Какие особенности имеют строительные 3д принтеры

Строительные 3D-принтеры и наш опыт работы с ними

От обычного 3D-принтера строительный отличается используемым материалом и размерами — рабочей поверхностью ему служит участок стройплощадки или цеха, а печатает он цементной смесью.

Есть и конструктивные отличия, обусловленные спецификой материала — в частности, в строительном 3D-принтере нет необходимости в нагревающем элементе. Такие аппараты позволяют быстро и без лишних сложностей печатать объекты почти любых заданных форм, для обычного серийного строительства просто невозможных, с использованием стандартных смесей.

Начало

Нам интересно любое перспективное применение 3D-принтеров, так что, как только в сети начала появляться информация о применении 3D-печати в строительстве, мы оперативно нашли занятых этим людей и договорились о сотрудничестве. Особенно приятно было узнать, что в России есть компании, основательно занимающиеся строительными 3d-принтерами, и производят очень качественный продукт.

В России пионером 3D-печати в коммерческом использовании стала фирма СпецАвиа. Её персоналом был разработан и опробован прототип строительного 3D-печатного аппарата и осуществлена пробная печать.

Мы договорились о сотрудничестве, и командировали сервисного инженера в Ярославль для обучения, где тот узнал много полезного. В программу обучения вошли, в частности:

Краткий вводный курс по интерфейсу и функционалу управляющего софта
Инструктаж по алгоритму работы в программе SheetCam, конвертирующей файлы в послойный формат воспринимаемый принтером
Инструктаж по управлению принтером в программе Mach 3, непосредственно в процессе печати
Калибровка — выставление нулевых точек в разных областях печатного поля
Регулировка подачи бетона во время печати
Инструктаж по эксплуатации и сервису механической части принтера
Решение возможных неисправностей
Подготовка рабочих смесей

Первые шаги на практике

Получив первый заказ в этой области, мы отправили нашего сотрудника к покупателю — в Казахстан, для установки первого строительного 3D-принтера S-6045 и обучения персонала заказчика работе с ним.

Перед отправкой оборудования необходимо убедиться в надежности упаковки. Транспортные компании не всегда бережно обращаются с грузами, лучше лишний раз не рисковать — в нашем случае, при перевозке лишь отошло несколько контактов, но и это стоило нервов и нескольких часов времени, о чём ниже. Если же при перевозке что-то сломается, издержки могут быть значительно серьезнее.

В первые дни командировки наш сотрудник сверял комплектность доставленного оборудования, производил замеры помещения для расчета установки, согласовывал с представителями заказчика расположение будущего принтера, вводил их в курс запланированных работ и начал установку.

Была сделана разметка под установку и высверлены отверстия в полу под стойки.

После проведения подготовительных работ и установки стоек настала очередь монтажа несущих балок. Элементы конструкции весьма увесистые и для такой работы нужно несколько человек, о чём тоже лучше договориться с заказчиком заранее, иначе неизбежны проволочки. Люди, в конце концов, нашлись и всё было сделано.

Ещё одна сложность, которая может возникнуть при установке строительного 3D-принтера — неровный пол. При отсутствии ровной плоскости качество печати вряд ли будет хорошим. Очевидный выход из этой ситуации — выравнивание пола, — на этапе установки принтера вряд ли возможен. На это просто нет времени.

Именно такой сюрприз, а именно — значительный крен пола, мы и обнаружили проведя нивелировку.

Было решено сварить рамки из стального профиля, которые компенсировали бы неровность.

Это тоже заняло некоторое время. В конце концов, был привезен необходимый профиль, должным образом нарезан и сварен.

Для установки выравнивающих рамок, смонтированные уже стойки с балками пришлось поднимать строительным краном.

Были смонтированы суппорты и подшипники для них, после чего пришла очередь портальной балки. Тут снова пригодилась помощь строительного крана, но с ним пришлось повозиться — из-за конфигурации помещения и особенностей конструкции крана, пришлось подниматься к потолку и отключать концевики, ограничивающие его, крана, подвижность. Потолок там около 15 метров.

Монтаж стрелы экструдера и управляющих ею эксцентриков занял некоторое время — сварные швы на самой стреле мешали соединению со стыковочными пазами платформы. Пришлось выравнивать с помощью болгарки.

На заключительном этапе были подтянуты все соединения, смонтирован экструдерный бункер и опциональная часть конструкции — бетономешалка.

