3D-печать зданий: технологии, материалы и перспективы строительного рынка

Прогрессивные технологии занимают все большее место в привычных отраслях производства. Казалось бы, что нового можно придумать в таком сложившемся веками сегменте как строительство? Но научный прогресс не стоит на месте, и появление 3D-печати во многом изменило взгляд на производство. Уже не вызывает вопросов появление на рынке одежды, напечатанной на 3D-принтере. С помощью этой технологии создают пластиковые детали и даже еду. 

Постепенно 3D-печать стала проникать и в более тяжелые отрасли промышленности. Прежде всего стоит отметить, что создание любого предмета посредством печати на 3D-принтере отличается особой точностью по совпадению с макетом, созданным в компьютерной программе. Это позволяет воплотить в жизнь самые смелые мечты архитекторов. В чем заключается суть применения 3D-печати в строительстве, рассмотрим в этой статье. 

Технологические особенности 3D-печати зданий и применяемые материалы 

Любое производство, организованное с применением 3D-принтеров, относится к аддитивным технологиям, то есть, по сути, создание объекта состоит из послойного добавления материала, по электронной модели. 

Аддитивное производство отличается рядом преимуществ: 

• значительное сокращение сроков производства (то есть возведения зданий);
• возможность создания строений уникальной формы;
• строительство по шаблону (то есть электронная модель может быть широко растиражирована);
• экологичность производственного процесса. 

Любая технология, в особенности инновационная, требует применения специальных материалов. В пилотных проектах, направленных на внедрение 3D-печати в строительство, используются бетонные смеси, геополимеры и композитные материалы. 

В случае, когда в процессе возведения зданий используются бетонные смеси, применяется экструдирование – послойное нанесение быстротвердеющей бетонной смеси с различными пластифицирующими добавками из рабочего сопла экструдера или сопла 3D-машины. Этот способ был изобретен американским профессором Б. Хоншевисом в 2012 г. 

Основным материалом для такой технологии строительства является специальный мелкозернистый бетон, произведенный по специальной рецептуре с учетом особенностей здания. Для повышения прочности и придания подвижности в бетон добавляют пластификаторы. В некоторых случаях применяется смесь бетона со стекловолокном, измельченным пластиком из отходов, полимерной фиброй и целлюлозой. 

Особое внимание уделяется густоте смеси, ведь важно, чтобы она легко проходила сквозь сопло и в то же время достаточно быстро застывала для сохранения формы объекта. Несомненным преимуществом использования бетонных смесей является их прочность и низкая цена в сравнении с другими материалами. Недостатком – скрупулезное соблюдение рецептуры состава, так как малейшее нарушение может привести к поломке дорогостоящего оборудования. 

Второй метод 3D-печати, используемый в строительстве, – спекание. В этом случае используются геополимеры (чаще всего – кварцевый песок), которые расплавляются под воздействием лазерного луча и принимают нужную форму. Такой метод строительства более сложен, но и более экологичен, так как после затвердения материал не выделяет вредных химических соединений. 

Использование композитных материалов происходит в обратном порядке. Напыление (или стереолитография) подразумевает нахождение жидкого фотополимера в специальной форме. А затем он послойно отверждается под воздействием лазерного луча. При этом луч движется по заданной траектории. После обработки одного слоя, форма опускается на шаг, и процедура повторяется. Здания из композитных материалов одновременно и легкие, и прочные, при этом можно создавать сложные архитектурные формы. 

Все большую популярность в инновационных методах строительства приобретает использование альтернативных материалов – биопластика, сделанного из возобновляемых на 100% растительных полимеров или переработанной пластмассы. Причем, если форма не получилась, пластик можно измельчить и вернуть в принтер. 

Оборудование для 3D-печати зданий и сооружений

Среди оборудования для 3D печати принтеров различают три типа: 

• портальные 3D-принтеры;
• устройства типа «дельта»;
• роботизированные принтеры. 

Портальные 3D-принтеры состоят из рамы, трех порталов и печатающего сопла. Если здание целиком вмещается в арку принтера, его можно печатать целиком. Если требуется конструкция больших масштабов, можно напечатать ее по частям. 

Устройства типа «дельта» предназначены для печати более сложных фигур, так как печатающая головка помещена на рычагах, закрепленных на вертикальных направляющих. 

Роботизированные принтеры – это один робот или группа роботов, напоминающих промышленные манипуляторы. На каждом роботе расположен экструдер, а управляются они головным компьютером. 

По степени мобильности 3D-принтеры подразделяют на: 

• полностью мобильные – такие устройства доставляются на объект, их установка занимает не более часа. Такие системы способны вращаться вокруг своей оси и печатать как внутренние поверхности, так и внешние.
• мобильные портальные принтеры – такие устройства перемещаются по строительной площадке при помощи гусениц, их монтаж занимает как правило несколько дней.
• немобильные строительные принтеры располагаются на статичной площадке, покрывающей основание здания целиком, к такому типу относится большая часть всех применяемых в строительстве 3D-принтеров. Их можно использовать для строительства достаточно крупных объектов. 

При эксплуатации и выборе моделей строительных принтеров прежде всего обращают внимание на точность печати. В отличие от традиционных способов строительства, при правильном расчете CAD-модели пользователь строительного принтера получает в итоге максимально приближенные к модели объект. Это позволяет в короткие сроки изготавливать максимально точные и идеально ровные несущие и опорные конструкции, стены здания. 

За счет высокой степени автоматизации и исключение ручного труда процесс возведения зданий значительно быстрее, чем при использовании традиционных технологий. К тому же сам процесс интерактивного проектирования значительно сокращает сроки работ. 

Еще одним преимуществом 3D-принтеров для строительства является возможность использования различных материалов. В процессе строительства можно использовать бетон, металл, пластик и прочие материалы, которые можно наносить послойно. По мере застывания они формируют готовую конструкцию. 

Ведущие производители 3D-оборудования для строительства 

В Китае 3D-строительство популяризуется уже достаточно давно. Еще в 2014 г. компания Winsun из Шанхая в качестве рекламной акции возвела 10 печатных зданий за сутки (на самом деле имел место некий фейк, так как дома печатались не на самых объектах, а были собраны из заранее напечатанных блоков, без арматуры, коммуникаций и отделки, только с остеклением окон). 

В Нидерландах ведущей строительной компанией, применяющей 3D-технологии, является CyBe Construction. Помимо непосредственно возведения зданий фирма производит материалы для печати и два вида строительных принтеров. 

Французский проект Nantes Digital Sciences Laboratory, организованный совместно с университетом Нанта недавно выпустил на рынок принтер Yhnova. 

Изобретение самого крупного строительного принтера принадлежит итальянской компании WASP. Огромный дельта-бот в высоту составляет 12 метров, в ширину 7 метров. Кроме того, он оснащен рычагами длиной 6 м. 

Но не стоит думать, что только иностранные производители держат первенство по разработке строительных принтеров. В России успешно себя зарекомендовали такие компании, как АМТ (входит в ГК «АМТ-Спецавиа»), в ее арсенале 7 видов 3D-принтеров различных габаритов, «Апис Кор Инжиниринг» (Apis Cor) — разработчик уникального мобильного строительного 3D-принтера, который печатает дом целиком на месте строительства, «Лерто». 

Производители строительной техники считают это направление перспективным.

Преимущества и ограничения 3D-печати в строительстве 

Использование 3D-печати в строительстве – достаточно новое направление, имеющее как преимущества перед традиционными способами возведения объектов, так и свои недостатки. Среди положительных аспектов стоит отметить экономию за счет снижения использования стройматериалов на 60% и снижение затрат на рабочую силу до 50-80%. Несомненным плюсом является экологичность строительства, так как при 3D-печати практически не образуется отходов. Третий позитивный фактор – скорость. При использовании строительных принтеров процесс ускоряется на 50-70%. И конечно 3D-печать необходима там, где проект подразумевает сложные архитектурные формы. 

Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. Тормозит процесс внедрения передовых технологий нестабильная система логистики (а любая задержка в поставке материалов при использовании 3D-печати может обернуться настоящей катастрофой). Определенные сложности возникают при транспортировке строительного принтера и его хранении на стройплощадке. 

Консервативные застройщики неохотно идут на внедрение новшеств, предпочитая использовать проверенные стройматериалы и спецтехнику. К тому же 3D-печать вносит определенные коррективы в размеры возводимых конструкций – есть ограничения по высоте и размеру. 

Еще одним препятствием для внедрения технологии 3D-печати в строительстве в России является отсутствие четкой законодательно-нормативной базы для этого способа возведения зданий. Поэтому в качестве примеров реализованных объектов можно привести несколько зданий за рубежом. Это: 

• Project Milestone – жилой дом и Мини-дом из биопластика в Нидерландах;
• Арт-павильон от MEAN в Дубай;
• Дом Tecla в Италии. 

В России жилые дома, возводимые при помощи строительных принтеров, ограничены сектором частного строительства, из наиболее значимых объектов можно отметить: 

• Дом «АМТ-Спецавиа» в Ярославле – административное здание площадью 298,5 м2.
• Дом от ГК «ПИК» и Apis Cor в Ступине;
• Жилой двухэтажный дом в Подмосковье от застройщика «3D-строй». 

Перспективы развития 3D-строительства

Исходя из вышеперечисленных преимуществ можно предположить, что 3D-принтеринг зданий и сооружений – одно из самых перспективных направлений в строительной индустрии. Такой способ возведения строений дает огромный простор для фантазии архитекторов и дизайнеров, так как есть возможность использования разнообразных материалов. 

Как показала практика, уже сейчас в России есть достойные производители строительных принтеров, а довольно доступная цена – порядка 4,6 млн руб. для среднего мобильного 3D-принтера – позволяет предположить рост интереса застройщиков к такому виду спецтехники, особенно в секторе малоэтажного строительства. 

Однако не следует забывать, что в РФ остаточно много законодательно установленных нормативов, регулирующих строительную деятельность и пока не будут введены новые стандарты ожидать бума в 3D-строительстве не стоит. 

Любая передовая технология требует тщательной проверки в реальных условиях. Даже самые оптимистичные прогнозы о перспективах 3D-печати в строительстве сталкиваются с суровой российской действительностью – сложными климатическими условиями и осторожностью строительного рынка. Внедрение строительных 3D-принтеров будет постепенным процессом, измеряемым десятилетиями, а не годами.