Аддитивное строительство что это такое
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Аддитивные технологии в строительстве: ожидания и перспективы
Аддитивные технологии, позволяющие синтезировать различные по сложности объемные объекты, становятся все более востребованными в самых разных отраслях, в том числе в строительстве. За последние четыре года в этой сфере произошел настоящий прорыв, люди научились печатать на 3D-принтерах сначала отдельные стены, потом гаражи и малоэтажные здания, а затем и более масштабные проекты. Какое будущее ждет эти технологии, зачем они нужны миру, завоюют ли они российский рынок – размышляют эксперты. Стремительное развитие в области 3D-печати бетоном началось в 2014 году, когда шанхайская компания WinSun построила таким образом десять малоэтажных домов всего за 24 часа, а затем напечатала и пятиэтажное здание.
После этого своими успехами начали делиться компании по всему миру, напечатанные дома появляются в разных уголках света. В 2015 году в Миннесоте напечатали номер отеля, а год спустя голландская студия DUS designs представила летний дом. Также в 2015 году китайская компания Zhuoda Group продемонстрировала трехэтажный жилой дом, правда, созданный из отдельных напечатанных блоков.
Свои эксперименты в области 3D-печати домов успешно ставят и в России. Так, американский стартап Apis Cor с российскими корнями (его основал Никита Чен-юн-тай из Иркутска) в прошлом году напечатал дом площадью 36,8 кв. м в подмосковном городе Ступино. Печать стен заняла всего 24 часа, а вот на установку кровли и окон, а также внутреннюю и внешнюю отделку ушло еще три недели. Стоимость возведения такого дома составила чуть более 10 тысяч долларов, около 275 долларов за квадратный метр, а прослужить он должен, по расчетам создателей, как минимум 175 лет. Также в прошлом году датское бюро 3D Printhuset с помощью российской компании «Спецавиа» напечатало на трехмерном принтере офисное здание площадью 50 кв. м. Сейчас к строительству частного дома в Подмосковье готовится компания «Бетонатор», площадь этого проекта может составить уже 120 кв. м.
Но все же больше других темой применения аддитивных технологий в строительстве, пожалуй, загорелись в ОАЭ, где намерены к 2030 году печатать около 25% всей возводимой недвижимости. В 2016 году здесь состоялось открытие первого в мире офисного здания, созданного с помощью 3D-печати. Его площадь составила 250 кв. м, но очевидно, что на этом в ОАЭ не остановятся, учитывая, что здесь расположено самое высокое здание в мире. По данным правительства страны, проект, получивший название «Офис будущего», обошелся примерно на 50% дешевле, чем «традиционное» строительство аналогичного по площади и сложности здания. Создание конструкции заняло 17 дней, еще два потратили на отделку помещения.
Эксперты считают, что планы, заявленные правительством ОАЭ, вполне осуществимы, учитывая, что эта страна в принципе находится на передовой внедрения различных инновационных решений. Способствуют масштабному использованию 3D-печати и благоприятные для этого климатические условия, которых, к примеру, нет в России. Сейчас машины могут работать при температуре не ниже 5 градусов по Цельсию, и отечественным специалистам, чтобы напечатать здание с помощью 3D-принтера, надо либо дожидаться весны, либо специально обогревать «зону печати», что было сделано во время возведения здания в Ступино.
Прорыв упирается в стену
Несмотря на интерес к теме 3D-печати, примеры, о которых шла речь выше, все же остаются единичными, а до начала массового принтинга зданий еще долгие годы. Существует множество ограничений, которые пока не дают масштабировать существующие технологии. В печати можно использовать далеко не все материалы, соответственно, не получается создать все необходимые комплектующие. К примеру, уже привычной стала печать из пластика и силикона. Бетон, как мы видим, также используется в печати уже довольно активно. Однако утепление, прокладка коммуникаций, установка окон и полная отделка помещений принтерам еще неподвластны. Кроме того, остро стоят вопросы, связанные с вертикальным армированием: пока эта проблема не будет решена, печатать многоэтажные здания не выйдет.
«Отсутствие массового производства напечатанных домов связано с тем, что на данный момент недостаточно технологий для полноценного строительства. Нет принтеров, которые способны делать качественную крышу, также все равно после завершения строительства потребуются внешняя и внутренняя отделка, прокладка коммуникаций, монтаж окон и дверей. Кроме того, для строительства дома при помощи 3D-печати необходима ровная площадка, машины пока не умеют возводить фундамент в холмистой местности или на сложных с точки зрения строительства участках», – рассказывает генеральный директор «СМУ‑6 Инвестиции» Алексей Перлин.
Ограничения накладывает и размер устройства: чтобы напечатать офисный небоскреб целиком, потребуется такая же гигантская машина. Также многое зависит и от способа перемещения «печатающей головки», через которую подается раствор. Архитектор, партнер архитектурной группы ДНК Константин Ходнев отмечает, что существующие на сегодняшний день технологии позволяют напечатать либо маленький дом, либо фрагменты, которые затем приходится собирать, как конструктор. По словам эксперта, нерешенным остается и процесс термо- и гидроизоляции, в том числе поэтому технология наиболее применима в странах с теплым и сухим климатом: вопрос защиты от жары легко решается путем увеличения толщины стен с воздушным зазором внутри.
