3D-печать бетона: все еще впереди

В строительстве много шумихи вокруг технологии 3D-печати, которая, тем не менее, все еще находится на ранней стадии развития. Бетон – сложный материал для 3D. Строительный 3D-принтер работает путем нанесения бетона, слой за слоем, через сопло, и чтобы вытекать из него, бетон должен быть жидким. После печати – наоборот, материал должен быстро потерять большую часть своей текучести, чтобы сохранить напечатанную форму. Однако, в то же время, он не должен затвердевать слишком быстро, чтобы дать слоям время прилипнуть друг к другу. Если слои просто нанести поверх других, без какой-либо связи между ними, это приведет к слабой структуре, без прочности на растяжение. Все это означает, что мы не можем использовать обычный бетон в 3D-печати, а для каждой конструкции нужен особый тип – всегда с различными примесями.

Мы также должны учитывать сложность каркаса здания, которое строится. 3D-печать лучше всего подходит для простых конструкций. Стеновые конструкции в Северной Европе, например, довольно сложны, и использование 3D-печати в них довольно проблематично. Структура сэндвич-панели сама по себе является сложной задачей для 3D-печати: в ней есть три слоя – внутренний бетонный, изоляционный, и внешний бетонный. Кроме того, обычно внутри стеновой конструкции есть еще и различные компоненты электропроводки. Печать трехслойной структуры и сборка электрических компонентов в процессе печати – непростая задача. Вся структура стены должна быть перепроектирована под 3D-печать.

Нынешняя скорость работы 3D-принтеров несопоставима с современными заводами ЖБИ. Кроме того, качество продукции с заводов намного лучше, чем той, что получена с использованием с аддитивных технологий. 3D-печать позволяет изготавливать сложные формы, но в случае типичных бетонных конструкций, таких как стеновые панели, ее эффективность далека от той, которая достигается современной технологией сборного железобетона.

Несмотря на ограничения, мы должны быть открыты для возможностей, которые приносит 3D-печать. Ее можно рассматривать как один из подходов к повышению уровня автоматизации строительства. Если взглянуть объективно, то будущее 3D-печати в строительстве не очевидно. Она может быть одним из инструментов, помогающих развивать автоматизацию в строительстве, но, конечно, не единственным.

Мы должны иметь в виду, что одно из главных преимуществ бетона заключается в том, что его можно отливать в формы, создавать образы и конструкции разной сложности. В настоящее время также доступны различные виды обработки бетонной поверхности. Строительство из бетона основано, как правило, именно на его гибкости. С помощью 3D-печати мы полностью изменим это. 3D-печать, безусловно, дает нам новые возможности, но вместе с тем мы теряем и некоторые преимущества использования бетона.

Йоуни Пункки

профессор практики (технология бетона)

университет Аалто, г. Хельсинки, Финляндия

Мы должны рассматривать 3D-печать в строительстве как очень интересную технологию, которая имеет определенный потенциал в будущем. С точки зрения безопасности существуют правила, регулирующие строительство любого вида, и, конечно же, существуют требования к добавлению усиленных стержней в качестве опор в 3D-каркасах. Поскольку эта технология нова, а нормативная практика постоянно меняется, соблюдение этих правил может оказаться непростым. Но я не думаю, что есть повод для беспокойства в отношении безопасности 3D-печатных конструкций.

3D-печать бетона сталкивается с теми же проблемами, что и другие отрасли, осваивающие эту технологию. Использование форм для изготовления компонентов литьем будет намного быстрее, потому что при 3D-печати вам потребуется дополнительное время, чтобы убедиться, что предыдущий слой сможет поддерживать структуру, прежде чем добавить следующий.

Одно из преимуществ, которое могут обеспечить 3D-печатные конструкции по сравнению с обычными строительными методами, заключается в том, что в них намного проще включить интеллектуальные технологии, например, датчики, что облегчило бы их интеграцию в концепт «умного города». С этой точки зрения гораздо сложнее модернизировать существующие дома, построенные с использованием традиционных строительных технологий.