Подключение цепей питания и управления не сразу прошло гладко. Однако, на письмо с запросом, отправленное в Ярославль, в СпецАвиа отреагировали оперативно, предоставив все необходимые рекомендации по подключению, несмотря на закончившийся уже рабочий день.

В ходе проверки выяснилось, что при транспортировке отошли контакты на одной из плат системы. После восстановления контактов всё заработало.

После подключения и проверки соединения были смонтированы пресс-масленки на все подшипники, защитные щитки эксцентриков стрелы и комплектные таблички, на чём непосредственно монтаж и завершился.

Далее — установка и настройка программного обеспечения, проверка функционала. Монтаж подложки для свисающих проводов соединяющих подвижные части — она не предусмотрена комплектом поставки, но мы идем навстречу клиентам.

Обучение персонала заказчика обращению с принтером в процессе пробного запуска.
Заказчик решил испытать смесь собственного авторства, вопреки нашим рекомендациям. Что ж, хозяин — барин. Раствор, вполне ожидаемо, пополз. Однако, сам принтер работает штатно и к нам никаких претензий нет.

В процессе обучения персонала клиента работе с программным обеспечением, мы хотели продемонстрировать работу 3D-принтера с правильной смесью, но ингредиентов для новой смеси не оказалось.

Кстати, о смесях:

Обучение персонала и сдача объекта прошли максимально позитивно. Представители заказчика остались полностью удовлетворены поставленным и установленным оборудованием и довольны сотрудничеством.

Это был полезный опыт. Мы обозначили для себя несколько граблей, на которые второй раз уже не наступим — а это сделает дальнейшую работу приятнее и эффективнее. Несомненно, строительное 3D-печатное оборудование — это очень интересная область деятельности, как в части получаемого результата, так и в том, что требует максимум изобретательности и нестандартного подхода от занимающихся ею.

Топ-6 строительных принтеров для 3D-печати домов

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 3Dпринтера 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
Скорость холостого хода X/ Y — 20.000 мм/мин
Точность позиционирования — ±0,5 мм
Точность повторного позиционирования — 0,1–0,2 мм
Привод по осям X / Y / Z — Сервопривод
Линейные направляющие по осям X / Y — Прецизионные профильные
Точность по оси Z — 0,1-0,2 мм
Автоматическая стабилизация по горизонту — высокоточный инклинометр 0.0001 градус
Реверсные выключатели — бесконтактные на всех осях
Отслеживание местоположения печатающей головки в пространстве — гироскоп и лазерный дальномер
Стабилизация в пространстве — ПИД регулятор

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.

Прототип устройства имеет радиус действия 3,15 м и способен выдавливать цемент со скоростью 200 мм/сек. Диаметр печатающей головки — 30 мм, толщина каждого слоя цемента составляет 30 мм. К устройству можно присоединить несколько экструзионных головок, и тогда скорость печати может быть увеличена до 4000 мм/сек. В настоящее время ведётся разработка подающего механизма, способного уменьшить толщину слоя до 5 мм.

Разработчики утверждают, что с помощью R 3Dp трудозатраты и отходы на строительство могут быть уменьшены. Кроме того, затраченное на возведение постройки время будет снижено до 80% благодаря объединению проектирования, разработки и производства в единую систему.

Интерес представляет не столько сам строительный 3D-принтер, сколько используемый им для печати материал— бетонный раствор CyBe MORTAR, также разработанный CyBe Additive Industries в сотрудничестве со своим партнером. Состав бетонного раствора держится в секрете, но представители компании утверждают, что он отвердевает в течение нескольких минут. Данная особенность позволяет существенно ускорить процесс возведения стен. По словам разработчиков, при использовании данного бетона в атмосферу выбрасывается на 32% меньше углекислого газа, по сравнению с обычным бетоном, что делает материал более экологически чистым. Кроме того, бетон CyBe полностью подлежит вторичной переработке.

С помощью R 3Dp возможно создание опалубки, стен, полов и многого другого.

Сейчас компания занимается разработкой мобильного варианта 3D-принтера — RC 3Dp на гусеничном ходу. Разработчики предполагают, что с помощью данной модификации станет возможна, помимо прочего, печать высоких стен (до 4,5 м) и напорных канализационных труб.