Интересно, что, хотя 3D-принтеры не могут выровнять самостоятельно площадку под строительство или осуществить полную внутреннюю отделку, они вполне справляются с такой тонкой работой, как изготовление лепнины. Глава бюро MAD Architects Мария Николаева утверждает, что 3D-печать полностью вытеснила с рынка привычную лепнину, которую теперь без труда и с хорошей точностью производят роботы.
«Раньше процесс изготовления карнизов, сводов, особенно если стилистика предполагает барочное исполнение, сопровождался долгой и трудоемкой ручной лепкой из глины. Все мелкие детали делались вручную, создавались узоры и витиеватые формы. Сегодня такой труд занимает много времени, а также требует серьезных инвестиций и поиска мастеров, которые способны справиться с большими объемами работ, если мы говорим не об одном конкретном интерьере, а обо всем здании. 3D-принтер может работать без перерывов на сон и обед, а точность исполнения и детализация будут на высоком уровне, так что привносить стилистику XVIII–XIX веков в современные объекты стало дешевле и проще», – говорит Николаева.
Вопрос времени
Если все существующие на сегодняшний день барьеры удастся преодолеть, 3D-печать позволит серьезно сократить расходы на строительство, а следовательно, и стоимость жилья для конечного потребителя. По расчетам специалистов компании «КБК Проект», за счет того, что при использовании аддитивных технологий проектирование, планирование и реализация проекта становятся единым процессом, сокращение сроков достигает 80%. Пропуск целого ряда этапов строительства существенно удешевляет проект. Китайские проектировщики утверждают, что стоимость строительства сокращается на 50%, экономия на расходных материалах составляет 60%, а трудочасов нужно на 80% меньше, чем обычно.
Однако технологии еще предстоит доказать свое право на полномасштабное использование. Некоторые эксперты считают, что в России 3D-печать приживется не скоро, потому что всех устраивают «классические» технологии, которые понятны как строителям, так и покупателям. Учитывая, что речь идет о комфорте проживания людей и их безопасности, попытка печатать полноценные жилые дома в больших объемах может вызвать острые дискуссии. «Внедрение инновационных технологий во все отрасли, в том числе и строительную, – это естественный процесс. Другой вопрос, что не имеет смысла внедрять непроверенные технологии. Мы все-таки занимаемся строительством домов, в которых будут жить люди, и эксперименты тут неуместны», – считает Алексей Перлин.
Чтобы технология прочно закрепилась в стране, необходимы долгие годы испытаний, а также законодательные изменения. Причем разработка законодательной базы может занять гораздо больше времени, чем изобретение принципиально нового способа возведения зданий. Требуется пересмотреть большое число стандартов, касающихся проектирования, строительных материалов, пожарной безопасности и других аспектов. Пока большинство экспертов видят будущее для 3D-печати в России только в области индивидуального жилищного строительства или же в сегменте коммерческой недвижимости. В перспективе использование 3D-печати может быть актуально при создании временных построек (например, для жертв стихийных бедствий) и доступного социального жилья. Но для того чтобы такое строительство получалось действительно дешевым, необходим и большой масштаб, при котором дорогая техника будет быстро окупать себя.
«На данный момент каждый напечатанный дом – это индивидуальный проект, эксперимент. Строительство одного дома методом 3D-печати экономически неоправданно. Имеющееся оборудование – это единичные в мире установки, а подготовительный этап и управление строительством требуют привлечения команды профессионалов высокой квалификации. Построить малоэтажное компактное здание с помощью проверенных временем технологий будет дешевле, быстрее и качественнее, чем организовать процесс строительства методом 3D», – считает директор департамента недвижимости Sezar Group Виктор Прокопенко.
Пока аддитивные технологии остаются нишей тех, кто хочет впечатать свое имя в историю. И это справедливо для всех отраслей, а не только для строительства: принтеры успешно печатают одежду и обувь, но все-таки рынок формируют технологии прошлого. «На уровне идеи это здорово, что есть принтер, который может за сутки напечатать обувь по вашему индивидуальному слепку ноги. Тем не менее большинство по-прежнему носит обувь фабричного производства, а возможности ее печати на 3D-принтере воспринимаются скорее как хайп», – говорит Виктор Прокопенко. По его мнению, аналогичный путь ждет технологию 3D-печати и в строительстве. «Пока не произойдет принципиальный прорыв в стоимости оборудования, доступности расходных материалов, удобстве и универсальности, 3D-печать домов будет исключительной прерогативой тех, кто гонится за модой и готов к экспериментам», – считает эксперт.
Генеральный директор «КБК Проект» Василий Костин полагает, что на данном этапе полностью заменить привычные технологии 3D-принтинг действительно не может, но уже в перспективе десяти лет каждый третий возводимый дом будут печатать, считает эксперт. По его мнению, большинство ограничений, в которые сейчас упираются первые специалисты в этой области, легко можно будет обойти: это лишь вопрос развития технологий и, соответственно, времени. «Основные запросы современности – это экологичность, безопасность, высокая скорость строительства, снижение расходов и возможность выделиться среди конкурентов. По каждому из этих запросов у 3D-технологии есть что предложить», – уверен Василий Костин. Осталось лишь дождаться появления новых решений, которые выведут 3D-печать на новый уровень и позволят совершить революцию в строительстве.
