Как строят дома на 3D-принтере: видео, обзор компаний и перспективы

Особенности технологии

Строительство домов с помощью 3D-принтера стало реальностью благодаря калифорнийскому профессору Бероху Хошневису, изобретателю технологии Contour Crafting. Основным элементом инновации стал установленный на подвижной платформе экструдер, обеспечивающий послойное наращивание создаваемого объекта. Экструзия управляется компьютером и производится по заранее созданной 3D-модели.

Процесс не требует длительной и кропотливой подготовки. Участок расчищается и выравнивается штатным оборудованием, после чего на нем размещается 3D-принтер. Быстросхватывающийся раствор под давлением подается к печатающей головке, откуда из сопла равномерно распределяется по рабочей поверхности. В строительных 3D-принтерах в качестве расходного материала используется порошок, который после наслоения связывается в монолитную структуру.

Начнем с технологий. Принцип работы структурных 3D-принтеров заключается в выдавливании – или выдавливании – специальной смеси слой за слоем по заданной трехмерной компьютерной модели.

Заранее приготовленная смесь, состоящая из цемента, наполнителя, пластификатора и других добавок, загружается в емкость агрегата и оттуда подается на печатающую головку. Смесь наносится на поверхность тампона или на ранее напечатанные слои.

Большинство строительных 3D-принтеров работают по этому принципу. Среди них есть три типа устройств:

Портальные 3D-принтеры представляют собой конструкцию из рамы, трех порталов и печатающей головки. С помощью таких устройств можно печатать здания как по частям, так и целиком — если они подходят под дугу принтера.

Устройства Delta не зависят от 3D-направляющих и могут печатать более сложные формы. Здесь печатающая головка подвешена на рычагах, прикрепленных к вертикальным направляющим.

Наконец, роботизированные принтеры — это робот или группа промышленных роботов манипуляторного типа, оснащенных экструдерами и управляемых компьютером.

Существуют и другие методы построения 3D-печати. Например: оборудование D-Shape печатает путем наслоения порошкового материала, а затем склеивания его клеевым раствором.

О преимуществах и недостатках строительной 3D печати

С использованием 3D-печати традиционное строительство расширило свои горизонты.

Как минимум, у новой технологии есть три очевидных преимущества:

1) Уникальный дизайн. 3D-печать позволяет создавать очень сложные конструкции, не ограничиваясь обычными законами домостроения;

2) Скорость разработки. Новое здание можно построить с нуля почти за день. Например, дом площадью 50-80 квадратных метров можно построить за 24 часа. Сам принтер легко транспортировать и при необходимости перенастраивать занимает не более 30 минут;

3) Экономьте ресурсы. Строительный принтер устраняет необходимость в дополнительном оборудовании. Кроме того, это значительно снижает вероятность перерасхода материала.

Если в традиционном строительстве отходы доходят до 30%, которые еще нужно уничтожить, то здесь они практически отсутствуют. Это благотворно сказывается не только на кошельке клиента, но и на окружающей среде. Есть даже принтеры, работающие на солнечной энергии и контролирующие выбросы углекислого газа.

Отдельно стоит отметить широкие возможности масштабирования технологии. 1 квадратный метр стены при обычном строительстве стоит в среднем 75 долларов. Для 3D-принтера цена снижается до 27 долларов. Именно поэтому они широко используются в мире для строительства «быстрых» домов, пострадавших от стихийных бедствий.

На сегодняшний день технологии еще не позволяют сделать полноценный функциональный дом, только каркас, стены или крышу. Окна и коммуникации должны быть установлены отдельно.

Рассмотрим недостатки:

1) Дорогие инвестиции. Хорошие 3D-принтеры могут стоить миллионы долларов;

2) Отсутствие сертификации. В каждой стране мира традиционное строительство имеет законодательно закрепленные нормы безопасности.

Когда дело доходит до 3D-принтеров, не все элементы печати могут быть стандартизированы. Мошеннический подрядчик может использовать это, чтобы сэкономить деньги и непреднамеренно подвергнуть риску тех, кто будет эксплуатировать завод.

3) «Некрасивый» внешний вид. Поверхность «печатных» корпусов ребристая, что непривычно для неспециалиста.

