Строительство 3д принтерами в россии: подробный обзор использования 3d в этих целях

Технология строительства дома с помощью Зд-принтера

Использовать 3д-принтер для строительства домов пытались одновременно учёные из Великобритании, США и Китая. Основной проблемой, которая мешала печатать жилые конструкции, было отсутствие подходящего материала. Для 3d-печати вещей обычно используется пластик. Однако для строительства зданий он не подходит — это не морозостойкий и не звукопоглощающий материал.

Несколько лет назад учёные из этих стран разработали особый цементный состав. Он позволяет получать изделия любых форм: прямые, изогнутые, рельефные, выпуклые, кубические. Такой цемент сделал возможной печать деталей для настоящих домов. Сейчас в качестве материала для печати используются смеси цемента с измельчённым строительным мусором, стекловолокном, целлюлозой и полимерной фиброй.

Строительная 3d-печать состоит из следующих этапов:

1. Разработка 3d-модели будущего здания в компьютерной программе.
2. Разделение модели на слои в поперечном сечении.
3. Печать моделей на специальном принтере. Аппарат послойно наносит цементный состав, формируя объёмную деталь.
4. Застывание напечатанных деталей.

После застывания модули готовы к использованию. Здания из напечатанных частей собирают на месте строительства про принципу конструктора. Современные принтеры позволяют изготавливать любые части домов (коробки, несущие конструкции, арки, цилиндры) с заранее предусмотренными технологическими отверстиями. Это значительно упрощает сборку конструкций.

3d-принтеры послойно наносят цементный состав, в итоге получая готовый строительный модуль

Впрочем, на этом развитие технологий не останавливается. В ближайшее время в продаже появятся принтеры, позволяющие печатать не отдельные детали, а здания целиком, включая проводку и даже сантехнику. 3D-печать в сфере строительства находится на самом начальном этапе развития и ближайшее время удивит мир новыми возможностями.

Преимущества и недостатки такого строительства

Отрасль печати жилых домов очень новая и инновационная. Любой производитель является исследователем и первооткрывателем. По этой причине может быть непонятно, какие плюсы и минусы есть у отрасли. Среди преимуществ 3d-печати домов можно назвать:

1. Высокую скорость строительства.
2. Напечатанные детали прочные, морозоустойчивые, хорошо переносят воздействие влаги. Фактические они не уступают деталям из стандартных строительных материалов.
3. Принтер работает в течение 24 часов, при этом не требует контроля во время печати (только на стадии запуска).
4. Современные принтеры производят не только коробки зданий и несущие конструкции, но даже перегородки, лестницы, скамейки, беседки, башни.
5. При разработке 3d-модели на компьютере детали строения многократно оптимизируются.
6. Сборка дома из готовых модулей значительно проще традиционного строительства.
7. Существенная экономия средств и трудозатрат. Средняя стоимость напечатанного дома находится на уровне 20 000 долларов (1 300 000 рублей), что примерно в 2 раза меньше кирпичного аналога.

Недостатки:

1. Высокая стоимость оборудования. Эта слабая сторона компенсируется быстрой работой оборудования и быстрой окупаемостью.
2. Невозможность напечатать кровлю. Крыши у напечатанных домов в настоящее время выполняются из традиционных кровельных материалов.
3. Недостаточная распространённость на российском рынке. Компании, работающие в сфере 3d-печати зданий, являются первопроходцами. Свою работу они строят методом проб и ошибок. Хотя в целом положительный опыт доминирует над отрицательным.

Таким образом, преимуществ у нового способа строительства значительно больше, чем недостатков. А с учётом активного развития этой отрасли, можно с уверенностью сказать, что большинство минусов уже в ближайшее время будут ликвидированы.

В России уже есть дома, построенные с помощью 3d-принтера — в Ярославской и Московской областях

Apis Cor, Америка

В прошедшем году реализован проект в Подмосковье — городе Ступино, над которыми работало шесть компаний России и штатовский стартап Apis Cor. Основал ее Никита Чен-Юн-Тай – уроженец России и разработчик данного оборудования.

