Особенности технологии

Строительство домов с помощью 3D принтера стало реальностью благодаря калифорнийскому профессору Бероху Хошневису – изобретателю технологии Contour Crafting. Главным элементом инновации стал установленный на подвижной платформе экструдер, обеспечивающий послойное наращивание создаваемого объекта. Экструзия контролируется компьютером и производится согласно предварительно созданной трехмерной модели.

Процесс не нуждается в длительной и трудоемкой подготовке. Площадка расчищается и выравнивается с помощью стандартной техники, после чего на ней располагается 3D-принтер. Быстротвердеющая строительная смесь под давлением подается на головку принтера, откуда из сопла равномерно распределяется по рабочей поверхности. Строительные принтеры 3D-Shape в качестве расходного материала используют порошок, который после наслоения связывается, образуя монолитную конструкцию.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

А начнем мы с технологии. Принцип работы строительных 3D-принтеров заключается в экструзии — или выдавливании — специальной смеси, слой за слоем, по заданной трехмерной компьютерной модели.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Заранее подготовленная смесь, состоящая из цемента, наполнителя, пластификатора и других добавок, загружается в бункер устройства и оттуда подается к головке принтера. Смесь наносится на поверхность площадки или предыдущие напечатанные слои.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

По такому принципу работает большинство строительных 3D-принтеров. Среди них различают три типа устройств:

Портальные 3D-принтеры представляют собой конструкцию из рамы, трех порталов и печатающей головки. С помощью таких устройств можно печатать здания и по частям, и целиком — если они умещаются под аркой принтера.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Устройства типа «дельта» не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Наконец, роботизированные принтеры — это робот или группа роботов типа промышленного манипулятора, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Есть и другие методы строительной 3D-печати. Например: оборудование D-Shape печатает наслоением порошкового материала с последующим связыванием его нанесением клеящего раствора.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

О преимуществах и недостатках строительной 3D печати

С применением 3D печати, традиционное строительство расширило горизонты своих возможностей.

Как минимум, у новой технологии есть 3 очевидных преимущества:

1) Уникальный дизайн. 3D печать даёт возможность создавать очень сложные конструкции, не ограничивая себя привычными законами домостроительства;

2) Скорость застройки. Новое здание можно построить с нуля практически за сутки. Например, дом, площадью 50-80 квадратов успешно формируется за 24 часа. Сам принтер легко транспортировать и при необходимости перенастраивать. Это занимает не более 30 минут;

3) Экономия ресурсов. Строительный принтер исключает необходимость дополнительного оборудования. Кроме того, он значительно уменьшает вероятность перерасхода материалов.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Если в традиционном строительстве отходы достигают до 30%, которые ещё нужно утилизировать, то здесь их практически нет. Это благотворно влияет не только на кошелёк заказчика, но и на окружающую среду. Существуют даже принтеры, которые работают на солнечной энергии и контролируют выделение углекислоты.

Отдельно стоит отметить широкие возможности по масштабированию технологии. 1 кв. метр стены при обычном строительстве в среднем стоит 75 долларов. Для 3D принтера эта цена падает до 27 долларов. Именно поэтому в мире их широко начинают использовать для строительства «быстрых» домов, пострадавшим от стихийных бедствий.

На сегодняшний день технология всё же не позволяет создать полноценный функциональный дом, только каркас, стены или крышу. Окна и коммуникации приходится устанавливать отдельно.

Рассмотрим еёнедостатки:

1) Дорогие инвестиции. Стоимость хороших 3D принтеров может достигать миллионов долларов;

2) Отсутствие сертификации. Во всех странах мира традиционное строительство имеет регулируемые нормами закона стандарты безопасности.

В случае с 3D принтерами не все элементы печати могут быть стандартизированы. Недобросовестный подрядчик может воспользоваться этим в целях экономии и непреднамеренно подвергнуть опасности тех, кто будет эксплуатировать объект.    

3) «Некрасивый» внешний вид. Поверхность «напечатанных» домов ребристая, что является непривычным для обывателя.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Принцип работы строительного 3D принтера

Они отличаются от офисных 3Д принтеров  размерами создаваемой продукции и местом где происходит процесс. Все 3D принтеры, в том числе и строительные, работают на основе созданных ранее трехмерных моделей. Модели создаются в программах на компьютере или сканерами существующих в реальном мире предметов.

Модель здания создается послойно непосредственно на строительной площадке. Роботизированное сопло, двигается по трем осям X.Y.Z. Печатающей головкой через сопло заливает быстро твердеющим бетоном стены здания. Печатающая головка имеет три отверстия.

Строительные принтеры сейчас производят разных размеров, каждый предназначен для печати какого-либо строительного объекта произвольной формы.

3D принтер привозят на площадку, подготовленную для его применения, огороженную и накрытую временной постройкой — для защиты сложного оборудования и строящегося объекта от дождя, ветра.

Далее строительный принтер слой-за -слоем печатает дом целиком (если одноэтажный и небольшой), или печатает поэлементно большой дом.

Способы строительства домов с помощью 3D-принтера

Принцип работы 3Д-принтера для строительства дома всегда одинаков: 

  • нанесли тонкий слой;
  • дали ему высохнуть или набрать необходимую прочность;
  • нанесли следующий слой;
  • и так по кругу.

А вот способ нанесения этого слоя и его состав бывают разными. Как и конструкция самого принтера, но об этом отдельно и чуть ниже.

Итак, при строительстве с помощью 3Д-принтера расходный материал наносят обычно одним из трех способов: экструзией, порошковым методом или многоструйным моделированием.

Экструзия

В этом случае готовая строительная смесь из бункера выдавливается через специальную печатающую головку, которая может двигаться в трех плоскостях. Самый распространенный метод «печати» для строительных 3D-принтеров.

Метод 3D-печати экструзией

Порошковый метод

Технология двухэтапной 3D-печати: сначала наносится порошковая строительная смесь, а потом — специальный клей. Это позволяет получать стены с более ровной поверхностью. Кроме того, порошковый метод лучше приспособлен к полевым условиям — в частности, нет риска застывания строительной смеси в сопле в случае сбоя в работе.

Порошковый метод 3D-печати

Технология довольно редкая, поскольку строительные 3D-принтеры для строительства на ее основе сложнее экструзионных устройств.

Многоструйное моделирование

Очень редкий способ 3D-печати, который используется всего в нескольких устройствах. Этот метод очень похож на обычную струйную печать: есть несколько сотен сопел, через которые выдавливается строительная смесь. Каретка, на которой закреплены сопла, медленно движется и создает нужный рисунок.

Многоструйное моделирование при 3D-печати

Главное преимущество такого устройства — скорость работы, которая в разы или десятки раз выше, чем у принтера-экструдера.

Способов печати на строительных 3D-принтерах на самом деле больше. Ведь их используют не только для возведения домов и создания декора, но и для строительства сложных металлоконструкций, например, мостов.

Чем печатаем: строительные смеси

Чаще всего в 3Д-принтерах для строительства используется модифицированныйбетон. Но не обычный, а особый: со специальными присадками, пластификаторами, часто с армирующими элементами. В результате получается пластичная смесь с высокой степенью однородности, которая при этом быстро застывает и набирает прочность.

Причем 3D-принтеры по бетону разных производителей для строительства дома используют разные смесовые составы. Это связано с тем, что разработчики оборудования подбирают состав строительной смеси так, чтобы она не забивала сопло, не налипала на него и выходила аккуратной однородной массой без образования пузырей и других дефектов. А поскольку и экструдеры вообще, и сопла в частности у производителей уникальны, это сказывается и на смесях.

Модифицированный бетон для 3D-печати

Второй по популярности тип строительного состава — это различные смеси на основе глины. Их используют по двум причинам: во-первых, они считаются более экологичными, во-вторых, они доступнее.

Это не имеет особого значения, если дом строится в городской черте или недалеко от города. Но использование бетонной смеси сильно ограничивает применение 3D-принтеров в строительстве зданий, расположенных в отдалении от крупных городов, поскольку вместе с оборудованием тогда придется везти и много тонн расходных материалов. Это как минимум неудобно и ведет к дополнительным расходам. Не говоря уже о том, что замешивание бетонной смести для большей части строительных 3D-принтеров возможно только в заводских или лабораторных условиях, но никак не в полевых.

Смеси на основе глины для 3D-печати

«Печать» из глины по большей части решает эту проблему — в этом случае везти с собой нужно только модификаторы. Это делает возможным, например, строительство домов 3Д-принтером на отдаленных территориях России.

Кроме глины, для печати используют смеси с землей, золой, соломой — это позволяет строить дома фактически из мусора и того, что вы добудете на участке.

Наименее распространены строительные 3D-принтеры, которые работают по инвертированной технологии и используют для строительства домов изоляционную пену из пенополиуретана. То есть 3D-принтер печатает не стены, а слой утеплителя на них. При этом работу устройства каждые 1-1,5 м высоты останавливают и заливают в стены бетонную смесь, используя теплоизоляцию в качестве несъемной опалубки.

3D-печать изоляционной пеной

Такие 3D-строительные принтеры особенно актуальны в России, поскольку позволяют сразу же решить проблему с утеплением дома. Причем среди используемых в частном строительстве теплоизоляционных материалов пенополиуретан самый эффективный.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Устройство строительного 3D принтера, принцип работы

3D печать строительного элемента бетонным раствором

Принцип работы 3D принтера почти такой же, как у обычного – через печатающую головку подаются чернила или спекается порошок, как у лазерного. Только вместо материал другой – у строительного, как правило, это раствор на основе цемента или гипса.

Самым распространённым методом печати в строительной отрасли является экструзия смеси. Однако встречается оборудование, печатающее сухим порошком, а из сопел принтера подаётся связывающая жидкость. Но эта технология пока не нашла широкого применения.

С помощью метода экструзии можно напечатать отдельные элементы, малые строительные формы, декоративные вставки, а также полностью возводить здание непосредственно на участке.

Существует четыре основных вида строительного принтера:

  • портальный;
  • с трёхосевой;
  • крановый;
  • манипулятор.

Печать осуществляется печатающей головкой, оснащённой шнековым экструдером и бункером для чернил – специальной мелкозернистой смеси, которая подаётся вручную или с помощью насоса. Устройство выдавливает раствор на участок согласно проектной документации, послойно формируя отдельные элементы или стены дома.

Портальный строительный принтер

Портальный 3D строительный принтер Peri во время печати стен здания

Наиболее перспективный вид строительного 3D принтера. Конструкция похожа на козловой кран, у которого вместо крюка устройство для нанесения раствора.Поскольку во время нанесения слоёв конструкция перемещается по трём осям координат, у него есть второе название – XYZ-принтер.

Портальные принтеры могут печатать отдельные детали сооружения, различные архитектурные формы – скамейки, вазоны, урны, мосты. 3D XYZ-принтеры больших размеров могут возводить здания в несколько этажей. Главное, чтобы оно умещалось под аркой конструкции.

Трёхосевой (дельтовидный) принтер

Трёхосевой строительный 3D принтер WASP Delta

Трёхосевой принтер также представляет собой ферму с закреплённым печатающим устройством. Однако сама печатающая головка закреплена на телескопических рычагах, которые и перемещают её по заданному маршруту. Поэтому в отличии от портальных принтеров, у дельтовидного меньше площадь печати. Рабочая зона ограничена длиной поддерживающих элементов, что достаточно для воспроизводства отдельных фрагментов или малых архитектурных форм. Однако поставить такой принтер для печати здания уже не получится.

Крановый принтер

Строительный 3D принтер на базе мини крана паука

Некоторые производители нового вида оборудования ориентируются исключительно на строительство домов непосредственно на площадке. Такие 3D принтеры напоминают башенные строительные краны. Их обычно размещают внутри здания, а печать производится в радиусе доступа стрелы. Подобное оборудование не такое громоздкое и позволяет быстро перевести его из транспортного положения в рабочее.

Также в качестве базы используются мини-краны. Например, кран-паук, оснащённый бетононасосным оборудованием и печатающей головкой на конце стрелы. Преимуществом такого решения является повышенная мобильность. К тому же машина может выполнять функции крана, в случае необходимости.

Принтеры-манипуляторы

3D принтер с роботизированной рукой манипулятором

Существуют также 3D принтеры-манипуляторы. Для перемещения печатающего устройства в них применена роботизированная рука. Этот тип оборудования может быть мобильным или стационарным. Их основным преимуществом является гибкость по сравнению с остальными типами принтеров. Но и цена за такую технологичность будет выше аналогов.

Принтеры

Contour Crafting

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

В 2009 году резиденты стартап-инкубатора “Университет Сингулярности” (Singularity University aka Singularity Education Group, осн. в 2008 в NASA Research Park, Калифорния), под руководством Берока Хошневиса (Behrokh Khoshnevis), создали проект по развитию и коммерческому применению технологии контурного построения — Contour Crafting, которая считается первой строительной технологией 3D-печати и фактически стала самой распространенной — это та самая технология, при которой цементная смесь наносится экструдером, подобно пластику при печати FDM. 

Основанная Бероком Хошневисом одноименная компания развивает эту технологию 3D-печати и сотрудничает с NASA. Разработчик предлагает использовать этот метод печати для восстановления пострадавших от стихийных бедствий городов и строительства сооружений на других планетах.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Компания использует для 3D-печати зданий управляемый компьютером портальный кран с закрепленным на нем экструдером. В процессе Contour Crafting задействован быстросхватывающийся материал, который наносится краном послойно. Технические элементы, такие как арматура и коммуникации, могут быть добавлены по мере создания слоев.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

АМТ

Российская компания АМТ входит в группу компаний «АМТ-СПЕЦАВИА». Сфера ее деятельности — разработка и производство строительных 3D-принтеров, продажа и сервисное обслуживание оборудования на зарубежных рынках. Ассортимент компании состоит из семи 3D-принтеров разных размеров.

Этот дом в Ярославле — самое большое здание в Европе и СНГ, построенное с применением принтеров компании AMT. Его общая площадь — 298 квадратных метров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Apis Cor

Российская компания «Апис Кор Инжиниринг» (Apis Cor) — разработчик уникального мобильного строительного 3D-принтера, который печатает дом целиком на месте строительства.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Габаритные размеры 3D-принтера в сложенном состоянии составляют 4×1,6×1,5 м, масса — 2 тонны. Площадь зоны печати — 131 квадратный метр. Для печати зданий и сооружений больших размеров можно применять несколько синхронизированных между собой 3D-принтеров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

WINSUN

В 2014 году шанхайская компания Winsun 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.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Компания использует принтер на основе технологии FDM и один и поэтапный процесс с цементом, песком и стекловолокном. Эти материалы обеспечивают достаточную прочность стен. 3D-принтер WINSUN — это портальная конструкция с габаритами 36х12х6 метров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

D-Shape

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

D-Shape — один из наиболее необычных вариантов строительной 3D-печати. Устройство не использует позиционируемый по трем осям экструдер, а полагается на массив из 300 сопел, закрепленный на подвижной платформе. Размеры рабочей площадки принтера, в текущей версии — 6х6 метров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Технология D-Shape напоминает струйную печать, совокупность сопел используется для нанесения связующего агента на слои песка.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

CyBe Construction

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

CyBe Construction — компания из Нидерландов, применяющая 3D-печать в строительстве домов «под ключ». CyBe производит материал для печати и два строительных 3D-принтера.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Эти крупные промышленные устройства требуют участия двух операторов, но могут печатать большие строения очень быстро. К примеру, в Дубае в 2017 году компания напечатала лабораторию площадью 168 квадратных метров всего за три недели.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

BatiPrint

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Университет Нанта, Франция, совместно с Nantes Digital Sciences Laboratory (LS2N), работает над проектом печати домов на 3D-принтере, известном как Yhnova. 

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Для проекта будет использоваться разработанный университетом метод Batiprint3D — 3D-печать «изнутри». Опалубка из полиуретана печатается послойным распылением материала похожего на монтажную пену, после застывания которого заливается бетоном.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Проект Yhnova представляет собой строительство пятикомнатного социального жилья с дугообразными стенами и скругленными углами. Роботизированная рука Batiprint3D может печатать структуры высотой до 7 метров, площадь планируемого дома — 95 квадратных метров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

WASP

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Итальянский производитель WASP создал крупнейший на сегодняшний день строительный 3D-принтер. Этот дельта-бот, высотой 12 и шириной 7 метров, имеет регулируемые рычаги длиной до 6 метров.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Применение принтера под названием BigDelta направлено на устранение жилищного кризиса, путем создания более дешевых домов, что особенно актуально для развивающихся стран.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Проект BigDelta — это строительная 3D-печать с использованием природных материалов. В качестве «расходников» используется прессованная солома и земля.

Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Этапы 3D печати в строительстве

Печать основания для ветренных электрогенераторов

Не зависимо от типа принтера, изготовление любого элемента, включая возведение дома по аддитивной технологии, начинается с проекта. Его необходимо представить в электронном виде. Для этого подойдёт любая графическая программа – AutoCAD, ArchiCAD, Компас-3D. Большинство аддитивных принтеров имеют встроенную программу перевода визуальных слоёв в карту рабочего процесса.

Далее можно приступать к работам. В случае с малыми архитектурными формами всё просто: подготавливается смесь, загружается в бункер и…. Как в песне: «Нажми на кнопку –получишь результат».

Обратите внимание! Использовать в 3D принтерах товарный бетон категорически запрещено. Во-первых, он содержит крупный фракции, которые не пройдут через сопла. Во-вторых, раствор должен быть пластичным, быстро набирать прочность, иметь невысокую усадочную деформацию, чтобы не растекаться под давлением последующих слоёв. В тоже время, он не должен быстро твердеть, чтобы не застыть печатающей головке.

Со строительством зданий и сооружений несколько сложнее. Их можно возводить двумя способами:

  • собрать из напечатанных блоков;
  • напечатать на месте с помощью полевого 3D принтера.

В первом случае печатаются отдельные элементы, а затем собираются на месте точно также, как складывают дом из кирпича или пеноблоков. Во втором, необходимо подготовить площадку и установить оборудование, а потом – машина сама возводит стены. Кстати, уже во время печати можно установить вводные и выводные трубы и электропроводу. Таким образом, не нужно будет сверлить дырки в стенах.

В зависимости от региона, климатической зоны и прочих моментов, стены здания, возведённые по аддитивной технологии, могут использоваться в качестве несъёмной опалубки. Т.е. печатается внутренняя и внешняя стена, устанавливается арматура и в полости заливается тарный бетон. Но можно и просто заполнить пустоты изоляционным материалом, утеплителем.

По окончании работ печатающую головку необходимо достать из принтера и тщательно промыть.

Видео обзоры с реальной работой принтеров

Среди используемых строительных 3Д принтеров наибольшую известность приобрело оборудование китайских, американских и голландских производителей. Особенности и возможности каждого из них можно узнать из соответствующих видео обзоров.

WinSun (КНР). Лидер среди 3Д принтеров. Габариты оборудования по длине, ширине и высоте соответствуют 150Х10Х6 метров. При печати может использовать строительные отходы, представленные стеклом, сталью, цементом. Дебютировал в 2014 году при возведении десяти жилых домов. По сравнению с традиционным строительством WinSun уменьшает трудозатраты на 80%, расход материалов на 60%, а возводимые объекты обходятся вдвое дешевле. Видео:

ProTo R 3Dp (Нидерланды). Детище голландской компании CyBe Additive Industries. Отлично справляется с созданием сложных геометрических форм. В качестве расходного материала использует оригинальный раствор CyBe MORTAR, отвердевающий за несколько минут и готовый к вторичной переработке. Выделяется высокой скоростью и экологичностью процесса. Видео:

Не менее интересные проекты представлены французским принтером Batiprint3D, американским DCP и словенским BetAbram.

Видео, как работает 3D принтер в условиях зимы.

Это видео демонстрирует процесс печати бюджетных домов, напечатанных на 3D принтере

Дополнительные направления развития технологии строительной 3D печати

Получило развитие строительство металлического моста с использованием трехмерного принтера. Видео, как роботизированный 3D принтер, строит мост! Будущее ближе, чем мы думаем!

Появилась возможность использовать строительные принтеры с применением материалов для строительства из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Эти материалы могут быть похожими на кирпич или мрамор по желанию заказчика.

При благоустройстве жилых комплексов или городов требуется принтеры для создания малых архитектурных форм и детских площадок. Такие небольшие принтеры стоят дешевле даже автомобиля среднего сегмента.

Подведем итоги

Технология 3D-печати в строительстве — инновационная и трендовая, но пока имеет мало общего с практикой. Потенциально это способ быстро строить невероятно дешевые дома любой формы, хоть самой футуристичной. В реальности эта технология пока применяется единично, поскольку даже просто покупка строительного  3D-принтера — это огромные инвестиции. А отсутствие упоминаний этой технологии в нормативах и вовсе делает практически невозможным ввод таких зданий в эксплуатацию.

Adblock
detector