16 октября 2016г.
Примерно с середины 2000-х годов параллельно друг с другом в различных университетах мира начались исследования, ориентированные на изучение возможности применения 3D печати в строительной сфере. В 2012 году профессор Берох Кошневис из университета Южной Калифорнии провел презентацию своего инновационного проекта – строительство домов с помощью 3D принтера. Это – устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Для печати зданий и сооружений Кошневис предложил использовать послойный метод создания, который он назвал Контурной обработкой. 3D-принтер в строительстве – это роботизация производства, своего рода конвейер. На данный момент уже появились 3D принтеры для строительства домов в натуральную величину. Они имеют внушительные размеры и высокую стоимость, работают с различными строительными материалами, такими как цемент, гипс и другие. На данный момент строительные 3D принтеры находится в стадии разработки и те модели, которые имеются в настоящее время, являются экспериментальными моделями. Однако, не смотря на это, такие устройства имеют достаточно большие перспективы.
Современные модели 3D принтеров размещаются на рельсах по обе стороны здания. На сегодняшний день максимальная высота печатающей головки достигает 6 метров, что равняется высоте обычного двухэтажного дома. Для транспортировки принтера необходим специальный тягач, а для установки на рельсы в месте применения потребуется кран.
Стоит отметить, что для того, чтобы построить здание при помощи строительного 3Д принтера в первую очередь необходимо подготовить площадь, залить фундамент будущего здания и разровнять окружающую местность, чтобы сам принтер стоял максимального ровно. Только после этого можно устанавливать сам принтер.
Главное отличие 3D принтера от любого другого промышленного робота в способе создания продукции. В частности, строительный 3D принтер имеет сопло или экструдер и выдавливает из него быстротвердеющую рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие, называется рабочей зоной и имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла. Причем опалубки не требуется. То есть, строительная машина объемной печати декларируется как самодостаточный механизм, способный, при подключении электроэнергии, буквально на голом месте создать готовое здание.
Известно о трех способах создания объемной конструкции:
1. Послойное эктрудирование вязкой рабочей смеси.
Этот метод используют большинство строительных принтеров. Он заключается в том, что 3D механизм имеет экструдер или же сопло из которого выдавливается быстро затвердевающая бетонная смесь, в которую включено множество различных добавок. Каждый очередной слой выдавливается 3D принтером поверх предыдущего , благодаря чему формируется определенная конструкция.
2. Метод спекания/селективное спекание.
При этой технологии в рабочей зоне 3D машины происходит расплавление рабочей смеси, причем плавление достигается, применительно к строительству, сконцентрированным лазером или солнечным лучом, а рабочей смесью выступает обычный песок.
3. Метод напыления/ компонентной склейки.
При этом способе из рабочего сопла выходит струя песка, которая тут же смешивается с клеящим составом/катализатором, образуя объем в программно заданной точке.
Методы спекания и напыления экологически безвредны, так как используется солнечная энергия.
Существуют два вида конструкций –в виде мостового крана и в виде стрелы- манипулятора. Интересную концепцию, основанную на идее подачи рабочей смеси под высоким давлением в 3D-принтер, имеющий довольно изящную мостовую конструкцию, предложил промышленный дизайнер Себастьян Бернар.
Технологии 3D печати имеют довольно большой ряд преимуществ . Например, Строительные 3D принтеры могут позволить застраивать территории в рекордно короткие сроки, создавая целые улицы и кварталы за считанные месяцы. При этом весь процесс будет требовать значительно меньше финансовых затрат, нежели строительство традиционными методами. Еще одно не маловажное преимущество заключается в том, что в процессе строительства до минимума уменьшается влияние человеческого фактора. Ведь количество операций выполняемых принтером может составлять более 90% от обычно выполняемых работ человеком на стройке. Благодаря этому обеспечивается максимальная точность и непрерывность строительного процесса, которая ведет за собой меньшие сроки строительства, а значит и меньшие финансовые затраты. 3D принтер способен работать 24 часа в сутки и 7 дней в неделю, рабочим нужно лишь следить за устройством и по окончанию работ вставить двери и окна в заранее отлитые проемы.
Но, не смотря на все это, широкому применению 3D принтеров в строительстве пока препятствует несколько факторов:
1. В качестве рабочей смеси нельзя применять бетоны, требующие виброобработки, т.к. из- за невозможности использования соответствующих установок значительно снижается прочность материала. Требуется высокая скорость схватывания и твердения смеси. Невозможно бесконечно усиливать действие ускорителя без опасности ухудшения качества. Решением может быть разработка новых/глубокая модификация видов строительных материалов. На данный момент такие составы бетонной смеси слишком дороги для производства .
2. Нет отработанной технологии по установке арматуры, т.к. вертикально устанавливаемые стержни мешают принтеру свободно перемещаться над слоями на нужной высоте. В качестве арматуры может быть применена инновационная технология тканных объемно-сетчатых каркасов. Предлагается соединять арматуру на штифтах, свинчивать и пр. Возможно, проблема армирования будет решена применением двух роботов сразу: один монтирует арматуру, другой укладывает смесь.
3.Невозможность виброобработки. При монолитном и при блочно –панельном строительстве применяется виброобработка для удаления воздуха и воздушных пустот из бетона. Благодаря этому железобетон имеет очень высокую прочность. Но в случае с 3D строительством из-за отсутствия опалубки и краткосрочного размещения поддерживающих формовочных лопаток в контакте с бетонным раствором виброобработка практически невозможна. В результате построенное здание или сооружение по данной технологи е простоит долго.
4. Технология заливки осуществляется волнами, в которых остаётся воздушная прослойка, что по заявлению инженеров компании Contour Crafting обеспечивает необходимую степень утепления дома, но, подобный способ годится лишь для умеренного климата. В более холодных странах дом, созданный по подобной технологии, потребует дополнительного утепления.
5.И одним из самых существенных ограничений является то, что бетон, используемый при контурной заливке, застывает лишь при плюсовой температуре, что сводит на нет возможность использования подобных 3D принтеров зимой или в холодном климате.
6. Существует ограничение возводимых зданий по высоте. Они должны быть не более четырёх этажей. Из-за того что в конструкции здания используется специальный облегченный арматурный каркас, который укладывается лишь в процессе заливки бетона. Это сильно снижает прочность здания.
Подведя итого можно сказать, что эта технология имеет огромный потенциал в развитии, но требует существенных доработок и дополнительных финансовых вложений. И пока оправдывает себя лишь при стационарном, промышленном и поточном производстве сложных бетонных изделий, пригодных для строительства быстровозводимых домов по принципу конструктора.
Список литературы
1. Зотов, С.П/Технология 3d-печати зданий и отдельных архитектурных форм/Зотов, С.П., Мензулов, Л.А., Вартанов, О.С
2. Обзорная статья по 3D-строительным технологиям[Электронный ресурс]https://geektimes.ru
3. Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки,образования и устойчивого развития. E. Canessa, C. Fonda и M. Zennaro
