3D-печать в строительстве: прочный и комфортный дом возводится с нуля за неделю

На 3D-принтерах сегодня можно печатать как жилые, так и нежилые постройки. Речь идет не только о миниатюрных летних домиках, но и о многоэтажных конструкциях, пригодных для круглогодичного проживания. Их изготавливают на основе бетона, поэтому по своим техническим характеристикам они почти идентичны стандартному жилью. С помощью 3D можно создавать здания необычной формы и конфигурации, воплощать в жизнь самые авангардные дизайнерские решения. Это намного проще и дешевле, чем пытаться реализовать ту же задумку по традиционной строительной технологии.

Основные перспективы 3D-печати в строительстве относятся к двум направлениям. Первое — это экономически рациональное создание уникальных построек по авторским проектам. Второе — это обеспечение малоимущих слоев населения долговечным, экологичным, удобным жильем с минимальными финансовыми вложениями. К сожалению, развитию обоих этих направлений сегодня препятствует отсутствие законодательной базы для 3D-строительства. В отсутствие единых для всей отрасли стандартов и нормативов эта технология не может стать по-настоящему массовой. В этой статье будет дан обзор уже реализованных проектов 3D-строительства, описаны нюансы строительных смесей и принтеров, а также перечислены объективные плюсы и минусы данной технологии.

• Технологии строительных 3D-принтеров
• Типы строительных 3D-принтеров
  • XYZ-принтеры
  • Дельта
  • Роботы
  • D-Shape
• Строительные смеси
• Примеры домов, напечатанных на строительном 3D-принтере
  • АМТ «Спецавиа»
  • Apis Cor
  • Winsun
  • CyBe Construction
  • D-Shape
  • BatiPrint
  • WASP
  • Contour Crafting
• Плюсы и минусы
  • Плюсы
  • Минусы
• Заключение

Технологии строительных 3D-принтеров

Строительные 3D-принтеры оснащены экструдерами, из которых выдавливается бетон и укладывается послойно, формируя внешние и внутренние стены будущего здания. Чертеж здания предварительно разрабатывается в виде трехмерной модели в компьютерной CAD-программе. Чтобы придать бетону необходимую жидкую консистенцию, его смешивают с водой и добавками. Полученную смесь под давлением подают в шланг, подсоединенный к головке принтера. Из головки материал поступает на предыдущие напечатанные слои или непосредственно на строительную площадку.

Если сравнивать с обычным строительным бетоном, материал для 3D-строительства по своим характеристикам будет больше всего напоминает марку М50. Чтобы придать ему дополнительную прочность, стены постройки армируют. С этой целью в раствор добавляют фиброволокно либо укладывают в стены стекловолоконную арматуру.

 ВНИМАНИЕ : Стены готовой постройки не будут идеально гладкими. Живым строителям придется выровнять их, оштукатурить, выполнить облицовку.

3D-печать не слишком удобна для создания длинноразмерных конструкций. В отсутствие законодательства, которое регламентировало бы ее применение для поточной застройки, эта технология будет использоваться в первую очередь для создания:

• беседок;
• ландшафтных построек;
• клумб и скамеек;
• небольших мостов;
• дачных домиков;
• детских городков;
• гаражей;
• построек хозяйственного предназначения.

Этого уровень среднего и малого 3D-предпринимательства, но не крупных городских застройщиков.

 ВНИМАНИЕ : Площадка для 3D-строительства должна быть безупречно ровной. Это требуется и для укладки направляющих рельсов, и для обеспечения их последующей параллельности.

Типы строительных 3D-принтеров

XYZ-принтеры

Такие устройства известны также под названием портальных. Это рамы, по осям XY у которых перемещается печатная головка. Чтобы подвесить головку к раме, задействуют порталы (обычно их три). Для перемещения порталов используют высокоточные шаговые двигатели.

Используют XYZ-принтеры тремя способами:

1. Если постройка компактная, ее можно распечатать целиком.
2. Если постройка большая, принтер поставят в цех, и он будет печатать компоненты постройки по отдельности.
3. Если поместить принтер внутрь возводимой постройки, он сможет распечатать для нее внутренние стены.

Дельта

Дельта-принтеры способны создавать более изощренные объекты, если сравнивать с XYZ-устройствами. Они не привязаны к трехмерным направляющим. Их печатающие головки висят на тонких рычагах, закрепленных за вертикальные направляющие.

Роботы

Принтеры этой разновидности представляют собой роботов-манипуляторов промышленного типа. Они оснащены экструдерами, управляет ими компьютер.

D-Shape

Аппараты D-Shape выделены в отдельную категорию по объективной причине: их филамент представляет собой не раствор, а сухой порошковый материал. Филамент укладывается послойно с желаемой толщиной и уплотняется, потом его пропитывают связующей субстанцией из сопла принтера. Затем с готового элемента снимают излишнее сырье.