Источник: http://www.profile.ru/
Автор: Екатерина Сахарова
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Издается с 2007 года
Новые технологии: как печатают дома на 3D принтере
3D печать активно входит в различные сферы промышленности. Ещё несколько лет назад напечатанные дома казались отдалённой перспективой, особенно в России. А в августе 2020 года, уже объявлено о строительстве небольшого посёлка на 12 домовладений под Ярославлем.
Что такое аддитивные технологии
С внедрением новых технологий появляются и новые, не всем понятные, слова и выражения. Большинство из них заимствованы из английского языка. Аддитивные технологии – это как раз тот случай. Означает наращивание объекта по слоям. Если при обычном способе производства, например, стены панельного дома происходит заливка бетоном сразу всей формы, то при 3D печати она возводится постепенно, слой за слоем. Причём без необходимости установки опалубки, как потребовалось бы при монолитном строительстве.
Впервые о трёхмерной печати заговорили в 80х года прошлого века, а первый в мире 3D принтер появился в 1986 году. Для строительной отрасли знаковым стал 2014-й, когда китайская компании сообщила о возведении 10 домов за сутки.
Российские разработки строительных принтеров тоже не заставили себя ждать. Первый промышленный образец был готов уже в конце 2015 года.
Устройство строительного 3D принтера, принцип работы
Стоит отметить, что аддитивные технологии и способы 3D печати бывают разные: лазерное плавление, спекание, стереолитография, наплавления. Следовательно, устройства принтеров тоже различны.
В строительстве используется два типа печати:
Метод экструзии является самый распространённым. С его помощью можно создавать отдельные строительные элементы, а также полностью возводить здание непосредственно на участке. Второй способ применяется в основном для изготовления декоративных строительных элементов, малых архитектурных форм.
Печать осуществляется специально печатающей головкой, оснащённой шнековым экструдером и бункером для смеси. Специальная мелкозернистая смесь подаётся в бункер вручную или с помощью насоса и послойно выдавливается на участок согласно проектной документации. Таким образом формируются отдельные детали или стены дома.
Существует три основных вида строительного принтера:
Портальный строительный принтер
Наиболее перспективный вид строительного 3D принтера. Он напоминает козловой кран, но вместо крюка на тросе у него ферма с печатающей головкой. Этот тип ещё называют XYZ-принтер, поскольку при печати он перемещается по трём взаимно перпендикулярным осям.
В качестве привода обычно используются шаговые двигатели. Такие принтеры способны печатать отдельные детали, малые архитектурные формы, а также небольшие здания целиком, при условии, что они помещаются под аркой устройства.
Простота и надёжность конструкции, а также возможность возведения здания непосредственно на участке являются важными преимуществами данного оборудования. В тоже время, большие габариты и трудоёмкий процесс сборки ограничивают возможность оперативного перемещения.
Трёхосевой (дельтовидный) принтер
Конструкция трёхосевых принтеров похожи на портальную. Основой конструкции также является металлическая ферма. Но она не перемещается на рельсах, а фиксирована. Также отличается крепление печатающей головки. Бункер с экструдером закреплены на рычагах, представляющих собой перевёрнутый штатив с телескопическими «ногами», которые закреплены на направляющих. Таким образом обеспечивается большая подвижность печатающего устройства, но ограничивается площадь печати.
Именно небольшое пространство рабочей зоны дельтавидного 3D принтера и трудоёмкий процесс сборки существенно сужают сферу применения данного оборудования.
Крановый принтер и манипулятор
Иногда печатающее устройство ставят не по периметру, а в середину объекта. Такие принтеры напоминают башенные строительные краны. Их обычно размещают внутри здания, поскольку рабочая зона такого оборудования ограничена вылетом стрелы. Однако они имеют небольшие габариты и вес, что позволяет легко транспортировать. К тому же подготовка такого оборудования к работе происходит достаточно быстро.
Принтеры-манипуляторы используют роботизированную руку для перемещения печатающей головки. Они мобильны, имеют большую гибкость по сравнению с оборудованием кранового типа. Но из-за своей технологичности их цена гораздо выше аналогов.
Стоит отметить, что разработчики не останавливаются на стандартных решениях. Кроме создания непосредственно 3D принтеров, существует оборудование для печати строительных конструкций, являющееся сменным оборудованием. Например, французская компания оснастила кран-паук бетононасосным оборудованием, которое подаёт раствор на закреплённую на конце стрелы печатающую головку. Таким образом базовая машина может выполнять функции крана или возводить бетонные внутренние перегородки.
Этапы 3D печати в строительстве
Применяя аддитивную технологию в строительстве можно не только сделать малые архитектурные формы, такие как урны, скамейки, мосты, фигурки для ландшафтного дизайна, но и построить дом. Причём сделать это можно двумя способами:
Не зависимо от способа возведения дома по аддитивной технологии первым этапом будет создание проекта будущей постройки. Впрочем, тут ничего не меняется по сравнению с традиционным методом строительства. Разве что модель должна быть трёхмерной, в электронном виде. Это касается изготовления не только домов, но и других конструкций.
Большинство аддитивных принтеров понимают популярные графические форматы – AutoCAD, Компас-3D, ArchiCAD, и умеют переводить их в визуальные слои для формирования карты рабочего процесса. Так что специальную программу для него использовать не придётся.
