3D-печать в строительстве: что нового?

Пять лет назад автор опубликовал статью о новом направлении в строительстве [1, 2] — применении 3D-печати. Помимо описания технологии были приведены многочисленные опыты отдельных энтузиастов по созданию и использованию различных типов принтеров для строительной печати. В основном это были прожекты, в которых определяющим были слова: в перспективе, ожидается, будет и т. д. Сейчас строительная 3D-печать стала реальной быстрорастущей отраслью, и в новом обзоре будет показано ее нынешнее состояние и дан новый прогноз на следующие пять лет.

Основные вызовы, стоящие перед мировой экономикой, — глобальное потепление и рост населения Земли, которое нужно обеспечить доступным жильем [3]. Строительство совместно с эксплуатацией жилого и нежилого секторов ответственно примерно за 39% мировой эмиссии окислов углерода, которая дает основной вклад в глобальное потепление и изменение климата [4, 5]. В то же время растет спрос на новое жилье. По оценке ООН, к 2050 году 6,7 млрд населения Земли будут проживать в городах, и еще 3,1 млрд будут жить в трущобах. Это означает переселение в города почти 200 000 людей ежедневно в этот период. Чтобы обеспечить их жильем, нужно строить примерно по 13 000 домов ежедневно. Нынешняя стройиндустрия не может обеспечить такие темпы строительства. Только в США потребность в доступном жилье составляет около 7 млн домов [6]. Другая проблема — нехватка рабочей силы в строительстве. Решение нужно искать в автоматизации строительства, что, в дополнение снизит огромное количество несчастных случаев на производстве, 90% которых определяется человеческим фактором [5, 6]. Любопытное сопоставление уровня цифровизации (рис. 1) в различных приложениях человеческой деятельности представил доклад McKinsey&Company [7].

 

Рис. 1. Уровень цифровизации в различных видах деятельности

 

Рис. 1. Уровень цифровизации в различных видах деятельности

 

Автоматизация в строительстве предполагает использование инновационных технологий в виде строительных 3D-принтеров, систем сквозного моделирования в строительстве (BIM — Building Information Modeling), новых подходов к архитектурному конструированию.

Совокупный среднегодовой темп роста рынка строительной печати бетоном составит 106,5% в период с 2020 по 2027 годы и возрастет с $310.9 млн до $40,6 млрд.

 

Источники роста:

— высокая стоимость работ, требующих квалифицированных кадров в развивающихся странах;

— традиционное строительство производит много отходов, которые увеличивают себестоимость строительства и создают проблемы с их сбором и последующей утилизацией;

— строительная печать производит незначительное количество отходов и позволяет легко реализовывать сложные по форме архитектурные проекты;

— строительный бизнес восстанавливается после COVID‑19;

— быстрая урбанизация в развивающихся странах требует быстрого массового строительства доступного жилья с минимизацией строительных отходов.

 

Основные ограничения широкого распространения строительной печати:

— высокая стоимость оборудования и его обслуживания;

— ограниченные размеры рабочей зоны печати по площади и по высоте;

— для печати объектов больших размеров требуется большой объем дополнительного пространства для установки принтера и перемещения портала с печатающей головкой;

— для установки принтера для печати нескольких этажей необходимо использовать дополнительную технику — кран, подъемник, что удорожает строительство.

 

К достоинствам строительной печати нужно отнести следующее:

— свобода конструирования для архитекторов;

— отсутствие ошибок при печати — принтер напечатает то, что задано в рабочем файле с высокой точностью (до 2 мм в пределах рабочей зоны 12×12 м, принтеры АМТ);

— снижение уровня травматизма на 90%;

— в целом снижение затрат на строительство на 15% (при этом экономия на рабочей силе — 30–50%, на времени строительства — 30–80%, на материалах — 20–60%; цифры даны условные, зависят от страны);

— практически нет строительных отходов;

— возможность использования б/у материалов;

— уменьшение эмиссии окислов углерода.

