Технология 3D печати стремительно развивается и находит применение в самых разнообразных областях деятельности. Способ послойного создания предмета на базе виртуальной объемной модели успешно используется в машиностроении, электронике и медицине. Но оказывается, что 3D принтеры могут внести неоценимый вклад и в развитие строительной сферы.  С помощью технологии объемной печати можно создавать здания и архитектурные сооружения. Возможно, на наших глазах происходит самая настоящая научно-техническая революция. 

3D принтер построит дома на Луне?

Примерно с середины 2000-х годов параллельно друг с другом в различных университетах мира начались исследования, ориентированные на изучение возможности использования 3D печати в строительной сфере. В 2012 году профессор Берох Кошневис (Behrokh Khoshnevis) из Университета Южной Калифорнии провел презентацию своего инновационного проекта – строительство домов с помощью 3D принтера. Он подумал, что раз с помощью трехмерной печати можно создавать самые разнообразные предметы и объекты, то почему бы не печатать дома с помощью таких принтеров?

3d-house

Для печати домов Кошневис предложил использовать послойный метод создания, который сам он назвал Контурной обработкой. В качестве материала для строительной печати можно использовать бетон или глину. Сам принтер в этом случае представляет собой передвижное устройство, высотой больше создаваемого здания. Гигантское устройство ездит по специальным рельсам вокруг возводимого дома.

Принцип строительства очень простой: в такой 3D принтер заливают бетонную смесь, и затем осуществляется процесс трехмерной печати, когда слой за слоем формируется заданная конструкция. Нижние слои постепенно уплотняются, что дает им возможность выдерживать все более увеличивающийся вес конструкции. То же самое происходит и в обычном трехмерном принтере, создающем предметы из пластмассы.

3d-crafting

Данная технология будет оптимальна для осуществления быстрого строительства – возведения домов после чрезвычайных происшествий или для создания бюджетного жилья. В частности, на постройку стандартного двухэтажного жилого дома в Америке уходит от полутора до шести месяцев. Причем значительная часть строительных работ по-прежнему делается вручную. С помощью 3D технологии это же здание можно будет возвести буквально за день, причем без привлечения большого количества рабочей силы. Принтер будет поэтапно сооружать фундамент, закладывать стены и возводить сам каркас дома. Рабочим же останется только вставить двери и окна в подготовленные проемы. Таким образом, технология 3D печати не только значительно сократит сроки строительства, но и удешевит его.

В данный момент технология проходит тестирование. Сам профессор Кошневис утверждает, что она будет полностью готова к 2017 году. Как бы то ни было, новыми возможностями в области возведения зданий сразу же заинтересовались даже не строительные компании, а космическое агентство НАСА. Оно выделило специальный грант для изучения возможностей использования технологии 3D строительства на Луне. Ведь 3D принтерам для выполнения работы не нужен кислород и, главное, они могут осуществлять строительство в самых экстремальных условиях, включая вакуумное пространство или очень высокие температуры.

Послойное экструдирование

В большинстве современных строительных принтеров заложен метод, который используется профессором Берохом Кошневисом. Это послойное экструдирование вязкой строительной смеси. Сам принтер имеет сопло или экструдер, из которого выдавливается быстро затвердевающая смесь. Она похожа на зубную пасту, выдавливаемую из тюбика. Это сметанообразная бетонная смесь с различными добавками. Технология предусматривает, что каждый новый слой этой смеси выдавливается из печатающего устройства поверх предыдущего, в результате чего формируется определенная конструкция. Бетонная смесь позволяет получить оригинальные архитектурные формы без опалубки, сокращая время и затраты на строительство.