Технические характеристики:

Программное обеспечение CyBe ARTISAN, CyBe CHYSEL
Материал CyBe MORTAR
Диапазон — 2750 мм
Скорость печати — 200 мм/с
Расход бетона приблизительно — 1,5 кг/м / 40мм.
Количество осей — 6
Сеть — локальная сеть
Сертификаты — наличие сертификата CE
Сервис — полный сервис и образовательная поддержка. Удаленная помощь
Для контроля работы и подачи материала требуется 2 человека

Что включено в комплект:

Аппаратный манипулятор
Система смесительных насосов
Блок управления с интерфейсом

В Нидерландах с использованием решения CyBe Construction планируют соорудить небольшой конференц-центр сложной формы площадью 90 кв. м. Печать должна завершиться в июле 2017 года.

Batiprint3D, Франция

Университет Нанта (University of Nantes) совместно с Nantes Digital Sciences Laboratory (LS2N) разрабатывает проект печати домов на 3D принтере, известный как Yhnova.

Для проекта будет использоваться разработанный университетом метод Batiprint3D – 3D печать «изнутри». Два слоя полиуретана распыляются послойно в качестве ограждающих конструкции, а затем между ними заливается бетон.

Получившаяся конструкция представляет собой инверсный вариант традиционной стены.

Проект Yhnova представляет собой строительство 5-комнатного социального жилья с дугообразными стенами и скругленными углами, спроектированного архитектурной фирмой TICA. По словам разработчиков, Batiprint3D сократит время строительства, улучшит теплоизоляцию и снизит эксплуатационные расходы на строительство. Здание полностью сертифицировано.

Роботизированная рука Batiprint3D может печатать структуры высотой до 7 метров, а площадь планируемого дома — 95 кв. м.

Строительство дома в Нанте начнется в сентябре 2017 года. В случае успеха появится новый способ создания доступного социального жилья, которое можно быстро возвести на месте.

Проект является частью программы исследований и разработок под руководством Bouygues Construction. Компания Bouygues Construction поддерживает этот проект, предоставляя экспертные знания и логистику.

DCP, MIT, США

Разработкой поделилась и команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT). Чтобы доказать, что их прототип мобильного 3D-принтера Digital Construction Platform (DCP) эффективно работает, команда построила с его помощью круглую стену высотой 3,6 метра и диаметром 15 метров.

Стена возведена из быстро затвердевающей монтажной пены за 13 часов.

DCP представляет собой большой гидравлический кран с на гусеничном ходу. Кран обладает четырьмя степенями свободы. На его конце находится однопальцевый манипулятор с шестью степенями свободы, который при необходимости может быть заменен на ряд различных инструментов, включая пенопластовые и термопластичные экструдеры, сварочный аппарат, водяной шланг или ковш. По словам разработчиков DCP может работать с бетоном, льдом, грунтом и пенополиуретаном.

Вместо того, чтобы полагаться на ископаемые виды топлива, 36750-ти килограммовая система работает на солнечных панелях и аккумуляторных батареях.

По мнению разработчиков, такое устройство делает DCP идеально подходящим для любых строительных проектов. Устройство работает в комбинации с некоторыми другими программами 3D-печати MIT, например, с программным обеспечением Foundry и с сохраняющими свою форму материалами. Разработчики утверждают, что для печати можно будет использовать также разнообразные биоматериалы — например, сено. Однако, DCP еще не готов работать на реальных строительных площадках. Команда хочет прежде оборудовать свою систему датчиками приближения, которые повысят безопасность пользования системой, предотвратив возможность столкновений гигантского движущегося манипулятора с людьми или какими-либо предметами на стройплощадке.

BetAbram P1, P2 и P3, Словения

Словенская компания BetAbram занимается разработкой 3D-принтеров для строительства с 2012 года. На данный момент модельный ряд продукции ограничен тремя моделями – P1, P2 и P3.

Представители компании утверждают, что принтер BetAbram P1 способен напечатать бетонное здание без опалубки площадью 144 кв. м.

Габариты — 6 x 3 x 2,5 м
Вес — 250 кг
Потребляемая мощность — 3 кВт

Габариты — 12 x 6 x 2,5 м
Вес — 400 кг
Потребляемая мощность — 4 кВт

Габариты — 18 х 9 х 2,5 м
Вес — 520 кг
Потребляемая мощность — 4 кВт

Стоимость модели Р3 составит около €12000, в то время как модель Р1 будет продаваться по цене от €20000. Процесс производства одного принтера требует около двух месяцев.