 

Технологии

 

В обзоре [8] справедливо указаны основатели строительной печати — школа доктора Берока Хошневиса (Behrokh Khoshnevis, компания Contour Crafting, профессор университета Южной Каролины, США, рис. 2), его ученика Ма Ихэ (Ма Yihe) — создателя китайской компании WinSun, ныне председателя совета директоров (рис. 3) и российской компании «АМТ-Спецавиа» (основатель и генеральный директор Александр Маслов, рис. 4), технологию которой «позаимствовал» владелец датской компании 3D Printhuset (ныне компания Peri с принтерами COBOD).

 

 Берок Хошневис — основатель строительной 3D-печати, президент и генеральный директор компании Contour Crafting CorporationРис. 2. Берок Хошневис — основатель строительной 3D-печати, президент и генеральный директор компании Contour Crafting Corporation

 

Ма Ихэ — председатель совета директоров компании WinSunРис. 3. Ма Ихэ — председатель совета директоров компании WinSun

 

 Александр Маслов — основатель и генеральный директор компании АМТРис. 4. Александр Маслов — основатель и генеральный директор компании АМТ

 

Если список компаний, работающих с 3D-строительными принтерами, в 2017 г. состоял из 10 компаний, то на начало 2022 г. известно свыше 40 производителей строительных принтеров [9] и около 50 компаний [10], которые оказывают услуги строительной печати. Естественно, есть пересечения обоих списков. Более того, часть производителей оборудования была куплена крупными компаниями–производителями строительных материалов, они легко привлекают большие инвестиции в развитие. Так, например, компания ICON получила $185 млн и достигла оценки бизнеса в $2 млрд в 2022 г. Основными игроками являются: Apis Cor, Cobod International A/S, CyBe Construction, D-shape, Heidelbergcement AG (Italcementi SpA), LafargeHolcim, Sika AG, Skanska, Yingchuang Building Technique (Shanghai) Co., Ltd. (Winsun), XtreeE, АМТ.

 

Согласно принятой в АМ, производстве классификации, строительная печать использует следующие технологии:

1. Экструзия строительной смеси через печатающую головку (материал на основе цемента, геополимер и еще десятки других материалов). Это наиболее освоенная технология.

2. Печать с жидким связующим, использующая гранулированные материалы, например, песок. Технология имеет хорошие перспективы для быстрого роста в следующие 5 лет.

3. Экструзия расплавленной пластиковой нити через головку (FDM), имеет ограниченное применение.

4. Фотополимеризация нанесенного слоя полимера при печати с последующим финишным отвердением. Пока есть единичные примеры применения, например, компанией Mighty Building (USA).

 

Наибольшее распространение получили портальные строительные принтеры из-за простой конструкции, легкости в работе и в обслуживании. Портал перемещается вертикально по нескольким опорным стойкам (обычно 4, но бывает и больше), а печатающая головка перемещается в плоскости XY по направляющей балке и вместе с балкой. Так устроены, например, 3D-принтеры АМТ, COBOD, Winsun (рис. 5).

 

Рис. 5. Портальный 3D-принтер S-300 (AMT)

Рис. 5. Портальный 3D-принтер S-300 (AMT)

 

Другое инженерное решение реализовано в принтерах Black Buffalo и ICON, где опорные стойки перемещаются по направляющим рельсам (рис. 6).

 

Рис. 6. Принтер ICON на строительной площадкеРис. 6. Принтер ICON на строительной площадке

 

Black Buffalo, созданная автомобильным гигантом Hyundai из Южной Кореи, строит собственное производство строительных принтеров на территории более 40 гектаров в Пенсильвании. Компания работает в рамках межправительственного соглашения между Южной Кореей и США и потому является своеобразным тараном в продвижении инновационных аддитивных технологий в очень консервативную отрасль — строительство, тем самым ускоряя процесс перехода к массовому использованию АМ. Пока компания предлагает к использованию свой первый портальный 3D-принтер NEXCON с модульным вариантом жилья для туристических зон (рис. 7).