Разработка новых технологий требует времени. Речь идет о тестировании, изучении, и попытках определить все различные переменные. 3D-печать бетонных конструкций, вероятно, станет более распространенным явлением. Однако какую роль она примет в строительной отрасли, мы пока не можем предсказать.

Важный вопрос, конечно, заключается в том, сможем ли мы сделать ее финансово жизнеспособной? Является ли эта технология чем-то таким, за что клиенты будут платить? Будет ли стоимость приобретения специальных 3D-технологий конкурентоспособной, или хотя-бы сопоставимой с тем, что предлагается на рынке? Существуют и другие способы достижения аналогичных результатов, и эти варианты являются более дешевыми и легкодоступными для строительной отрасли.

Йоуни Партанен

руководитель департамента (передовые способы производства)

факультет машиностроения

университет Аалто, г. Хельсинки, Финляндия

Существует несколько компаний в США и Европе, которые заявляют, что занимаются 3D-печатью бетона, но за последние два-три года они выполнили только небольшие проекты, такие как частные дома. Одна российская компания возводила трехэтажное здание в Дубае, а другая компания, уже в Эстонии, занимается строительством дома с помощью 3D-печати сейчас. Мы помогаем им воплотить это в реальность, но до завершения проекта еще далеко.

Строительство является высокорегулируемой отраслью, и одна из причин, по которой напечатанный на 3D-принтере бетон перестает быть коммерчески доступным, – это время, необходимое для получения разрешений. Кроме того, бетон, используемый для 3D-печати, дороже традиционных бетонных материалов из-за примесей, необходимых для обеспечения правильного состава.

Однако, эта технология продолжает развиваться. Когда печатается стена в формате 3D, она похожа на сэндвич с двумя подслоями, чтобы было место для труб и вентиляции. В Цюрихе удалось построить трехэтажный дом с использованием различных технологий. Они изобрели «умную плиту», которая имела все элементы отопления внутри, однако для этого были использованы очень дорогие 3D-печатные формы. Это был экспериментальный проект, чтобы доказать, что концепция может быть реализована.

Большинство компаний, занимающихся 3D-печатью в строительстве, конечно, говорят, что эта технология лучше, чем сборный железобетон, но в действительности это до сих пор не доказано.

Ашиш Мохите

докторант

факультет машиностроения

университет Аалто, г. Хельсинки, Финляндия

Нынешняя технология, используемая в строительстве – это заливка бетона. Чтобы сделать ее финансово жизнеспособной, вы должны сделать структуру простой и стандартизированной. Если вы этого не сделаете, то цена поднимется, так как вам придется изготавливать и настраивать различные формы. Помимо этого – простые изделия не только визуально не привлекательны, но и требуют большого количества бетона при изготовлении. С помощью 3D-печати мы можем сократить используемый бетон примерно на 50 %, сосредоточившись, например, на том, в какой точке стена несет нагрузку. Можем печатать строки, чтобы сделать плиту, и использовать материалы только в тех местах, где они нам действительно нужны. Вместе с тем, это означает, что мы должны разработать и новые методики проектирования, чтобы извлечь выгоду из технологии. К сожалению, это требует времени.

Отрасль сосредоточена на том, чтобы использовать доступный в настоящее время материал. По-моему, если вы собираетесь что-то изменить, вам лучше посмотреть на это в социальном аспекте и в аспекте устойчивости. Я увидел возможность при работе с цифровым бетоном: все поддерживают изменение состава бетона, потому что 3D-печать не воспринимается как угроза традиционной строительной отрасли.

Я думаю, что 3D-печать открывает много возможностей для изготовления «умных материалов». Почему бы не связать проводящие материалы сразу в бетоне, чтобы больше не приходилось вставлять провода в бетонные конструкции после их изготовления? С помощью 3D-печати вы можете добавлять по сантиметру, вносить изменения в материал, делать соединения электрики в нужном месте, делать бетон прозрачным там, где вы хотите. Речь идет о сочетании 3D-печатного бетона с интеллектуальными технологиями, чтобы, в конечном счете, принести пользу нам, как обществу.