Строительные смеси

3D-печать в строительстве производится на основе бетона. При прохождении материала через экструдер могут возникать трудности, поэтому консистенция бетона должна быть такой, чтобы он не растекался и ложился равномерными слоями. Материал должен быстро схватываться, чтобы сохранять форму — однако если процесс будет происходить на слишком высокой скорости, накладываемые слои утратят химическую активность и не сформируют в месте соприкосновения единую структуру. Кроме того, если бетон начнет схватываться чересчур быстро, он забьет сопло, и принтер выйдет из строя. Прочность бетона повышается за счет добавления пластифицирующих веществ. Благодаря им смесь становится более подвижной, водоцементное отношение уменьшается.

 ВНИМАНИЕ : Для 3D-печати применяют не тот же самый бетон, что для традиционного строительства. В 3D нужны мелкозернистые смеси, которые каждое предприятие изготавливает по собственной рецептуре. При составлении рецептуры учитывается специфика целевых объектов, а также нюансы конструкции принтера и его сопла.

Примеры домов, напечатанных на строительном 3D-принтере

Дома, распечатанные по 3D-технологии, уже возведены во многих странах мира: России, Китае, США, ОАЭ. Вот несколько наиболее ярких тому примеров.

АМТ «Спецавиа»

Это ярославское предприятие сначала специализировалось на производстве ЧПУ-станков, а теперь переориентировалось на разработку строительных 3D-принтеров. Визитной карточкой этой компании стала постройка для охранников Екатеринбургского цементного завода, стилизованная под замок Винтерфелл из «Игры престолов». Первый объект недвижимости площадью 165 кв. м АМТ распечатали в 2015 году: часть конструкции создавалась на площадке, а часть поставлялась с завода в разобранном состоянии.

Apis Cor

Иркутское предприятие Apis Cor пользуется любопытной технологией: печатная головка размещена на телескопической штанге, которая регулируется по высоте и размещается на поворотной платформе. Такая установка печатает из гипсовой смеси стены вокруг себя. После завершения работ принтер легко транспортировать на новую строительную площадку с помощью обычного подъемного крана. В 2019 году компания возвела в Дубае дом площадью 640 кв. м, для чего потребовалось 500 часов работы принтера. В Ступино аналогичная постройка была возведена для демонстрационных целей, не для проживания.

Winsun

Китайская компания Winsun присутствует на рынке с 2003 года и успела за это время зарегистрировать 225 национальных патентов. Прагматичная цель ее такова: обеспечить доступным жильем малоимущие слои населения, вдвое сократить строительные издержки и за счет применения экологичных материалов добиться того, чтобы в китайских городах не стояла дымка смога.

В 2014 году Winsun сделали амбициозное заявление о том, что готовы напечатать 10 жилых домов за 10 суток. В итоге они действительно возвели 10 домов площадью 200 кв. м и стоимостью всего $4 800 каждый. Конфигурация у домиков была самая примитивная, но в них можно было заселяться.

В 2015 году в промышленном парке в Сучжоу Winsun реализовали более сложные 3D-проекты: уютный особняк площадью 1 100 кв. м и пятиэтажный жилой дом. Габариты принтера, который использовался для этих работ, составили 6 × 10 × 40 м. Блоки печатались по отдельности, а затем монтировались в цельную конструкцию. Для производства строительной смеси задействовали строительные и промышленные отходы, стеклопластик, песок, цемент и специализированный отвердитель. И стройматериалов, и времени потребовалось в 3 раза меньше, чем на возведение построек по традиционной технологии, а состав строительной бригады уменьшился в 5 раз.

CyBe Construction

В 2019 году к этой голландской компании обратились клиенты из ОАЭ. Они хотели бы, чтобы к 2025 году 25 % всех новых зданий в Дубае возводились по 3D-технологии. Первое в мире офисное здание, построенное в 3D, находится именно в Дубае. CyBe Construction пригласили продемонстрировать свои возможности в парке SRTI — исследовательском центре, специализирующемся на водных технологиях, возобновляемых источниках энергии, экологических технологиях, цифровизации, промышленном дизайне 4.0, мобильности и умных городах. Строительный 3D-принтер CyBe Construction работает со скоростью до 600 мм/с и создает все несущие конструкции для здания менее чем за час. Он может выполнять опалубку, стены, канализационные ямы, полы.

D-Shape

Как уже упоминалось выше, печатная технология D-Shape несколько отличается от остальных. Она задействует метод стереолитографии, а в качестве филамента выступает песок с неорганическим связующим составом. По своему внешнему виду такой материал напоминает мрамор, а по прочности и долговечности превосходит и железобетон, и каменную кладку. Для полного высыхания смеси достаточно лишь 24 часов. Уже в 2012 году компания заявляла о готовности распечатывать двухэтажные здания с внутрикомнатными стенами, лестницами, трубопроводами, сводчатой крышей, колоннами и прочими элементами. Приоритетом развития D-Shape считают создание домов нестандартной формы, которым не страшны ураганы, землетрясения и прочие стихийные бедствия.

