Введение. Конкурентоспособность 3D-аддитивных строительных технологий по отношению к традиционным во многом определяется эффективностью технологических комплексов. Потенциально, роботизированное возведение строительных объектов методом 3D-печати предполагает отказ от сложной производственной инфраструктуры, сокращение затрат энергии, материалов и живого труда [1–3].
В настоящее время разработаны и активно продвигаются на рынок три типа принтеров [4–9].
- Принтер с портальной системой позиционирования – представляет собой раму, по которой движется печатающее устройство (экструдер). Данный принтер производит печать объектов внутри системы перемещения, что закономерно приводит к увеличению габаритов принтера для масштабных строительных объектов (рис. 1).
- Робот-манипулятор – перемещает экструдер при помощи «роботизированной руки», что позволяет устанавливать принтер как снаружи, так и внутри печатного объекта. Характеризуется небольшими габаритами и весом, позволяющими достигать высокой мобильности принтера (рис. 2).
- Кабельная подвесная система (дельта-принтер) – осуществляет трехмерное перемещение печатающей головки с помощью специальных тросс-кабелей внутри внешней рамы. Это определяет возможность печати высоких объектов, но с очень ограниченной площадью (рис. 3).
На сегодня сложилась ситуация, когда в практику строительства наиболее активно внедряются портальные 3D-принтеры. Данный выбор основан на сформировавшихся к настоящему моменту представлениях строительных компаний об относительной простоте, надежности и отсутствии сложностей в обслуживании используемой конструкции принтера. На наш взгляд, такой подход к выбору 3D-принтера является односторонним и недостаточно обоснованным, поскольку все виды принтеров обладают как достоинствами, так и недостатками, соотношение которых и определяет их конкурентоспособность на рынке [10, 11].
С учетом изложенного, целью настоящего исследования является разработка научно-обоснованной методики и комплексная оценка на ее основе конкурентоспособности строительных 3D-принтеров.
Методы. Предлагаемая методика базируется на сопоставлении технико-технологических характеристик и экономических параметров строительных 3D-принтеров. Системность и комплексность при таком подходе обеспечиваются возможностью учета большого количества параметров сравнения, имеющих различную природу, на основе использования относительных показателей [12–16].
Алгоритм оценки конкурентоспособности строительных 3D-принтеров включает следующие шаги:
шаг 1 – формирование совокупности параметров оценки конкурентоспособности с определением их значимости;
шаг 2 – формирование базы сравнения и оценки конкурентоспособности принтеров;
шаг 3 – определение единичных (относительных) показателей конкурентоспособности для различных видов принтеров;
шаг 4 – расчет групповых индексов конкурентоспособности;
шаг 5 – расчет интегрального показателя конкурентоспособности по видам принтеров.
Отметим, что наиболее конкурентоспособным следует считать принтер, который обеспечивает большее количество единиц полезного эффекта, определяемого набором технико-технологических характеристик, на единицу затрат, связанных с приобретением принтера, его энергопотреблением, трудоемкостью обслуживания и монтажа-демонтажа на стройплощадке [12, 17, 18].
В результате формирования на основе системного анализа совокупности параметров оценки конкурентоспособности строительных 3D-принтеров (шаг 1) были выделены группы технико-технологических характеристик и экономических параметров. В первую группу вошли подгруппы параметров, отражающих конструктивные особенности принтеров, технологичность печати, качество и объем напечатанных строительных объектов. При этом каждая подгруппа имеет соответствующее логическое наполнение (табл. 1). Вторую группу составили показатели энергопотребления принтера, трудоемкости его монтажа-демонтажа на строительной площадке, трудоемкости обслуживания и цены.
