3D-печать в строительстве: новые возможности и перспективы

3D-печать в строительстве: новые возможности и перспективы

H1

### Введение

Современные технологии постоянно развиваются, и 3D-печать не является исключением. Эта технология уже нашла свое применение в различных отраслях, включая медицину, промышленность и, конечно, строительство. В этой статье мы рассмотрим новые возможности и перспективы 3D-печати в строительстве.

### История 3D-печати в строительстве

3D-печать в строительстве начала развиваться в начале 2000-х годов. Первые проекты были очень простыми и представляли собой небольшие здания, такие как дома или гаражи. Однако, с развитием технологии стали появляться более сложные проекты, такие как многоэтажные здания и даже мосты.

### Новые возможности 3D-печати в строительстве

3D-печать в строительстве открывает множество новых возможностей. Она позволяет создавать уникальные и сложные конструкции, которые были бы невозможны с помощью традиционных методов строительства. Кроме того, 3D-печать позволяет сократить время и стоимость строительства.

### Перспективы 3D-печати в строительстве

3D-печать в строительстве имеет огромный потенциал. Она может помочь решить проблему нехватки жилья в развивающихся странах, а также сократить экологическую нагрузку на окружающую среду. Кроме того, 3D-печать может быть использована для строительства на других планетах, таких как Марс.

### Заключение

3D-печать в строительстве открывает множество новых возможностей и перспектив. Она позволяет создавать уникальные и сложные конструкции, сократить время и стоимость строительства, а также решить проблемы нехватки жилья и экологической нагрузки на окружающую среду. В будущем 3D-печать может стать основным методом строительства на Земле и даже на других планетах.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое 3D-печать в строительстве

Строительная 3D-печать, или, как ее еще называют, аддитивное строительство, только появилась на свет, и хочется верить в ее светлое будущее. К этому есть много предпосылок, но для успеха многое еще нужно сделать. В первую очередь, нужно разработать принципы проектирования домов для строительной 3D-печати. Затем необходимо привлечь топовых архитекторов для создания знаковых проектов, за которыми может последовать массовое внедрение новой и очень перспективной технологии. Строительная 3D-печать может помочь в решении глобальной проблемы нехватки жилья, а также привнести большую долю автоматизацию в другие сферы строительства.

Какие преимущества имеет 3D-печать в строительстве по сравнению с традиционными методами

Технология объёмной печати в строительстве имеет несколько объективных преимуществ по сравнению с традиционными методами:

• Отсутствие большого количества отходов. Экологичность является одним из главных преимуществ 3D-печати, ведь перед многими странами очень остро строит проблема утилизации строительных отходов. По оценке независимых экспертов Transparency Market Research Group к 2025 объем строительного мусора может составить больше двух миллиардов тонн. Технология объёмной печати позволяет свести к минимуму его количество, так как строительная конструкция создается таким образом, чтобы полностью исключить перерасход материалов.
• Снижение потребления энергоресурсов. Используя данную технологию, можно существенно сократить расходы энергии на транспортировку и возведение различных объектов недвижимости. Кроме того, использование современных материалов, которые подбираются с учетом климатических и температурных условий, дает возможность уменьшить нагрузку для отопления или охлаждения здания в процессе его дальнейшей эксплуатации.
• Экономия времени и финансов. Новейшее оборудование для 3D-печати может работать круглосуточно и не требует привлечения большого количества работников. В результате этого не только повышается скорость проведения строительных работ, но и значительно сокращаются финансовые издержки.
• Создание зданий необычной формы. Классическая архитектура имеет целый ряд ограничений, обусловленных применением устаревших технологий создания строительных конструкций. По сути, практически каждый архитектор может использовать лишь определенное количество элементов, которые не позволяют воплотить в реальность слишком сложный и необычный дизайн. Технология объёмной печати снимает эту проблему, так как принтер можно запрограммировать практически на любую форму.
• Повышение уровня безопасности. К сожалению, строительная сфера сегодня продолжает оставаться одной из самых травмоопасных, даже не смотря на введение строгих правил безопасности. Применение современного оборудования для объёмной печати позволяет снизить количество производственных травм и смертельных случаев.

