3 d принтер для строительства домов. 3D-печать в строительстве: как это работает, технологии и 3D-принтеры
3 d принтер для строительства домов. 3D-печать в строительстве: как это работает, технологии и 3D-принтеры
Серийная 3D-печать зданий становится реальностью — с помощью строительных 3D-принтеров печатают дома в России, Китае, странах Европы, Азии и Америки. В этом обзоре мы рассказываем о наиболее перспективных отечественных и зарубежных проектах в этой области.
Технология печати
А начнем мы с технологии. Принцип работы строительных 3D-принтеров заключается в экструзии — или выдавливании — специальной смеси, слой за слоем, по заданной трехмерной компьютерной модели.
Заранее подготовленная смесь, состоящая из цемента, наполнителя, пластификатора и других добавок, загружается в бункер устройства и оттуда подается к головке принтера. Смесь наносится на поверхность площадки или предыдущие напечатанные слои.
По такому принципу работает большинство строительных 3D-принтеров. Среди них различают три типа устройств:
Портальные 3D-принтеры представляют собой конструкцию из рамы, трех порталов и печатающей головки. С помощью таких устройств можно печатать здания и по частям, и целиком — если они умещаются под аркой принтера.
Устройства типа «дельта» не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.
Наконец, роботизированные принтеры — это робот или группа роботов типа промышленного манипулятора, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером.
Есть и другие методы строительной 3D-печати. Например: оборудование D-Shape печатает наслоением порошкового материала с последующим связыванием его нанесением клеящего раствора.
Материалы
Основным материалом для 3D-печати домов являются мелкозернистые смеси, которые отличаются от традиционного бетона. Каждая компания разрабатывает свою рецептуру, которая соответствует устройству принтера и его сопла, а также специфике готовых изделий.
Самые важные параметры бетона для 3D-принтера — это прочность, скорость застывания и набора прочности, пластичность. Свойства бетона регулируются составом смеси — количеством цемента и качества заполнителей, а также добавками пластификаторов.
Готовые смеси позволяют печатать элементы различной сложности и размеров — от малых архитектурных форм, типа клумб и скамеек, до целых зданий, мостов и даже небоскребов.
Принтеры
В 2009 году резиденты стартап-инкубатора “Университет Сингулярности” (Singularity University aka Singularity Education Group , осн. в 2008 в NASA Research Park, Калифорния), под руководством Берока Хошневиса (Behrokh Khoshnevis), создали проект по развитию и коммерческому применению технологии контурного построения — Contour Crafting , которая считается первой строительной технологией 3D-печати и фактически стала самой распространенной — это та самая технология, при которой цементная смесь наносится экструдером, подобно пластику при печати FDM.
Основанная Бероком Хошневисом одноименная компания развивает эту технологию 3D-печати и сотрудничает с NASA. Разработчик предлагает использовать этот метод печати для восстановления пострадавших от стихийных бедствий городов и строительства сооружений на других планетах.
Компания использует для 3D-печати зданий управляемый компьютером портальный кран с закрепленным на нем экструдером. В процессе Contour Crafting задействован быстросхватывающийся материал, который наносится краном послойно. Технические элементы, такие как арматура и коммуникации, могут быть добавлены по мере создания слоев.
Российская компания АМТ входит в группу компаний «АМТ-СПЕЦАВИА». Сфера ее деятельности — разработка и производство строительных 3D-принтеров, продажа и сервисное обслуживание оборудования на зарубежных рынках. Ассортимент компании состоит из семи 3D-принтеров разных размеров.
Этот дом в Ярославле — самое большое здание в Европе и СНГ, построенное с применением принтеров компании AMT. Его общая площадь — 298 квадратных метров.
3d принтер для строительства домов. Топ-6 строительных принтеров для 3D-печати домов
Алексей Бойко (ABloud)
WinSun, Китай
Первое место в списке по праву занимает шанхайская компания Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co. Китайский строительный 3D-принтер WinSun - это солидное сооружение - 150 метров длиной, 10 метров шириной и более 6 метров высотой. WinSun способен всего за несколько часов напечатать здание высотой до 6 метров. Для печати зданий принтер WinSun использует смесь из строительных отходов, включающих стекло, сталь и цемент.