3D дома в Китае

Пока в Америке технология 3D строительства тестируется исследователями, в Китае уже печатают самые настоящие дома. В этом году архитектурная компания Winsun, расположенная в городе Сучжоу, начала возводить небольшие жилые дома с помощью огромного 3D принтера. Принцип использовался тот же — послойное экструдирование. В качестве материала применялся строительный мусор и цемент, усиленный стекловолокном. Стены здания были напечатаны с помощью огромного 3D принтера, а вот крыша осталась единственной частью, которую пришлось возводить вручную. Как бы то ни было, данная технология позволила построить из промышленных отходов десять компактных жилых домов площадью двести квадратных метров всего за сутки! А себестоимость строительства каждого такого домика составила всего около пяти тысяч долларов.

Архитектурная компания Winsun использовала для строительства жилых домов гигантский промышленный принтер длиной в сто пятьдесят метров и высотой в шесть метров. Пока речь идет лишь о возведении недорогого, бюджетного жилья. Для Китая с его перенаселенными городами технология 3D строительства может открыть огромные перспективы. Впрочем, если взглянуть на эти домики, возведенные с помощью 3D принтера, то они не произведут большого впечатления. Это прямоугольные, очень простые сооружения. Однако для рынка экономичного, быстровозводимого жилья – они действительно находка. В Китае в ближайшие годы планируется построить несколько предприятий по переработке отходов и мусора, чтобы наладить выпуск смеси в больших объемах для осуществления 3D строительства.

Серийные 3D принтеры

Компания BetAbram готовит к выпуску серийный 3D принтер для возведения домов, который сможет приобрести любой желающий. Печатающее устройство способно перемещаться как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Пока высота ограничена двумя метрами, однако в компании утверждают, что высоту можно будет увеличить в случае необходимости с помощью специальной системы рельсов и подвижной платформы. В модельном ряду BetAbram будет три модели строительных принтеров. Модель P3 позволит напечатать маленький дом длиной четыре метра и шириной три, принтер P2 – бетонный дом без опалубки 12 х 6 метров, и P1 – здание 16 х 9 метров.

Стоимость модели P1, позволяющей строить самый большой по площади дом, будет составлять сорок четыре тысячи долларов. Разработчики этих устройств считают, что поскольку принтер может печатать несущие конструкции, его цена полностью себя оправдывает.

Дом, напечатанный из соли

Все вышеупомянутые проекты ориентированы на возведение несущих конструкций и стен, однако в компании Emerging Objects  справедливо полагают, что возможности 3D печати отнюдь не ограничиваются строительством наружных стен. Ведь с помощью печатающего устройства можно заняться и внутренними интерьерами. В Emerging Objects  предложили использовать для создания межкомнатных перегородок, которые бы изящно зонировали внутреннее пространство дома, соляной полимер. Специалисты этой компании соединили строительный клей и соль, получив экономичный, легкий полупрозрачный материал, который идеально подходит для 3D печати. Материал получил название Saltygloo, и, несмотря на свою легкость, он прочнее цемента. Из него будут создавать внутренние стены и межкомнатные перегородки. При желании стены из Saltygloo можно отшлифовать до блеска, либо оставить шероховатыми.

В настоящий момент американская компания работает над своим проектом «Печатный дом 1.0». Он предусматривает строительство дома с помощью печатающего устройства. Причем для возведения внутренних стен используется Saltygloo, а для наружных — блоки Picoroco, представляющие собой цементный полимер. Возводимый 3D дом будет состоять из просторных помещений, разделенных на небольшие комнаты. Полупрозрачные стены из смеси соли со строительным клеем будут создавать в комнатах эффектное освещение.

3D печать стройматериалов

А вот в Голландии пошли несколько другим путем. Группа ученых из Sabin Design решила найти применение 3D печати не для возведения зданий, а для получения экономичных и надежных строительных материалов. Им удалось создать посредством трехмерной технологии печати керамические кирпичи Polybrick, которые внешне похожи на шлакоблоки. Отличительная особенность и преимущество таких кирпичей – для их установки не требуется использовать клей или строительный раствор как в случае с обычными кирпичами. Кирпичи Polybrick обладают конической формой и надежно крепятся друг к другу.

