Применение 3D-печати в строительстве

Технология трехмерной строительной печати

Строительная 3D-печать основана на методе послойного контурного экструдирования, то есть поэтапного наращивания объемной конструкции с помощью роботизированного оборудования. Вот как это выглядит пошагово:

• Сначала в специальной программе разрабатывают трехмерную модель, которую загружают в компьютер, подключенный к строительному принтеру. Оборудование обрабатывает рабочие файлы и переводит их в G-код. Затем выстраивает траекторию движения в соответствии с 3D-проектом и послойно распределяет строительную смесь.
• В специальный отсек принтера загружают строительную смесь, где происходит её смешивание с водой. Далее смесь движется по рукавам подачи и через печатную головку (экструдер) выдавливается на основание. Экструдер движется по заданной проектом траектории. Постепенно принтер прорисовывает контуры будущего объекта, укладывает печатный состав слой за слоем (один на другой), в результате чего образуется монолитный каркас. 
• При печати происходит вертикальное наращивание конструкции: создается внешний контур, внутреннюю часть которого потом заполняют бетоном, пенобетоном или иными материалами. Если здание печатают прямо на площадке, то работы начинают от фундамента.

На строительных принтерах можно печатать изделия прямоугольной и криволинейной формы, при этом они будут полностью соответствовать цифровой модели. Возможности печатных комплексов также во многом зависят от их типа. 

Типы строительных принтеров

В зависимости от метода подачи строительной смеси и конструкции 3D-принтеры делятся на три вида:

• Портальные (XYZ-принтеры). Конструкции с двумя вертикальными колоннами и горизонтальной рамой, на которой закреплена печатающая головка. Экструдер перемещается по осям X, Y и Z и выкладывает строительную смесь. Портальные системы подходят для печати крупных объектов, например, промышленных зданий с большими пролетами. 

• Крановые. Внешне напоминают башенные краны: конструкции вертикального типа с горизонтальной стрелой, которая поворачивается на 360 градусов. Такие принтеры используют при возведении многоэтажек и закрепляют прямо внутри зданий.

• Трехосевые. Такие системы еще называют дельта-принтерами или трехосевыми печатными системами. Печатающая головка в таких устройствах перемещается с помощью линейных приводов, состоящих из трех тросов и штанг.

Методы строительной печати

Трехмерные модели для последующей печати создают с помощью специального программного обеспечения — систем автоматизированного проектирования. Строительные принтеры совместимы с такими программами, как ArchiCAD, AutoCAD, «Компас-3D», Autodesk Revit и 3ds Max. Оборудование автоматически переводит графические проекты в нужный формат, раскладывает их на отдельные визуальные слои и формирует карты рабочих процессов — определяет траекторию движения экструдера.

Как устроены строительные 3D-принтеры

Печатное оборудование состоит из нескольких связанных друг с другом блоков:

• металлического основания (рамы), где закреплена печатающая головка (экструдер);
• рельсовых направляющих и механизмов перемещения, управляющей электроники;
• станций приготовления и подачи строительной смеси;
• двигателей и приводов, оснащенных цепями с мелким шагом, обеспечивающих высокую точность печати.

Для управления оборудованием на стройплощадке размещают кабину, внутри которой расположено рабочее место оператора. Кабина оборудована системой звукоизоляции и климат-контроля, защищена от попадания пыли и влаги.

Материалы для строительных 3D-принтеров

Для автоматизированной трехмерной печати применяют мелкозернистые смеси на основе бетона, пенобетона, полимерных композитов и гипса. Строительные смеси производят по особой технологии, учитывая конструктивные особенности и формат будущего объекта. 

Для улучшения прочности и подвижности печатной смеси в нее добавляют пластификаторы. При этом консистенция печатного состава должна быть такой, чтобы легко проходить через сопло экструдера. В то же время важно, чтобы масса держала форму, не растекалась, а укладывалась равномерными слоями нужной толщины. 