Первые десять домов компания «напечатала» в 2014 году. Каждый из них стоил немногим более £3000 (270 тыс. рублей). Постепенно технология была усовершенствована, и компания изготовила для выставки в промышленном парке в китайской провинции Цзянсу несколько разнотипных зданий, самое высокое из которых насчитывало пять этажей. Цена этих домов, начиналась от £100.000 (от 7 млн руб). Во время и после выставки компания получила несколько сотен заказов, в том числе от правительства Египта.
Возведение зданий с помощью WinSun обходится примерно на 50% дешевле, чем при использовании классических методов строительства, экономия материала достигает 60%, экономия трудозатрат - 80%!
5-этажный дом, напечатанный принтером WinSun в Шанхае.
Заказы на аренду принтеров WinSun сейчас поступают из самых разных стран - только Саудовская Аравия возьмет в лизинг 100 принтеров с планами напечатать 1.5 млн домов. Есть договоренности и с Объединенными Арабскими Эмиратами. В 2016 году здесь было сооружено строение из элементов, напечатанных в Китае на принтере WinSun
Площадь строения - 240 кв.м.
Apis Cor, США
В декабре 2016 года в Ступино Московской области был осуществлен совместный проект американского стартапа Apis Cor и шести российских компаний. С помощью разработанного компанией Apis Cor 3D-принтера был напечатан жилой дом. Российские компании взяли на себя его отделку и обустройство. Печать самонесущих стен, перегородок и ограждающих конструкций здания заняла 24 часа. После завершения печати принтер извлекли краном-манипулятором. Площадь здания составила 38 кв. м, оно напечатано с помощью аддитивной технологии, слой за слоем. Стоит упомянуть, что впервые в российской строительной практике дом печатался как единое целое, а не собирался из отпечатанных панелей.
Чтобы продемонстрировать гибкие возможности оборудования, была выбрана сравнительно сложная форма дома, а строительство велось в самое холодное время года. Оборудование для печати выдерживает морозы до -35 градусов, но применение бетонной смеси для печати возможно только при температурах не ниже +5 градусов Цельсия, поэтому строительство велось под тентом, где поддерживался необходимый температурный режим.
Принтер по-конструкции миниатюрный башенный кран, он способен печатать находясь как снаружи, так и внутри здания.
Небольшие габариты принтера позволяют не создают проблем с транспортировкой, он не требует длительной подготовки к работе. Одна из функциональностей - встроенная система автоматического выравнивания по горизонту и система стабилизации.
Стоимость строительства отпечатанного дома «под ключ» составила 593 568 рублей, или примерно 16 тысяч рублей за квадратный метр. Если бы форма здания была прямоугольной, стоимость за метр снизилась бы до 13 тысяч рублей.
Инженером-разработчиком оборудования, CEO и основателем компании Apis Cor является уроженец России, Никита Дмитриевич Чен-Юн-Тай.
Преимущества 3 Dпринтера Apis Cor:
- Автоматическая система смешивания и подачи смеси.
- На установку принтера и его настройку перед работой требуется 30 мин. Предварительная подготовка площадки не нужна. Производство безотходное, на стройплощадке не остается никакого мусора.
- Свободный выбор толщины и конфигурации стен.
- Дом лучше держит тепло из-за воздушной прослойки в многокамерных стенах.
- За счет специальных добавок в бетонную смесь на дом не влияют погодные условия.
- Стоимость дома меньше, чем его аналога, создаваемого из бетона по традиционным технологиям.
- Стены можно дополнительно утеплять любыми подходящими для этого материалами.
Технические характеристики:
- Собственное программное обеспечение
- Для контроля работы и подачи материала требуется 2 человека
- Зона печати – 132 кв. м
- Материал для печати - фибробетон, или геополимер
- Габариты принтера - 4 × 1,6 × 1,5 м.
- Вес - 2 т
- Потребление энергии – 8 кВт*ч
- Максимальная высота подъема с одной точки - 3100 мм
- Производительность - 100 кв.м полезной площади в сутки
- Рабочая скорость движения - 1–10 м/мин
Презентация компании, .PDF
ProTo R 3Dp и RC 3Dp, CyBe Additive Industries, Нидерланды
В Нидерландах разработан 3D-принтер-манипулятор для строительства ProTo R 3Dp.
Он умеет строить различные конструкции произвольной формы из специального бетона. Разработчики - компания CyBe Additive Industries.
Строительство домов 3д принтером в россии. Типы строительных 3D-принтеров
Для постройки здания нужна готовая 3D-модель, быстротвердеющий бетон и строительная площадка, которую достаточно разровнять стандартной строительной техникой. Большинство из 3D-принтеров печатают по единому принципу – путем наслоения бетонной смеси, выдавливаемой из сопла экструдера. Есть исключения, такие как принтеры D-Shape, которые печатают наслоением порошкового материала с последующим связыванием по всей ширине установки.
Строительные 3D-принтеры разнообразны — это машины и с полярной схемой работы (вращающиеся 3D- принтеры), и дельта-принтеры, и основанные на роботах-манипуляторах. Пригодные сегодня к экструдированию бетонные смеси позволяют печатать элементы различной сложности и размера — от малых архитектурных форм, типа клумб и скамеек, до целых зданий, мостов и даже небоскребов, потому и принтеры отличаются не только устройством, но и масштабами.
Различают несколько видов строительных принтеров:
XYZ-принтеры (портальные)
Оборудование представляет собой раму, по которой движется головка, по осям ХУ. Для подвески печатной головки обычно используется три портала. Порталы перемещаются с помощью шаговых двигателей, обеспечивающих наибольшую точность. Они предназначены для печати зданий по частям — в цеху; и для печати внутренних стен, при установке принтера внутри возводимого здания. Небольшие строения, полностью умещающиеся под аркой принтера, печатаются целиком за один раз.
Дельта
Принтеры типа «дельта», в отличие от портальных установок, не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на тонких рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.
Роботы
Роботизированные принтеры-манипуляторы – робот или группа роботов типа промышленного манипулятора, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером. Частный случай принтера-робота — 3D-принтер с полярной схемой работы, который находится внутри строящегося здания, обычно — в центре. Примеры таких роботов: приведенный на гифке выше гусеничный аппарат из MIT и робот российской компании Apis Cor, о которых мы расскажем дальше.
D-Shape
Технические особенности делают из D-Shape отдельный класс строительных принтеров — он печатает не раствором, а сухим порошковым материалом, каждый слой которого укладывается на желаемую толщину и уплотняется, а затем пропитывается связующим веществом из сопел принтера. Завершенная деталь очищается от лишнего сырья.
Строительные смеси
Основным материалом для печати является бетон. 
Бетон для строительной печати должен подходить для экструзии через печатающую головку. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Сложность в том, что бетон должен укладываться правильными ровными слоями, не растекаясь, и схватываться достаточно быстро для сохранения формы, но не слишком быстро — накладываемые слои должны оставаться химически активными, чтобы образовывать единую структуру в месте соприкосновения. Снижение скорости схватывания важно и для сохранения работоспособности оборудования — сопло не должно забиваться затвердевающим бетоном.
Для печати используют мелкозернистые смеси, которые отличаются от традиционного бетона. Каждая компания разрабатывает свою рецептуру, которая соответствует устройству принтера и его сопла, а также специфике целевых изделий. Самые важные параметры бетона для 3D-принтера — это прочность, скорость набора прочности, пластичность. Необходимая прочность бетона подбирается регулированием состава смеси — количества цемента и качества заполнителей, а также добавками пластификаторов. Пластифицирующие вещества значительно увеличивают подвижность смеси и уменьшают водоцементное отношение, что повышает прочность бетона.