 

Рис. 7. Модульное жилье для туристов Рис. 7. Модульное жилье для туристов 

 

Портальные принтеры обычно имеют модульную структуру и сменные головки с различной производительностью. Модульная структура позволяет собирать принтер на месте под конкретный объект в зависимости от его площади и высоты. Для печати больших по площади объектов будет целесообразнее разбить модель объекта на несколько частей и строить затем каждую по отдельности с перестановкой принтера. Перестановка принтера занимает несколько часов. После завершения печати всего объекта и его армирования происходит заливка бетона в полости стен, что фактически напоминает монолитную технологию строительства. При этом важно понимать, что принтер строит всего лишь несъемную опалубку для стен и перегородок с полостями для армирования, утепления и прокладки технологических коммуникаций (электрики, воды и прочее). Требования по прочности, тепло- и влагозащищенности, заложенные в строительном проекте применительно к конкретному региону, выполняются выбором материала для печати и заливки, установкой арматуры по проекту, заливкой бетона (пенобетона) в полости стен. Отличие от традиционного монолитного строительства в том, что в нем опалубка снимается после отвердения бетона, а при печати она остается. Многочисленные испытания напечатанных образцов показали, что непосредственный вклад напечатанной несъемной опалубки в механические и защитные свой­ства стены незначителен, при этом характеристики напечатанной опалубки не сильно отличаются от проектных.

Если печать со связующим в промышленности, где используются керамика, металлы и сплавы, хорошо отработана и является приоритетной по своим возможностям (в частности, печать интерметаллидными сплавами, например, компания Desktop Metal + ExOne), то в строительстве одним из первых начал ее использовать E. Dini (D-shape). Принтер D-shape использует технологию печати из гранулированных материалов (песок, глины, вулканические породы) со связующим. Размер гранул от 0,1 до 4 мм и более, иногда с добавками фиброволокна. Принтер имеет две портальных системы на четырех колоннах: одну для нанесения материалов при построении слоев, другую с матрицей сопел для нанесения связующего.

Технология D-Shape® позволяет печатать практически все компоненты объекта от фундамента до крыши, включая потолки, лестницы, накладные элементы фасадов, стены и перегородки. Это стало возможным благодаря особому методу нанесения материала, который делает конструкцию самонесущей во время ее возведения. Таким образом, теоретически можно строить здания любой формы.

В отличие от портальной системы принтеров (с тремя осями координат) для строительной печати домов и сооружений на строительной площадке или отдельных элементов в цехе с последующей сборкой на месте, использование роботов (KUKA, ABB и др.) позволяет печатать изделия более сложных форм. Вместе с тем роботизированные принтеры имеют ограниченную рабочую зону, при этом их нужно часто переставлять, а при печати внешних стен изнутри объекта невозможно напечатать внутренние перегородки.

Большинство компаний, создавших свои конструкции принтеров для 3D-печати, имеют единичные экземпляры оборудования и используют их для оказания услуг по печати домов строительным компаниям, либо для печати собственными силами. Две компании: Black Buffalo и Peri — выпускают 3D-принтеры для продажи и одновременно оказывают услуги по печати. Компания Winsun (Китай) только выполняет заказы по строительству объектов. Компания АМТ (РФ) придерживается другой стратегии — обеспечить массовое производство линейки строительных 3D-принтеров, когда появится огромный спрос на оборудование для строительной печати в ближайшие годы. Это недорогое отлаженное и надежное оборудование (ресурс работы 60 000 часов), простое в обслуживании и освоении, разного назначения — от небольших цеховых принтеров для обучения и подготовки специалистов строительной печати и печати отдельных деталей и элементов домов до принтеров для печати целых домов (до трех этажей) на строительной площадке. Уникальное решение компания предложила для высотного строительства — портальные принтеры серии S‑500, практически без ограничения высоты застройки (условно указана максимальная высота 80 м).

Компания Apis Cor (из РФ переехала в США) получила разрешение Федеральной комиссии по ценным бумагам на привлечение инвестиций в объеме до $70 млн с последующим выходом (в течение трех лет) на биржу Nasdaq. Компания получила грант от NASA на разработку технологии на основе робота для строительства объектов на других планетах и открыла свой офис во Флориде.

Apis Cor предполагает начать свой собственный строительный бизнес на территории США в 2023 году с использованием своих роботизированных принтеров. При этом компания предлагает различные услуги, связанные со строительной 3D-индустрией: онлайн-­курсы, семинары и учебные мастер-­классы.

