От редакции: как мы уже сообщали, компания Apis Cor возвела самое большое 3D-печатное здание в мире с помощью 3D-принтера собственной конструкции. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию подробный рассказ непосредственного участника проекта — ведущего инженера-конструктора Apis Cor Никиты Жеребцова.

Человечество всегда в силу своего пытливого ума стремилось к прогрессу, но вторая часть человеческого сознания, скептическая, была уверена, что хороший метод — это проверенный метод. Если рассматривать в перспективе появление любого знакового изобретения, будь то железная дорога, автомобиль или авиация, все начиналось группой людей-энтузиастов, глядя на которых многие вертели пальцем у виска и говорили: «Это невозможно!»

Первые автомобили и самолеты действительно напоминали скорее склеенные кустарем в гараже самоделки, чем произведения промышленной индустрии, однако законы рынка незыблемы во все времена: если есть спрос, предложение рано или поздно возникнет. Спустя поколения железные дороги, автомобили и авиация — то, без чего невозможно представить современный мир. 

Схожая ситуация наблюдается и в одной из самых консервативных отраслей — строительстве. Еще вчера технологии 3D-печати в строительстве рассматривались как забавная диковинка, не имеющая особого практического смысла, некая игра ума и фантазии инженеров, но на поступивший жесткий запрос рынка «строить быстрее и дешевле» 3D-печать отвечала как нельзя лучше. Технология 3D-печати реально работает, и мы можем гордиться новым напечатанным зданием, созданным полностью по этой технологии: компания Apis Cor напечатала административное здание в Дубае, попав в Книгу рекордов Гиннесса. 

Первый проект в Ступине 

В 2014 году компания Apis Cor начала разработку нового проекта — мобильного строительного 3D-принтера. Созданный нами прототип работал по циркульной конструкции: машина печатала слои материала вокруг себя. Мы решили отойти от идеи портальной конструкции из-за сложностей с ее транспортировкой и ограничений по размеру печатаемых зданий. Такие принтеры обычно устанавливаются на производствах и там печатают отдельные элементы зданий, которые в последующем везут на строительную площадку для сборки. Наше решение выгодно отличается от разработок других компаний. Для закрепления результата и получения опыта мы решили напечатать первый образец в подмосковном городе Ступино в 2017 году. Мы возвели первое здание площадью 38 квадратных метров с использованием 3D-печати.

Кроме отработки новой технологии здание было использовано как некая визитная карточка — презентация возможностей созданного нами оборудования. Благодаря достигнутому успеху мы получили предложения по строительству от множества компаний из разных стран мира. Имея возможность выбирать мы решили взяться за проект, который позволил бы в полной мере раскрыть потенциал технологии и отработать возникающие технические, эксплуатационные и организационные вопросы.

На сегодняшний день Объединенные Арабские Эмираты, располагающие значительными средствами за счет нефтедобычи, уделяют большое внимание развитию своей экономики, внедрению новейших технологий. Согласно плану муниципалитета Дубая, к 2025 году как минимум четверть всех новых зданий должна быть возведена с помощью аддитивных технологий. Исходя из этого, поступившее предложение выглядело очень перспективно. 

Особенности нового проекта 

По заданию муниципалитета нам предстояло возвести двухэтажное административное здание с высотой каждого этажа 4,7 метра. Общая площадь постройки — 640 квадратных метров. Когда мы ознакомились с дизайн-проектом, мы поняли, что заказчик не брал во внимание особенности строительной 3D-печати, и что мощности нашего оборудования недостаточно. Действующий прототип был рассчитан на максимальную высоту стен в три метра.

Мы решили эту проблему, увеличив высоту подъема стрелы, что породило новую проблему: из-за увеличившейся высоты снизилась жесткость всей конструкции. Уход траектории печати составлял порядка пяти сантиметров. Пока мы решали эту проблему, подошел срок отправки оборудования в Дубай. У инженеров было лишь два месяца на поиск и изготовление решения, из которых месяц занимала доставка оборудования в ОАЭ, еще месяц — печать опалубки для фундамента. Так что проблему с жесткостью пришлось решать параллельно. 