После подготовки проекта, основным отличие будет то, что после печати строительных элементов их необходимо будет смонтировать на участке. Тогда как возведение 3D одноэтажного дома целиком осуществляется самим принтером. Также, при печати здания на участке, ещё во время работы оборудования можно устанавливать входные тубы для коммуникаций и электропроводки. При необходимости, ставить армирующие элементы.
Следующим этапом является установка оборудования и подготовка расходных материалов, в частности мелкодисперсного раствора. В качестве «чернил» строительный 3D принтер может использовать пескобетон, специально подготовленную смесь на основе цемента или гипса. Рецепт приготовления раствора обычно указан в инструкции к принтеру и/или предоставляется производителем.
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.
После подготовительных работ, оператор запускает печать и строительный 3D принтер начинает выдавливать раствор по заданной траектории. Слой за слоем создаются внешние и внутренние стены здания или отдельного элемента. Оператор только контролирует процесс экструзии, следит за подачей строительной смеси. Прям как в песне: нажми на кнопку – получишь результат….
При возведении одно-двухэтажного коттеджа при помощи аддитивной технологии в большинстве случаев пустоты между внутренней и внешней стеной заполняют изоляционным материалом, утеплителем. В случае сейсмической зоны и необходимости создания более жёсткого каркаса, напечатанные элементы армируются и используются как несъёмная опалубка, а внутреннее пространство заполняется бетоном.
При печати отдельных деталей в цехе, готовому изделию необходимо высохнуть на воздухе или в сушильной камере для набора прочности. Но это зависит от используемого раствора. Напечатанный дом сушится в естественных условиях и готов к отделочным работам практически сразу.
По окончании печати печатающую головку необходимо достать из принтера и тщательно промыть.
Плюсы и минусы аддитивной технологии в строительстве
Применение аддитивной технологии при строительстве частных домов позволяет ускорить процесс возведения строения, снизить затраты и влияние человеческого фактора. Кроме этого, к безусловным плюсам строительной 3D печати стоит отнести:
Однако есть у аддитивных технологий и свои недостатки. В частности, с помощью 3D печати нельзя построить фундамент, горизонтальные плиты перекрытия. Да и стоимость первоначальных вложений в оборудование достаточно высока. Но несмотря на это, думает в ближайшем будущем эти технологии внесут существенные изменения в строительную отрасль. Особенно при застройке коттеджных посёлков и малоэтажном домостроении.
Журнал об аддитивном производстве
Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы
Введение
«Способ строительства жилья не изменялся последние 10 тысяч лет — самые старые постройки также используют столбы и балки. Но это далеко от того, что реально существует в природе», — считает Platt Boyd, основатель проекта Branch Technology (США).
Сегодня строительная промышленность, возможно, стоит перед самым большим выбором будущих направлений развития. Основные причины — демографические изменения (к 2100 г. население планеты достигнет 11 млрд жителей) и растущая глобальная урбанизация (на 2017 г. половина населения живет в городах, к 2050 г. число горожан достигнет 75 %). Традиционные методы строительства не смогут решить возникающие задачи и проблемы. Поэтому требуются новые подходы к строительству жилья и инфраструктуры жилых районов.
Широкое обсуждение аддитивных технологий в последние несколько лет привело к появлению различных приложений АМ (аддитивного производства) в строительстве. Появилось немало разработчиков таких приложений и проектов с их использованием по всему миру. В их числе как энтузиасты-одиночки, так и большие команды, включающие архитекторов, строителей, инвесторов, университеты и крупные производственные компании.
Объем мирового строительного рынка огромен (табл. 1). При этом рынки развивающихся стран показывают темп развития 5,3 %, рынки развитых стран — 2,2 % в год. Наиболее привлекательные регионы для строительства — Ближний Восток и Африка, Южная Америка. Строительство сегодня является одной из самых ресурсозатратных отраслей производства. Оно расходует 36 % энергии, 30 % сырьевых материалов, 12 % питьевой воды (на примере США [1]). В то же время строительство имеет крайне неэффективную низкую производительность даже в таких странах, как США, Великобритания, Сингапур и Гонконг [2].
| Год | USD трлн | Средний темп роста, % в год |
|---|---|---|
| 2010 | 7,4 | 3,1 |
| 2015 | 8,5 | 3,8 |
| 2020 | 10,3 | 3,9 |
Посмотрим, как новые технологии и новые материалы для них способны кардинально изменить ситуацию. Будем рассматривать только те технологии, которые можно отнести к аддитивным (АМ).
Технологии 3D-печати в строительстве
Сущность 3D-печати строительных конструкций заключается в послойном отвердении строительной смеси по 3D-модели, подготовленной методом компьютерного 3D-моделирования (рис. 1).
Рис. 1. Портальный принтер в работе (S‑6044 Long компании «Спецавиа»)
Модель в формате STL или SLC разбивается на слои программой подготовки рабочего файла, который затем отправляется на 3D-принтер для печати. Печатающая головка принтера, двигаясь вдоль направлений X и Y, печатает рисунок сечения модели строительной смесью, например, бетоном, гипсом или каолиновыми смесями. При завершении слоя головка поднимается вдоль направления Z на толщину нового слоя, печатает новый слой, и так до завершения построения изделия.
Печатающая головка конструктивно состоит из бункера (накопителя) с мешалкой, шнекового экструдера (не исключено применение других видов, в том числе и роторного), который формирует необходимый слой бетона (рис. 2). Во время печати можно оперативно корректировать геометрию выдавливаемого слоя, изменять скорость печати, добиваясь максимального качества.