Принцип работы строительного 3D принтера

От офисных 3D-принтеров они отличаются размерами изготавливаемых изделий и местом, где происходит процесс. Все 3D-принтеры, в том числе строительные, работают на основе ранее созданных трехмерных моделей. Модели создаются в компьютерных программах или сканерами объектов, существующих в реальном мире.

Модель конструкции изготавливается послойно непосредственно на строительной площадке. Сопло робота перемещается по трем осям XYZ, через сопло печатающая головка заполняет стены здания быстротвердеющим бетоном. Печатающая головка имеет три отверстия.

В настоящее время строительные принтеры производятся различных размеров, каждый из которых предназначен для печати строительного объекта произвольной формы.

3D-принтер привозят на подготовленную к эксплуатации площадку, огороженную и накрытую временной постройкой для защиты сложного оборудования и строящегося объекта от дождя и ветра.

Кроме того, строительный принтер печатает весь дом послойно (если он одноэтажный и маленький) или большой дом печатает поэлементно.

Способы строительства домов с помощью 3D-принтера

Принцип работы 3D-принтера для постройки дома всегда одинаков:

• наносится тонким слоем;
• дать ему высохнуть или набрать необходимую прочность;
• наносится следующий слой;
• и так далее по кругу.

Но способ нанесения этого слоя и его состав отличаются. Как и дизайн самого принтера, но об этом отдельно и чуть ниже.

Итак, при строительстве на 3D-принтере расходные материалы обычно используются одним из трех способов: экструзией, порошковым методом или многоструйным моделированием.

Экструзия

При этом готовая строительная смесь выдавливается из емкости через специальную пишущую головку, которая может перемещаться в трех плоскостях. Самый распространенный «метод печати» для построения 3D-принтера.

Порошковый метод

Двухэтапная технология 3D-печати: сначала наносится порошковая смесь, а затем специальный клей. Это позволяет получить стены с более гладкой поверхностью. Кроме того, порошковый метод лучше адаптирован к полевым условиям – в частности, отсутствует риск застывания строительной смеси в насадке в случае ошибки.

Технология довольно редкая, поскольку строительные 3D-принтеры для строительства на фундаменте сложнее экструзионных устройств.

Многоструйное моделирование

Очень редкий метод 3D-печати, используемый только в нескольких устройствах. Этот метод очень похож на обычную печать тушью: имеется несколько сотен сопел, через которые выдавливается раствор. Каретка, на которой закреплены насадки, медленно перемещается и создает нужный рисунок.

Главным преимуществом такого устройства является скорость работы, которая в разы или десятки раз выше, чем у экструдерного принтера.

На самом деле существует несколько способов печати на строительных 3D-принтерах. Ведь их используют не только для строительства домов и создания декора, но и для возведения сложных металлических конструкций, например, мостов.

Чем печатаем: строительные смеси

Чаще всего модифицированный бетон используется в 3D-принтерах для строительства. Но не обычные, а специальные: со специальными добавками, пластификаторами, часто с армирующими элементами. В результате получается пластичная смесь с высокой степенью однородности, которая при этом быстро твердеет и набирает прочность.

Также 3D-принтеры по бетону разных производителей используют разные смешанные составы для постройки дома. Это связано с тем, что разработчики оборудования выбирают состав строительной смеси таким образом, чтобы она не забивала сопло, не прилипала к нему и выходила аккуратной однородной массой без образования пузырей и других дефектов. А поскольку экструдеры в целом и сопла в частности уникальны для производителей, это касается и смесей.

Второй по популярности вид строительного состава – это различные смеси на глиняной основе. Их используют по двум причинам: во-первых, они считаются более экологичными, а во-вторых, они более доступны по цене.

Неважно, построен дом в черте города или недалеко от города. Но использование бетонной смеси ограничивает использование 3D-принтеров при строительстве зданий, расположенных вдали от крупных городов, так как тогда вместе с оборудованием необходимо перевозить многие тонны расходных материалов.

Как минимум, это нецелесообразно и ведет к дополнительным затратам. Не говоря уже о том, что замешивание бетона для большинства строительных 3D-принтеров возможно только в заводских или лабораторных условиях, но не в полевых условиях.

Глиняная «печать» решает эту проблему по большей части — в этом случае нужно просто внести модификаторы. Это позволяет, например, строить дома на 3D-принтере в отдаленных уголках России.

Помимо глины, для набивки используют смеси земли, золы, соломы – это позволяет строить дома фактически из мусора и того, что попадется на участке.

Наименее распространены строительные 3D-принтеры, использующие инвертированную технологию и изоляционную пенополиуретановую пену для строительства домов. То есть 3D-принтер печатает не стены, а слой утеплителя на них. При этом работу агрегата останавливают через каждые 1-1,5 м высоты и заливают в стены бетонную смесь с использованием теплоизоляции в качестве несъемной опалубки.

Такие строительные 3D-принтеры особенно актуальны в России, так как позволяют сразу решить проблему утепления дома. При этом среди теплоизоляционных материалов, используемых в частном строительстве, пенополиуретан является наиболее эффективным.

Устройство строительного 3D принтера, принцип работы

Принцип работы 3D-принтера почти такой же, как и у обычного — чернила подаются через печатающую головку или порошок спекается, как лазер. Только вместо материала другой — в здании, как правило, раствор на основе цемента или гипса.

Наиболее распространенным методом печати в строительной отрасли является комбинированная экструзия. Однако есть оборудование, которое печатает сухим порошком, а связующая жидкость подается из сопел принтера. Но эта технология пока не нашла широкого применения.

Методом экструзии можно печатать отдельные элементы, малые строительные формы, декоративные вставки, а также полностью строить здание прямо на участке.

Существует четыре основных типа строительных принтеров:

• портал;
• с трехосным;
• кран;
• манипулятор.

Печать осуществляется печатающей головкой, оснащенной шнековым экструдером и емкостью для чернил – специальной мелкозернистой смесью, которая подается вручную или с помощью насоса. Агрегат выдавливает раствор на месте согласно проектной документации, послойно формируя отдельные элементы или стены в доме.

Портальный строительный принтер

Самый перспективный вид строительного 3D принтера. Конструкция аналогична козловому крану, у которого вместо крюка имеется приспособление для нанесения раствора. Так как при нанесении слоев структура перемещается по трем осям координат, она имеет второе название — XYZ-принтер.

Портальные принтеры могут печатать отдельные детали строения, различные архитектурные формы – скамейки, цветочные горшки, мусорные баки, мостики. Большие 3D-принтеры XYZ могут строить многоэтажные здания. Главное, чтобы он подходил под свод конструкции.

Трёхосевой (дельтовидный) принтер

3-осевой принтер — это тоже ферма с закрепленным принтером. Однако сама печатающая головка закреплена на телескопических рычагах, которые перемещают ее по заданному маршруту. Поэтому, в отличие от портальных принтеров, дельтовидные принтеры имеют меньшую область печати. Рабочая зона ограничена длиной опорных элементов, которых достаточно для воспроизведения отдельных фрагментов или малых архитектурных форм. Однако настроить такой принтер для печати здания уже не получится.

Крановый принтер

Некоторые производители оборудования нового типа ориентируются исключительно на строительство домов непосредственно на участке. Эти 3D-принтеры похожи на башенные краны. Обычно они располагаются внутри здания, а уплотнение производится в пределах досягаемости стрелы. Такое оборудование не такое громоздкое и позволяет быстро переводить его из транспортного положения в рабочее.

В качестве базы также используются мини-краны. Например, кран-паук, оснащенный бетононасосным оборудованием и пишущей головкой на конце стрелы. Преимуществом этого решения является повышенная мобильность. Кроме того, при необходимости машина может работать как кран.

Принтеры-манипуляторы

Существуют также 3D-принтеры. Роботизированная рука используется для перемещения печатающей секции. Этот тип оборудования может быть мобильным или стационарным. Их самым большим преимуществом является гибкость по сравнению с другими типами принтеров. Но цена такой производственной мощности будет выше аналогов.