Темой 3D-принтеров для строительства занимается намного больше компаний, нежели перечисленные выше. Например, с 2012 года печатью замков на 3D принтере Stroybot2 занимается и Андрей Руденко . Его 3D-принтер способен наносить слои цемента высотой 10 мм и толщиной 30 мм. По сравнению с другими «цементными» 3D-принтерами высок уровень аккуратности и точности печати. Материалом для принтера служит цементный раствор, то есть смесь цемента с песком и некоторые присадки и другие добавки в определенных пропорциях.

Пример работы 3D-принтера Stroybot2 г-на Руденко

В ролике ниже Stroybot2 печатает макет дома на Филиппинах.

В планах Андрея Руденко — 3D-печать замка Дракулы (на самом деле князь Дракула не жил в румынском замке Бран, но это уже другая история). Если получится собрать деньги на проект, то полномасштабная реплика замка появится в США, в штате Вашингтон. Принтер г-на Руденко обеспечивает возможность добавления слоев шириной от 30 мм и высотой от 10 мм, что дает высокую точность конструкции.

Екатеринбургский цементный завод в 2016 году приступил к печати двухэтажной реплики башни Винтерфелла из известного сериала «Игра престолов». Головка 3D-принтера закреплена на роботизированном манипуляторе. Принтер может печатать сооружения размерами 8 х 8 х 4 м. Не знаю, что сталось с этим проектом.

Также модульные, экологичные, напечатанные на 3D-принтере жилые дома предлагает украинская компания PassivDom. По словам представителей компании, выполненные «под ключ» дома можно распечатать за 8 часов, а их стоимость равняется $32000.

Печать домов на 3D-принтерах может кардинально изменить строительную отрасль — снизить цены и ускорить сооружение жилья при обеспечении хорошей сейсмоустойчивости. Особенно это касается малоэтажного и индивидуального строительства. Будем надеяться, что эта технология придет и в нашу страну, поможет строить доступное по стоимости жилье.

3D-печать в строительстве: технология применения и как это работает

Обзор применения 3D принтеров в строительстве

Используя 3D-принтеры, можно быстро и относительно недорого печатать жилые и нежилые сооружения. В том числе, многоэтажные и малой этажности, со сложными формами и планировкой, предназначенные для сезонной или круглогодичной эксплуатации. Строительные конструкции возводятся из бетона, поэтому по своим техническим параметрам практически не отличаются от зданий, построенных по традиционным технологиям.

К перспективным направлениям строительной 3D-печати относятся:

разработка и возведение экологичного, долговечного, удобного и недорогого жилья для малоимущих слоев населения;
экономически эффективное строительство по уникальным авторским проектам.

На данный момент нет единых отраслевых стандартов для серийного 3Д-строительства, поэтому эта технология не является массовой и популярной, реализуется по индивидуальным проектам и требует повышенного внимания к выполнению на всех этапах. С ее помощью строят частные дачные домики, гаражи, садовые беседки, заборы для ограждения участка, ландшафтные и декоративные конструкции, хозяйственные постройки и другие небольшие сооружения.

Рассмотрим особенности технологии, оборудования и материалов для строительства, примеры реализованных проектов в 3Д-отрасли, а также достоинства и недостатки данного метода возведения построек.

Технологии 3D-принтеров для строительства

Большинство моделей строительных аппаратов для объемной печати оборудованы печатающими головками (экструдерами), через которые выдавливается бетонная смесь и укладывается слой за слоем, образуя внутренние и внешние стены будущего дома. В качестве основы для печати служит трехмерная модель, созданная в специализированной CAD-программе.

Говоря просто, 3Д-принтер для строительства представляет собой своеобразный гибрид инструмента-манипулятора и бетономешалки, рисующий чертеж по заданному алгоритму. Только вместо бумаги подобные установки используют реальную стройплощадку, а вместо чернил – бетон.

Важный момент: строительная площадка должна быть идеально ровной, чтобы на нее можно было уложить параллельные направляющие рельсы для печатающей установки и затем правильно обустроить фундамент.

Бетонная смесь для 3Д-печати более всего напоминает бетон марки М50. Чтобы прочность материала стала выше, требуется выполнить армирование стен в горизонтальном или вертикальном направлении с помощью арматуры из стекловолокна или путем добавления в бетонный раствор фиброволокна и разных других компонентов.

