Технология 3D-печати дома
Домашние 3D принтеры используют технологию экструзии. Некоторые конструкторские 3D-принтеры похожи на настольные 3D-принтеры FFF/FDM большого размера (портальный стиль). Тогда как другие состоят из вращающегося механического рычага.
В обоих случаях компоненты пасты, такие как бетон, используются в качестве нити накала. Материал выталкивается из специального сопла для формирования слоев. Говоря проще, экструзия пасты похожа на использование мешка для раздачи глазури на торте.
Принтер создает основание и стены дома слой за слоем. Основание буквально является пластиной сборки принтера. Однако некоторые бетонные 3D-принтеры используются для 3D-печати кирпичей. После формовки кирпичи складываются друг на друга вручную. Или с помощью роботизированной руки.
Для печати используют мелкозернистые смеси, которые отличаются от традиционного бетона. Каждая компания разрабатывает свою рецептуру, которая соответствует устройству принтера и его сопла, а также специфике целевых изделий. Самые важные параметры бетона для 3D-принтера — это прочность, скорость набора прочности, пластичность. Необходимая прочность бетона подбирается регулированием состава смеси — количества цемента и качества заполнителей, а также добавками пластификаторов. Пластифицирующие вещества значительно увеличивают подвижность смеси и уменьшают водоцементное отношение, что повышает прочность бетона.
Так например, Российская компания «АМТ» (Additive Manufacturing Technologies) входит в Группу компаний «АМТ-СПЕЦАВИА» — многолетний партнер Top 3D Shop. Сфера деятельности: разработка и производство строительных 3D-принтеров, продажа и сервисное обслуживание оборудования на зарубежных рынках.
Ассортимент компании состоит из семи вариантов 3D-принтеров разных размеров.
Компания АМТ
Этот дом в Ярославле — самое большое здание в Европе и СНГ, построенное с применением технологии 3D-печати компанией «АМТ» (Additive Manufacturing Technologies) . Общая площадь составляет 298 квадратных метров.
В ходе строительства использовались разные технологии, часть здания была напечатана прямо на площадке, а некоторые блоки печатались в цеху, перед доставкой на объект и сборкой. Несъемная опалубка была армирована во время печати. После сборки силовые элементы стен были залиты бетоном производства Екатеринбургского цементного завода, а внешний контур утеплен пеногипсобетоном завода «Монолит».
Коробка здания была отпечатана за один месяц в 2015 году, но возведение крыши и внутренняя отделка были закончены только через два года.
Компания Apis Cor
Такой же успех но даже лучше повторила Российская компания «Апис Кор Инжиниринг» (Apis Cor) — разработчик уникального мобильного строительного 3D-принтера, который печатает дом целиком на месте строительства. Габаритные размеры 3D-принтера в сложенном состоянии составляют 4×1,6×1,5 м, масса — 2 тонны. Площадь зоны печати составляет 131,4м². Для печати зданий и сооружений больших размеров можно применять несколько синхронизированных между собой 3D-принтеров. Небольшие габариты принтера облегчают его транспортировку, а благодаря простоте конструкции он не требует длительной подготовки к работе. Это принтер с телескопическим манипулятором на поворотной платформе. На установку принтера и его настройку перед работой требуется 30 минут! После печати первого дома Apis Cor разработала собственное программное обеспечение, включающее в себя прошивку и управляющую программу для принтера.
Напечатанный дом в Сколково. Принтер Apis Cor построил дом всего за 24 часа.
Winsun
В 2014 году Winsun (Yingchuang Building Technique (Shanghai) Co.,Ltd.) прославилась на весь мир возведением десяти 3D-печатных зданий всего за одни сутки. На деле все оказалось немного скромнее: небольшие «коробочки» были напечатаны, блок за блоком, заранее, а затем собраны на строительной площадке, без арматуры и коммуникаций, но с остеклением. Компания использует принтер на основе технологии FDM и один и тот же поэтапный процесс с цементом, песком и стекловолокном. Эти материалы обеспечивают достаточную прочность стен. 3D-принтер WINSUN – это портальная конструкция с габаритами 36х12х6 метров.
В дополнение к своему первому проекту в Шанхае, WINSUN разработали первые трехмерные печатные офисы в Дубае и сотрудничали с Илоном Маском в разработке туннелей Hyperloop. Также WINSUN печатает автобусные остановки.
Автобусные остановки WINSUN в Сучжоу (Китай) для одного из последних проектов.
Плюсы и минусы 3D-печати в строительстве
Плюсы технологии:
- Стоимость: Низкая. Первый напечатанный российский дом обошелся всего в 593 568 рублей. В эту цену входит отделка и проведенные коммуникации. Сейчас, приблизительно за эти же деньги, можно построить только каркасно-щитовой дом, или из бруса, без отделки и коммуникаций. Стоимость 3D-печатных зданий в ближайшем будущем, с распространением технологии, ожидается ниже, чем сейчас.
- Персонал: Снижение количества персонала, задействованного в строительстве, приводит к снижению трудозатрат: на строительство 3D-печатных объектов тратится на 50-80% меньше человеко-часов, ведь участие людей нужно только для обслуживания машин, проведения коммуникаций и сборки конструкций.
- Время: Сокращается время на строительство. При строительстве на готовом фундаменте, возведение стен может происходить в считанные сутки. Самая затратная часть по времени – это постройка крыши, проведение коммуникаций и внутренняя отделка. Для сравнения: щитовые дома, самые быстрые из традиционных, ведущими производителями ставятся в сроки от месяца.
- Чистота: В процессе строительства не образуется строительный мусор, требующий вывоза со строительной площадки и утилизации. Традиционное строительство оставляет после себя тонны отходов — обрезки материалов, куски бетона, строительные леса и загрязненные опалубки. 3D-печать зданий оставляет намного меньше мусора и, более того, может использовать переработанные отходы в качестве составляющих бетонной смеси.
- Простота: Технология позволяет существенно сократить затраты на строительство зданий с уникальной архитектурой. Возможности 3D-принтера не ограничены прямолинейными формами. Разработчикам доступны практически любые геометрические формы, а строительство необычных объектов занимает не намного больше времени, чем постройка традиционных домов.
- Экономия: Из процесса строительства исключаются некоторые виды материалов, логистика и трудозатраты по ним. К ним относятся, например, опалубка и бетонные плиты. 3D-печать зданий сразу на фундаменте решает эту проблему.
Минусы технологии:
- Высокая цена 3D-принтера. Она может достигать 2,5 млн. долларов. Для небольших организаций и временных проектов такая стоимость может быть неподъемной. Проблема решается арендой оборудования, как в Китае, где компания WINSUN, сдает строительные 3D-принтеры в аренду, либо заказом печати у специализированной компании, как в России — Спецавиа не только производит строительные 3D-принтеры, но и имеет подразделение печатающее на заказ. Также можно приобрести строительный 3D-принтер в лизинг.
- Чувствительность к внешним условиям. Печатать нельзя при неблагоприятных погодных условиях. В холодное время вокруг стройки обычно устанавливают купол, для поддержания уровня температуры и влажности, защиты от осадков и ветра. Это требует отдельных затрат.
- Отсутствуют единые стандарты, взаимозаменяемость расходных материалов. Это, скорее всего, проблема временная.
- Арматура, коммуникации и перекрытия пока устанавливаются вручную.
- Слоистая поверхность стен, которая требует отделки, если требуются ровные стены — выравнивания, оштукатуривания или применения облицовочных материалов.
В заключение
Распространение 3D-печати в строительстве — это лишь вопрос времени. Технология дает возможность быстро и с минимальными затратами возводить дома. Это может быть актуально в странах с большой численностью населения и недостатком жилья, таких как Индия и Китай, а также в странах “третьего мира”, где люди вынуждены жить в бараках, построенных из подручных материалов. Строительная 3D-печать может применяться в местах стихийных бедствий — возводить дома и временные убежища можно будет за считанные сутки.
Следующим шагом будет применение полностью автоматизированных процессов, где роботы выполняют всю работу без участия человека — строят стены, армируют их, возводят крыши, проводят коммуникации, оснащают дома лестницами и окнами и делают внешнюю и внутреннюю отделку помещений. Прогресс в разработке бетонных смесей позволит не только подбирать готовые составы под конкретные условия и задачи, но и использовать в качестве сырья отходы строительства и местные материалы — сено, почву, песок и так далее, потребуется лишь связующее вещество. Применение в бетонных растворах минеральных добавок также поможет поддержать экологию планеты — уменьшенное потребление цемента поможет снизить выброс углекислого газа в атмосферу.