Читайте также: Как убрать двустороннюю печать на принтере: пошагово

Принтеры

Contour Crafting

В 2009 году резиденты стартап-инкубатора «Университет Сингулярности» (Singularity University aka Singularity Education Group, основанная в 2008 году в Исследовательском парке НАСА, Калифорния) под руководством Бехроха Хошневиса создали проект по разработке и коммерческому применению технология контурного строительства — Contour Crafting, которая считается первой технологией строительной 3D-печати и фактически стала самой распространенной, это та самая технология, где цементная смесь наносится экструдером, аналогично пластику в FDM-печати.

Одноименная компания была основана Бероком Хошневисом и занимается разработкой этой технологии 3D-печати и сотрудничает с НАСА. Разработчик предлагает использовать этот метод печати для восстановления пострадавших от стихийных бедствий городов и строительства сооружений на других планетах.

Компания использует компьютеризированный козловой кран с экструдером, прикрепленный к зданиям, напечатанным на 3D-принтере. В процессе Contour Crafting используется быстротвердеющий материал, который наносится слоями путем постукивания. Технические элементы, такие как фурнитура и инструменты, могут быть добавлены по мере создания слоев.

АМТ

Российская компания АМТ входит в группу компаний АМТ-СПЕЦАВИА. Сфера ее деятельности — разработка и производство строительных 3D-принтеров, продажа и 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 использованием принтеров АМТ. Общая площадь составляет 298 квадратных метров.

Apis Cor

Российская компания Apis Cor Engineering (Апис Кор) — разработчик уникального мобильного строительного 3D-принтера, который печатает целый дом на строительной площадке.

Габаритные размеры 3D-принтера в сложенном виде составляют 4 × 1,6 × 1,5 м, а вес — 2 тонны. Площадь печати составляет 131 кв.м. Для печати зданий и сооружений больших размеров можно использовать несколько синхронизированных 3D-принтеров.

WINSUN

В 2014 году шанхайская компания Winsun обрела всемирную известность, возведя десять зданий, напечатанных на 3D-принтере, всего за один день. На деле все оказалось немного скромнее: небольшие «коробочки» печатались поблочно, заранее, а потом собирались на стройке, без арматуры и коммуникаций, но со стеклом.

Компания использует принтер на основе технологии FDM и одноэтапного процесса с использованием цемента, песка и стекловолокна. Эти материалы обеспечивают достаточную прочность стен. 3D-принтер WINSUN представляет собой портальную конструкцию размерами 36х12х6 метров.

D-Shape

D-Shape — один из самых необычных вариантов конструкции для 3D-печати. В устройстве не используется экструдер с трехосным позиционированием, а используется массив из 300 головок, установленных на подвижной платформе. Размеры рабочей площадки принтера, в текущей версии — 6х6 метров.

Технология D-Shape похожа на краску, набор насадок используется для нанесения связующего вещества на слои песка.

CyBe Construction

CyBe Construction — компания из Нидерландов, использующая 3D-печать при строительстве домов под ключ. CyBe производит материалы для печати и два строительных 3D-принтера.

Эти большие промышленные машины требуют двух операторов, но могут очень быстро печатать большие конструкции. Например, в Дубае в 2017 году компания всего за три недели напечатала лабораторию площадью 168 квадратных метров.

BatiPrint

Университет Нанта, Франция, сотрудничает с Нантской лабораторией цифровых наук (LS2N) над проектом по печати домов на 3D-принтере, известном как Yhnova.

В проекте будет использован разработанный в университете метод Batiprint3D — 3D-печать «изнутри». Полиуретановая опалубка печатается путем послойного напыления материала, похожего на монтажную пену, после чего он затвердевает, заливается бетоном.

Проект Yhnova представляет собой пятикомнатный проект социального жилья с изогнутыми стенами и закругленными углами. Манипулятор Batiprint3D может печатать конструкции высотой до 7 метров, площадь планируемого дома — 95 квадратных метров.

WASP

Итальянский производитель WASP создал самый большой на сегодняшний день строительный 3D-принтер. Эта дельта-лодка высотой 12 метров и шириной 7 метров имеет регулируемые руки длиной до 6 метров.

Использование принтера BigDelta направлено на ликвидацию жилищного кризиса за счет создания более дешевого жилья, что особенно актуально для развивающихся стран.

Проект BigDelta — это строительная 3D-печать из натуральных материалов. Прессованная солома и почва используются в качестве «расходных материалов.