Таблица 1
Совокупность параметров оценки конкурентоспособности строительных 3D-принтеров
|
Группа технико-технологических характеристик |
|||
|
|
|
|
|
– площадь печати; – высота области печати; – точность позиционирования; – скорость печати; – площадь сечения печатного слоя; – соотношение области печати и габаритных размеров принтера |
– возможность работы со смесями различного назначения (конструкционными, теплоизоляционными, отделочными) без переналадки; – возможность обеспечения роботизированной финишной отделки; – возможность работы с высоковязкими смесями, вязкость h ~ 50–60 Па×с |
|
|
|
Группа экономических параметров |
|||
|
– потребляемая мощность; – трудоемкость монтажа-демонтажа принтера; |
– трудоемкость обслуживания (количество операторов); – цена принтера |
||
Оценку значимости выделенных характеристик и параметров рекомендуется проводить на основе эвристических методов путем индивидуального анкетирования экспертов. В анкете помимо формулировки задания следует представить шкалы бальных оценок значимости параметров строительных 3D-принтеров внутри каждой из подгрупп. При формировании шкалы оценивания целесообразно, на наш взгляд, использовать подход, в соответствии с которым минимальное количество баллов равняется 1, а максимальное – соответствует количеству параметров (характеристик) в группе (подгруппе). Таким образом, в рамках настоящего исследования в первой подгруппе технико-технологических параметров максимальное количество баллов для наиболее значимого показателя составляет 6 баллов (см. табл. 1), для второй подгруппы – 3 балла, а для третьей подгруппы – 4 балла. Для группы экономических параметров наиболее важному, по мнению экспертов, показателю может быть присвоено максимально 4 балла.
После сбора информации от экспертов сначала нужно определить наличие неслучайной согласованности их оценок путем расчета коэффициента конкордации по формуле:
(1)
где Si – квадрат отклонений i - того свойства от средней суммы баллов; r – количество экспертов; n – количество свойств.
Особо следует указать, что только в случае, если полученное значение коэффициента конкордации попадет в интервал 0,7…0,8, дальнейшая оценка конкурентоспособности 3D-принтеров может быть продолжена. При невыполнении этого условия необходимо внести коррективы либо в состав группы экспертов, либо в формулировку задания, и повторно провести опрос экспертов.
Оценка значимости параметров строительных 3D-принтеров базируется на схеме расчета коэффициентов весомости (Мi):
(2)
где 
– средний коэффициент весомости i – того параметра принтера.
(3)
где М’ – значение бальной оценки значимости параметра экспертом; r – количество экспертов, принявших участие в анкетировании.
Сумма полученных коэффициентов весомости в рамках каждой подгруппы (группы) должна удовлетворять условию:
=1. (4)
Для формирования базы сравнения и оценки конкурентоспособности принтеров на шаге 2 рассматриваемой методики осуществляется «отбор» строительных 3D-принтеров, имеющих сопоставимые значения конструктивных характеристик. По результатам такого отбора определяется некий «эталон» в виде виртуального принтера с наилучшими показателями по всем характеристикам печатных устройств из числа рассмотренных.
Далее на шаге 3 выполняется расчет единичных показателей конкурентоспособности (kij) для вошедших в базу сравнения принтеров. Поскольку характеристики технологических комплексов имеют различные единицы измерения, представляется обоснованным использование в этой процедуре относительных показателей, определяемых по схемам:
– для случая, когда увеличение значения параметра повышает технические возможности и экономическую эффективность принтера;
– для случая, когда технические возможности и экономическая эффективность принтера повышаются при уменьшении значения параметра. При этом, 
– значение i-того параметра принтера-эталона, а Рi – значение i-того параметра сравниваемого принтера.
Необходимо указать, что для характеристик принтеров, не имеющих количественного измерения, при формировании базы оценки конкурентоспособности разрабатывались собственные шкалы бальной оценки на основании анализа информации о характеристиках принтеров и напечатанных строительных объектах:
- возможность работы с низкотекучими смесями: при наличии возможности – 1 балл, при отсутствии таковой – 0 баллов;
- качество печатного слоя: слой без дефектов – 1 балл, слой с трещинами – 0 баллов;
- качество поверхности объекта: поверхность гладкая, без дефектов – 1 балл, дефектная поверхность (с оплывами слоев и трещинами) – 0 – 0,9 баллов в зависимости от количества дефектов.