Я предложил создать дополнительную конструкцию, которая увеличила бы жесткость системы принтера. Система подъема принтера основана на трех гидроцилиндрах, поднимающихся синхронно. Мы создали дополнительный уникальный механизм, который был гибким при подъеме, а при остановке создавал жесткую конструкцию по типу фермы. Его установку нужно было производить непосредственно на строительной площадке, так как не было времени на поиск цеха, в котором можно было бы провести все эти работы.

Приехав со всеми деталями и механизмами в Дубай, я с коллегами отправился на строительную площадку для доработки оборудования. Как бы мы заранее не готовили себя к особенностям местного климата, первое время было очень тяжело переживать жару. Мы находились в буквальном смысле в пустыне (строительная площадка находится за городом, в новом строящемся районе), на дворе июнь, температура доходит до +50 градусов по Цельсию. Находиться днем под солнцем более двадцати минут физически невозможно, поэтому большинство работ мы проводили ночью, освещая площадку прожектором. Ночью температура обычно была в пределах +30 градусов по Цельсию. Установив дополнительную ферму для жесткости основания мы решили большинство проблем, связанных с погрешностью в траектории и недостаточной жесткостью.  

 Предметом моей особой гордости стала высокая точность печати. Мы не только подтвердили те результаты, которые были достигнуты в Ступино, но и взяли новую планку: при высоте конструкции три метра уход вертикали в верхней точке напечатанной конструкции составил пять миллиметров или 0,095 градуса.

Прибыв в ОАЭ мы поняли, что требуется разработка нового материала для 3D-печати, что мы не можем использовать ту же смесь, которой печатали дом в Ступино. Технолог по смесям разработал новый состав на основе гипса из местных строительных материалов и с учетом специфики климата ОАЭ. Пока мы занимались доработкой механической части, а технолог разрабатывал и тестировал новые составы смеси для 3D-печати, фокус-группа из инженеров-строителей, архитекторов и менеджеров проекта адаптировала проектную документацию под особенности метода строительства и габариты оборудования.

Перед ними также стояла большая задача: было необходимо синхронизировать и оптимизировать траекторию печати при перестановке 3D-принтера по строительной площадке. Так как площадь этажа здания превышала триста квадратных метров, необходимо было делать несколько перестановок оборудования и синхронизировать код, чтобы перестановки не отразились на качестве конструкции. Помимо этого нужно было скорректировать траекторию печати с учетом прокладки вертикального армирования стен, прокладки коммуникаций, установки перекрытий и перемычек для окон, дверных проемов и колонн. Обход вертикальной арматуры происходил за счет доработок кода печати.

Во время печати здания в Дубае большая часть работы по обходу арматуры проводилась в ручном режиме. На основе полученного опыта и данных мы планируем разработать систему машинного зрения для автоматического определения препятствий и их обхода, а вся работа по оптимизации траектории легла в основу нового программного обеспечения для построения G-кода.

Перед финальной печатью стен здания мы провели несколько тестов по 3D-печати разных конструкций, чтобы убедиться в работоспособности всех узлов и соответствии требованиям максимальной высоты и радиуса печати. Мы должны были быть уверены во всем: в механике, гидравлике, системе подачи, качестве смеси, правильности кода и так далее. После этого, наконец, приступили к печати стен первого этажа.

В начале печати основного здания мы постоянно следили за состоянием оборудования. На основе этих данных мы доработали техническую документацию по обслуживанию и работе с 3D-принтером. Серьезных проблем с механикой не возникало, но нужно было всегда делать поправку на то, что при создании оборудования в Москве мы очень мало знали о климате эмиратов. Основная проблема климата в Дубае — это постоянный переход температуры через точку росы. Проще говоря, за одну ночь любая металлическая поверхность покрывалась налетом ржавчины. Выход был очевиден: подобрать такую смазку, которая предотвратила бы коррозию. При всей очевидности такого решения нам пришлось изрядно повозиться. В пустыне сильный ветер переносит огромные массы песка, поэтому на свеженанесенную смазку он налипал моментально, что сильно вредило как направляющим, так и подшипникам. Перепробовав десятки вариантов, мы нашли подходящую смазку и стали ее применять. Это была смазка для мотоциклетной цепи в виде спрея, имеющая отличные защитные свойства и высокую вязкость. К тому же, песок на нее не налипал. Впоследствии, учтя опыт работы в Дубае, при конструкции новых моделей 3D-принтера мы стали использовать направляющие из нержавеющей стали — это довольно дорогостоящее решение, но значительно увеличивающее срок службы узлов.