Чтобы получить состав оптимальной плотности, рецептуру постоянно совершенствуют. Соотношение компонентов меняют с учетом поставленных задач, размера и типа объекта. Смеси для строительных принтеров готовят заранее и загружают в автоматизированные станции. Такие модули входят в базовую комплектацию печатных устройств.

Примеры использования 3D-принтера в строительстве

Частные жилые дома/несъемная опалубка

Первый российский частный дом, полностью напечатанный на строительном принтере, появился в 2017 году на территории города Ступино. Всего за 24 часа с помощью трехмерного оборудования авторам удалось создать бетонное здание нестандартного профиля общей площадью 38 м². 

С помощью 3D-принтеров создают дома для круглогодичного проживания, соответствующие актуальным строительным нормам и правилам. При этом оборудование используют для печати несъемной опалубки — контуров наружных стен и перегородок. Фундамент, кровлю, перекрытия выполняют по стандартным строительным технологиям, а внутренние части стеновых каркасов заполняют материалами, предусмотренными по проекту. 

Многоэтажные дома и общественные здания

Автоматизированное оборудование для трехмерной печати позволяет создавать не только одноэтажные дома, но и многоэтажки. Так, китайская компания Shanghai еще в 2014 году построила 10 зданий с применением технологии 3D-печати. Высота самого высокого из них составила пять этажей.

Осенью 2019 года российская компания завершила строительство здания площадью 650 м² и высотой 9,5 м. Объект даже вошел в Книгу рекордов Гиннеса, как самый крупный объект, напечатанный на трехмерном строительном принтере в условиях открытой стройплощадки. Здание расположено в Дубае.

Опоры для инженерных сооружений

Строительная 3D-печать решает и инженерные задачи. Так, благодаря строительным принтерам можно печатать бетонные опоры мостов, башни ветровых генераторов, колодцы, опорные плиты и подпорные стенки. К примеру, американский концерн GE применяет печатные технологии при производстве бетонных оснований для ветрогенераторов.

Архитектурные детали 

С помощью технологии трехмерной печати можно создавать разнообразный фасадный декор, лепнину, сложные детали экстерьера и интерьера. На принтерах делают капители и колонны, карнизы и консоли, фронтоны и кронштейны. Печать таких элементов подчеркивает неповторимость архитектурного стиля и украшает объект. 

Элементы ландшафтного дизайна

На строительных принтерах печатают скамейки самых разных форм. Здесь можно экспериментировать с размерами и очертаниями, создавать разнообразные по формату модели. Трехмерное оборудование используют для печати элементов ограждений, фонтанов, беседок. Из бетонных смесей получаются оригинальные перголы, а также объемные садовые фигурки.

Лестницы

Из пластичного бетона и других строительных смесей печатают лестничные пролеты и марши, а также делают ступени поштучно. При этом возможности печатных комплексов позволяют делать как прямые, так и винтовые лестницы. Возводить их на строительных площадках или в условиях цеха. Отдельные ступени и части перил можно напечатать в мастерской, а собрать уже непосредственно на объекте.

Прототипы объектов

Технология трехмерной печати позволяет создавать прототипы будущих зданий с высокой степенью детализации. Это может быть полезно для архитекторов и инженеров-проектировщиков при работе над масштабными проектами. Печать небольшого прототипа или макета поможет продумать детали, а также посмотреть, как будет выглядеть готовый объект. 

Реставрация 

Роботизированные 3D-принтеры также используют при проведении реставрационных работ. Благодаря технологии трехмерной печати архитекторы-реставраторы воссоздают утраченные детали фасадов, орнаменты конструкций и другие элементы, которые сложно восстановить иными способами.

Трехмерное моделирование расширяет возможности оборудования, позволяя создавать детали любого типа и сложности. Такой подход делает процесс восстановления облика исторических зданий более быстрым, помогает точно воспроизводить утраченные части зданий. 

Трехмерная печать в строительстве: плюсы и минусы

Мы активно внедряем инновационные решения в различные сферы строительства. Производим и обслуживаем строительные принтеры для автоматизированного возведения зданий и сооружений, а также создания малых архитектурных форм и других объектов.