Главным недостатком объёмной печати зданий и сооружений можно назвать слишком жёсткие требования к качеству строительной смеси. Она должна обладать повышенной прочностью, пластичностью, а также сохранять определенную скорость застывания и набора прочности в температурно-влажностных условиях. Кроме того, пока не удается решить вопрос с армированием бетонных блоков, которые были отпечатаны на 3D-принтере. Ещё один очевидный минус – достаточно высокая стоимость оборудования: исследования показывают, что сегодня для того, чтобы полностью окупить хотя бы один принтер, требуется создать в среднем от пяти до десяти полноценных домов.

Какие материалы можно использовать для 3D-печати в строительстве

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

15

Приветствуем наших подписчиков и читателей 3DToday.Публикуем анонсированную в прошлом посте статью про смеси для строительных принтеров.По традиции - в начале видео, а потом текст для тех у кого нет возможности просмотра видео или включения звука.Только ленивый сегодня не делал строительный принтер. И начинают все с одного — ищут подходящий состав бетона для печати. Наверное он и должен быть уникальным: быстро схватываться, быть пластичным и в тоже время не усаживаться под давлением следующих слоев.

Быстрый набор прочности — у цементов марок 600 и 700. Но рядовому строителю такие цементы не знакомы. Их нет на строительных рынках. Да и цена кусается.Одним из достоинств портальных принтеров серии S- то, что для печати можно использовать различные строительные смеси, специальные и самые дешёвые.Для печати неответственных конструкций, например малых форм для ландшафта, подойдет пескобетон М300. Прочности хватит. Зимой выстоит. Цена такой смеси минимальна — дешевле товарного бетона. Рентабельность налицо!Для домов надо в смесь добавить пластификатор — стенка будет ровной и шелковистой.Если ваша конструкция должна быть очень прочной или например полностью влагонепроницаемой — придется купить специальный бетон. Более 15 составов для нашего оборудования уже выпускают промышленно два предприятия в России.Посмотрите на печать модифицированным гипсом.При добавлении диатомитовых шариков фактура поверхности становится шероховатой. Просто находка для декоративных элементов! Гипс водостойкий, подходит для облицовки зданий.При печати длинных стен в бетон вводят стеклянную и полиэфирную фибру. Металлическая крупна и жестковата - для печати совсем не годится. Фиброволокно армирует бетон изнутри, не позволяет появляться трещинам, да и прочность значительно увеличивает.Различные виды глины, коалиновые смеси просто идеальны для печати. Малоформатный строительный принтер - реальный конкурент маститому печнику.Готовить смеси для печати совсем не сложно. В программе обучения работе на принтере этому уделяется достаточное количество времени.Посмотрим что получилось? - достаточно пластичная, в меру густая смесь. Для печати в самый раз. Ну что попробуем?Очевидно, что бетонов и других смесей для строительной печати более чем достаточно. Печатайте на здоровье! Только делайте всё ПРА-ВИЛЬ-НО!Подписывайтесь на наш блог, социальные сети видео-каналы и узнавайте о наших новостях первыми!Удачи!

Какие проекты уже были реализованы с использованием 3D-печати в строительстве

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

3

Российские компаниииналадили серийное производство модульных домов. Конструкции печатаются на аддитивной системе собственной разработки Boom3DPrinter, работающей со строительными смесями.

Отличительные особенности технологии — сферическая форма зданий, быстрота возведения и использование экологичных, энергоэффективных материалов, сообщает Printed Dome. На первом этапе с помощью строительного 3D принтера печатается монолитная оболочка из легкого бетона, в процессе 3D-печати она армируется и утепляется. Затем укладывается пол, в который встраиваются необходимые коммуникации, делается отделка, устанавливается сантехника и мини-кухня. После этого дом готов к отгрузке на объект.

На площадку доставляются три модуля, устанавливаемые на заранее подготовленный фундамент. В качестве фундамента могут использоваться винтовые сваи, монолитная плита или любой другой тип фундамента, в зависимости от грунта или пожеланий заказчика. Монтаж дома занимает не дольше трех дней. Типовые планировки включают модульные бани, беседки и монолитные навесы над бассейнами.