Компания Peri c 2019 по 2022 г .продала более 35 портальных 3D-принтеров, способных строить одно-, двух- и трехэтажные дома (рис. 8). Глава офиса компании в США Philip Lund-­Nielsen заявил, что для них рынок США является приоритетным, и их задача показать, что строительная печать — это реальная живая альтернатива традиционному строительству. Компания разработала приложение-тренажер, для выбора габаритов объекта из своей библиотеки, количества этажей (до трех) с возможностью размещения объекта виртуально в окружении соседей (https://cobod.com). Приложение позволяет симулировать процесс печати (рис. 9). Максимальные размеры объекта, который можно загрузить: 12,1×47,5× 9,1 м с площадью печати 574 м2.

 

Рис. 8.  Компания Peri с принтером COBOD на строительной выставке  в Лас-Вегасе (февраль 2022)Рис. 8.  Компания Peri с принтером COBOD на строительной выставке в Лас-Вегасе (февраль 2022)

 

Рис. 9. Строительство компанией Beckum в Германии в 2020 г. трехэтажного дома с помощью тренажера 3D печати COBOD Рис. 9. Строительство компанией Beckum в Германии в 2020 г. трехэтажного дома с помощью тренажера 3D печати COBOD

Рис. 9. Строительство компанией Beckum в Германии в 2020 г. трехэтажного дома с помощью тренажера 3D печати COBOD Рис. 9. Строительство компанией Beckum в Германии в 2020 г. трехэтажного дома с помощью тренажера 3D печати COBOD

 

Рис. 9. Строительство компанией Beckum в Германии в 2020 г. трехэтажного дома с помощью тренажера 3D печати COBOD 

 

Основной трудностью для строительных компаний, планирующих использовать строительную печать, было получение разрешений от местных властей на застройку, поскольку на эту новую технологию не было соответствующих 

СНИИПов или строительных кодов. Сейчас во многих странах появились соответствующие нормативные документы как на оборудование, так и на материалы для печати.

 

Например, в РФ в 2020 году были приняты следующие госты:

• ГОСТ Р 59095-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Термины и определения»;

• ГОСТ Р 59096-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Методы испытаний»;

• ГОСТ Р 59097-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Технические требования».

 

Дорожная карта по строительной отрасли на 2022–2023 годы (распоряжение правительства РФ № 3719р от 20.12.2021) включает в себя:

• использование технологий информационного моделирования при проектировании и строительстве объектов капитального строительства;

• стимулирование применения энергоэффективных и экологичных материалов, в том числе с учетом необходимости их производства в Российской Федерации;

• внесение изменений в федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации» в целях наделения Минстроя России полномочиями по разработке типовых образовательных программ, в том числе программ высшего образования и программ дополнительного профессионального образования для подготовки специалистов в области строительства, применения, контроля качества и оценки соответствия новых строительных материалов, изделий, конструкциий

и технологий, а также для применения аддитивных технологий (3D-печати) в строительстве;

• национальный стандарт «Технологии аэромониторинга с использованием беспилотных воздушных судов на этапах выполнения строительства и эксплуатации объекта капитального строительства, а также с использованием дополненной реальности»;

• подготовка плана до 2030 года по разработке документов по стандартизации при технических комитетах по стандартизации 

ТК 366 «"Зеленые"» технологии среды жизнедеятельности и "зеленая" инновационная продукция» и ТК 465 «Строительство» для внедрения «зеленых» технологий в области строительства.

 

В отдельных штатах США разрешения на жилищное строительство с использованием аддитивных технологий начали выдавать в 2020–2021 годах. Появился новый стандарт от TÜV SÜD ISO/ASTM 52920 standard, который относится к АМ из категории перечисленных в ISO 52900, и определяет меры по обеспечению качества в процессе производства.

 

Материалы для строительной печати

 

Подробный и тщательный анализ материалов для строительной печати дан в работе [11]. Прослеживается главная идея — как сделать строительство более экологичным. Для этого предложены многочисленные заменители классического портландцемента, при производстве которого выбрасывается 5% мирового загрязнения СО2. Рекомендуется снижать потребление речного песка при производстве строительных смесей на использование переработанных отходов, а также на применение природных местных материалов, которые явно в избытке (например, песок в пустынях) [12].