Новый строительный материал, создаваемый путем 3D печати из специального цветного порошка, обжигается слабым огнем, приобретая красивый вид атласной глазури. Печать кирпичей экономически оправданна, затраты на их производство минимальны. При этом Polybrick могут использоваться для создания самых разнообразных кирпичных конструкций без применения специального раствора.

Впрочем, полноценный 3D дом в Голландии все же строится. Этим проектом в Амстердаме занимается компания DUS Architects. Печать всех без исключения составных частей дома будет осуществляться на огромном принтере KamerMaker. На подготовку проекта к реализации у голландских специалистов уйдет примерно три года, а вот сам процесс  строительства планируется завершить всего за неделю. Это будет трехэтажное здание с небольшим дополнительным помещением под крышей. Примечательно, что в качестве материала для возведения здания будет использован биопластик, который предварительно подвергнут вторичной обработке для измельчения в мелкий порошок.

3D принтер для возведения дома на берегу канала Буйкслотер представляет собой гигантскую установку, которая превышает в несколько раз размеры промышленного станка. На первом этапе планируется распечатать каждую составляющую дома в масштабе 1 к 20, чтобы протестировать и проверить надежность конструкций, а затем уже начинать возведение здания с помощью принтера KamerMaker в натуральную величину.

Трудности 3D строительства

Несмотря на то, что 3D печати предрекают огромные перспективы в строительстве и дома, напечатанные принтером, уже существуют в реальности, имеется множество тонких вопросов, касающихся самой технологии возведения зданий. В частности, 3D принтеры строят дома путем нанесения слоя бетонной смеси на ранее выложенный слой. При  этом ничего не говорится о применении в строительстве арматуры – вертикальная арматура просто помешает принтеру свободно перемещаться над слоями на нужной высоте. Однако бетонные дома для обеспечения высокой надежности конструкции просто не могут обойтись без арматуры. Такой дом потрескается и рассыплется с течением времени. В Китае выстроенные принтером дома армировали стеклопластиковой сеткой. Однако прочность и надежность таких конструкций все же вызывает вопросы. Вероятно, эта проблема может быть решена путем использования одновременно двух устройств – одно монтирует арматуру, а другое «печатает» бетонной смесью слой за слоем.

Другой вопрос связан с виброобработкой бетона. Дело в  том, что и при монолитном, и при блочно-панельном строительстве применяется виброобработка для удаления воздуха и воздушных пустот из бетона. С этой целью используются различные переносные, электрические или пневматические вибраторы. Благодаря этому железобетон приобретает очень высокую прочность. В случае с технологией 3D строительства вследствие отсутствия опалубки и краткосрочного размещения поддерживающих формовочных лопаток в контакте с бетоннымм раствором виброобработка фактически невозможна. Это опять-таки говорит о том, что дом, построенный из бетонной смеси по 3D технологии, может не простоять долго.

Другое уязвимое место – монтаж инженерных систем, без которых современный дом просто не может существовать. Впрочем, здесь как раз возможности принтеров могут раскрыться в полной мере, поскольку они являются устройствами с точной повторяемостью операций и, например, соединение элементов труб в нужной последовательности вполне может быть выполнено. Архитекторам лишь придется подумать над новыми конструкциями элементов инженерных коммуникаций.

Все эти спорные технические моменты нельзя назвать неразрешимыми, они характерны для любой прорывной технологии, только начинающей свое развитие. Какое-то время инженерам придется потратить на то, чтобы убрать все технические проблемы, нивелировать недостатки технологии и полностью автоматизировать все процессы, протекающие на строительной площадке.

Даже сложно себе представить, насколько преобразится строительная отрасль после того, как технология трехмерной печати найдет массовое применение. Исчезнут пресловутые прорабы и сменные строительные бригады. Для возведения дома понадобится всего несколько технических специалистов и  инженер-оператор печатающего робота. Всего за месяц работы можно будет сдавать в эксплуатацию целые коттеджные поселки. Строительный принтер станет своеобразным промышленным конвейером, с помощью которого можно будет возводить дома в сжатые сроки и с минимумом финансовых затрат.