УДК 004

Использование технологии 3D-печати в строительной отрасли

Белякова Александра Юрьевна – магистрант Иркутского национального исследовательского технического университета

Аннотация: Одной из основных проблем в процессе строительства является использование большого количества ручного труда, что увеличивает время строительства, а также приводит к дополнительным расходам. С помощью технологии 3D-печати есть возможность решить ряд вопросов и вывести процесс строительства на новый уровень. Цель данной статьи: рассмотреть современный метод 3D-печати зданий и сооружений, выявить преимущества и недостатки технологии, оценить перспективу использования в современном мире.

Ключевые слова: строительство, аддитивные технологии, 3D-печать, 3D-принтер.

В развивающемся современном мире отрасль строительства достаточно стремительно набирает обороты в совершенствовании имеющихся и появлении новых технологий, что позволяет значительно облегчить работу и сократить сроки возведения здания. Одной из перспективных нанотехнологий для этого является 3D-печать.

Технологи 3D-печати – это роботизированный процесс создания физического объекта, при котором происходит послойное наращивание слоев с применением современного строительного сырья на основе цифровой модели. Строительный принтер способен печатать как отдельные сборные конструкции зданий, так и возводить целые здания и сооружения.

Технология строительства достаточно легка: с помощью экструдера происходит непрерывное поступление бетонной смеси с различными добавками (стекловолокно, полимерная фибро-стружка). Высокоточной установкой головки принтера происходит послойный процесс печати, слой за слоем, причём нижележащие слои уплотняются по мере наращивания стен. Наращивание стен происходит до тех пор, пока 3D-принтер не выстроит загруженную в его память объемную модель, созданную в CAD-программе. Внутреннее пространство стены армируют и заполняют пенобетоном. Для непрерывного процесса строительства, необходимо следить за наличием смеси в принтере [1].

Достоинства 3D-печати в строительной отрасли

  1. Уменьшение затрат. В сравнении с традиционным принципом построения зданий, 3D-печать позволяет экономить до 60% строительных материалов, до 80% рабочей силы и до 70% стоимости времени, что значительно повышает эффективность работы. Согласно этим данным, с применением технологии 3D-печати возможность экономии общей стоимости строительства составляет 50%.
  2. Безопасность. Данная технология позволяет обеспечить безопасность рабочих на строительной площадке и снизить травматизм, так как большинство работ автоматизировано.
  3. Уникальность архитектурной формы. 3D-принтеры способны перемещаться в трехосной плоскости, что дает им возможность быть направленными на создание уникальных и сложных форм, которые были бы либо невозможны, либо достаточно дороги в реализации с помощью обычных строительных технологий. Так, например, принтер способен создавать причудливо изогнутые стены так же легко, как и прямые. Нетрадиционная архитектура способна оптимизировать внутреннее пространство и улучшить внешний облик зданий и сооружений.
  4. Экологическая эффективность технологии. Использование только необходимого количества материалов для создания конструкции позволяет принтеру производить меньше отходов и строительного мусора, который в большом объеме остается при обычном методе строительства. Кроме того, поскольку исходные материалы на основе бетона не имеют формы, любые остатки можно и нужно использовать при последующем строительстве [2].

Виды строительных 3D-принтеров

  1. Портальные. Данный вид принтеров представляет собой подвижную конструкцию, состоящую из вертикальных и горизонтальных направляющих, системы экструзии, портативной смесительной установки, управляющего блока, системы мониторинга и системы безопасности. Такой принтер достаточно надежен, но возвести объект таким образом возможно только если он помещается внутри устройства.
  2. Роботизированные. Принтеры являются автоматическими, обладают достаточной свободой передвижения за счет, так называемой, роботизированной «руки», которая перемещается вдоль и вокруг своей оси, и платформы, которая способна наклоняться и вращаться.
  3. Дельта-тип. Устройства типа «Дельта» применяются для возведения больших и высоких домов. Экструдер подвешивается на трех рычагах, которые в свою очередь крепится к стойкам [3].