Способы работы строительных 3D-принтеров

Существует три принципа работы объемных принтеров:

Послойное экструдирование – подача бетонной смеси с добавками под давлением.
Напыление – смесь, полученная путем смешивания песка и клейкого состава, напыляется на рабочую поверхность.
Селективное лазерное спекание – песок плавится с помощью лазера.

Конструкции принтеров для строительной 3Д-печати

Для выполнения строительных задач используются два типа 3D-принтеров: в форме стрелы с манипулятором или в виде мостового крана. Устройства также различаются по типам и делятся на:

Портальные (XYZ-принтеры) – конструкции, состоящие из трех порталов, рамы и печатающей головки. Подходят для печати крупных изделий, частей строения, внутренних стен или здания целиком, если оно умещается под аркой. Печатная головка, подвешенная к раме, перемещается по осям XY. Порталы приводятся в действие высокоточными шаговыми двигателями.
Роботизированные – один или несколько роботов по типу стандартных промышленных манипуляторов с печатающими головками в комплекте, управление которыми осуществляется с помощью компьютерной техники.
«Дельта»-принтеры. Оснащены экструдером, который подвешивается на тонких рычагах, закрепленных на вертикальных направляющих. Не зависят от трехмерных направляющих, способны строить сложные объекты.

Выбор оборудования осуществляется инженером с учетом сложности предстоящих работ, особенностей объекта и ожидаемого результата.

Строительные материалы для 3D-принтеров

Основной материал, используемый 3D-принтерами при печати строений – специальный мелкозернистый бетон. Его производят по особой рецептуре с учетом особенностей конструкции оборудования и специфики целевого объекта. Для повышения прочности в бетон добавляют пластифицирующие вещества, уменьшающие водоцементное отношение и делающие смесь более подвижной. В строительной печати также используются смеси цемента со стекловолокном, измельченным строительным мусором, полимерной фиброй и целлюлозой.

Важно, чтобы смесь легко проходила сквозь сопло. Ее консистенция должна такой, чтобы масса ложилась на основу равномерными слоями нужной ширины и толщины, не растекаясь. Бетонный состав должен быстро застывать, чтобы сохранять форму. Но процесс не должен протекать слишком быстро: дело в том, что в этом случае слои могут утратить химическую активность и не образовать единую структуру в месте их соединения. Кроме того, быстро застывающая смесь может забить сопло печатной головки, и техника выйдет из строя.

Примеры использования 3D-принтеров в строительстве

Новатором использования оборудования для печати зданий и конструкций стал профессор Университета Южной Калифорнии (USC) Берох Хошневис, запатентовавший технологию под названием Contour Crafting (нанесение слоев цементной смеси с помощью печатающей головки на подвижной платформе). В настоящее время этот иранский ученый входит в состав деканата USC и продолжает вести исследовательскую деятельность в сфере трехмерной печати, заключив соглашение с NASA и ВМС США. Известно, что он ищет способ полностью автоматизировать процесс вплоть до установки арматуры.

Дома, созданные с помощью 3Д-технологий, есть во многих странах мира, в том числе, в России, ОАЭ, США и Китае. Ниже рассмотрим несколько таких примеров.

CyBe Construction

В 2019 году услугами голландской фирмы CyBe Construction воспользовались заказчики из ОАЭ. Команду разработчиков CyBe пригласили в крупный исследовательский центр SRTI, чтобы они продемонстрировали свои возможности в 3Д-печати домов. Ранее, в 2017 году, компания меньше, чем за месяц (всего за 3 недели), напечатала в Дубае лабораторию площадью 168 квадратных метров. Работая со скоростью 600 мм/с, специализированный строительный 3D-принтер этого бренда возводит все несущие конструкции для сооружения менее, чем за один час. Он способен делать опалубку, полы, стены, канализационные ямы.

«СтройБот»

Российский конструктор Андрей Руденко создал строительный принтер «СтройБот» и отвез его в США. После нескольких лет, проведенных в попытках привлечь внимание к своей разработке, он придумал способ прорекламировать свой продукт – построил часть отеля для филиппинского предпринимателя, используя в качестве рабочей смеси геополимерный бетон.