Чтобы напечатать внутренние перегородки, несущие стены и ограждения, потребовались сутки. Извлекали принтер, используя кран -манипулятор. Слои наращивали, применив аддитивную технологию. В практике России этот дом впервые не собирали из напечатанных деталей, а создавали как целостную конструкцию.

Видео:

Видео: 3Д принтер строительный

Дом по форме достаточно сложный. Выбрали его таковым, чтобы можно было показать возможности инновационного устройства. К этому добавим, что строили его в наиболее холодные месяцы, когда температура опускалась ниже 30 градусов, хотя использовать смесь бетона допускается при нижнем пределе +5 по Цельсию.

Принтер, который помог реализовать проект, по конструкции напоминает небольшой башенный кран, имеющий возможность внутренней и внешней печати здания.

Обошлось отпечатанное здание «под ключ» в 593568 рублей, т.е. стоимость одного метра квадратного составила 16 тысяч рублей. И это при том, что форма сооружения сложная. При простой, например, прямоугольной конфигурации, цена могла бы быть тринадцать тысяч рублей.

Преимущества конструкции:

• Подача и смешивание автоматические;
• Быстрая настройка – до 30 минут. Не требуется готовить площадку. Мусор после приготовления на строительной площадке не остается, поскольку производство является безотходным;
• Широкий выбор конфигурации стен и их толщины
• Прослойка воздуха, образующаяся в камерах стен, позволяет лучше сохранять тепло;
• Погода не оказывает влияния на постройки благодаря специальным материалам, добавляемым в смесь;
• Ниже намного стоимость в сравнении с бетонными аналогами, изготавливаемыми по классической технологи;
• Возможность уплотнения желаемым материалом.

Технические параметры:

• свое обеспечение программное;
• обслуживается 2 работниками;
• площадь — 132 м2;
• используемый материал –геополимер или фибробетон;
• размеры – 4х1,6х1,5 метра;
• все принтера- 2000 кг;
• энергопотребление-8кВт/ч;
• высота, на которую происходит подъем, — 3100 мм;
• суточная производительность в м2 – 100;
• скорость рабочая и холостого хода в минуту– до 10 и 20 мм;
• позиционирование и повтор – соответственно ±0,5 мм и 0,1-0,2мм;
• по всем осям (X, Y, Z) — сервопривод;
• по Х и Y направляющие – профильные прецизионные;
• точность по Z – 0,1-0,2 мм;
• стабилизация горизонтальная автоматическая – инклинометр высокой точности 0.0001 градус;
• выключатели – бесконтактные по всем осям;
• пространственное расположение головки печатающей отслеживается дальномером лазерным и гироскопом;
• пространственная стабилизация – регулятор ПИД.

Технологии строительных 3D-принтеров

Строительные 3D-принтеры оснащены экструдерами, из которых экструдируется бетон и укладывается слой за слоем, создавая внешние и внутренние стены будущего здания. Чертеж здания предварительно подготовлен в виде трехмерной модели в компьютерной программе CAD. Бетон смешивают с водой и добавками, чтобы обеспечить желаемую жидкую консистенцию. Полученная смесь под давлением подается по шлангу, соединенному с головкой принтера. С головки материал перетекает на предыдущие напечатанные слои или прямо на строительную площадку.

По сравнению с обычным строительным бетоном, строительный материал 3D будет ближе всего к марке M50. Чтобы придать ему дополнительную прочность, стены здания укрепляют. Для этого в раствор добавляют стекловолокно или в стены кладут арматуру из стекловолокна.

ОСТОРОЖНОСТЬ. Стены готовой постройки не будут идеально гладкими

Живым строителям придется их выровнять, оштукатурить, сделать облицовку.

3D-печать не очень удобна для создания крупногабаритных конструкций. В отсутствие правил, регулирующих ее использование для строительства линий, эта технология будет использоваться в основном для создания:

• беседки;
• ландшафтные конструкции;
• клумбы и скамейки;
• мостики;
• беседки;
• смолы;
• гаражи;
• постройки хозяйственного назначения.

