Использование 3D-принтеров в строительстве

В данной статье рассматривается новый метод возведения архитектурных сооружений при помощи 3D принтера. Целью статьи является обзор изобретений ученых и инженеров разных стран в области 3D печати в сфере строительства. Особое внимание уделено плюсам и минусам использования печати в строительстве.

Технологии 3D печати очень быстро развивается и проникает во многие сферы деятельности человека. Удивительно, но и в строительной сфере 3D печати нашли применение. Довольно трудно утверждать, кто первым придумал напечатать на 3D принтере настоящий дом, однако уже на данный момент понятно, что в скором будущем технология трехмерной печати станет главной частью в строительстве. С 2000 года много различных групп учёных стали исследовать применение технологии 3D печати в различных сферах, одной из которых является строительство. Инженеры из Соединенных Штатов Америки, Великобритании, Китая и Нидерландов упорно работали над реализацией данного процесса и достигли хороших результатов.

Талантливые ученые британского Loughborough University создали уникальный в своем роде цемент, который можно использовать для печати изделий различных форм: кубические, выпуклые, изогнутые и другие. Руководил процессом доктор Сунгву Лим.

Данная смесь укладывается методом экструдирования, что позволяет исключить в процессе строительства опалубку. Готовые бетонные фигуры довольно легко поддаются коррекции и монтажу.

Труды британских инженеров привлекли огромный интерес ученых из Южно-Калифорнийского университета. Они предложили создать машины для 3D-печати, которые можно будет использовать сразу же на строительных объектах. И уже в ближайшее время был создан проект с названием «Contour Crafting», в основе которого лежит создание огромного принтера с возможностями печатать не только несущую конструкцию, но и перегородки вместе с сантехникой и проводкой.

Данный проект создал профессор Барух Кошневиц (University of Southern California).

Его изобретение напоминает робота колоссальных размеров, с закрепленным на раме соплом для подачи бетонной смеси, которое накладывает слой на слой по заданному компьютером плану. Как сказал профессор: «Строителям придется только вставить окна и двери в заранее приготовленных проемах».

В Шанхае компания Shanghai WinSun Decoration Design Engineering решили собственно-ручно собрать эту «фантастическую» машину, которую назвали WinSun, удивившая других ученых своими огромными размерами. Это творение длинной 150 метров и шириной 10 метров может за довольно малое количество времени напечатать строение с высотой 6 метров. «Чернилами» для данного принтера является усиленный стекловолокном цемент. Способ эксплуатации – послойное экструдирование. В Китае сразу же решили опробовать изобретение, возведя небольшое строение, напечатав стены на принтере. Однако, крышу все-таки пришлось ставить вручную. Но все же данное изобретение позволило поставить 10 жилых зданий с площадью до 200 квадратных метров всего лишь за сутки. А стоимость таких домов составила всего 5000 долларов, что на 50 процентов ниже стоимости возведения дома классическим способом.

Справедливо отметить, что в США бурно развивается частная компания по строительству жилых конструкций под руководством талантливого инженера Андрея Руденко. Главное отличие его идей состоит в том, что он планирует создать печатающую машину, которая сможет возводить строения не только на готовых строительных площадках, но и на холмистом рельефе. Как известно, Руденко добился больших результатов в продвижении своей задумки.

На данный момент в Словении компания BetAbram активно занимается производством строительных печатающих принтеров, однако пока ограничивается рядом из тех моделей – P1, P2 и P3. Цена первых моделей составляет 12000 евро, но если учесть, что принтер сам печатает несущую конструкцию, то его стоимость, действительно, себя оправдывает. Известно, что аппарат BetAbram P1 может возвести бетонное сооружение без применения опалубки объемом 140 квадратных метров. Учитывая, что высота принтера всего 2 метра, его производительность действительно поражает. Для перемещения прибора по оси Z используются рельсы, которые регулируют экструдер по вертикали.