BatiPrint

В 2017 году на Неделе дизайна в Нанте (Франция) компания BatiPrint распечатала жилой дом под названием Yhnova House. Этот социальный проект был разработан учеными из Нантского университета. Сначала его открыли для просмотра и посещений, а затем в дом заселились люди. Площадь Yhnova House составляет 95 кв. м, в нем 5 комнат. Постройка является энергоэффективной, поэтому счета за услуги ЖКХ у ее обитателей ниже, чем у жителей обычных домов. BatiPrint задействовали для печати руку робота, направляемую лазером. Процесс строительства не зависел от капризов погоды, для постройки не потребовалось возводить леса. Создатели проекта особенно акцентировали внимание на том, что отходов и вреда для экологии от него было намного меньше, чем при традиционном строительстве.

WASP

Итальянцы WASP в сотрудничестве с архитекторами из Mario Cucinella Architects возвели в Болонье необычные жилые дома легко узнаваемой скругленной формы. Этот проект получил название Tecla. Для строительства домов задействовали вторсырье и XYZ-принтер под названием Crane. Ранее компания распечатала дом GAIA, созданный в буквальном смысле из сырой земли. Строители руководствуются принципом «нулевого километра» — им важно, чтобы стройматериалы были местного происхождения, и их не приходилось бы везти из других регионов или стран.

Само название бренда WASP переводится как «оса». Его команда черпает вдохновение у природы и стремится в первую очередь к экологичности и энергоэффективности. Компания ставит своей задачей возведение не отдельных построек, а экопоселков, призванных решить проблему перенаселения планеты и дефицита традиционных ресурсов. В основу планировки таких поселков положены пчелиные соты. Несмотря на то что постройки от WASP внешне напоминают летние домики, они рассчитаны на круглогодичную эксплуатацию.

Contour Crafting

Американская компания Contour Crafting обладает более чем 100 патентами и рассматривает скорость строительства как основной приоритет. На строительство одного дома она планирует тратить менее недели, а заселяться туда можно через 2–5 дней после завершения строительства. 3D-принтер от Contour Crafting весит всего 360 кг, а стандартный радиус его действия составляет 12 м и допускает возможность увеличения. По заявлению представителей компании, их технология более перспективна, чем та, что используют в Winsun. Китайцы сочетают 3D-технологии с традиционным подходом, а Contour Crafting стремится полностью автоматизировать процесс, тем самым максимально ускорив и удешевив его. Дом не придется собирать по частям: принтер послойно возведет его из цемента прямо на строительной площадке.

Плюсы и минусы

Темпы развития 3D-технологий позволяют предположить, что недостатки, с которыми строителям пока приходится мириться, будут преодолены в самом ближайшем времени.

Плюсы

• Постройку с оригинальным дизайном гораздо проще и дешевле напечатать в 3D, чем выстроить по традиционным технологиям.
• 3D-печать позволяет воплотить в жизнь практически любые фантазии архитекторов и дизайнеров.
• Процесс печати происходит быстро и точно. Принтер безошибочно переносит все детали проекта в материальную реальность. Если что-то пошло не так — значит, в проекте была ошибка либо попался некачественный филамент.
• Потребность в человеческом труде практически отпадает.
• От строительства остается меньше мусора и отходов. Все компоненты распечатываются точно в нужном количестве под конкретный проект. Если какие-то компоненты по непредвиденным причинам остались неиспользованными, их можно утилизировать (то есть изготовить из них новый филамент).
• Строительный процесс создает ощутимо меньше рисков и угроз как для людей, так и для окружающей среды.

Минусы

• Живые строители, производители традиционных строительных материалов, предприятия по аренде строительной техники остаются без работы.
• Тем живым работникам, которые все-таки будут задействованы в процессе, придется срочно получать новые навыки и повышать квалификацию.
• Сегодня многие принтеры способны печатать только на одном типе филамента.
• Выбор строительных филаментов ограничен.
• С хранением и транспортировкой принтеров с одной строительной площадки на другую могут возникать проблемы.
• Разработку моделей для печати зданий можно доверять только экспертам, которых пока крайне мало. Недостаток знаний или опыта может привести к обрушению конструкции и прочим малоприятным последствиям.
• Сборка готовых компонентов на месте в ряде случаев может оказаться такой же длительной, как и строительство по традиционной технологии.
• Современное законодательство недостаточно совершенно для того, чтобы поставить 3D-строительство на поток.

3D-технологии уже сейчас позволяют строить комфортные жилые дома для круглогодичного проживания. Это могут быть как компактные домики с минимальной площадью и стоимостью, так и просторные особняки и пятиэтажные многоквартирные дома. С технологической точки зрения эти объекты такие же прочные и долговечные, как их аналоги, возведенные по традиционным технологиям.

Более того, они более экологичны и энергоэффективны, а затраты на их производство существенно ниже (и по расходу материалов, и по затраченному времени и труду). Однако на поток 3D-строительство пока что не может быть поставлено ввиду отсутствия соответствующего законодательства.

Сегодня строительство в 3D вынуждено ограничиваться локальными проектами от малого и среднего бизнеса. В перспективе эта технология поможет решить проблему перенаселения планеты, нехватки социального жилья и доступных ресурсов. Кроме того, 3D-печать позволяет воплотить в жизнь практически любые фантазии архитекторов и дизайнеров.