Это уровень среднего и малого 3D предприятия, но не крупных городских разработчиков.

ОСТОРОЖНОСТЬ. Строительная 3D-площадка должна быть идеально ровной

Это необходимо как для расположения направляющих, так и для обеспечения их последующей параллельности.

Как работает строительный 3Д-принтер

Так называемая аддитивная технология строительства (от англ. Add- добавлять, наращивать) практически не имеет ограничений в использовании(кроме как законами физики). На 3D-принтере можно печатать как отдельные элементы конструкции: стены, перекрытия, другие элементы, так и цельные дома.

По сути, процесс работ повторяет обычное строительство. Сначала создается проект, затем возводится фундамент, в этом случае, чаще всего, он кирпичный. Процесс компьютерного моделирования в строительстве подобных сооружений – важнейшая часть. Ведь все этапы возведения дома возложены на искусственный интеллект.

Современные 3D-принтеры могут учитывать конфигурацию и положение окон, а также применять архитектурные приемы, используя заранее созданные макеты

По сути, основная часть принтера, кроме электронной начинки, – это стрела экструдера и управляющие ею эксцентрики, которые и двигаются по платформе в заданном радиусе или по прямой. Собственно, монтаж базы, или основания принтера как раз зависит от параметров здания и его конфигурации. Дома могут иметь разную форму и габариты, соответственно и формат машин, создающих их, совершенно разный.

Важное дополнение. В строительном принтере нет необходимости использовать нагревающий элемент

Бетонная смесь подается напрямую из бетономешалки, с помощью специальных насосных систем. Такие машины позволяют идеально ровно выполнить кладку, а в некоторых случаях оставить отверстия под арматурные элементы.

3D-принтер позволяет провести укладку стен, перекрытий, инженерных отверстий, в том числе под оконные проёмы

Дома для бездомных — 38 и 45 кв. м

Icon — американский роботехнический стартап, который занимается 3D-печатью масштабных объектов. Например, вместе с NASA они сконструировали прототип ракетной посадочной площадки, а сейчас планируют проект напечатанной лунной космической станции «Олимпус». Но компания занимается и более приземленными постройками.

Вместе с дизайн-бюро Logan Architecture в 2020 году Icon напечатали шесть домов для бедных. Площадь каждого — 38 кв. м. Для строительства использовали 3D-принтер Vulcan II и специальный бетон. Во всех зданиях есть оборудованная кухня, гостиная, спальня и ванная комната. 3D-квартал возвели на территории уже существующего сообщества для бывших бездомных, где сейчас проживает более двухсот человек.

Фото: Shane Reiner-Roth / The Architect’s Newspaper

В Мексике Icon сотрудничает с New Story — фондом, который собирает пожертвования на строительство безопасного и дешевого жилья для бедного населения. В 2019-м организаторы проекта заявили, что планируют напечатать 50 домов, в каждом из которых будет по две спальни, ванная, кухня и гостиная. Площадь мексиканских домов — 45 кв. м.

Фото: Icon

Поскольку дома, которые печатают на 3D-принтерах, строятся в разы быстрее и дешевле обычных, они могут стать спасением для бездомных.

Плюсы и минусы применения 3D-принтера в строительстве

Преимущества новой технологии привлекают современных застройщиков. Если есть необходимость в короткие сроки и с минимальными затратами построить комплект объектов, принтер просто необходим. Затраты сокращаются за счёт сокращения рабочих мест, ведь для этого большого 3D принтера требуется всего один оператор и водитель с бетономешалкой.

Еще один плюс: практически исключена вероятность строительного брака. Человеческий фактор исключен, всем процессом руководит компьютерная программа, а оператор по факту лишь включает и выключает устройство

И, наконец, несомненным преимуществом является существенное сокращение сроков строительства. Работы на 3D принтере могут вестись круглосуточно, ему не требуется специальное освещение или выходные дни.

Прежде чем вы озадачитесь покупкой строительной машины, обратите внимание и на её недостатки:

• для строительства невозможно использовать вибробетон, требуются смеси с высокой скоростью схватывания и затвердения;
• пока не разработана четкая методика армирования конструкций;
• нет возможности удалять воздух методом виброобработки, могут образовываться полости с воздухом, что снижает прочность конструкции;
• работать 3D принтером можно только при положительной температуре в сухую погоду.

Есть ограничение проектов по высоте – не более четырех этажей

Что происходит

• В начале мая 2021 года четвертый в мире и первый в ЕС жилой дом, полностью напечатанный на 3D-принтере, принял своих жильцов. Это первый из пяти домов который компания Saint-Gobain Weber Beamix в рамках проекта Milestone планирует возвести на участке земли у канала Беатрикс, в пригороде Эйндховена.

  Репортаж YouTube-канала «РБК Тренды» о доме проекта Milestone

• Технология 3D-печати уже применялась в Европе для строительства отдельных конструкций зданий, однако в Нидерландах построили первый жилой дом, полностью напечатанный на 3D-принтере.
• Первыми арендаторами дома стала супружеская пара из Амстердама — 70-летняя Элиза Лутц и 67-летний Харри Деккерс.
• Дом площадью 94 кв. м сконструирован в форме неправильного валуна и состоит из 24 отдельных бетонных элементов, напечатанных на заводе в Эйндховене, которые были привезены на стройплощадку и установлены на фундамент. Затем в доме были поставлены оконные рамы, положена крыша и нанесены последние штрихи.
• Для печати была использована огромная роботизированная «рука» с соплом, которое впрыскивает специально разработанный цемент, имеющий текстуру взбитых сливок. Цемент печатается по проекту архитектора, добавляя слой за слоем для создания стены и увеличения ее прочности. Весь процесс печати занял 120 часов или пятеро суток.
• Форма неправильного валуна была выбрана неспроста — так строители хотели усложнить задачу и проверить способности 3D-принтера. Проверка прошла успешно, — теперь компания готова печатать дома сложной формы по желанию клиента.
• Месячная аренда дома составляет €800 (чуть больше ₽70 тыс.), что вдвое меньше рыночной арендной платы за подобную недвижимость.

3d строительство домов — миф или реальность?

Сегодня соперничают между собой две технологии 3d в строительстве: европейская и китайская. Согласно первой, строительный 3d принтер используется исключительно для производства строительных материалов и комплектующих в различных количествах. Однако само строительство здесь отводится человеку.

Китайские новаторы шагнули дальше. В их понимании проще все делать «под ключ». Поэтому в фокусе внимания – создание при помощи 3-d принтера дешевого и эффективного специального стекловолокна. При его добавлении бетонная смесь приобретала сильные технико-эксплуатационные свойства (например, снижалась теплопроводность). Человеческий фактор при этом – отсутствует на всех этапах печати.

Отличительные особенности

Будьте уверены, что современный 3d принтер строит дом очень быстро и за короткий промежуток времени справляется с поставленной задачей. К счастью, это далеко не единственная его особенность. Опытные специалисты утверждают, что представленное оборудование набирает огромную популярность за счет других немаловажных преимуществ, список которых приводится далее:

1. невероятная точность выполнения необходимых строительных работ достигается за счет четкого позиционирования головки принтера — это отлаженное оборудование, которое не совершает ошибок, в отличие от обычного человека; это выполняется в том случае, если 3d принтер для строительства домов будет правильно установлен на ровную поверхность;
2. денежные затраты, отводимые на механический труд существенно снижаются — такая техника позволяет значительно облегчить ручную работу или полностью ее заменить; при этом, можно не бояться за итоговый результат, потому что он всегда будет на высшем уровне;
3. каждый дом построенный 3d принтером отличается по-настоящему крепкой и надежной конструкцией, он не развалится через несколько недель или месяцев после окончания строительного процесса — это означает, что вопрос безопасности людей, которые будут находиться внутри стен этого умного дома, окажется под тщательным контролем;
4. строительный 3d принтер для строительства домов настолько популярен в нашей стране, что сейчас активно разрабатываются новые модели с расширенным функциональным рядом;
5. 3d принтер печатает дом, используя специальную рабочую массу в виде бетонного или цементного раствора, подача которого выполняется посредством специального экструдера, функционирующего автоматически;
6. некоторые модели способны выполнять качественную прокладку нужных коммуникаций — трубопровод, электропроводку или газовую развязку.

Качественная печать дома на 3d принтере осуществляется с выполнением ряда других немаловажных задач, например, возведение фундамента, крепких стен, заделывание проемов. Самое главное — изначально определиться с поставленной задачей и запустить оборудование, которое все сделает автоматически.

Непростое строительное дело постоянно совершенствуется за счет разработки набирающих популярность технологий и методов для эффективной работы. Любой дом на 3d принтере в России ничем не уступает другим сооружениям, которые ранее возводились на основе всем известных строительных технологий. Если вам хочется заполучить дом напечатанный на 3d принтере, то нужно обращаться за помощью к специалистам, потому что нет никакого смысла самостоятельно приобретать такую дорогостоящую технику.

Плюсы и минусы 3Д строительства

Применяя такой метод возведения зданий, можно воспользоваться следующими преимуществами:

• Существенное ускорение строительства происходит без дополнительного увеличения стоимости. Всего за несколько часов таким способом можно возвести конструкцию высотой 6 метров.
• С помощью строительного 3Д принтера можно в точности скопировать типовую конструкцию здания.
• Выполнение работ происходит в автоматическом режиме. При этом ручной труд может потребоваться, но его объём намного меньше, чем при применении традиционных методов. Он необходим для возведения крыши, отделки и прокладки коммуникаций.
• Постройка дома методом объёмной печати вместе с проведением отделочных работ и прокладкой коммуникаций необходимо не больше средств, чем для возведения здания из бруса. Существует тенденция к понижению стоимости таких работ.
• При таком методе работы нет необходимости делать опалубку для бетона.
• Сложность создаваемых геометрических форм не отражается на скорости проведения работ. Принтер просто выполняет те действия, которые определены используемым чертежом.
• Применение 3Д принтера не создаёт проблем, связанных со строительным мусором.
• Результат работы будет в точности таким, как планировалось. Принтер не устаёт и не делает ошибок, что позволяет быть уверенным в качестве выполненной работы.
• Экономия будет тем больше, чем шире используется 3Д строительство.
• Таким образом удобно делать малые архитектурные объекты.

У такого метода строительства имеются такие недостатки:

• 3Д печать не может использоваться для строительства некоторых частей здания. Например, это относится к возведению крыши.
• Использование печати домов ограничено климатическими условиями. Процесс строительства возможен только при условии, что температура воздуха опускается не ниже +15 градусов.
• Сейчас отсутствует опыт возведения многоэтажных зданий. До сих пор 3Д строительство применялось для создания небольших строений. Энтузиасты такого подхода утверждают, что с помощью таких принтеров можно строить объекты практически любого масштаба и сложности, но в реальности это не проверено.
• Первое здание было построенное таким образом, было создано в 2013 году. Поэтому опыт такого строительства не позволяет судить о том, к чему приведёт долговременная эксплуатация.
• Высокая стоимость используемого оборудование.
• Действие принтера ограничено той площадкой, на которой он установлен.

Строительство 3Д зданий в РФ не регламентировано законодательством. Препятствием к расширению сфер применение является отсутствие стандартов проведения таких работ.

Особенности технологии

Строительство домов с помощью 3D принтера стало реальностью благодаря калифорнийскому профессору Бероху Хошневису – изобретателю технологии Contour Crafting. Главным элементом инновации стал установленный на подвижной платформе экструдер, обеспечивающий послойное наращивание создаваемого объекта. Экструзия контролируется компьютером и производится согласно предварительно созданной трехмерной модели.