— это проект, сконструировавшего стреловой строительный 3D-принтер Boom3DPrinter. Система массой двести килограмм способна укладывать цементно-песчаные и гипсовые строительные смеси в диаметре от пяти до двенадцати метров, а при необходимости легко транспортируется.

Расчет делается на купольные конструкции — относительно легкие, свободнонесущие и позволяющие несколько экономить на фундаменте. Такие здания демонстрируют высокую энергоэффективность и сейсмическую устойчивость, а также исключают обвал крыши под весом снега.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.

Какие ограничения и проблемы могут возникнуть при использовании 3D-печати в строительстве

Существует целый спектр проблем 3D-печати в строительстве — правовых, нормативных, архитектурных, эксплуатационных, страховых. Наиболее сложными видятся физико-химические.

Во-первых, во многом неясны требования к реологическим свойствам цементного раствора, подаваемого через сопло. Они должны быть более или менее стабильными в процессе многочасовой работы, несмотря на изменения температуры и влажности. Это актуально для регионов с континентальным климатом, когда температура на стройплощадке может меняться с перепадами до 40оС. Запатентовано порядка 100 сложных составов цементной смеси, в том числе строительно-архитектурными вузами Москвы, Казани, Воронежа, Белгорода, Калининграда.

Одним из действенных приемов управления реологическими свойствами растворов для аддитивной технологии представляется введение суперпластификаторов, обладающих поверхностной активностью на границе твердое тело—жидкость. Переход от связнодисперсной системы к свободнодисперсной под действием пластификатора необходим для перекачки рабочего раствора из питающего бункера к рабочему соплу и последующей экструзии. В этом аспекте цементные растворы («системы жидкость—твердое») обязаны обладать специфическим свойством коагуляционных структур — тиксотропией, то есть после снятия технологической нагрузки за малое время должна восстанавливаться структура, что обеспечивает рост пластической прочности.

Во-вторых, важным параметром является адгезия между слоями раствора. Отличительными особенностями 3D-печати является отсутствие как арматурных выпусков, так и виброуплотнения уложенных слоев. Поэтому обеспечение сцепления формуемых слоев бетонной смеси является актуальным (и во многом нерешенным) вопросом. Некоторые исследователи предлагают делать технологические паузы для схватывания перед нанесением свежего экструдата и даже делать укрепляющие прослойки, в том числе металлическими сетками и гелеобразными полимерными препаратами.

При печати в высоком темпе новые слои давят на еще не отвердевшие низшие слои, что приводит к деформации типа «растекание» и стена получается оплывшей книзу. В условиях интенсивного воздействия воды и значительных суточных перепадов температур напечатанные материалы имеют склонность к растрескиванию.

В технологии формования стен методом 3D-печати существует также риск образования «холодных» швов между слоями, связанных с наличием временных интервалов в процессе печати.

Не изучены приемы кондиционирования строительства в открытой среде, например, с помощью тендов и ширм, тепловых и холодильных пушек, увлажнителей и осушителей рабочей зоны — чтобы хоть отчасти сгладить воздействие внешних факторов.

Наконец, мало изучен физико-химический механизм воздухововлечения во время экструзии, которое влияет на пористость и, следовательно, прочность результативного материала. При выходе из экструдера на срезе сопла в материале происходит сброс давления, и цементное тесто «вздыхает», набирая окружающий воздух в поверхностные слои. Поскольку виброуплотнения нет, то при отвердевании в приповерхностных зонах бетона образуется избыточная пористость, которая не может не приводить к механическому ослаблению.

В результате многочисленных НИР, проведенных в 2015–2022 годах, частично изучены поверхностно активные модификаторы на основе оксифенолальдегидных олигомеров, обладающие высокой адсорбционной способностью на полимерных (поливинилацетат) и минеральных (мел, кварц, глинозем, цемент) частицах, выявлены некоторые закономерности влияния адсорбционного модифицирования на реологические, электроповерхностные и другие свойства полимер-минеральных дисперсий, выполнен анализ структурообразования с момента зарождения коагуляционной цементной структуры до твердой конденсационно-кристаллизационной структуры. В общем плане эффективны многокомпонентные смеси (цемент, песок, полимер, модификатор, фиброволокно и т. п.) с учетом синергетического эффекта. Есть первые попытки математического моделирования для расчета рациональной области дозировок, что позволило реализовать полупромышленные испытания патентозащищенных составов в 3D-печати мелкозернистых полимерцементных фибробетонов. Очерчены критерии требуемых реолого-технологических свойств: предельное статическое напряжение сдвига ?0ст=30–40 Па, предельное динамическое напряжение сдвига ?0дин=5–8 Па; пластическая прочность Рm=1,2–1,5 кПа; адгезия до 2 МПа между слоями; регулируемый срок схватывания от 10 до 60 мин; ударная прочность порядка 1 кДж/м2 (одни сутки); низкое водопоглощение 6–9%; прочность на сжатие около 20 МПа, модуль упругости 20–50 ГПа.