Одним из препятствий является экономическая жизнеспособность. Такая технология, как 3D-печать, не будет широко принята, если в какой-то момент не появится видимой экономической выгоды. Таким образом, производители могли бы рассмотреть возможность расширения своей бизнес-модели, чтобы строительство оценивалось не только по цене строящегося дома или сооружения, но и по тому влиянию, которое оно оказывает на нашу экосистему и ее устойчивость.

Тем не менее, существует большая разница между 3D-печатью моста и дома. Мы объявили о проекте строительства 3D-печатных домов в г. Эйндховен два с половиной года назад, и первый дом до сих пор не построен. Сложность становится очевидной, уже когда идет сравнение с первым печатным мостом, который был открыт в течение полугода после начала реализации проекта.

Мы поняли, что это ужасно трудно, потому что строительств дома включает сложные системы – ОКВ, электричество, подключение к интернету, – которые вы должны учитывать. Нам потребовалось много времени, чтобы понять, как это сделать, и я думаю, что пройдет еще много лет, прежде чем мы сможем печатать дома или здания в более крупном масштабе. Мосты существенно проще возводить при помощи 3D-печати, так как они имеют меньше деталей.

Тео Сале

декан факультета построенной окружающей среды

профессор по проектированию конструкций / бетонных конструкций

технический университет Эйндховена, Нидерланды

3D-печать – это очень интересная производственная система, за которой мы внимательно следим. Она уже используется во многих отраслях, таких как производство стали и пластмассы, а также в аэронавтике, и особенно в производстве деталей самолетов. Однако она не так широко используется в строительной отрасли.

Как отмечают специалисты, существует еще много преград, которые необходимо устранить, прежде чем 3D-печать наложит свой отпечаток на строительство, но я считаю, что за ней будущее нашего бизнеса – это просто вопрос времени. Сейчас 3D-печать в основном используется для создания декоративных элементов. В некоторых круизных судах, например, в качестве части дизайна интерьера используются 3D-печатные элементы из пластика и целлюлозных волокон.

Хотя бетон еще не широко используется в 3D-печати, он дает много преимуществ: огнеупорность, прочность и способность выдерживать тяжелые элементы конструкции. Именно это делает его идеальным материалом для 3D-печати таких изделий, как статуи или колонны, тем более что каждому из нас нужно что-то за пределами обычных коробчатых сборных конструкций.

Декоративные элементы, конечно, могут быть отформованы и из бетона, но для этого требуются рабочие – мастера по оснастке форм. Одним из практических применений 3D-печати в строительстве является изготовление форм. В сложных проектах со сборным железобетоном оснастка формы всегда является сложной задачей, поскольку требует много рабочей силы и точности. Если бы формы были напечатаны в 3D, процесс стал бы проще и требовал бы меньше труда.

Были проведены испытания по 3D-печати целых каркасов с использованием бетона, для таких проектов, как небольшие коттеджи на одну семью. Хорошо, что эти испытания проводятся, но вместе с тем уже ясно, что 3D-печатному бетону еще предстоит пройти долгий путь. Существуют технические сложности и вопросы к качеству, которые необходимо разрешить, особенно когда мы начинаем думать о 3D-печати больших конструкций, таких как многоэтажные здания. Строительство с применением 3D-печатного бетона также сталкивается и с экономическим вызовом. Добавки, необходимые для того, чтобы бетон мог быть использован с технологией 3D-печати, очень дороги.

Строительство, полностью основанное на 3D-печатном бетоне, – где все системы армирования, ОКВ и канализации интегрированы, а не установлены отдельно, как делается сегодня, – просто невозможно в настоящее время. Возможно, в будущем, когда бетонная технология будет развита до нужного уровня, 3D-печатные конструкции и станут жизнеспособным вариантом.

Петтери Лайтинен

Вице-президент, проекты и услуги

Elematic