Этапы 3D печати в строительстве

Независимо от типа принтера производство любого элемента, в том числе и строительство дома по аддитивным технологиям, начинается с проекта. Он должен быть представлен в электронном виде. Для этого подойдет любая графическая программа – AutoCAD, ArchiCAD, Компас-3D. Большинство аддитивных принтеров имеют встроенную программу для преобразования визуальных слоев в карту рабочего процесса.

Затем вы можете начать работать. С малыми архитектурными формами все просто: готовится смесь, загружается в бункер и…. Как в песне: «Нажми на кнопку — получишь результат».

Запись! Категорически запрещается использовать готовый бетон в 3D-принтерах. Во-первых, он содержит крупные фракции, которые не пройдут через форсунки. Во-вторых, раствор должен быть пластичным, быстро набирать прочность, иметь малую усадочную деформацию, чтобы не растекаться под давлением последующих слоев. При этом он не должен быстро застывать, чтобы не заморозить печатающую головку.

Со строительством зданий и сооружений несколько сложнее. Их можно построить двумя способами:

• собрать из печатных блоков;
• распечатаны на месте с помощью полевого 3D-принтера.

В первом случае печатаются отдельные элементы, а затем собираются на месте так же, как складывается дом из кирпича или пеноблока. Во втором необходимо подготовить площадку и установить оборудование, а потом машина сама возводит стены. Кстати, уже во время печати можно установить подводящие и отводящие трубы и электропроводку. Таким образом, не нужно будет сверлить отверстия в стенах.

В зависимости от региона, климатической зоны и других условий в качестве несъемной опалубки могут использоваться стены зданий, построенных по аддитивным технологиям. Внутреннюю и внешнюю стенки прессуют, устанавливают арматуру и заливают в полость тарный бетон. Но можно просто заполнить пустоты теплоизоляционным материалом, утеплителем.

По окончании работы печатающую головку необходимо снять с принтера и тщательно промыть.

Видео обзоры с реальной работой принтеров

Среди используемых строительных 3D-принтеров наибольшую известность приобрело оборудование китайских, американских и голландских производителей. С функциями и характеристиками каждого из них можно ознакомиться в соответствующих видеообзорах.

WinSun (КНР). Лидер среди 3D-принтеров. Габариты оборудования по длине, ширине и высоте соответствуют 150х10х6 метров. При печати может использоваться строительный мусор, представленный стеклом, сталью, цементом. Дебютировал в 2014 году при строительстве десяти жилых домов. По сравнению с традиционным строительством WinSun снижает трудозатраты на 80 %, расход материалов на 60 %, а затраты на строительство составляют половину стоимости. Видео:

ProTo R 3Dp (Нидерланды). Идея голландской компании CyBe Additive Industries. Отлично подходит для создания сложной геометрии. В качестве расходного материала используется оригинальный раствор CyBe MORTAR, который затвердевает за считанные минуты и готов к переработке. Выделяется высокой скоростью и экологичностью в процессе. Видео:

Не менее интересные проекты представляют французская типография Batiprint3D, американская DCP и словенская BetAbram.

Видео, как работает 3D принтер в условиях зимы.

Это видео демонстрирует процесс печати бюджетных домов, напечатанных на 3D принтере

Дополнительные направления развития технологии строительной 3D печати

Разработана конструкция металлического моста с использованием трехмерного принтера. Видео как робот 3д принтер строит мост! Будущее ближе, чем мы думаем!

Стало возможным использовать строительные принтеры со строительными материалами из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Эти материалы могут быть похожи на кирпич или мрамор по желанию заказчика.

При благоустройстве жилых комплексов или городов от типографов требуется создание малых архитектурных форм и детских площадок. Такие маленькие принтеры дешевле даже автомобиля среднего класса.

Подведем итоги

Технология 3D-печати в строительстве является инновационной и модной, но пока имеет мало общего с практикой. Потенциально это способ быстро построить невероятно дешевые дома любой формы, даже самой футуристической. На самом деле эта технология до сих пор используется спорадически, поскольку покупка строительного 3D-принтера — это огромные инвестиции. А отсутствие упоминаний об этой технологии в нормативных документах делает ввод таких зданий в эксплуатацию практически невозможным.