О колонизации Марса, 3D-бетоне и автобусных остановках, напечатанных на принтере - «Строительные Материалы»

Современные технологии практически наступают нам на пятки. И Россия, как оказалось, вовсе от них не в стороне. Например, достаточно уверенно мы себя чувствуем в строительной 3D-печати. А недавно одна из российских компаний вошла в число финалистов конкурса, объявленного НАСА - Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства, США. Ее технология была признана одной из самых пригодных для возведения жилой и общественной инфраструктуры на Марсе.

Первым марсианином, похоже, будет строительный 3D-принтер

…Итак, все по порядку. Не так давно НАСА был объявлен конкурс на лучшую технологию возведения объектов не где-нибудь, а на Марсе. Идея такая. Еще до начала колонизации на Марс должны быть отправлены автоматизированные системы, которые напечатают там какую-то жилую структуру. Все это должно происходить без участия человека, с использованием материалов, которые есть на самой «красной планете». Сами модули призваны обеспечить достаточную защиту от радиации, метеоритов и т.д.

Финал этого конкурса выиграла одна из российских компаний. Наша технология была признана лучшей для использования на Марсе. В этой работе в качестве аккредитованного Испытательного центра участвовал НИИ  строительных материалов и технологий Московского государственного строительного университета. Об этом на недавней конференции «BetON.Conf2020» рассказал заместитель директора НИИ СМиТ НИУ МГСУ Алексей Адамцевич.

Правда и то, что строительному сообществу предстоит еще очень большая работа, чтобы довести технологию строительной 3D-печати до использования в индустриальных масштабах здесь, на Земле.

- Если мы посмотрим на схему организации проектного процесса, то наглядно видим выигрыш использования строительной 3D–печати, так как она, во-первых, автоматизирует все процессы, а во-вторых, позволяет отказаться от половины операций, которые сегодня используются в монолитном строительстве, - говорит Алексей Адамцевич.

 На строительном 3D-принтере можно напечатать и дом, и мебель, и арт-объект

Например, строительному принтеру для работы не нужна опалубка. Между тем, подсчитано, что почти 80% всех промышленных отходов образуется именно из-за необходимости использовать опалубку. Она составляет и серьезную часть – до 50% - стоимости конструкций.

…Если говорить об истории вопроса, то идея безопалубной укладки бетона не нова - эта технология существовала еще в 30-х-40-х годах прошлого века. Правда, тогда она применялась не из желания что-то автоматизировать - просто необходимо было создать объекты сферической формы. А выразительные архитектурные формы, как известно, плохо совместимы с ручным трудом.

Если говорить о 3D-печати на современном этапе, то понятно, что тот, «пилотный», механизм позволял отимизировать один из процессов, но при этом строительство в целом не было автоматизировано. Сегодня 3D-строительство подразумевает полную автоматизацию. А это дает колоссальный выигрыш в производительности труда. Появилась возможность строить не годы, не месяцы и даже не недели, а часы.

За последние 10 лет создано огромное количество прототипов строительных 3D-принтеров. На строительном принтере теперь печатают не только традиционные ограждающие конструкции, но и различные декоративные элементы, бетонные скульптуры, предметы уличного интерьера. А также автобусные остановки. И даже уборные.

В последние годы известность приобрел китайский 3D-подход к модулям крупноблочной сборки общественных и жилых зданий. А американские специалисты придумали технологию 3D-печати целых малоэтажных микрорайонов. Пока технология отрабатывается. Стоимость такого объекта – 4 тыс.долларов, а время изготовления– 12 часов. 

Миксер, насос и башенный  кран – 3D-принтер готов

Многим может показаться, что эта технология очень футуристичная, очень сложная и малодостижимая.

На самом деле, это не так. Если мы посмотрим технологию 3D, то поймем, что здесь используются достаточно простые и известные вещи: бетонный миксер, бетонный насос и, соответственно, башенный или мостовой кран, объединенные программным обеспечением в один комплекс.

 3D-печать в камерном варианте. Процесс создания опытного образца будущего 3D-дома 

Способ 3D-строительства ничем не отличается от способа 3D-печати методом экструзии расплавленным пластиком, только вместо пластика - композитный материал на основе цемента и армирующих добавок — фиброволокна, полимеров и т.д

Экструдер укладывает бетон по заранее намеченной траектории. По сути, задача принтера сформировать стены заданной геометрической формы, а затем в полости заливается бетон и закладывается арматура.

…Авторство самой распространенной конструкции 3D-принтера – она называется Contour Crafting – принадлежит профессору из США, уроженцу Ирана, Бероху Хошневису. Суть работы устройства состоит в том, что строительная смесь наносится с помощью экструдера, установленного на подвижной портальной конструкции.

Полная версия технологии предусматривает целиком автоматизированный процесс, который включает установку арматуры и коммуникаций во время печати с помощью роботов-манипуляторов.

Другой специалист – итальянский инженер Энрико Дини придумал другую конструкцию D-Shape: вместо позиционируемого по трем осям экструдера здесь задействован целый массив из 300 сопел, закрепленный на подвижной платформе. Технология скорее напоминает струйную печать, а массив используется для нанесения связующего агента на слои песка. У метода есть одна проблема: хотя у 3D–принтера хорошая скорость, приходится ждать схватывания бетона примерно около суток.

Наиболее продвинутой в области 3D–печати считается китайская компания  WinSun. В 2014 году предприятие прогремело на весь мир возведением десяти 3D-печатных зданий всего за одни сутки. С тех пор они сильно продвинулись в своих технологиях.

Знай наших!

Строительная 3D-печать шагает семимильными шагами. По этой технологии построены уже десятки зданий по всему миру.

Андрей Руденко – один из первопроходцев строительной 3D-печати. Способный инженер, переехавший в Миннесоту, впервые привлек внимание миниатюрным сказочным замком, построенным при помощи 3D-принтера собственной конструкции под названием «СтройБот».

Позднее он напечатал на принтере постройку площадью 130 кв. м для одного из филиппинских отелей.

 Сказочный замок, который был полностью отпечатан на 3D-принтере

…Уже несколько лет на ярославском предприятии «Спецавиа», которое изначально выпускало станки с ЧПУ – идет работа по конструированию строительных 3D-принтеров. На сегодня их у компании уже семь.

 Компания "Спецавиа" опробует очередную конструкцию строительного 3D-принтера

Самым известным проектом с применением 3D-принтера «Спецавиа» стало возведение необычной сторожки на территории Екатеринбургского цементного завода -  в виде башни замка Винтерфелл из популярного телесериала «Игра Престолов». Несъемная опалубка была армирована во время печати. После сборки силовые элементы стен были залиты бетоном производства того же Екатеринбургского цементного завода .

Если 3D-принтеры Спецавиа, как и большинства конкурентов, используют портальную схему, то разработка "Apis Cor" – иркутского конкурента компании «Спецавиа» -  основана на использовании телескопического манипулятора на поворотной платформе. То есть, принтер «заливает» стены вокруг себя, а по окончании строительства переносится на другую  позицию с помощью крана.

 3D-принтер c телескопическим манипулятором строит по кругу

Построенное компанией "Apis Cor" круглое здание в городе Ступино под Москвой наглядно показывает архитектурную гибкость строительной 3D-печати. На возведение стен ушло менее суток, но на полное затвердевание потребовалось еще около месяца. Погодные условия при этом были не очень благоприятные, поэтому здание возводили под тентом-укрытием.

- На первый взгляд, может показаться, что 3D-печать – это не для самых ответственных объектов, не предполагающих наличие армирования,- рассказывает Алексей Адамцевич.- Но технология не стоит на месте, она очень быстро развивается. Буквально в конце прошлого года один из российских стартапов закончил печать двухэтажного офисного здания в Дубае площадью 140 кв. метров. Важно, что печать была полностью под открытым небом. И теперь это здание внесено в книгу рекордов Гиннеса, как самое большое здание, целиком напечатанное на 3D–принтере. 

Для 3D-печати нужен особый бетон

…Нетрудно заметить, что очень большое значение для новой технологии имеет не только конструкция принтера, но и качество бетона. Требования, которые предъявляются к 3D–бетону, несколько иные, нежели к обычному товарному бетону для монолитного строительства. Здесь на первый план выходят такие его характеристики, как пластичность, схватываемость, адгезия (сцепление слоев между собой). Требуется использование специальных добавок – ведь на повестке дня чуть ли не полный отказ от армирования

И здесь, уже в ближайшие годы, очень востребованными будут такие предприятия, как, например, российское «Полипласт. Новомосковск». На этом предприятии уже много лет разрабатывают различные добавки и пластификаторы, которые придают бетону те или иные нужные свойства.

Сегодня одно из ведущих предприятий цементно-бетонной отрасли активно работает над добавками нового поколения. Не так давно, например, здесь запущен в производство новый поликарбоксилатный пластификатор. С его помощью можно экономить объемы цемента в составе бетона. За последние 10 лет количество цемента в кубе бетона удалось сократилось со 100 кг до 70 кг.

Пластифицирующие добавки – это ускорители набора прочности бетона. А этот показатель – как раз очень важная характеристика бетона в условиях 3D-печати. Ведь сейчас ученые как раз ломают голову над тем, как ускорить схватываемость и увеличить прочностные характеристики. Пока, чтобы здание, изготовленное из 3D-бетона, что называется, «встало», требуется определенное, порой значительное, время.

  В процессе 3D-печати трудно переоценить качественные характеристики бетона

Нужно отдать должное крупным российским производителям, которые регулярно организуют научно-практические конференции, куда приглашают ведущих игроков рынка цемента и бетона. В их числе и компания «Полипласт. Новомосковск».

Вот и на недавней конференции «BetON.Соnf2020.Разрушая мифы», организованной этой компанией, участники снова обсудили перспективы развития товарного бетона и бетона с особыми характеристиками для использования в строительных 3D-принтерах.

…Эксперты в ближайшие годы прогнозируют многократный рост «напечатанных» домов. Многие государства создают национальные проекты по 3D-печати. Такие проекты есть в Китае, в Великобритании, Нидерландах. Самые крупные исследования проводятся в Арабских Эмиратах - в этой стране к 2030-му году собираются строить уже очень большую долю рынка  с помощью 3D-принтеров.

В России практика, к сожалению, пока отстает от теории. В экспериментах мы продвинулись далеко. Но до широкого использования этой технологии еще очень не близко. Не создано и каких-то специальных механизмов, стимулирующих развитие строительной 3D-печати. Сложно получить деньги на разработки в этой области.

Словом, нам предстоит еще колоссально много работать, чтобы сделать строительную 3D-печать самой обыденной и повсюду применяемой технологией.

Елена МАЦЕЙКО