Apis Cor

Российская компания Apis Cor («Апис Кор Инжиниринг», Иркутск) разработала инновационный мобильный 3Д-принтер, способный печатать здания целиком прямо на месте строительства. Полная площадь рабочей зоны оборудования составляет 131 кв. м, в сложенном виде устройство имеет габариты 4х1,6х1,5 м. Для возведения высоких сооружений крупных размеров задействуется несколько синхронизированных принтеров.

Оборудование использует оригинальную технологию собственной разработки Apis Cor: экструдер зафиксирован на телескопической штанге, размещенной на поворотной платформе и регулируемой по высоте. Установка возводит вокруг себя стены из гипсовой смеси и после окончания работ легко перевозится на другую строительную площадку при помощи подъемного крана.

В 2019 году инженеры предприятия Apis Cor построили в Дубае жилой дом площадью 640 кв. м. Процесс занял 500 часов. Точно такое же сооружение было возведено в Ступино. На очереди более крупномасштабные проекты: распечатка демонстрационных домиков в Техасе, а затем строительство эко-поселка совместно с Sunconomy.

Нужно отметить, что впервые в российской практике здание печаталось именно как единое целое, а не собиралось из заранее отпечатанных блоков.

АМТ «Спецавиа»

Компания АМТ «Спецавиа» из Ярославля занимается производством 7 моделей принтеров для 3D-печати. Фирма предлагает производительное оборудование и получила известность благодаря возведению здания для охранников Екатеринбургского цементного завода, стилизованного под замок Винтерфелл из «Игры престолов». Копия замка находится на территории самого предприятия.

В 2015 году специалисты АМТ распечатали первый объект недвижимости площадью 165 кв. м: часть деталей поставлялась с завода в разобранном состоянии, другая часть конструкции создавалась прямо на стройплощадке.

Для справки: оборудование «Спецавиа» стоит в среднем 4,6 миллиона рублей. Это вполне приемлемая цена для небольшой строительной фирмы.

Winsun

Главная цель известной китайской компании Winsun – в два раза сократить расходы на строительство, путем использования экологичных стройматериалов добиться уменьшения количества смога в китайских городах и предоставить малоимущим слоям населения возможность обзавестись доступным жильем для комфортной жизни.

В 2014 году фирма сделала амбициозное заявление о намерении построить 10 жилых домов за 10 суток. Цель была достигнута: за 10 дней специалисты напечатали 10 домов общей площадью 200 кв. м и стоимостью 4800 долл. США каждый, вполне пригодных для проживания.

В 2015 году компания Winsun реализовала два более сложных проекта в промышленном парке Сучжоу: построила пятиэтажный жилой дом и особняк площадью 1100 кв. м. Специалисты использовали 3D-принтер с габаритами 6х10х40 м и смесь, состоящую из отходов производства и строительства, цемента, песка, стеклопластика и специального отвердителя. Блоки изготавливались отдельно и постепенно собирались в целую конструкцию. В сравнении с традиционной технологией, процесс занял в 3 раза меньше времени и в 5 раз меньше рабочей силы. В целом, строительство с помощью Winsun обходится на 50% дешевле, а экономия расходных материалов достигает 60%.

D-Shape

В 2012 году компания заявила о готовности создавать двухэтажные дома с внутренними перегородками, перекрытиями, трубопроводами и другими инженерными коммуникациями, лестницами, колоннами, дверями, окнами, кровлей, крышей и другими конструктивными элементами. В D-Shape применяют технологию стереолитографии. В качестве расходника используют смесь из песка со связующим составом неорганического происхождения, которая полностью застывает за 1 день (24 часа). Внешне материал напоминает мрамор, а по прочности и износостойкости превосходит камень и железобетон.

В перспективе компания D-Shape планирует возводить здания необычной конфигурации, устойчивые к стихийным бедствиям.

BatiPrint

В 2017 году на Неделе дизайна во французском Нанте инженеры компании BatiPrint построили энергоэффективное пятикомнатное жилое здание Yhnova House площадью 95 кв. м. Дом был возведен в рамках социального проекта, разработанного учеными из Нантского университета. Для строительства применялась роботизированная рука, направляемая лазером (другими словами, технологический процесс «печать изнутри»). Устройство способно возводить конструкции высотой до 7 метров.

Итальянские инженеры из компании WASP совместно с архитекторами из фирмы Mario Cucinella Architects построили в Болонье несколько округлых жилых домов в рамках проекта Tesla. Для печати был использован XYZ-принтер Crane и вторсырье. Строители и другие представители WASP следуют идее «нулевого километра» и стараются использовать экологически чистое сырье местного происхождения. Например, ранее фирма напечатала дом Gaia из сырой земли.