Затем на шаге 4 проводится расчет групповых индексов конкурентоспособности по различным группам характеристик и параметров принтеров. Для этого следует использовать общий подход, описываемый уравнением (5):
(5)
где Qmj – групповой индекс конкурентоспособности по m-той группе параметров j-того вида принтера.
В заключение на последнем шаге приведенного выше алгоритма для каждого вошедшего в базу рассмотрения строительного 3D-принтера рассчитывается его интегральный показатель конкурентоспособности (Пкj):
(6)
где Qкj – групповой индекс конкурентоспособности j-того принтера по конструктивным характеристикам; QТj – групповой индекс конкурентоспособности j-того принтера по характеристикам технологичности печати; Qоj – групповой индекс конкурентоспособности j-того принтера по характеристикам напечатанных строительных объектов; Qоj – групповой индекс конкурентоспособности j-того принтера по экономическим параметрам.
В рамках предложенной методики наиболее конкурентоспособным признается 3D-принтер с наибольшим значением Пкj.
Основная часть. Оценка значимости характеристик и параметров строительных 3D-принтеров, проведенная в соответствие с рассмотренным алгоритмом на основе анкетирования экспертов, показала, что наиболее важную роль в формировании конкурентных преимуществ этих агрегатов играют обеспечиваемые ими площадь печати и качество печатного слоя, возможность работы с различными строительными смесями без переналадки, а также цена (табл. 2). Отметим, что группа экспертов общей численностью в 30 человек включала специалистов различных сфер и отраслей экономики: инженерно-технические работники строительной отрасли – 6 человек; высококвалифицированные работники научно-образовательной сферы – 12 человек; специалисты в области производства строительных изделий и конструкций – 7 человек; производители строительных 3D-принтеров – 5 человек.
Для формирования базы сравнения и оценки конкурентоспособности потребовался анализ информации, размещенной на сайтах производителей принтеров. По результатам анализа вне зависимости от типа, исходя из площади печати, выделены две категории принтеров:
- принтеры для строительства полноразмерных строительных объектов, предназначенные для использования на строительной площадке. Площадь печати в 100 – 200 м2 обеспечивает возможность возведения малоэтажных домов [19];
- принтеры для печати изделий и конструкций, предназначенные для использования в производственных условиях. Площадь печати менее 10 м2 позволяет создавать малые архитектурные формы, отдельные конструктивные и декоративные элементы зданий [20].
Таблица 2
Коэффициенты весомости параметров оценки конкурентоспособности
3D-принтеров по группам
|
Наименование характеристик и параметров |
Значение коэффициента весомости параметра |
|
Конструктивные характеристики принтера |
|
|
Площадь печати |
0,23 |
|
Высота области печати |
0,12 |
|
Точность позиционирования |
0,18 |
|
Скорость печати |
0,13 |
|
Площадь сечения печатного слоя |
0,06 |
|
Соотношение области печати и габаритных размеров принтера |
0,18 |
|
Характеристики технологичности процесса печати |
|
|
Возможность работы с различными строительными смесями (конструкционными, теплоизоляционными, отделочными) без переналадки |
0,44 |
|
Возможность обеспечения роботизированной финишной отделки |
0,23 |
|
Возможность работы с возможность работы с высоковязкими смесями, 50–60 Па×с |
0,33 |
|
Характеристики напечатанных строительных объектов |
|
|
Качество печатного слоя (бездефектность) |
0,40 |
|
Качество поверхности объекта |
0,23 |
|
Максимальная площадь объектов |
0,21 |
|
Максимальная высота объектов |
0,16 |
|
Экономические параметры принтера |
|
|
Потребляемая мощность |
0,19 |
|
Трудоемкость монтажа-демонтажа принтера |
0,16 |
|
Трудоемкость обслуживания (количество операторов) |
0,31 |
|
Цена |
0,34 |
При этом в первую категорию вошли только портальные принтеры, для которых по данным сайтов удалось оценить всю совокупность их параметров (табл. 3 и 4), так как имеются данные об опыте печати и характеристиках реальных строительных объектов. Для второй категории (табл. 5) получилось рассчитать групповой индекс конкурентоспособности только по конструктивным характеристикам ввиду отсутствия необходимой информации.