Рис. 2. Печатная головка принтера
Все исходные компоненты смешиваются в подобранном соотношении в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. Затем полученная смесь подается в печатающую головку 3D-принтера. Вес замеса от 10 до 100 кг. Подача готового раствора в головку может производиться в ручном режиме и автоматически. Рабочая смесь может замешиваться непосредственно в печатающей головке, что актуально для быстрой печати или для печати с нависаниями с использованием быстротвердеющих составов.
Армировать изделия можно следующими способами: добавлять в бетонную смесь фиброволокно, укладывать арматуру между слоями во время печати, армировать полости изделий с последующей заливкой этих полостей бетоном. Для армирования лекальных полостей идеально подходит композитная арматура, что значительно уменьшает себестоимость строительства.
После завершения печати печатающая головка извлекается из 3D-принтера и очищается мойкой высокого давления. Сформированное небольшое по размерам изделие остается на поддоне и может сушиться в естественных условиях либо подвергаться нагреву до набора прочности при более высоких температурах. При печати каолиновыми смесями с использованием глины и шамота предполагается последующий обжиг изделий. При печати непосредственно на строительной площадке фундамента или стен следует выдерживать необходимые сроки, чтобы бетон набрал нужную прочность.
С помощью 3D-печати могут быть изготовлены строительные конструкции и другие бетонные и гипсовые изделия сложной геометрии. При этом значительно сокращается время цикла от проектирования до производства (примерно в 8–12 раз), происходит экономия средств и времени за счет отсутствия опалубки, которую обычно приходится изготавливать заранее под каждую конкретную строительную конструкцию.
В зависимости от конструкции строительные 3D-принтеры можно разделить на следующие типы:
1. Портальные — в которых печатающая головка перемещается по направляющим в пределах рабочей зоны, ограниченной по площади (X, Y координаты) опорами и по высоте (Z) — расстоянием до головки при ее максимальном подъеме. Пример — принтеры компаний Winsun (Китай) и ООО «Спецавиа» (АМТ — резидент Сколково, Россия) — рис. 3, 1 соответственно.
Рис. 3 Портальный 3D-принтер компании Winsun (Китай)
2. Разновидность портальных принтеров с так называемым Дельта-приводом головки. Идея нашла широкое применение в пластиковых 3D-принтерах, работающих по технологии FDM. Пример — принтеры компании WASP (Италия) — рис. 4.
Рис. 4. Образец структуры из биополимера (FILOALFA), который печатается с головкой SPITFIRE на 3D-принтере дельта типа.
3. Мобильные 3D-принтеры, когда 3D-принтер оснащен рукой-роботом и установлен на шасси, которое может перемещаться самостоятельно или с помощью крана (рис. 5).
Рис. 5. Роботизированный комплекс на шасси компании Branch Technology, США
4. Роботизированные комплексы: оснащены рукой-роботом Kuka, ABB и других производителей. Робот может перемещаться в пределах рабочей зоны по направляющим рельсам (рис. 6). При этом зона застройки практически не ограничена.
Рис. 6. Роботизированный комплекс с перемещением по рельсам компании Branch Technology, США
5. Гибридные конструкции:
— комбинация портального 3D-принтера и робота (компания Contour crafting corporation (CCC), рис. 7)
— управление печатающей головкой (с использованием полярных координат) и перемещением по высоте происходит за счет использования телескопического устройства (рис. 8, компания Apis Сor).
Рис. 7. Роботизированный комплекс, оснащенный печатной головкой и манипулятором для укладки элементов дома (компания ССС, США)
Рис. 8. 3D-принтер компании Apis Сor с телескопическим устройством
6. Комплекс для печати сетчатых структур — рука-робот для подачи металла (рис. 5) или пластика (рис. 6).
7. 3D-принтеры большого формата для печати элементов декора, оформления фасадов, входных групп, окон и элементов интерьера, работающие по технологии FDM с использованием широкого круга термопластиков (Россия, ООО «Спецавиа»).
Первые теоретические разработки по использованию роботов в строительной отрасли появились под руководством профессора университета Южной Калифорнии в США Behrokh Khoshnevis [3] еще в 1996 г. Его команда в дальнейшем представила три новые технологии под названием Contour crafting (CC). Преимущества их применения очевидны [4] — наряду со снижением в 5 раз затрат на коммерческое строительство, отсутствием отходов стройматериалов, сокращением времени изготовления акцент по затратам переносится с физической работы на интеллектуальную (табл. 2). А это означает, что строительство становится рынком для потребителей, когда семья может сама проектировать будущий дом для проживания. А также взять в лизинг оборудование СС в ближайшем магазине стройматериалов и в соответствии с инструкцией построить свой дом. Более того, впервые в строительной отрасли можно привлекать труд женщин и пожилых людей для участия в конструировании. В настоящее время СС- технологии могут использоваться для строительства малобюджетного жилья и временного жилья для пострадавших и спасателей в зонах стихийных бедствий и военных конфликтов.