Другой способ снижения вреда для экологии — это так называемая оптимизация топологии печати [13], которая заключается в построении элементов в виде сотовых структур с меньшим потреблением материалов, но без потери качества (механических характеристик, теплозащитных и гидрофобных свой­ств).

 

Типы материалов для печати:

 

1. На основе цемента — базовый материал. Главные игроки: LafargeHolcim, HeidelbergCement, The Home Depot, Martin Marietta Materials, U. S. Concrete, Vulcan Materials Company, Fastenal, Geberit, Sika.

2. Материал, в котором цемент частично заменен на более экологичные связующие материалы: летучий пепел, мелкие стеклосферы (диаметром 150 нм), получаемые при производстве кремния или феррокремния, измельченный гранулированный шлак от производства стали, зола от сжигания рисовой шелухи, глина, гипс, мел и другие [11].

3. Геополимеры — еще один класс материалов для строительной 3D-печати без использования цемента, в котором имеется основа:  смесь сырьевых материалов (на базе шлака, пепла и стеклосфер из кремнезема) — и полимерное связующее на базе щелочных активаторов {(NaOH+Na2SiO3), (KOH+ K2SiO3), (NaOH+Na2SiO3; KOH +K2SiO3)}. В результате химической реакции создается длинная цепочка молекул: гидроксид натрия (щелок) смешивают со стеклом (кремнеземом), получают силикат натрия (жидкое стекло), а затем берут реактивный минерал (глину), смешивают его для создания бетона (связующего). Геополимер больше похож на камень, чем на бетон. Геополимерный цемент основан на неорганических материалах с полимерной структурой молекул. Геополимерные вяжущие и бетоны отличаются высокой прочностью и обладают рядом специфических свой­ств. Они называются «геополимерами», потому что сырье, используемое для их производства, в основном представляет собой полезные ископаемые геологического происхождения [14, 15, 16].

Геополимерный цемент химически инертен к целому ряду агрессивных веществ и сохраняет прочность в суровых климатических условиях. По сравнению с традиционной технологией производства бетона на основе портландцемента геополимер значительно превосходит его по прочности, долговечности, морозостойкости, огнеупорности, теплоизоляции, устойчивости к коррозии и агрессивным веществам, в том числе к некоторым видам кислот (таблица 1). Кроме того, использование геополимера снижает выбросы CO2 до 90% по сравнению с производством портландцемента. Геополимер также может быть разработан для повторного использования и переработки промышленных побочных продуктов в виде заполнителей.

Основатели компании Renca — Андрей и Марина Дудниковы (РФ) и Alex Reggiani (Италия) — вывели продукт на рынок США [17] — рис. 10 (www.renca.org).

 

 

Рис. 10. Геополимер –  сухая смесь + связующееРис. 10. Геополимер – сухая смесь + связующее

 

 

Геополимерный бетон, используемый в качестве конструкционного раствора при 3D-печати бетона, превосходит раствор на основе портландцемента, поскольку геополимер будет химически сплавляться, в то время как цемент на основе портландцемента будет иметь тенденцию к созданию холодного шва и будет трескаться от усадки. Благодаря этим фактам геополимер несравним ни с каким другим материалом по стабильности и прочности при 3D-печати.

Материал представляет собой некую основу, в которую, медленно замешивая, вводят полимерное связующее. Полученный материал можно использовать как в традиционном строительстве, так и в строительной печати. Эксплуатационные характеристики г/п во много раз превосходят традиционные материалы на основе цемента, а срок жизни составляет тысячи лет. Г/п можно изготавливать на основе древесных волокон, отходов производства пластмасс, переработанной резины и т.д (рис. 11–15). При этом за счет специальной пропитки материал получается негорючим и влагонепроницаемым, а наличие пор в материале делает его теплозащитным. Материал можно обрабатывать и окрашивать в любой цвет. Г/п на основе гранитной или базальтовой крошки (рис. 2)  обладают огромной прочностью (127–137 Mpa).