Как 3D-печать может повлиять на будущее строительства

В последние годы многие страны занимаются разработками и экспериментами в области технологии 3D-печати для производства зданий и сооружений, но надо отдать должное китайским разработчикам компании Shanghai WinSun Decoration создавших технологию печати, по которой впервые было отпечатано 10 домов общей площадью 200 квадратных метров, один дом за одни сутки. Компоненты создавались на принтере, имеющий габариты 6 метров высотой, 10 метров шириной и 40 метров длиной. Для строительства использовались материалы, такие как: бетон, цемент, гипс армированный стекловолокном, пластик и др. с использованием добавок, помогающими ускорить затвердевание материалов. Печать конструктивных элементов выполнялась на заводе, после чего происходила транспортировка их на строительную площадку, где в последующем элементы собирались воедино. Такие конструктивные элементы здания, как двери и окна не печатались на принтере .

В 2016 году в качестве штаб-квартиры фонда для Национального комитета Объединенных Арабских Эмиратов компания WinSun применила ту же технологию для реализации офисных зданий общей площадью 250 квадратных метров. На данное выполнение работ ушло 19 дней и около 140 тыс. долларов .

В России в 2017 году российская компания ApisCor сделала прорыв в области 3D-печати и первой напечатала здание в Подмосковье. Здание в плане имело округлую форму, тем самым компания хотела продемонстрировать, что здание может иметь нестандартные формы и размеры.

Так же, в России существует пока единственны поселок, расположенный в Зеленодольском районе, который отстраивается с помощью 3D – печати. Стены, напечатанные на принтере, служат опалубкой, в которую заливают после затвердевания пенобетон. На возведение одного дома общей площадью 81 квадратных метров было затрачено около 7 суток. В сравнении с классическим железобетонным домом, себестоимость стен напечатанного снизилась до 30% .

Какие компании и организации занимаются разработкой и внедрением 3D-печати в строительстве

Совсем недавно, еще лет десять назад, принтеры были дорогостоящей оргтехникой, но прошли годы и сегодня практически в каждом доме есть этот печатающий помощник. Мало того, технологии постоянно развиваются и появляются очень интересные принтеры с трехмерной печатью, так называемые 3D-принтеры. Благодаря таким устройствам можно получить объемную печать какого-нибудь предмета. То есть, у вас есть трехмерная модель ручки, вы ее можете распечатать с помощью трехмерного принтера, естественно из пластика.

3D печать становится все более популярной, но многие люди относятся к ней с опаской. У большинства возникает вопрос, а не будет ли такая печать вредить человеку и природе с развитием трехмерной печати? Этот вопрос изучает Джошуа Пирс, сотрудник Мичиганского технологического университета. Проведя определенные анализы, исследователь сделал определенный вывод.

Как же функционирует принтер, созданный для 3D печати?

Чтобы начать рассмотрение вопроса о вреде трехмерной печати окружающей среде и человеку, стоит узнать, как функционирует принтер, что используется в качестве основного сырья для производства различных моделей и многое другое.

На данный момент есть две технологии 3D печати: одна использует лазерную технологию, а вторая – струйную. Обе постоянно совершенствуются и возможно, что уже скоро появится что-то весьма интересное. Но в итоге, принцип работы всегда одинаков, в принтере расправляется полимерное сырье, которое выходит из сопла иголки в виде тонкой нити. Постепенно модель становится реальной, пока головка принтера ее печатает. На это может уходить много времени, чем больше деталей у трехмерной модели, тем больше времени требуется принтеру для печати. По мере печатания, нити высыхают, как итог, получается полноразмерная модель, которой можно пользоваться, не боясь ее сломать.