| Стоимость в % от традиционного строительства | Основной вклад | С применением технологий CC |
|---|---|---|
| 20—25% | Финансирование | Короткая продолжительность проекта с быстрым выходом на рынок резко снижают стоимость проекта |
| 25—30% | Материалы | Отсутствие отходов при строительстве |
| 45—55% | Работа | Существенно снижен ручной труд. Физическая работа заменена интеллектуальной. Женщины и пожилые работники могут впервые найти новые возможности по работе в строительстве |
В начале 2018 года компания Contour Crafting Corporation готовится выпустить первую серию роботизированных 3D-принтеров для строительной индустрии. Серийное оборудование будет иметь рабочую зону 8×13 м и может быть увеличено по запросу заказчика. Вес комплекса менее 300 кг, что значительно легче традиционных строительных машин. Оборудование может быть доставлено заказчику и на строительную площадку обычным грузовиком, причем при необходимости в стандартный морской контейнер можно поместить несколько комплексов. Два подготовленных специалиста могут контролировать процесс строительства.
Технология сетчатых металлических форм — МММ (Mesh Mold Metal) Platt Boyd — основатель проекта Branch Technology, предложил создавать сетчатые структуры с помощью роботизированного комплекса (рис. 6) [5]. Комплекс представляет собой робот KUKA на платформе, которая может перемещаться по направляющим рельсам длиной 10 м и печатать из ABS-пластика стены для выставочного стенда компании. Начав опыты с роботом с рабочей зоной 1,3×1,3×1,0 м, сейчас компания использует робот KR90
и способна строить структуры с размерами 8,25×19,1×2,1 м в объеме 324 куб. м.
Platt в течение 15 лет работал в архитектурном бюро в Алабаме и уже тогда начал интересоваться более естественной формой строительства. Он даже стал собирать коллекцию изображений природных форм под названием Beautiful and Amazing Collection (рис. 9) и использовать их в архитектурных проектах [6]. Пример жилого комплекса (рис. 10) показывает одно из решений. Дом разделен на две зоны – дневную и ночную с двумя огромными окнами в торцах и промежуточной подсветкой посередине.
Рис. 9. Фото из коллекции Beautiful and Amazing Collection
Рис. 10. Пример жилого комплекса
В 2013 г. он пришел к пониманию того, что нужно использовать не одни только послойные технологии выращивания объектов, а, как и в природе, требуется симбиоз различных решений, технологий строительства. Первое открытие он сделал на выставке того же года, когда не нашел ни одного решения использования роботов для печати стен. Другое открытие касалось возможности архитекторов создавать любые формы для элементов здания. Более того, он убедился, что сетчатые структуры панелей более прочны в сравнении, например, с традиционными деревянными панелями уже при добавлении только пены (примерно на 30 %), а при нанесении бетона на внешнюю поверхность панели ее прочность аналогична прочности цельной бетонной стены такого же размера (рис. 11, 12). При этом панели очень легкие. Так, пластиковая стена весом 0,7 кг выдерживает нагрузку в 700 кг, а пластиковая стена весом 1,1 кг с нанесенной пеной — вдвое выше: 1400 кг.
Рис. 11. Устройство сетчатой структуры стены
Рис. 12. Сетчатая структура с пеной выдерживает значительную нагрузку
Какой видится перспектива технологии компании Branch Technology? 3D-печать рассматривается только как основа для создания сетчатых структур-матриц для стен зданий с любой сложной геометрией. Далее могут использоваться традиционные строительные материалы: для внутренней отделки распыляется пена и покрывается гипсокартоном; на внешней поверхности применяется бетон и далее любые отделочные материалы (кирпич, штукатурка и т. д.). Для реализации этой идеи планируется создать производство крупноразмерных отдельных элементов стен по запросам клиентов со всего мира и далее доставлять их заказчикам. А уже на месте из этих элементов собирается готовый объект с использованием традиционных технологий и материалов. Мнение Platt о возможности использования робота на строительной площадке однозначно: «Пока высокотехнологичное производство недостаточно надежно, чтобы выжить на открытом воздухе». Один из важнейших моментов: получение международных строительных сертификатов и использование технологии в строительстве — процесс долгий. Поэтому пока компания объявила конкурс на дизайн зданий, которые будут строиться методом сотовой сборки.
На конференции «Цифровое производство из бетона» (ETH) в Цюрихе (май 2017 г.) группа авторов (Nitish Kumar, Norman Hack, Kathrin Doerfler и др.) представила доклад «Проектирование, разработка и экспериментальная оценка применения роботизированного комплекса в нестандартном строительстве». В нем описывается технология роботизированного производства стальных сетчатых структур произвольной формы с разными размерами ячеек, которые могут быть использованы как арматура и как опалубка (рис. 13). Технология получила наименование Mesh Mold Metal (MMM) — сетчатая металлическая форма [7, 8]. Она позволяет интегрировать арматуру в конструкцию естественным образом, и в то же время решается проблема появления так называемых холодных стыков. Так как бетон заливается одновременно, то условия гидратации будут одинаковы для всей конструкции.
Рис. 13. Пример сетчатой структуры с различной кривизной по разным направлениям для последующего заполнения бетоном без опалубки и головка робота для ее создания
Размер ячеек сетки, их плотность и расстояние между соседними поверхностями структуры определяются из тех соображений, что свежий бетон должен заполнять весь объем структуры, но при этом не должен выходить наружу через боковые ячейки. Опытным путем было установлено, что оптимальный размер ячейки для проволоки размером до 4 мм составляет 10–15 мм, для повышения производительности нужно увеличить диаметр проволоки до 6 мм, соответственно, будет увеличен и размер ячеек. Пример готовой структуры, залитой бетоном, показан на рис. 14.