Таблица 3
Характеристики строительных 3D-принтеров портального типа, используемых
для малоэтажного строительства
|
Наименование характеристик |
Значение характеристик по видам принтеров |
|||
|
«AMT» S-300 (AMT-СПЕЦАВИА, Россия)[5] |
BOD2 2-2-2 (COBOD BOD2, Дания)[6] |
Vulcan (ICON Vulc[7]an, США) |
StroyBot concrete print[8]er (Total Kustom, США) |
|
|
Конструктивные характеристики |
||||
|
Площадь печати, м2 |
132 |
116 |
200 |
200 |
|
Высота области печати, м |
4,0 |
5,6 |
3,2 |
6,0 |
|
Точность позиционирования, мм |
± 2 |
± 2 |
± 1,5 |
± 2 |
|
Скорость печати, м/с |
0,2 |
1,0 |
0,5 |
0,6 |
|
Площадь сечения печатного слоя, см2 |
3 |
4 |
4 |
9 |
|
Соотношение области печати |
0,42 |
0,50 |
0,53 |
0,65 |
|
Характеристики технологичности печати |
||||
|
Возможность работы с различными строительными смесями (конструкционными, теплоизоляционными, отделочными) без переналадки |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
Возможность обеспечения |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
Возможность работы с |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
Характеристики напечатанных строительных объектов |
||||
|
Качество печатного слоя (бездефектность) |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
Качество поверхности объекта |
0,5 |
1 |
0,7 |
0,5 |
|
Максимальная площадь объектов, м2 |
120 |
100 |
180 |
118 |
|
Максимальная высота объектов |
4 |
5,1 |
3,0 |
5,8 |
|
Экономические параметры принтера |
||||
|
Потребляемая мощность, кВт |
12 |
3,6 |
7,2 |
1,6 |
|
Трудоемкость монтажа-демонтажа принтера, ч |
4 |
4 |
6 |
6 |
|
Трудоемкость обслуживания (количество операторов) |
3 |
2 |
2 |
3 |
|
Цена, тыс. $ |
8,5 |
500 |
370 |
400 |
Сопоставление значений групповых индексов и интегральных показателей конкурентоспособности портальных 3D-принтеров для малоэтажного строительства (см. табл. 4) позволяет утверждать, что лидером по уровню конкурентоспособности является принтер BOD2 2-2-2 датской компании «COBOD BOD2». Это обеспечивается наиболее высокими по отношению к конкурентам параметрами технологичности печати и качества строительных объектов. Отметим, что принтеры американских производителей, уступая принтеру BOD2 2-2-2 по данным показателям, обладают, тем не менее, высокими индексами конкурентоспособности по конструктивным характеристикам. Аутсайдером, к сожалению, является принтер «AMT S-300» российской компании «AMT-СПЕЦАВИА», который имеет существенно худшие значения всех параметров относительно зарубежных аналогов. Именно поэтому интегральный показатель его конкурентоспособности в 2 – 3,5 раза ниже, чем у зарубежных принтеров, несмотря на существенно меньшую цену.
Применительно к печати изделий и конструкций эталонными конструктивными характеристиками отличается робот–манипулятор FIXED нидерландской компании «CyBe Construction». Данный принтер обоснованно можно считать наиболее конкурентоспособным по сравнению с мини-принтерами портальной и дельта-конструкции.
Таблица 4
Значения групповых индексов и интегральных показателей конкурентоспособности
портальных 3D-принтеров для малоэтажного строительства
|
Наименование групповых |
«AMT» S-300 (AMT-СПЕЦАВИА, Россия) |
BOD2 2-2-2 (COBOD BOD2, Дания) |
Vulcan (ICON Vulcan, США) |
StroyBot (Total Kustom, США) |
|
Групповые индексы конкурентоспособности – по конструктивным |
0,60 |
0,77 |
0,77 |
0,90 |
|
– по характеристикам |
0 |
1,00 |
0,33 |
0 |
|
– по характеристикам напечатанных строительных объектов |
0,37 |
0,93 |
0,82 |
0,42 |
|
– по экономическим параметрам принтерам |
0,70 |
0,56 |
0,47 |
0,51 |
|
Интегральный показатель |
1,39 |
4,82 |
4,09 |
2,59 |
Таблица 5
Конструктивные характеристики строительных мини 3D-принтеров
для печати строительных изделий и конструкций в производственных условиях
|
Наименование |
Значение характеристик по типам и видам принтеров |
||||
|
портальный «AMT» (AMT-СПЕЦАВИА, Россия) |
портальный Mini Printer Pro (Constructions-3D, Франция) |
манипулятор FIXED (CyBe |
Delta WASP 3MT (WASP 3 МТ, Италия) |
принтер-эталон |
|
|
Площадь печати |
5,3 |
1,4 |
7,5 |
1,0 |
7,5 |
|
Высота области печати, м |
0,8 |
1,2 |
4,0 |
1,0 |
4,0 |
|
Точность позиционирования, мм |
± 2 |
± 1,5 |
± 1,5 |
± 1,5 |
± 1,5 |
|
Скорость печати, м/с |
0,2 |
7,5 |
25,0 |
20,0 |
25,0 |
|
Площадь сечения |
3,00 |
2,25 |
25,00 |
9,00 |
25,00 |
|
Групповой индекс конкурентоспособности по конструктивным характеристикам |
0,39 |
0,38 |
1,00 |
0,40 |
1,00 |
Проведенные исследования показали, что для малоэтажного строительства наиболее применимым является 3D-принтер портального типа. При этом высоким уровнем конкурентоспособности на строительном рынке обладают принтеры BOD2 2-2-2 датской компании «COBOD BOD2». Отечественные принтеры отстают от зарубежных в наибольшей мере по технологичности печати и качеству напечатанных строительных объектов. С учетом этого обстоятельства, несмотря на самую низкую цену, их нельзя отнести к конкурентоспособным.
Применительно к печати изделий и конструкций в производственных условиях, наиболее конкурентоспособным следует признать робот-манипулятор. Этот тип принтера обладает эталонными конструктивными характеристиками, а высокая скорость печати позволяет обеспечивать достаточно большие объемы производства такой продукции, как малые архитектурные формы, отдельные конструктивные и декоративные элементы зданий. Поэтому именно в данном применении, когда ограниченная площадь печати не имеет принципиального значения, роботы-манипуляторы имеют существенные преимущества по сравнению с портальными и дельта-принтерами.
Выводы. Рассмотренный подход к оценке конкурентоспособности строительных 3D-принтеров представляет практический интерес, прежде всего, для производителей этих технологических комплексов. Полученное в результате реализации предложенной методики новое знание о значимости конструктивных решений 3D-принтеров создает стратегические ориентиры для отечественных производителей подобных агрегатов. Так, в качестве основных направлений технического совершенствования принтеров для малоэтажного строительства следует обозначить повышение скорости печати, оптимизацию соотношения области печати и габаритных размеров принтера, обеспечение возможности работы с низкотекучими смесями и с различными строительными смесями без переналадки, снижение дефектности печатного слоя и энергопотребления. Повышение конкурентоспособности отечественных 3D-принтеров без улучшения их технико-технологических параметров, а только лишь за счет снижения цены в условиях конкурентного строительного рынка следует считать нецелесообразным. Именно недостаточная проработанность конструктивных решений принтеров является, по мнению авторов, одним из существенных факторов сдерживания широкого внедрения в практику строительства технологии 3D-печати.