Струйная технология

Лазерная технология

В настоящее время продаются уже домашние принтеры для 3D печати, они довольно компактные, и выглядят как микроволновые печи. Несмотря на такой маленький размер в них можно создать много чего, ведь печать возможна по деталям, а впоследствии модель можно собрать как конструктор. Пользователю необязательно быть программистом и хорошо разбираться в создании трехмерных моделей, в интернете существует множество уже готовых заготовок, которые можно скачать и распечатать.

Результаты исследований ученого

Ученый изучил такие напечатанные изделия, как кусок водопроводной трубы, соковыжималка и детский конструктор. Исследования длились достаточно долго, и ученый пришел к решению, что все эти предметы позволяют значительно снизить потребление энергии и выбросы углекислого газа при производстве на крупном заводе, а значит, пользы от этих распечатанных моделей значительно больше, чем вреда.

Противники этого решения отметили, что при массовом производстве затрачиваемая энергия гораздо меньше, чем выпуск единичной детали в домашних условиях. Но ученые все равно настаивают на своем решении, ведь благодаря домашней печати нет необходимости затрачивать средства и ресурсы на транспортировку, продажу, переработку и многое другое. Поэтому расходы на энергию понижаются примерно на 50%. Мало того, Пирс доказал, что при производстве трехмерных моделей в домашних условиях количество отходов минимально, к тому же детали могут быть полыми, с решетчатым каркасом, а значит, значительно сокращается использование сырья.

Ученые уверены, что трехмерная печать предметов будет развиваться и далее, что приведет к благоприятному воздействию на окружающую среду и уменьшит вредные выбросы.

Какие новые технологии и инновации могут быть разработаны в области 3D-печати в строительстве

Технология 3D-печати имеет довольно большие перспективы при ее правильном применении. В услугах 3D-печати наиболее нуждаются следующие сферы деятельности:

1. Строительство. В строительном деле 3D-печать может стать весомым подспорьем традиционным методам строительства. Так как эта технология не требует привлечения большого количества людей для выполнения тяжелого труда. Достаточно нескольких операторов и мастеров, которые будут обслуживать строительный 3D-принтер . Первые удачные эксперименты по изготовлению строительных деталей и возведению домов уже были проведены в Китае и ОАЭ.
2. Электроника. При изготовлении цифровых устройств 3D-печать позволит сократить время на изготовление трудоемких деталей, микросхем и аппаратной электроники. В частности, силами 3D-печати уже разрабатываются первые образцы графеновых аккумуляторов, которые имеют неограниченный срок эксплуатации.
3. Машиностроение и автомобильная промышленность. В этой сфере при помощи трехмерной печати создаются экспериментальные модели будущих запчастей и деталей, которые в дальнейшем позволяют произвести изделия идеального качества. Это возможно благодаря детальной проработке трехмерного объекта во время его создания и печати готовой компьютерной модели, которая отличается высоким уровнем детализации.
4. Аэрокосмическая промышленность. Применение 3D-печати в этой отрасли объясняется возможностью создавать инновационные конструкции любой сложности. Детали спутников, ракет и других космических объектов печатаются из металла, полимеров и других видов сверхпрочных материалов.
5. Медицина и фармацевтика. В медицине технология 3D-печати крайне важна. Поэтому в этой отрасли ее изучают очень детально. При помощи 3D-принтера можно напечатать прототипы человеческих органов, протезы, имплантаты костные ткани. Даже делаются первые шаги по разработке и печати настоящих органов, которые хорошо приживутся в человеческом теле. В фармацевтической промышленности 3D-печать в основном используют для создания таблеток, которые будут постепенно высвобождать активные вещества после приема.
6. Реклама. Для рекламных целей на 3D-принтере печатают прототипы различной продукции, демонстрационные и раздаточные материалы.
7. Пищевая промышленность. Пищевые 3D-принтеры особенно интересны из-за того, что они позволяют создавать съедобные объекты из привычных продуктов. Трехмерная печать дает возможность создавать уникальные украшения и сложные многоцветные объекты с высокой детализацией.