Основные работы по 3D-печати здания осуществляла команда из четырех человек: менеджер проекта, программист, архитектор и инженер. Мы шутили, что мы участвуем в гонке «Париж-Дакар». Сравнение было идеальным: абсолютно жуткие погодно-климатические условия и невероятная нагрузка.  

Процесс печати итогового здания уложился в пятьсот часов машинного времени — по восемь часов в день. Раньше мы не могли позволить себе такой роскоши — печатать столько времени, сколько удобно. При самых первых тестах печати, еще в Москве, мы старались не останавливать принтер, так как после каждой остановки требовалось проделывать множество процедур: промывать все шланги, трассы принтера, системы замешивая и подачи смеси. В Дубае мы уже имели достаточный опыт, и многие из процедур были автоматизированы.

Иногда необходимо было делать перерывы в 3D-печати на несколько дней или недель, чтобы генеральный подрядчик проложил арматуру, изоляцию, коммуникации и перекрытия. Установка перекрытий выполнялась традиционным способом — укладкой плиты перекрытия с помощью крана. После печати первого этажа установили перекрытия, затем на перекрытия установили 3D-принтер и приступили к печати второго этажа.  

Напечатанное в Дубае здание, в отличие от дома в Ступино, будет введено в эксплуатацию и в нем будут располагаться офисы местных компаний. Это здание является первым напечатанным зданием в новом пригороде Дубая, и в планах муниципалитета — напечатать целый район.

В течение всего проекта мы сталкивались с техническими проблемами, организационными трудностями, а также иногда с волнами скепсиса и непонимания. Тем не менее, печать 3D-здания успешно завершилась в августе 2019 года, после чего генеральный подрядчик перешел к выполнению отделочных работ, а презентация готового здания состоялась в октябре 2019. Здание попало в Книгу рекордов Гиннесса, как самое большое 3D-печатное здание в мире. Другие большие 3D-печатные здания уже существуют, но все они собирались из заранее подготовленных блоков, тогда как мы напечатали здание «целиком» на строительной площадке.  

Дальнейшее развитие технологии 

Во время проекта мы открыли для себя тонкости не только технических особенностей процессов строительной 3D-печати, но и определили вектор развития, чтобы все наши наработки легли в основу новой эпохи строительной индустрии. Но, как и любая инновация, строительная 3D-печать должна пройти проверку временем. Это вызов целой индустрии, которая имеет свой рынок и инфраструктуру, а споры с консервативными институтами об эффективности могут затянуться. Тем не менее, я считаю, что технология имеет большой потенциал для развития и через десять лет 3D-печать домов станет для всех таким же привычным делом, как и строительство домов из кирпичей или блоков. 

Я уверен, что в будущем мы сможем не только достигнуть полной автоматизации строительства без вмешательства людей при печати фундамента и стен, но также сможем печатать перекрытия и крышу, автоматически устанавливать инженерные коммуникации, двери и окна. Все это можно сделать уже сегодня, применяя только готовые решения, но на это требуется время и ресурсы. Также, вскоре мы не будем ограничиваться печатью домов в два-три этажа. Составы смеси для 3D-печати уже позволяют перейти к многоэтажному строительству. Основным ограничителем выступает отсутствие законодательной базы для напечатанных домов. Сегодня многие компании уже занимаются строительной печатью, и я уверен, что вскоре нас ждут революционные изменения в строительной индустрии.  

Автор: Никита Жеребцов, ведущий инженер-конструктор Apis Cor 

Информация о предложениях компании Apis Cor доступна на официальном сайте по этой ссылке.

Источник