Преимущества и недостатки 3D-строительства

Среди плюсов применения 3D-принтеров можно выделить:

воплощение в реальность любых проектов с нестандартным дизайном (включая обустройство внутреннего пространства, ремонт и монтаж коммуникаций) при относительно небольших затратах;
легкая отделка напечатанных конструкций панелями и другими стройматериалами, множество вариантов оформления интерьера декором любой сложности;
понятное программное обеспечение – позволяет легко задать нужные настройки при работе с трехмерной моделью;
быстрый, максимально точный процесс 3D-печати (при отсутствии ошибок в расчете CAD-модели, использовании качественных расходных материалов, правильной настройке оборудования) – позволяет за короткие сроки изготавливать идеально ровные, прочные несущие и опорные конструкции, фундамент и стены с учетом характеристик местности, полностью соблюдать метраж помещения согласно проекту;
сокращение человеческого труда (для работы с оборудованием потребуется минимум персонала: всего лишь один или несколько операторов);
значительное снижение количества отходов и мусора – все элементы изготавливаются под конкретный проект строго в требуемом объеме, после производства неиспользованные компоненты можно переработать в новый филамент;
минимум рисков для людей и окружающей среды.

К минусам 3D-строительства относятся:

несовершенная законодательная база для массового внедрения 3Д-технологий в строительство;
ограниченный выбор строительных материалов;
сравнительно высокая стоимость техники (эта слабая сторона компенсируется высокой скоростью работы и быстрой окупаемостью);
сокращение рынка строительных услуг – компании по аренде строительной техники, производители традиционных стройматериалов, рабочие-строители остаются без работы;
необходимость повышения квалификации и освоения новых методов, навыков проектировщиками и другими работниками, задействованными в 3Д-строительстве;
печать одним типом филамента (у большинства моделей 3Д-оборудования);
длительная подготовка и сборка напечатанных компонентов (в некоторых случаях);
сложная транспортировка и хранение 3D-печатной техники.

Быстрое развитие аддитивных технологий позволяет предположить, что недостатки строительной 3D-печати будут преодолены в ближайшее время.

Заключение

3Д-печать является весьма перспективным направлением современного строительства. Применение аддитивных технологий способствует экономии ресурсов и снижению производственных расходов. В ближайшем будущем этот вид строительства может решить проблему нехватки доступного социального жилья и внести свой склад в улучшение экологической обстановки.

В компании 3DTool можно купить производительные 3D-принтеры для строительства лучших производителей с доставкой по России. Наши сотрудники помогут вам интегрировать аддитивные технологии в производство: подготовят необходимые проектные документы, проконсультируют по поводу эксплуатации техники и изготовления конструкций, предоставят квалифицированный сервис.

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.

Содержание

Видео

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

Contour Crafting

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.

Apis Cor

Российская компания «Апис Кор Инжиниринг» (Apis Cor) — разработчик уникального мобильного строительного 3D-принтера, который печатает дом целиком на месте строительства.

Габаритные размеры 3D-принтера в сложенном состоянии составляют 4×1,6×1,5 м, масса — 2 тонны. Площадь зоны печати — 131 квадратный метр. Для печати зданий и сооружений больших размеров можно применять несколько синхронизированных между собой 3D-принтеров.

WINSUN

В 2014 году шанхайская компания Winsun прославилась на весь мир возведением десяти 3D-печатных зданий всего за одни сутки. На деле все оказалось немного скромнее: небольшие «коробочки» были напечатаны, блок за блоком, заранее, а затем собраны на строительной площадке, без арматуры и коммуникаций, но с остеклением.

Компания использует принтер на основе технологии FDM и один и поэтапный процесс с цементом, песком и стекловолокном. Эти материалы обеспечивают достаточную прочность стен. 3D-принтер WINSUN — это портальная конструкция с габаритами 36х12х6 метров.

D-Shape

D-Shape — один из наиболее необычных вариантов строительной 3D-печати. Устройство не использует позиционируемый по трем осям экструдер, а полагается на массив из 300 сопел, закрепленный на подвижной платформе. Размеры рабочей площадки принтера, в текущей версии — 6х6 метров.

Технология D-Shape напоминает струйную печать, совокупность сопел используется для нанесения связующего агента на слои песка.