 

Рис. 11. Геополимер на основе древесных опилок и стружкиРис. 11. Геополимер на основе древесных опилок и стружки

 

Рис. 12. Геополимер на основе  легкого пенобетона

Рис. 12. Геополимер на основе легкого пенобетона

 

Рис. 13. Геополимер для использования переработанной пробки и придания ей огнестойкости

 

Рис. 13. Геополимер для использования переработанной пробки и придания ей огнестойкости

 

Рис. 14. Напечатанный блок черепицы с нанесенным огнезащитным слоемРис. 14. Напечатанный блок черепицы с нанесенным огнезащитным слоем

 

Рис. 15. Геополимер на основе крошки гранита и базальтаРис. 15. Геополимер на основе крошки гранита и базальта

 

 

Компания AZURE (Калифорния, США) предложила использовать при печати домов пластиковые отходы в виде добавок к строительному материалу (до 60%). В основном это отходы в виде пластиковых бутылок и пищевой упаковки. Сейчас компания использует роботизированный принтер (KUKA) для цеховой печати отдельных элементов дома, которые потом собираются на месте.

 

Примеры интересных проектов с использованием строительной печати

 

Примерами использования строительной печати являются: мосты, пешеходные переходы, фонтаны, обустройство прибрежных стенок на водоемах, заборы, мебель, детские, спортивные и развлекательные площадки и многое другое.

1. К олимпиаде 2024 в Париже будет построен 40-метровый мост (рис. 16) консорциумом компаний (инженерная фирма Freyssinet, Levigne and Cheron Architects, Quadric — IT & AI, LafrageHolcim — строительные материалы, XtreeE — 3D-строительная печать).

 

Рис. 16. Проект пешеходного моста  в ПарижеРис. 16. Проект пешеходного моста  в Париже

 

2. Дизайнерское бюро Aectual (Ниделанды, https://aectual.com) совместно с высшей технической школой в Цюрихе предложили вариант акустических панелей для отделки интерьеров (рис. 17). В основу идеи положена форма морских волн. Напечатанные панели, выполненные в разнообразной цветовой гамме, кроме эстетического восприятия, также снижают уровень шума на 55–85% в диапазоне волн 250–4000 Гц, а материал для панелей можно использовать повторно. Это может найти свое применение в индустрии выставок, шоу и т. д. Интересные индивидуальные решения предлагаются для экранов и перегородок в интерьерах (рис. 18, 19).

 

Рис. 17. Акустические панели

Рис. 17. Акустические панели

 

Рис. 18. Наборный напечананный полРис. 18. Наборный напечананный пол

 

Рис. 19. ЭкранРис. 19. Экран

 

 

3. Такая же идея печати отдельных элементов фасадов, входных групп показана на примере решения здания, предложенного архитектором Kellerhuis (рис. 20). 3D-печать позволила ему уйти от унылых прямоугольных форм и получить уникальный дизайн.

 

Рис. 20. Плавные колонны поддерживают волнистые  формы потолкаРис. 20. Плавные колонны поддерживают волнистые формы потолка

 

4. В 2024 г. NASA совместно с ESA планируют вернуться на Луну, где будет необходимо строить жилье для обитателей будущей станции. Требования достаточно жесткие — нужно защитить жителей от радиации, использовать местные материалы для строительства, обеспечить электричеством, водой и продуктами питания. Схема обустройства такого дома показана на рис. 21, а некоторые проектные варианты со сборкой жилых блоков из напечатанных элементов представлены на рис. 22.

 

 

Рис. 21. Схема жилища на Луне

 

 

Рис. 22. Проекты лунной базыРис. 22. Проекты лунной базыРис. 22. Проекты лунной базы

 

 

5. Оформление фасадов домов. Компания Branch Technology реализовала архитектурную идею оформления городской среды за счет печати отдельных легких навесных элементов фасадов здания на производстве с последующей их установкой на месте. Ниже показаны несколько примеров оформления зданий (рис. 23).

 

Рис. 23. Примеры оформления фасадов зданийРис. 23. Примеры оформления фасадов зданийРис. 23. Примеры оформления фасадов зданийРис. 23. Примеры оформления фасадов зданий

 

Рис. 23. Примеры оформления фасадов зданий

 

6. Печать малых архитектурных форм. Компания Concrete 3D с помощью своего 6‑осного робота выполнила ряд интересных работ (рис. 24) — https://clck.ru/eY5yS.

