут использоваться уже существующие ответные крепежные элементы на здании, например, оставшиеся после демонтажа старых фасадных панелей. В таком случае упомянутые ответные крепежные элементы покрываются упомянутым выше покрытием, облегчающим их обнаружение. Дальнейшее сканирование ответных крепежных элементов и формирование крепежных элементов на фасадных панелях в заданных местоположениях осуществляется как это раскрыто выше.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить высокие конструкционные (например, прочность и долговечность) и декоративные (индивидуальный дизайн, высокая степень детализации и архитектурная экспрессивность фасадов) характеристики архитектурно-строительных изделий, высокую геометрическую точность форм и размеров изделий и ускорить процесс их производства. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает возможность производства трехмерных изделий произвольной формы. Автоматизированный процесс производства и позиционирования изделий в процессе производства с использованием крепежных элементов упрощает производство и обработку изделий и исключает воздействие человеческой ошибки. Упомянутые выше факторы в целом позволяют повысить эффективность производства архитектурно-строительных изделий и снизить материальные и временные затраты на производство.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ФАСАДНОЙ ПАНЕЛИ | 2024 |
|
RU2838892C1 |
| ФАСАДНАЯ ПАНЕЛЬ ДЛЯ ОБЛИЦОВКИ ЗДАНИЙ | 2024 |
|
RU2838893C1 |
| СТРОИТЕЛЬНАЯ МОНОСОТОСТРУКТУРА | 2011 |
|
RU2464388C1 |
| СПОСОБ ФАСАДНОЙ ОБЛИЦОВКИ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ | 2022 |
|
RU2788067C1 |
| СПОСОБ ОТДЕЛКИ ПАНЕЛЕЙ НАРУЖНЫХ СТЕН | 2013 |
|
RU2536537C1 |
| СПОСОБ МОНТАЖА ОБЛИЦОВКИ ФАСАДА И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ С ПЛИТЫ МЕЖЭТАЖНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ | 2014 |
|
RU2557269C1 |
| МОДУЛЬНАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ НАВЕСНАЯ ФАСАДНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ЕЁ МОНТАЖА | 2021 |
|
RU2777232C1 |
| СИСТЕМЫ НАВЕСНЫХ ФАСАДОВ И СПОСОБЫ МОНТАЖА (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2416009C1 |
| Способ возведения зданий и сооружений с несущими монолитными железобетонными конструкциями с применением железобетонных стеновых панелей | 2018 |
|
RU2678750C1 |
| СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СТЕН МОНОЛИТНОГО ЗДАНИЯ | 2020 |
|
RU2737387C1 |
Изобретение относится к области производства архитектурно-строительных изделий с применением аддитивных технологий. Технический результат заключается в снижении сложности процесса изготовления архитектурно-строительных изделий произвольной трехмерной формы, снижении материальных и временных затрат на производство, повышении геометрической точности, конструкционных и декоративных характеристик изделия. Технический результат достигается тем, что способ изготовления архитектурно-строительных изделий включает в себя этапы, на которых формируют трехмерную цифровую модель архитектурно-строительного изделия; на основании сформированной цифровой модели осуществляют 3D-печать (трехмерную печать) формообразующей структуры изделия, задающей форму изделия, причем на краях формообразующей структуры изделия посредством 3D-печати формируют отделяемые краевые элементы, выполненные за одно целое с формообразующей структурой, для формирования точного края изделия; наносят на формообразующую структуру конструкционный несущий слой; отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры; наносят внешний слой на упомянутый несущий слой. 24 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
1. Способ изготовления архитектурно-строительных изделий, включающий в себя этапы, на которых:
- формируют трехмерную цифровую модель архитектурно-строительного изделия;
- на основании сформированной цифровой модели осуществляют 3D-печать (трехмерную печать) формообразующей структуры изделия, задающей форму изделия, причем на краях формообразующей структуры изделия посредством 3D-печати формируют отделяемые краевые элементы, выполненные за одно целое с формообразующей структурой, для формирования точного края изделия;
- наносят на формообразующую структуру конструкционный несущий слой;
- отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры;
- наносят внешний слой на упомянутый несущий слой.
2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором после нанесения несущего слоя осуществляют механическую обработку изделия.
3. Способ по п. 2, в котором механическая обработка включает в себя по меньшей мере одно из фрезеровки, шлифовки и обкатывания валиком.
4. Способ по п. 1, в котором внешний слой выполнен с возможностью выполнять декоративную и/или защитную функции.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором архитектурно-строительные изделия представляют собой декоративные изделия или малые архитектурные формы.