Рис. 14. Пример сетчатой структуры, заполненной бетоном с ручной финишной отделкой
В 2018 г. планируется построить пилотный демонстрационный проект размерами 13 м в длину и 3 м в высоту. Это будет реальная стена будущего двухэтажного дома. Концепция сочетает в себе мобильность, гибкость, автономность, модульное построение, построение объекта в заводских условиях (рис. 15).
Рис. 15. Использование роботов для построения сложных пространственных структур
В другой работе, представленной на той же конференции в Цюрихе, автор C. Menna из университета Неаполя изложил некоторые принципиальные положения, которые необходимо рассматривать при использовании АМ-технологий в строительстве.
В частности, он запатентовал четырехшаговую процедуру подготовки 3D-печати балки как основы любого строительства.
1. Заданный вид балки (рис. 16).
2. Переменные высоты поперечного сечения.
3. Разбиение балки на сегменты.
4. Оптимизация топологии и конфигурации арматуры.
Рис. 16. Модульная модель арки для построения моста и профиль вулкана Везувий — как основа дизайна пролета моста
А также он сформулировал требования к материалу из бетона:
1. Свежеприготовленный: применимость — возможность смешивать и подавать насосом в течение требуемого промежутка времени; возможность экструдирования — поддержание непрерывного потока материала; пригодность к строительству — не «плывет» и выдерживает нагрузку в несколько слоев после экструзии;
2. Затвердевший: анизотропия — механические свойства зависят от направления печати и размеров поперечного сечения.
В примере построения пешеходного моста за основу взята модель арки «Везувий» (рис. 16) по аналогии с природным профилем.
Оптимизация проводилась по следующим параметрам:
— минимальный вес при минимальном прогибе при полной нагрузке;
— напряжение на сжатие;
— количество сегментов;
— толщина слоя бетона при построении;
— конфигурация усиления металлическими стержнями;
— взаимное влияние крепления сегментов друг на друга;
— экономия бетона, времени и стоимости.
Элемент балки и балка в сборе показаны на рис. 17, 18.
Рис. 17. Сегмент арки моста (время построения 10 минут)
Рис. 18. Арка моста в сборе с металлическими усилениями
Следует отметить, что если первые попытки роботизации в строительстве (Япония, 1980‑е) были направлены на автоматизацию или замену ручного труда, то нынешняя ситуация с внедрением роботов предполагает их использование архитекторами для создания сложных нестандартных конструкций из бетона как основного строительного материала. Из диаграммы (рис. 19) видно, что при традиционном способе более 58 % стоимости построения приходится на опалубку и работы по ее установке и снятию.
Рис. 19. Вклад в конечную стоимость построения с использованием опалубки
Материалы
В качестве расходных материалов для строительных 3D-принтеров можно использовать готовые сертифицированные смеси (рис. 20) промышленного производства, или готовить самостоятельно на основе доступных компонентов, или использовать местные строительные материалы типа песка или вулканических пористых пород.
После специальной обработки и использования специальных добавок можно получить недорогие строительные материалы для 3D-печати применительно к региону, где планируется использовать 3D-принтер. Это особенно актуально для реализации грандиозных проектов по ликвидации трущоб в мегаполисах Латинской Америки, Индии и др. Рабочим материалом для строительных 3D-принтеров служат следующие материалы: цемент (портландцемент), песок (двуокись кремния, оливин, хромит, циркон, глинозем, муллит, кварцевое стекло, шамот), гипс, модифицирующие добавки, пластификаторы, антизамерзающие добавки, фиброволокна, ускорители (замедлители) отвердения и вода.
Основной строительный материал — армированный бетон. Он хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие, при этом имеет низкую стоимость и широко распространен. У него давняя история в архитектуре, связанная с именами Le Corbusier, Eero Saarinen или Pierluigi Nervi. К сожалению, использование традиционной опалубки при строительстве объектов со сложной геометрией составляет до 75 % стоимости строительства. И чаще всего эта опалубка одноразовая.
Геополимерные смеси для экологически чистого бетона были разработаны компанией Renca [9], основанной предпринимателями из Челябинска Андреем и Мариной Дудниковыми. Геополимерная технология была открыта французским химиком Джозефом Давидовичем в 1978 году и сейчас продолжает изучаться в созданном им же Институте геополимеров (Institut Géopolymère). Из-за своей структуры геополимеры устойчивы к огню, а также ко многим растворителям и агрессивным средам. Благодаря этим качествам они часто применяются в сфере строительства. Например, в 2014 году компания Wagners построила из геополимерного бетона аэропорт в городе Брисбен (Австралия), а затем создала геополимерные плиты-перекрытия для Квинслендского университета. Кроме того, геополимеры можно использовать для восстановления подземных коммуникаций: американская компания Milliken при помощи роботов разбрызгивает геополимерную пену GeoSpray внутри старых сточных труб, таким образом восстанавливая их и защищая от внешних воздействий.
По сравнению с обычным (портландцементным) бетоном геополимерный бетон более экологичен: он не требует использования ископаемых ресурсов, во время его производства затрачивается в 10 раз меньше электроэнергии и выделяется на 90 % меньше углекислого газа. Кроме того, геополимерный бетон устойчив к огню, кислотам и обладает хорошей водостойкостью. По словам основателей «Геобетона», изготовление смеси для 3D-печати на базе портландцемента с аналогичными характеристиками обходится на 30–40 % дороже.
Материал на основе лигнина — искусственная древесина. Специалистами ООО «ЭкоФорм 3Д» разработан и запатентован способ получения композиций из натуральной древесины, лигнина, целлюлозы и композитов на их основе, а также совместно с ГК «Спецавиа» создана пилотная установка для активации древесины и приготовления формовочной массы и разработана технологическая линия (оборудование и технология) для получения из древесного сырья различных изделий строительного назначения
и мебели.
Технологическая линия включает в себя малоформатный мобильный принтер марки SD‑2020, разработанный и изготовленный ООО «Спецавиа», позволяющий осуществлять 3D-печать изделий строительного назначения и мебели (размер рабочей зоны 2,5×1,6×0,8 м). Принтер смонтирован на базе штатного прицепа к легковому автомобилю. Загрузку и разгрузку принтера (вес 520 кг) легко может сделать один человек при помощи лебедки, входящей в комплектацию прицепа. Принтер оснащен мощными приводами, позволяющими быстро и точно перемещать печатающую головку с накопителем до 32 литров.
Рис. 20. Сертифицированные строительные смеси для 3D-принтеров (РФ)
Искусственная древесина — это термопластичный композиционный материал на основе натурального лигнина, выделенного запатентованным способом гидро- термомеханической (кавитационной) обработки древесины без применения химических реагентов. Исходным материалом для переработки может служить нетоварная древесина (ветки, листья, опилки и др.)
Строительная смесь для печати cодержит зернистый материал с размером зерна более 0,5 мм от 10 до 60 % массы и дисперсный материал с размером зерна менее 0,1 мм от 40 до 90 % массы. Смесь предварительно приготавливают из двух или нескольких компонентов и смешивают до получения однородной массы. Не исключается вариант ее приготовления непосредственно в печатающей головке.
В качестве жидкости используют воду с добавками пластификаторов, фиброволокон и ускорителей (замедлителей) отвердевания, а полученное изделие выдерживают не менее 2 часов с последующей естественной или принудительной сушкой. Дополнительно в смесь можно вводить наполнители, пластификаторы, антизамерзающие добавки, связующие материалы.
Общие положения работы с материалами
Выбор компонентов строительной смеси определяется условиями эксплуатации строительных конструкций и необходимостью получения требуемых физико-механических свойств изделий: плотности, прочности, термостойкости, теплопроводности, устойчивости к механическим воздействиям в условиях значительного градиента температур и т. п.
Размер фракции определяет толщину и ширину слоя смеси, наносимого экструдером. Предпочтительно иметь толщину слоя от 5 до 50 мм. Подбирая гранулометрический состав смеси, изменяя размеры зерен отдельных компонентов, можно добиться необходимых свойств готового изделия.
Смешивание производят в растворных мешалках или специальных станциях до получения однородной массы. В процессе смешения возможно получение более предпочтительного гранулометрического состава порошкообразного материала в результате дополнительного измельчения.
Подача готового раствора в печатающую головку может производиться вручную и автоматизированным методом.
Выбор связующего материала зависит от выбора основных компонентов и добавок. Количество связующих материалов определяется необходимостью обеспечения достаточной прочности получаемого изделия.
Дополнительно могут вводиться пластифицирующие добавки в количестве менее 3 %, благодаря чему при меньшем содержании влаги получается необходимая плотная структура с меньшей пористостью и усадкой. Количественное содержание указанных добавок подобрано экспериментальным путем для получения необходимой плотной структуры путем снижения межзеренного трения при уплотнении посредством экструдирования или вибрации. В качестве указанных добавок предлагается использовать, например, кварцевую пыль, оливин, полифосфат натрия, кальцинированную соду и др. Вводить данные добавки можно как в сухом (при смешении компонентов), так и жидком виде (в том числе с раствором солей магния).
Возможности и технические решения. Перспективы АМ в строительстве
Ограничения связаны с отсутствием нормативной базы для использования АМ-технологий в строительстве. Поэтому сейчас в большинстве стран разрешено строительство домов не выше второго этажа. Хотя в Дубае, например, планируется до 25 % жилья, в том числе высотного, строить с применением АМ-технологий к 2030 г.
В РФ: конструкционный бетон для строительства высотных зданий по нормативам содержит не менее 20 % портландцемента. При использовании АМ-технологий это требование выполняется, поскольку материал для принтера нужен только для печати несъемной опалубки при построении многокамерных стен. Одна из камер выполняет функцию армопояса, куда укладывается арматура и заливается затем товарным бетоном нужной марки.
Перспективы АМ можно видеть в новых материалах, таких как самовосстанавливающийся бетон (залечивание трещин), аэрогель (сверхизолирующий материал, 99,98 % воздух), наноматериалы (сверхпрочные, сверхлегкие материалы для замены стальной арматуры), а также в новых подходах к строительству, таких как трехмерная печать и предварительно собранные модули. Все это может снизить затраты, ускорить строительство и повысить качество и безопасность.
Наибольшие перспективы просматриваются в сочетании роботизированных комплексов с традиционными технологиями строительства. ■