 

Рис. 24. Примеры печати роботомРис. 24. Примеры печати роботом

 

7. Оформление тематического парка с помощью строительной печати компанией AICT (www.aictbuild.com) — рис. 25. Используя 3D-печать, AICT может построить дом небольших размеров за несколько недель, а не месяцев. Строители, использующие 3D-печать, завершили создание парка, состоящего из более чем 2000 бетонных элементов, всего за два с половиной месяца, что быстрее и в разы дешевле традиционных методов строительства.

 

Рис. 25. Печать парковой архитектуры с помощью роботизированных  принтеров смесями с использованием строительных отходовРис. 25. Печать парковой архитектуры с помощью роботизированных  принтеров смесями с использованием строительных отходов

 

Рис. 25. Печать парковой архитектуры с помощью роботизированных принтеров смесями с использованием строительных отходов

 

8. Компания Digital Building Technologies с помощью роботизированного принтера строит из бетона элементы колонн для уличного оформления (https://clck.ru/fbJVs) — рис. 26.

Новый производственный процесс позволяет производить уникальные конструкции сложной геометрии без ­какой-либо опалубки полностью автоматизированным способом.

 

Рис. 26. Роботизированная система, используемая для создания  колонн Concrete ChoreographyРис. 26. Роботизированная система, используемая для создания колонн Concrete Choreography

 

9. Проект D-Shape  (https://d-shap.com).

Одним из первых у истоков строительной печати стоял инженер из Италии Энрико Дини (Enrico Dini) — рис. 27. Он пришел в строительство, имея за плечами опыт роботизации обувного производства. В 2005 г. он вместе с партнерами получил патент на метод и оборудование для автоматического построения сборных структур сначала на основе песка и эпоксидной смолы, поскольку первый патент на похожий автоматический процесс построения на основе цемента и песка был получен в 1997 г. Джозефом Пенья (Joseph Pegna). Главное отличие метода Дини было в свободе построения без использования дорогостоящей опалубки.

 

Enrico DiniРис. 27. Enrico Dini

 

Переехав в Великобританию, Энрико Дини создал первую производственную компанию для строительства домов с использованием аддитивных технологий — Monolite UK, Ltd. Воодушевленный присутствием других предпринимателей и уверенный в превосходных возможностях своего подхода, он продает свои права на технологию печати со связующим (binder jetting) и на вырученные деньги строит первую фабрику в Италии и свой первый широкоформатный 3D-принтер. На нем он напечатал знаменитую скульптуру радиолярии, созданную Андреа Морганте. Чтобы избежать возможного конфликта патентов с конкурентами, он использовал оксид магния в качестве порошка и хлорид магния в качестве связующего. Привлечь финансирование для продолжения проекта ему в тот момент не удалось из-за кризиса 2008 г. Тем не менее первый напечатанный дом, который назывался Una casa tutta d’un pezzo — дом из одного куска, был выполнен для музея Triennale в Милане по его технологии. Несмотря на ряд трудностей, многие 3D-печатные строительные проекты для обороны, искусства и других строительных сегментов (коралловые барьеры — рис. 28, общественные скамейки) были успешными как благодаря своему новаторскому подходу, так и с точки зрения экономики. В дальнейшем его идеи были использованы различными компаниями — Winsun в Китае, CyBe и COBOD в Нидерландах, XtreeE во Франции и другими.

 

Рис. 28. Напечатанные рифы как пример восстановления прибрежной зоны моря (Reef Arabia, Bahrain)Рис. 28. Напечатанные рифы как пример восстановления прибрежной зоны моря (Reef Arabia, Bahrain)

 

Консорциум компаний Monolit UK совместно с архитектурным бюро Foster + Partners (Лондон), аэрокосмической компанией Alta и Scuola Superiore S. Anna (Pisa, Италия) выиграл тендер Европейского космического агентства (ESA) на разработку концепт-­проекта лунной базы (рис. 29). Объекты базы предполагается построить с помощью 3D-печати (D-shape) из местного материала — лунного реголита со связующим, которое идеально подходит для прочного соединения таких природных материалов. Для отработки технологии был использован имитатор лунного реголита, найденный Энрико Дини в древнем потухшем вулкане недалеко от озера Больсена в Италии.