Методы нанесения материала

  1. Экструзивный метод. Строительный материал проталкивается через небольшое сопло, которое нагревает его до точки плавления и оставляет слой по заданной траектории.
  2. Распыление связующего. Для соединения слоев материала используется промышленный связующий компонент. В качестве связующего материала используется порошок, наносящийся тонким слоем. Такой метод является одним из недорогих методов 3D-печати, который дает возможность производить больших объемов строительства за более коротких промежуток времени.
  3. Распыление материала. В данном методе принтер использует капли жидкого материала для формирования слоев. Такой способ позволяет использовать различные типы материалов на одном объекте [4].

Применение 3D-печати

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 [5].

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 [6].

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% [7].

Перспектива использования технологии в России

Технология строительства зданий с помощью 3D-печати находится только на начальных этапах развития, но потенциальные выгоды от такого вида строительства продвигают технологию вперед [8]. Вероятно, развитие 3D-печати будет происходить наряду с традиционным строительством, принтеры будут использоваться как для печати отдельных строительных элементов (балок, панелей, фундаментов и тд.) напечатанных либо на месте, либо на заводе, так и для создания декоративных элементов или относительно небольших габаритов дизайнерских объектов [9].

В целом в Российской Федерации активно организовывается промышленное производство 3D-принтеров. По оценкам экспертов, этот рынок растет на 30% в год. Однако для ускоренного внедрения технологии и ее «прорыва» целесообразно использовать объединение государственной власти, бизнеса, профильных Научно Исследовательских институтов и специализированных высших и средних профессиональных учреждений [10].

Заключение

Создание уникальных строительных конструкцией стало возможным с внедрением технологии 3D-печати. При острой необходимости сокращения производственных затрат, времени строительства, повешения стандартов качества, а также желанием упростить работу, строительная отрасль стремится к автоматизации процессов. Поэтому происходит резкий рост интереса к аддитивным технологиям.

В связи с тем, что использование принтеров в строительстве началось только в последние десятилетия, раскрыть возможности данного оборудования до конца не представляется возможным, а проблемы возникающие в процессе использования – не решены в полной мере. Например, такие вопросы, как ограничения в габаритах зданий и сооружений, создание перекрытий и покрытий, а также прочность конструкций до сих пор остаются открытыми.

Несмотря на ряд недостатков 3D-принтеров, данный вид строительства все же можно считать перспективным, так как их применение значительно упрощает и ускоряет производственные процессы и открывает множество возможностей.

Список литературы

  1. Мустафин Н. Ш., Барышников А. А. Новейшие технологии в строительстве. 3D принтер/Региональное развитие – 2015. №8. С. 13.
  2. Пермяков М.Б., Пермяков А. Ф., Давыдова А. М. Аддитивные технологии в строительстве/ European Research. 2017. №1(24). С14-15.
  3. Кудрявцева И.С., Месяченко А.А. 3D принтеры в строительстве /Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Инновации в строительстве. 2016. № 2. С. 38-41.
  4. Грахов В.П., Мохначев С.А., Бороздов О В. Влияние развития 3D-технологий на экономику строительства/Фундаментальные исследования – 2014. С.13.
  5. Сембаев Б.Н., Билялова С.А. Применение 3D печати в строительстве // Электронный научный журнал. 2016. №10-3 (13). С. 279-282.
  6. Шувалов Н.Е. Целесообразность 3D печати в малоэтажном строительстве // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 (67). С. 190-192.
  7. Рощин В.А., Гнездилов С.Г. Применение объемной печати в строительстве // Механизация строительства. 2016. № 4. С. 16-21.
  8. Ивасюта А.В., Иванов Н.А. Перспективы использования технологии 3D-печати при строительстве зданий и сооружений // Научное обозрение. 2016. № 9. С. 53-55.
  9. Демиденко А.К., Кулибаба А.В., Иванов М.Ф. Перспективы применения 3D-печати в строительном комплексе Российской Федерации // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 12 (63). С. 71-96.
  10. Аддитивные технологии на российском рынке: от научных разработок к производству будущего [Интернет-источник] – URL: https://3dtoday.ru/events/additive-technology-in-the-russian-market-from-res/ (25.10.2023г.).

Интересная статья? Поделись ей с другими: