Aisc Code и внедрение инновационных технологий производства, таких как 3d печать
Код AISC и эволюция производства стали: путь к 3D-печати
Код Американского института стального строительства (AISC) уже давно является основой безопасных, надежных стальных конструкций по всей территории Соединенных Штатов. Его строгие стандарты регулируют все, от выбора материала до проектирования соединений, процедур монтажа и контроля качества. В течение десятилетий производители, инженеры и подрядчики полагались на спецификацию AISC для структурных стальных зданий [ANSI:1] [ANSI / AISC 360], чтобы гарантировать, что здания, мосты и промышленные объекты соответствуют самым высоким стандартам безопасности. Тем не менее, поскольку цифровые технологии изготовления, особенно металлические аддитивные производства, широко известные как 3D-печать, получают тягу в тяжелой промышленности, мир структурной стали сталкивается с фундаментальным вопросом: как проверенная структура кода может вместить технологию, которая создает компоненты слой за слоем, а не резку и сварку из свернутых форм?
В этой статье рассматривается пересечение управления AISC и внедрение 3D-печати в производстве стали. Мы изучаем роль кода как хранителя обычной практики и потенциального катализатора инноваций. Затем мы подробно рассказываем о том, как аддитивное производство меняет дизайн компонентов, цепочки поставок и строительные рабочие процессы, а также о конкретных технических и нормативных препятствиях, которые должны быть устранены, прежде чем металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, могут быть регулярно указаны в проектах, соответствующих AISC. Наконец, мы выделяем успешные пилотные проекты и обсуждаем, как отраслевое сотрудничество прокладывает путь для нового поколения стальных конструкций, которые легче, сильнее и более материалоэффективны.
Код AISC: жизненный стандарт для стального строительства
Код AISC не является статичным документом. С момента своего первого издания в 1923 году Спецификация претерпела десятки изменений, чтобы включить достижения в области металлургии, структурного анализа и производственного оборудования. Сегодня AISC 360-22 (издание 2022 года) охватывает программы проектирования предельных состояний, огнестойкости, сейсмических характеристик и обеспечения качества. Отдельные стандарты AISC касаются сейсмических положений (AISC 341), проектирования соединений (AISC 358) и сертификации производителей и монтажников стали. Вместе эти документы создают всеобъемлющую экосистему, которая обеспечивает согласованность от завода до месторождения.
Почему код важен для новых технологий
Прежде чем какой-либо новый метод изготовления может быть использован в структурном стальном здании, код AISC должен либо явно разрешить его, либо предоставить альтернативные средства демонстрации эквивалентности. Это не барьер, а необходимая гарантия. Язык кода, основанный на производительности, такой как требование, чтобы «прочность конструкции каждого компонента равнялась или превышала требуемую прочность», позволяет инженерам квалифицировать нетрадиционные материалы и процессы посредством тестирования, анализа и экспертной оценки. Для 3D-печати путь к принятию ясен: производители должны доказать, что печатные детали соответствуют тем же критериям прочности, пластичности, прочности и свариваемости, которые ожидаются от традиционных форм стали.
AISC также публикует Кодекс стандартной практики для стальных зданий и мостов, который регулирует допуски, последовательность монтажа и обзор рисунка магазина. Любое изменение методов изготовления должно соответствовать этим практическим правилам. Например, узлы, напечатанные на 3D-принтере, могут иметь поверхностную отделку или размерную изменчивость, отличную от таковых у пилообразных и обработанных деталей. Таблицы допуска кода и протоколы проверки должны быть адаптированы для обеспечения того, чтобы печатные компоненты вписывались в спроектированную оболочку без переделки на месте.
Как 3D-печать преобразует стальное производство
Металлическая 3D-печать охватывает несколько различных технологий: слияние порошкового слоя (PBF), направленное осаждение энергии (DED) и струйное связывание, каждый с уникальными прочностями для структурных применений. PBF производит тонкофункциональные компоненты с отличной поверхностью, но ограничен размером камеры. DED, часто используя системы с проволочной подачей, может печатать крупномасштабные детали - иногда метров в длину - путем нанесения расплавленного металла на подложку. Биндер-струйное перемещение предлагает быстрое производство сложных геометрий, но обычно требует постобработки спекания и инфильтрации.
В производстве стали наиболее перспективными краткосрочными приложениями являются не целые балки или колонны (которые эффективно свернуты), а сложные соединительные узлы , , , , геометрические жесткости и , так называемые архитектурные элементы . Эти детали часто требуют обширной обработки или ручной сварки при производстве обычным способом. С 3D-печатью они могут быть объединены в единую печатную деталь с внутренними полости для услуг, структур решетки для снижения веса или оптимизированных путей нагрузки, которые снижают концентрации напряжения.
Примеры из реального мира и пилотные проекты
Несколько знаковых проектов продемонстрировали жизнеспособность печатной стали в структурных приложениях. В 2020 году исследовательская программа AIST/AISC профинансировала исследование по проволочному и арочному аддитивному производству (WAAM) для стальных соединений. Исследователи из Мичиганского университета напечатали полномасштабное соединение луч-столбец и протестировали его при циклических нагрузках, показав, что печатная часть достигла 95% прочности традиционно изготовленного аналога. Другим громким примером является стальной мост MX3D в Амстердаме, который использовал WAAM для создания пешеходного моста со стилизованной органической формой. Хотя он не построен по стандартам AISC (он следует Еврокоду), проект доказал, что крупномасштабная металлическая печать может достичь структурных характеристик с искусным дизайном.
В Соединенных Штатах, в Национальном Лаборатории Ок-Риджа Департамента энергетики США (FLT:0) напечатали структурные узлы для демонстрационного здания в своем кампусе, контролируя их с помощью встроенных датчиков. Эти узлы соответствуют механическим свойствам, требуемым сталью ASTM A992, наиболее распространенной марки для структурных форм. Уроки этих пилотов теперь подаются в целевые комитеты AISC, которые разрабатывают рекомендуемые методы аддитивного производства.
Технические проблемы в соблюдении кодекса
Внедрение 3D-печати в рамках AISC требует решения ряда технических проблем, которые не полностью охватываются существующими стандартами.
Переменная свойство материала
Форма проката имеет хорошо охарактеризованные, однородные свойства по длине и толщине. Печатные детали, напротив, могут проявлять анизотропию - различную прочность и пластичность в направлении сборки по сравнению с поперечным направлением. Динамика плавильного бассейна, скорости охлаждения и межслойное связывание влияют на конечную микроструктуру. AISC требует, чтобы заданное минимальное напряжение выхода и прочность на растяжение были проверены методом купонного тестирования. Для печатной стали тестирование должно захватывать эффекты ориентации и включать достаточно образцов, чтобы статистически связать изменчивость. Спецификация AISC в настоящее время не включает в себя приложение для аддитивных материалов, поэтому инженеры должны использовать положения «исследования и разработки» или «альтернативный дизайн», которые требуют обширной документации и часто более высокий фактор безопасности.
Усталость и разлом соображения
Многие стальные конструкции, особенно мосты и краны, подвергаются циклической нагрузке. Положения AISC об усталости (Приложение 3 к AISC 360) присваивают категории напряжения деталям на основе геометрии и метода изготовления. На 3D-печатной поверхности могут быть шероховатости или острые выемки от удаления поддержки, которые уменьшают срок службы усталости. До тех пор, пока не будут установлены стандартизированные процедуры отделки поверхности и классы качества, дизайнеры должны либо применять консервативные ограничения усталости, либо выполнять специальное тестирование. Комитет AISC по исследованиям и инновациям изучает, как печатные поверхности могут быть оценены аналогично сварным поверхностям.
Инспекция и обеспечение качества
Обычные методы изготовления стали основаны на хорошо понятных методах неразрушающего контроля (NDE): визуальный осмотр сварного шва, ультразвуковое тестирование (UT), магнитные частицы (MT) и рентгенографическое тестирование (RT). Эти методы были разработаны для однородных, проката пластин и сварных швов. Внутренняя пористость или недостатки при сварке в печатной детали могут быть обнаружены при рентгеновском КТ-сканировании, но этот метод медленный и дорогой для крупных компонентов. Программа сертификации AISC для производителей требует документированных планов контроля качества. Пока отрасль не согласится на экономически эффективное NDE для печатной стали, инспекторам, возможно, придется полагаться на деструктивную выборку, которая добавляет стоимость и время выполнения.
Возможности для инноваций и устойчивости
Несмотря на препятствия, потенциальные преимущества интеграции 3D-печати в проекты, управляемые AISC, значительны.
Уменьшение материальных отходов
Обычная стальная промышленность часто производит отходы от резки пластин до формы и от обработки твердых блоков в скобки. 3D-печать является аддитивным процессом - материал осаждается только там, где это необходимо. Для деталей с низким объемом и высокой сложностью сокращение отходов может составлять от 30% до 60% по сравнению с субтрактивными методами. Это согласуется с растущим акцентом строительной отрасли на воплощенное сокращение углерода. Код AISC всегда поощрял эффективный дизайн (через оптимизацию размеров и соединений членов). Аддитивное производство берет этот принцип на цех.
Ускоренные графики строительства
3D-печать может сжимать время выполнения заказных компонентов. Вместо того, чтобы ждать, пока литейный завод отлит узел или машина с ЧПУ вытащит пользовательский кронштейн, производитель может начать печать, как только цифровая модель будет одобрена. Для проектов с жесткими вехами, таких как стадионы, терминалы аэропортов или инфраструктура быстрого реагирования, можно сэкономить недели. Кодекс стандартной практики AISC уже позволяет поэтапно выдавать разрешения на чертеж магазина; печатные компоненты могут быть интегрированы в эти фазы.
Архитектурная свобода
Возможно, наиболее заметным воздействием является свобода проектирования. Органические, разветвляющиеся или решетчатые стальные элементы, которые было бы непомерно дорого изготавливать с использованием традиционных методов, становятся экономически целесообразными. Архитекторы и инженеры могут сотрудничать с самой ранней концепцией для проектирования соединений, которые визуально выражают структурные силы. Код AISC не предписывает эстетику; он только устанавливает требования к производительности. Таким образом, любая форма, которая может быть показана в соответствии с критериями прочности и исправности, допустима, открывая дверь к новой волне выразительной архитектуры.
Пути к принятию кода
Интеграция 3D-печати в экосистему AISC является многолетней работой, в которой участвуют несколько организаций. Комитет AISC по спецификациям (COS) поддерживает основной стандарт проектирования. В рамках COS целевые комитеты, такие как TC 13 (Исследования) и TC 4 (Связи), инициировали проекты по созданию руководства по проектированию для аддитивного производства. Параллельно ASTM International разрабатывает стандарты для металлического порошка и печатных деталей (например, ASTM F3303 для лазерного сплава порошкового слоя), на которые может ссылаться AISC. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) также вносит свой вклад в науку об измерениях - создание эталонных артефактов для точности размеров и механических испытаний печатной стали.
Роль сертификации и опыта
Сертификация производителей AISC остается добровольной, но все чаще требуется владельцами и спецификаторами. Для того, чтобы производитель предлагал услуги 3D-печати в рамках своей сертификации, AISC, вероятно, потребуется отдельная квалификационная программа, которая будет касаться персонала аддитивного производства, калибровки оборудования и прослеживаемости материалов. Некоторые ранние пользователи, такие как несколько сертифицированных производителей AISC на Среднем Западе, уже начали работать с исследовательскими университетами для обучения своих сварщиков в процессах WAAM. Эти партнерства создают квалифицированную рабочую силу, которая может генерировать производственные данные, необходимые для написания надежных положений кода.
Инкрементная vs. подрывная интеграция
Наиболее реалистичным краткосрочным путем является постепенная интеграция : использование 3D-печати для не несущих элементов (нозинг лестницы, кронштейны поручней, архитектурные облицовочные опоры) для получения опыта перед переходом на первичные структурные компоненты. Как только существует достаточный объем тестовых данных, полевого опыта и протоколов обеспечения качества, AISC может выпустить руководство по проектированию или положение о комментарии. Полное приложение к AISC 360 для аддитивного производства, вероятно, через пять-десять лет, но основа закладывается сейчас.
Промышленное сотрудничество и перспективы на будущее
Темпы внедрения будут зависеть от того, насколько эффективно заинтересованные стороны обмениваются данными и извлеченными уроками. AISC проводит ежегодные конференции, вебинары и заседания комитетов, на которых производители, инженеры и исследователи представляют результаты. В 2023 году AISC запустила на своем веб-сайте специализированный Центр ресурсов аддитивного производства , компилируя тематические исследования, спецификации и рекомендации для практиков. Этот ресурсный центр является прямым ответом на спрос отрасли: опрос совместного исследования рынка SSAB / AISC показал, что 62% структурных сталелитейных компаний ожидают использовать ту или иную форму металлического аддитивного производства в течение пяти лет.
Между тем, изменения в Международный строительный кодекс (IBC) предлагаются для явного признания 3D-печатных стальных сборок. Поскольку IBC ссылается на AISC 360, эти изменения будут перетекать в государственные и местные кодексы. Ранние пользователи в Сиэтле и Чикаго уже получили специальные разрешения на проверку печатных стальных скобок в неструктурных приложениях, создавая прецеденты, которые могут быть приведены в более поздних проектах.
Образование и подготовка кадров
Для эффективного применения кода, сотрудники должны понимать как дизайн стали, так и нюансы аддитивного процесса. Университеты начали включать модули аддитивного производства в свои учебные программы по структурному проектированию и управлению строительством. Образовательный фонд AISC предлагает стипендии для исследований в области печатных стальных соединений. Кроме того, часы профессионального развития (PDH) для обновления PE теперь можно заработать с помощью вебинаров AISC по 3D-печати.
Заключение
Код AISC не является препятствием для инноваций; это основа, которая обеспечивает безопасность, позволяя ответственную технологическую эволюцию. 3D-печать предлагает ощутимые преимущества в сложности, эффективности материала и ускорении графика. Инженерное сообщество, комитеты по коду и производители активно работают над интеграцией аддитивного производства в существующий стандарт без ущерба для безопасности или надежности. В ближайшее десятилетие мы можем ожидать увидеть одобренные AISC печатные стальные соединения в знаковых зданиях, расширенные руководства по проектированию и растущую экосистему сертифицированных производителей, оснащенных проволочными принтерами.
Стальная конструкция всегда была областью, где традиции соответствуют прогрессу. Код AISC служил мостом между многовековым ремеслом и современной наукой. Теперь 3D-печать продвигает этот мост дальше в цифровую эпоху - слой за слоем, часть за частью и совместимый с кодом с самого начала. Охватывая строгие испытания, разработку совместных стандартов и приверженность дизайну на основе производительности, индустрия может открыть будущее, где самые сложные стальные компоненты не кованы, отлиты или обработаны, а напечатаны.