 

Рис. 29. Проект лунной базы из местного реголита,  который будет напечатан принтером D-shape

Рис. 29. Проект лунной базы из местного реголита, который будет напечатан принтером D-shape 

 

10. Важное и интересное приложение строительной печати из бетона или геополимера — это оформление общественных пространств: парков, природных заказников, музейных открытых территорий, а также загородных дач, домов, детских площадок, спортивных и рекреационных зон, санаториев и других публичных мест (рис. 30). Напечатать изделия из бетона можно цеховым принтером очень быстро (лавочка печатается за 45 минут), практически любой геометрии, очень дешево (сопоставимо со стоимостью материала для напечатанного изделия), изделия антивандальные, поскольку их непросто унести (вес от 120 кг) и сложно сломать.

 

ис. 30. Оформление общественных пространствРис. 30. Оформление общественных пространств

 

Заключение

 

По мнению многих специалистов наибольшее применение строительной печати ожидается в индивидуальном жилищном стро-

ительстве, причем как доступного жилья (дома в 1–2 этажа), так и в дорогом сегменте жилья по за-

казу. Для архитекторов и застройщиков открываются новые возможности разрабатывать и строить новое поколение умных домов по желанию их будущих владельцев, при этом стоимость такого строительства будет значительно ниже традиционного. Чуть позже, по-видимому, произойдет широкое внедрение технологии строительной печати в высотное строительство. Уже сейчас есть технические решения такой печати. С учетом перспектив городского многоэтажного строительства и выгоды использования строительной печати (сокращение времени постройки, уменьшение привлекаемой рабочей силы, снижение себестоимости строительства и др.) этот сектор экономики становится чрезвычайно привлекательным. ■

 

 

Литература

 

  1. Максимов Н. М.  Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы// Аддитивные технологии. 2017. № 4. С. 54–62. https://clck.ru/eY5yp
  2. Максимов Н. М.  Аддитивные технологии в строительстве: примеры и перспективы применения// Аддитивные технологии. 2018.  № 1. С. 36–42. https://clck.ru/eY5z6
  3. National Low Income Housing Coalition Report: «The Gap: A Shortage of Affordable Homes March 2021» — NCSHA. https://clck.ru/fbJNr
  4. Global Status Report 2018 | UNEP — UN Environment Programme. https://clck.ru/eY5zM
  5. Delbeke, J. & Vis, P. Towards a Climate-­Neutral Europe: Curbing the Trend 1–223 (2019) doi:10.4324/9789276082569.
  6. Human Errors in Construction Can Turn Into Deadly Mistakes. https://reports.nlihc.org/gap/about
  7. Imagining construction’s digital future | McKinsey. https://clck.ru/eY622
  8. https://clck.ru/eY5wX
  9. https://clck.ru/eY5uR
  10. https://clck.ru/eY5vw
  11. Additive Manufacturing of Sustainable Construction Materials and Form-finding Structures: A Review on Recent Progresses Junli Liu, and others. https://clck.ru/eY5xS
  12. Habert G., Miller SA, John VM, et al. Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industries. Nat. Rev. Earth Environ 2020; 1:559–573.
  13. Martens P., Mathot M., Bos F., et al. Optimising 3D printed concrete structures using topology optimisation. In: High Tech Concrete: Where Technology and Engineering Meet. Cham: Springer, 2017. Рp. 301–309.
  14. Panda B., Singh GVPB, Unluer C. et al. Synthesis and characterization of one-part geopolymers for extrusion-­based 3D concrete printing. J Clean Prod 2019; 220:610–619.
  15. Alghamdi H., Nair SAO, Neithalath N. Insights into material design, extrusion rheology, and properties of 3D-printable alkali-­activated fly ash-based binders. Mater Des 2019; 167:107634.
  16. Elahi MMA, Hossain MM, Karim MR, et al. A review on alkali-­activated binders: Materials composition and fresh properties of concrete. Constr Build Mater 2020; 260:119788.
  17. https://geopolymerinternational.com/products/

 

 

Автор Николай Михайлович Максимов

 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2022

 

 

Теги: 

3D-печать в строительстве, применение 3D-печати, строительные 3D-принтеры, материалы для строительной 3D-печати, журнал "Аддитивные технологии" № 2-2022

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru