Печать домов на 3D-принтере в России, Китае и других странах
Серийная 3D-печать зданий становится реальностью в быстро развивающейся строительной индустрии, и в этой статье мы покажем проекты домов и других строений, напечатанных на промышленных 3D-принтерах в РФ, Китае и других странах. В статье представлены фото и видео 3D-печати домов с сайтов производителей и из других источников, описание технологий строительной печати и информация о занимающихся ею компаниях.
Робот MIT (Массачусетского технологического института) печатает купол за 13 часов. Пример 3D-принтера с полярной схемой работы.
О видах строительных 3D-принтеров читайте далее.
Содержание:
Технология
На фото: робот проекта Minibuilders, созданного студентами Института продвинутой архитектуры Каталонии (IAAC). Суть проекта — печать крупных конструкций компанией слаженно работающих маленьких роботов. Коммерчески не используется и в строительстве крупных зданий опробован не был, потому идет вне классификации, но идея заслуживает внимания.
Прежде, чем перейти к списку компаний, расскажем о технологии строительства. Принцип работы заключается в экструзии (выдавливании) бетона, слой за слоем, по заданной трехмерной компьютерной модели. С помощью комплекса подготовки и подачи строительной смеси, бетон смешивается с водой и другими добавками и закачивается в шланг. Шланг подсоединен к головке принтера. Под давлением насоса бетон подается к головке принтера, смесь выходит из сопла принтера и наносится на поверхность площадки или предыдущие напечатанные слои.
Типы строительных 3D-принтеров
Для постройки здания нужна готовая 3D-модель, быстротвердеющий бетон и строительная площадка, которую достаточно разровнять стандартной строительной техникой. Большинство из 3D-принтеров печатают по единому принципу – путем наслоения бетонной смеси, выдавливаемой из сопла экструдера. Есть исключения, такие как принтеры D-Shape, которые печатают наслоением порошкового материала с последующим связыванием по всей ширине установки.
Строительные 3D-принтеры разнообразны — это машины и с полярной схемой работы (вращающиеся 3D-принтеры), и дельта-принтеры, и основанные на роботах-манипуляторах. Пригодные сегодня к экструдированию бетонные смеси позволяют печатать элементы различной сложности и размера — от малых архитектурных форм, типа клумб и скамеек, до целых зданий, мостов и даже небоскребов, потому и принтеры отличаются не только устройством, но и масштабами.
Различают несколько видов строительных принтеров:
XYZ-принтеры (портальные)
Оборудование представляет собой раму, по которой движется головка, по осям ХУ. Для подвески печатной головки обычно используется три портала. Порталы перемещаются с помощью шаговых двигателей, обеспечивающих наибольшую точность. Они предназначены для печати зданий по частям — в цеху; и для печати внутренних стен, при установке принтера внутри возводимого здания. Небольшие строения, полностью умещающиеся под аркой принтера, печатаются целиком за один раз.
Дельта
Принтеры типа «дельта», в отличие от портальных установок, не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на тонких рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.
Роботы
Роботизированные принтеры-манипуляторы – робот или группа роботов типа промышленного манипулятора, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером. Частный случай принтера-робота — 3D-принтер с полярной схемой работы, который находится внутри строящегося здания, обычно — в центре. Примеры таких роботов: приведенный на гифке выше гусеничный аппарат из MIT и робот российской компании Apis Cor, о которых мы расскажем дальше.
D-Shape
Технические особенности делают из D-Shape отдельный класс строительных принтеров — он печатает не раствором, а сухим порошковым материалом, каждый слой которого укладывается на желаемую толщину и уплотняется, а затем пропитывается связующим веществом из сопел принтера. Завершенная деталь очищается от лишнего сырья.
Строительные смеси
Основным материалом для печати является бетон. 
Бетон для строительной печати должен подходить для экструзии через печатающую головку. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Сложность в том, что бетон должен укладываться правильными ровными слоями, не растекаясь, и схватываться достаточно быстро для сохранения формы, но не слишком быстро — накладываемые слои должны оставаться химически активными, чтобы образовывать единую структуру в месте соприкосновения. Снижение скорости схватывания важно и для сохранения работоспособности оборудования — сопло не должно забиваться затвердевающим бетоном.
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.
Примеры
АМТ
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.
Строительный 3D-принтер АМТ:
Начало печати дома в Ярославле:
Готовый 3D-печатный дом:
Этот дом в Ярославле — самое большое здание в Европе и СНГ, построенное с применением технологии 3D-печати. 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.
Видео с рассказом о технологии и работе принтера:
Апис Кор Инжиниринг
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.
После завершения печати дом стал выставочным объектом на промышленной площадке в Ступино.
Видео 3D-печати дома принтером Apis Cor:
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.
Одни из первых десяти домов компании, которые она напечатала в 2014 году. Каждый из них стоил немногим более 270 тыс. рублей.
Вилла WINSUN в Сучжоу (Китай)
Печать деталей для этого здания заняла у компании всего лишь один день, а строительство целиком — три дня. Участвовали в нем всего трое рабочих. Устройство заправлялось смесью цемента и строительных отходов, с добавлением специального отвердителя.
Пятиэтажный дом WINSUN в Сучжоу (Китай)
В процессе строительства 3D-принтер, специально разработанный компанией для этих целей, распечатал отдельные цельные блоки дома, которые собрали на месте, укрепили арматурой и дополнили изоляционными материалами.
Офисное здание в Дубае. В общей сложности, для строительства потребовалось 17 дней и $140 000.
D-Shape
D-Shape - это большой промышленный 3D-принтер, который может создавать большие строения. Один из наиболее необычных вариантов строительной 3D-печати, разработанный итальянским инженером Энрико Дини. В отличие от установок конкурентов, 3D-принтер D-Shape не использует позиционируемый по трем осям экструдер, а полагается на массив из 300 сопел, закрепленный на подвижной платформе. Рабочая площадь принтера, в текущей версии, составляет 6х6 метров.
Технология напоминает струйную печать, совокупность сопел используется для нанесения связующего агента на слои песка. Первая модель принтера, запатентованная в 2006 году, печатала эпоксидными смолами, но такой подход вызвал немало технических трудностей и больше не использовался. Новая версия, запатентованная в 2008 году, использует в качестве связующего вещества оксиды металлов и хлорид магния.
Принтер D-Shape и напечатанный им пешеходный мост в Испании.
Видео о компании и потенциале их метода печати:
CyBe Construction
CyBe Construction — компания из Нидерландов, применяющая 3D-печать в строительстве домов «под ключ». CyBe производит материал для печати MORTAR и два строительных 3D-принтера: CyBe RC 3Dp и CyBe R 3Dp.
Эти крупные промышленные 3D-принтеры требуют для работы двух операторов, но могут печатать большие строения всего за 20 минут, так как их скорость печати доходит до 200 мм/с. Диаметр экструдера и толщина слоя составляют по 30 мм. К устройству можно присоединить несколько экструзионных головок, тогда скорость увеличивается до 4000 мм/с.
Разработчики утверждают, что с помощью R 3Dp затраченное на возведение постройки время может быть уменьшено на 80%, благодаря единой системе проектирования, разработки и производства, а также благодаря раствору MORTAR, который отвердевает в течение нескольких минут. Состав держится в секрете.
Производитель также уверяет, что при использовании MORTAR в атмосферу выбрасывается на 32% меньше углекислого газа, по сравнению с обычным бетоном, что делает его более экологически чистым, и что данный материал подлежит полной вторичной переработке.
Сейчас компания занимается разработкой мобильного варианта 3D-принтера — RC 3Dp на гусеничном ходу. Разработчики предполагают, что с помощью данной модификации станет возможна, помимо прочего, печать высоких стен (до 4,5 м) и напорных канализационных труб.
3Dp может печатать опалубку, стены, полы и многое другое. Пример применения: дом, напечатанный в Саудовской Аравии по заказу местного Министерства жилья.
Следующий проект компании — первый 3D-печатный дом в Нидерландах.
Видео работы принтера:
BatiPrint
Университет Нанта, Франция, совместно с Nantes Digital Sciences Laboratory (LS2N), работает над проектом печати домов на 3D-принтере, известном как Yhnova.
Для проекта будет использоваться разработанный университетом метод Batiprint3D — 3D печать «изнутри». Опалубка из полиуретана печатается послойным распылением, а затем заливается бетоном.
Проект Yhnova представляет собой строительство пятикомнатного социального жилья с дугообразными стенами и скругленными углами, спроектированного архитектурной фирмой TICA. По словам разработчиков, Batiprint3D сократит время строительства, улучшит теплоизоляцию и снизит эксплуатационные расходы. Здание полностью сертифицировано. Роботизированная рука Batiprint3D может печатать структуры высотой до 7 метров, а площадь планируемого дома - 95 квадратных метров.
Роботизированная рука Batiprint3D
Напечатанный дом в Нанте
Видео о данном проекте:
WASP
Итальянский производитель WASP, проект компании Centro Sviluppo Progetti (Центр разработки проектов), создал крупнейший на сегодняшний день строительный 3D-принтер. Этот дельта-бот, высотой 12 метров и шириной 7 метров, имеет регулируемые рычаги длиной до 6 метров. Принтер называется BigDelta. Его применение направлено на устранение жилищного кризиса, путем создания более дешевых домов, что особенно актуально для развивающихся стран. Особенность проекта BigDelta — применение в строительстве прессованной соломы и земли, то есть — строительная 3D-печать с использованием природных материалов.
3D-принтер BigDelta - это огромный принтер, который может печатать большие здания.
В сентября 2018 года компания WASP реализовала проект Gaia в коммуне Масса-Ломбарда, Италия.
Площадь дома — 30 квадратных метров. Общая стоимость материалов: 900 €. Материалы: земля, солома, рисовая шелуха, известь. Это первый в мире 3D-печатный дом, при печати которого использовалась земля. Время строительства: 10 дней.
Видео процесса создания дома:
Contour Crafting
Contour Crafting развивает технологию 3D-печати созданную Берохом Хошневисом в Университете Южной Калифорнии. Вдохновленный потенциалом 3D-печати в быстром создании домов, Хошневис хочет использовать ее для восстановления городов пострадавших от стихийных бедствий.
Компания использует для 3D-печати зданий управляемый компьютером портальный кран с закрепленным на нем экструдером. В процессе Contour Crafting задействован быстросхватывающийся материал похожий на бетон, который наносится краном послойно. Технические элементы, такие как арматура и коммуникации, могут быть добавлены по мере создания слоев.
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.
На рисунке изображен один из перспективных проектов Технического университета Эйндховена, Нидерланды, по которому собираются возвести целый район жилых 3D-печатных домов. Напоминает инопланетный ландшафт из фантастического фильма, но скоро может стать реальностью.
Все права на фото и видеоматериалы принадлежат их владельцам.
Оставить комментарий