6. Способ по любому из пп. 1-4, в котором архитектурно-строительные изделия представляют собой фасадные панели для наружной облицовки зданий.
7. Способ по п. 6, в котором на этапе 3D-печати формообразующей структуры также осуществляют 3D-печать крепежных элементов, выполненных за одно целое с формообразующей структурой.
8. Способ по п. 7, в котором крепежные элементы используют для перемещения и фиксации изделия во время его изготовления.
9. Способ по п. 7, в котором этап формирования трехмерной цифровой модели включает в себя этапы, на которых:
- формируют трехмерную модель фасада здания;
- формируют трехмерную модель отдельных фасадных панелей;
- формируют трехмерную модель формообразующей структуры фасадных панелей, включая отделяемые краевые элементы и крепежные элементы;
- формируют трехмерную модель конструкционного несущего слоя;
- формируют трехмерную модель внешнего слоя.
10. Способ по п. 9, в котором форму, расположение и ориентацию крепежных элементов на фасадных панелях задают таким образом, чтобы упомянутые крепежные элементы находились в однозначном взаимном соответствии с ответными крепежными элементами на здании.
11. Способ по п. 10, в котором расположение ответных крепежных элементов на здании определяют посредством сканирования здания.
12. Способ по п. 11, в котором перед сканированием наносят на ответные крепежные элементы покрытие, которое облегчает их обнаружение.
13. Способ по п. 10, в котором форму, расположение и ориентацию ответных крепежных элементов на здании задают при моделировании.
14. Способ по п. 9, в котором форму, расположение и ориентацию крепежных элементов на фасадных панелях задают таким образом, чтобы упомянутые крепежные элементы находились в однозначном взаимном соответствии с ответными крепежными элементами на смежных фасадных панелях для обеспечения возможности соединения смежных фасадных панелей между собой.
15. Способ по п. 1, в котором на этапе 3D-печати формообразующей структуры также осуществляют 3D-печать крепежных элементов на отделяемых краевых элементах, используют крепежные элементы для перемещения и фиксации изделия во время его изготовления, а после нанесения несущего слоя отделяют краевые элементы вместе с крепежными элементами.
16. Способ по п. 1, в котором формообразующая структура имеет ячеистую структуру.
17. Способ по п. 1, в котором отделяемые краевые элементы выполнены в виде бортиков.
18. Способ по п. 17, в котором отделяемые краевые элементы выполнены в виде гладких бортиков для формирования гладких краев изделия.
19. Способ по п. 17, в котором отделяемые краевые элементы выполнены в виде бортиков со ступенчатым профилем для формирования ступенчатых краев изделия.
20. Способ по п. 1, в котором отделяемые краевые элементы печатают из того же материала, что и формообразующую структуру.
21. Способ по п. 1, в котором отделяемые краевые элементы объединены с формообразующей структурой изделия перфорированным участком, обеспечивающим их временное соединение с формообразующей структурой и возможность их отделения.
22. Способ по п. 1, в котором конструкционный несущий слой наносят на формообразующую структуру с одной стороны, которая задана в качестве лицевой стороны изделия.
23. Способ по п. 7, в котором конструкционный несущий слой наносят на формообразующую структуру со стороны, которая задана в качестве лицевой стороны изделия, и с обратной стороны, на которой расположены крепежные элементы, при этом крепежные элементы не покрывают несущим слоем.
24. Способ по п. 1, в котором отделяют отделяемые краевые элементы от формообразующей структуры после набора прочности нанесенным несущим слоем.
25. Способ по п. 1, в котором этап формирования трехмерной цифровой модели включает в себя этапы, на которых:
- формируют трехмерную модель формообразующей структуры архитектурно-строительного изделия, включая отделяемые краевые элементы;
- формируют трехмерную модель конструкционного несущего слоя;
- формируют трехмерную модель внешнего слоя.
| УСТРОЙСТВО для ЗАМЕРА ОСЕВЫХ УСИЛИЙ В ОБРАЗЦАХ МЕТАЛЛА МЕЖДУ КЛЕТЯМИ ПРИ ПРОКАТКЕ | 0 |
|
SU221351A1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ПАНЕЛИ, ЭКРАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ | 2017 |
|
RU2655118C1 |
| CA 2877601 A1, 13.02.2014 | |||
| CN 111945975 A, 17.11.2020 | |||
| US 2018229402 A1, 16.08.2018. | |||