Процесс не нуждается в длительной и трудоемкой подготовке. Площадка расчищается и выравнивается с помощью стандартной техники, после чего на ней располагается 3D-принтер. Быстротвердеющая строительная смесь под давлением подается на головку принтера, откуда из сопла равномерно распределяется по рабочей поверхности. Строительные принтеры 3D-Shape в качестве расходного материала используют порошок, который после наслоения связывается, образуя монолитную конструкцию.

В 3D строительстве применяются вращающиеся и дельта-принтеры. Разнообразие бетонных смесей обеспечивает печать элементов различной сложности и размеров. С их помощью создаются декорации, малые архитектурные формы, здания, мосты и пр.

Мелкозернистая строительная смесь, используемая в принтерах, отличается от обыкновенного бетона. У каждой компании, осваивающей 3д строительство, расходный материал изготавливается по собственной рецептуре, которая зависит от особенностей оборудования и специфики возводимого объекта. Отдельным ноу-хау являются пластификаторы, благодаря которой увеличивается подвижность цемента, снижается содержание воды и увеличивается прочность.

Преимущества в сравнении с кирпичным и блочным строительством

По сравнению с традиционным возведением зданий 3D строительство обладает следующими преимуществами:

• На постройку дома с отделкой и коммуникациями требуется средств не больше, чем на аналогичное по площади здание из бруса без внутренних работ. При этом с развитием 3Д-технологий прослеживается тенденция к уменьшению стоимости их применения.
• При возведении 3D-печатного объекта задействовано гораздо меньше людей, чем на традиционных стройплощадках. После подготовительных работ в управлении и обслуживании техники участвуют 1–3 человека. В человеко-часах разрыв между обычным и 3д-строительством достигает 50–80%.
• При подготовленном фундаменте возведение стен по 3D-технологии занимает несколько суток. Основное время затрачивается на установку крыши, отделку и проведение коммуникаций. На сдачу в эксплуатацию быстровозводимых каркасно-щитовых домов уходит не менее месяца.
• Строительный мусор и загромождение окружающей территории – проблема любой стройплощадки. При работе 3д принтера отходы сводятся к минимуму, а некоторые из них после переработки вновь пускаются в дело.
• Благодаря технологии сокращаются затраты на возведение объектов с уникальной архитектурой. При этом сложность создаваемых геометрических форм не отражается на скорости процесса.

Достоинства стройки по объемной технологии относительно стандартному процессу представлены в таблице №1.

Таб. №1

Возведение домов с помощью 3D принтера более целесообразно из экономических соображений. При строительстве отпадает надобность в некоторых материалах и процессах, уменьшаются затраты на логистику и пр.

Поддерживающие материалы

Это вторые по важности расходные элементы после материалов для печати. Они нужны для создания опорных конструкций для сложнодетализированных моделей, в которых предусмотрен промежуток между слоями. Есть несколько видов поддерживающих материалов: — Легкоплавкие

Как правило, это вещества из воска или геля. Их можно легко удалять из объекта после создания, а также использовать повторно. — Вымываемые или растворимые. Это пластиковые или гелеобразные субстанции, которые растворяются в воде или химическом составе. Они хороши для создания сложных изделий с множеством внутренних пустот, а готовая модель после очистки от «поддержки» не нуждается в обработке. — Удаляемые механически. Как правило, изготавливаются из тех же веществ, что и материалы для печати, только в менее концентрированном виде. Они дешевле остальных видов «поддержки», но менее удобны. После модель необходимо отшлифовывать

Есть несколько видов поддерживающих материалов: — Легкоплавкие. Как правило, это вещества из воска или геля. Их можно легко удалять из объекта после создания, а также использовать повторно. — Вымываемые или растворимые. Это пластиковые или гелеобразные субстанции, которые растворяются в воде или химическом составе. Они хороши для создания сложных изделий с множеством внутренних пустот, а готовая модель после очистки от «поддержки» не нуждается в обработке. — Удаляемые механически. Как правило, изготавливаются из тех же веществ, что и материалы для печати, только в менее концентрированном виде. Они дешевле остальных видов «поддержки», но менее удобны. После модель необходимо отшлифовывать.