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 LDM, аналогичный FDM, но без нагрева;
• 3DP или 3D печать сухим порошковым материалом. Данный способ аналогичен SLS (лазерному спеканию), но вместо лазера материал склеивают связующим раствором.

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;
• с дельтовидным приводом;
• кранового типа;
• манипулятор.

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:

• собрать из напечатанных блоков;
• напечатать дом на месте с помощью полевого 3D принтера.

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:

• возможность создания уникальных дизайнерских решений, включая плавные изгибы стен;
• полость между внутренней и наружной стеной удаляет тепловые мосты (мостик холода);
• возможность прокладки коммуникаций внутри стен;
• создание декоративных элементов с меньшими трудозатратами;
• меньшее количество человек в бригаде, чем при традиционном способе строительства.

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.

Автор: Геннадий Петров