Так же появились компании, которые разработали принтеры, способные заполнять жилое пространство внутри конструкции. Одна из таких компаний (Emerging Objects) создала полимер Saltygloo из соли, который дает возможность печатать перегородки в домах. Данный полимер состоит из строительного клея и соли, добытой в Redwood-City, и является дешевым, нетяжелым, водостойким материалом. В результате использования Saltygloo получается аккуратный, очень изящный, достаточно крепкий дом.

Нидерландцы поступили же иначе. Учёные из лаборатории Sabin Design уверены в том, что промышленности рано печатать дома целиком. Они решили направить свои усилия на изготовление керамических кирпичей PolyBricks. Этот материал ученые получили без классических клеящих элементов. Кирпичи спроектировали таким образом, что все составляющие конструкции соединялись между собой под действием силы тяжести.

Однако, несмотря на всю уникальность всех этих изобретений, уже на данный момент имеется множество тонких вопросов, касающихся 3D печати строительных сооружений. Одним из главных является проблема в отсутствии армирования конструкции. Если устанавливать арматуру сразу, это безусловно будет мешать работе принтера, но без укрепления сталью, сооружение в скором времени потрескается и начнет разрушаться. К тому же, арматура придает прочность и устойчивость конструкции, что является, наверно, одним из самых главных факторов в строительстве.

Вторая проблема связана с вибрированием бетона. Как правило, для монолитности конструкции и для устранения воздушных пустот из бетона требуется виброобработка. Но из-за отсутствия опалубки и других удерживающих бетон элементов, данный процесс невозможен, даже при большом разнообразии видов виброприборов, такие как электрические, переносные или пневмо-вибраторы.

Еще один важный вопрос связан с монтажом коммуникационных систем. Хотя данную проблему можно решить, раскрыв возможности принтера в полной мере. Инженерам лишь придется придумать новые конструкции элементов коммуникаций.

Все названные проблемы трудно назвать нерешаемыми, ведь ранее сложно было вообще представить, что такое возможно. Однако, инженерам все-таки придется потратить еще достаточное количество времени на устранение недостатков принтера и найти решение данным вопросам.

Итак, подведя итог всему сказанному, необходимо добавить, что на данный момент существуют три способа печати конструкции в объеме:

1.  Послойное эктрудирование вязкой рабочей смеси.

В данном методе бетонная смесь с добавками, подобно пасте из тюбика, выдавливается из рабочего сопла. Как было сказано ранее, основателем данного метода является Барух Кошневиц (University of Southern California)

Его же команда создала первый гигантский 3D-принтер, напоминающий мостовой кран.

2.  Метод спекания/селективное спекание.

В данном способе 3D принтер расплавляет рабочую смесь при помощи сконцентрированного лазера. А в качестве самой смеси выступает обыкновенный песок. На данный момент известно лишь об одном образце вышеописанного устройства. Изобретением машину занимался инженер Маркус Кайзер, являющийся студентом Royal College of Art.

3.  Метод напыления/компонентной склейки (стереолитография)

Используемая в данном методе система D-Shape разработана Энрико Дини, работающий в частной компании Monolite UK. В этом методе струя, выходящая из рабочего сопла, сразу же смешивается с клеящими элементами в заданной точке.

Последние два метода очень необычны по задумке, так как, во-первых, эти способы экологически чисты, а, во-вторых, изделия получаются довольно изящных форм, на которые можно смотреть часами. Единственным минусом является то, то данные методы пока не способны создавать архитектурные сооружения больших размеров. Больше подходят такие, как цветочницы или собачьи будки.

В конце хотелось бы отметить основные преимущества 3D печати в строительстве:

·     Большая скорость и точность в строительстве;

·     Низкие затраты труда;

·     Уменьшение утилизации отходов;

·     Чистые экологические материалы;

·     Увеличение безопасности рабочих;

·     Небольшое число строителей.

Прогресс не стоит на месте, и именно поэтому в дальнейшем строительство станет намного легче, а с использованием 3D-печати сможем строить быстро, качественно, экологически чисто и без лишних затрат новые сооружения.