3D-печатный бетон: все еще в зачаточном состоянии

Вокруг 3D-печати в строительстве много шумихи. В больших масштабах 3D-печать в строительстве все еще находится на очень ранней стадии развития. Бетон - очень сложный материал для 3D-печати. Строительный 3D-принтер работает путем послойного нанесения материалов, таких как бетон, через сопло. Поэтому во время печати бетон должен быть текучим, чтобы он мог вытекать из сопла. После печати бетон должен быстро потерять большую часть своей текучести, чтобы сохранить напечатанную форму. Однако бетон не должен застывать слишком быстро, чтобы слои успели приклеиться друг к другу. Если слои будут просто накладываться друг на друга без прочной связи между ними, это приведет к образованию слабой структуры без прочности на растяжение. Все это означает, что мы не можем использовать обычный бетон в 3D-печати, всегда нужен специальный тип бетона - всегда с различными добавками.

Мы также должны учитывать сложность конструкций, которые мы строим. 3D-печать лучше всего подходит для простых конструкций. Например, стеновые конструкции в Северной Европе довольно сложны, и использование 3D-печати в таких конструкциях весьма проблематично. Сэндвич-стеновая конструкция уже сложна для 3D-печати: В конструкции есть три слоя - внутренняя стена, слой изоляции и внешняя стена. Кроме того, внутри стены обычно собираются различные компоненты электропроводки. Печать трехслойной структуры и сборка электрических компонентов в процессе печати - непростая задача. Для 3D-печати необходимо перепроектировать всю конструкцию стены.

Текущая скорость 3D-принтеров несопоставима с современными заводами по производству сборных конструкций. Кроме того, качество сборного железобетона гораздо выше, чем у 3D-печати. 3D-печать позволяет изготавливать сложные формы, но в случае с типичными бетонными конструкциями, такими как стены, эффективность 3D-печати далека от эффективности, достигаемой с помощью современных технологий сборного строительства.

Несмотря на существующие ограничения, мы должны быть открыты для возможностей, которые открывает 3D-печать. 3D-печать можно рассматривать как один из подходов к повышению уровня автоматизации строительства. Если посмотреть на это объективно, то 3D-печать в строительстве не очень очевидна. Автоматизация в строительстве будет требоваться все больше и больше. 3D-печать может быть одним из инструментов, помогающих развивать автоматизацию в строительстве, но, конечно, не единственным.

Не стоит забывать, что одним из главных преимуществ бетона является то, что это материал, который можно отливать в различные формы, формы и сложности. Также сегодня доступны различные способы обработки бетонной поверхности. Бетонное строительство в основном основано на этой гибкости литого бетона. С помощью 3D-печати мы полностью изменим эту ситуацию. 3D-печать, конечно, дает нам новые возможности, но мы также теряем некоторые преимущества использования бетона.

Йоуни Панкки
Профессор практики (технология бетона)
Университет Аалто

Мы должны рассматривать 3D-печать в строительстве как очень интересную технологию, которая имеет определенный потенциал в будущем. С точки зрения безопасности, существуют нормы, регулирующие строительство любого рода, и, конечно же, есть требования по добавлению армированных стержней для поддержки 3D-конструкций. Поскольку технология настолько нова, а нормативная практика постоянно меняется, соблюдение этих требований может стать проблемой для такой развивающейся технологии, как 3D-печать. Но я не думаю, что опасения по поводу 3D-печатных конструкций связаны с безопасностью.

3D-печать бетона сталкивается с теми же проблемами, что и другие отрасли, использующие эту технологию. Использование форм для изготовления деталей путем литья будет намного быстрее. При 3D-печати всегда нужно ждать, чтобы убедиться, что предыдущий слой может поддерживать конструкцию, прежде чем добавлять следующий слой.

Одно из преимуществ 3D-печатных конструкций по сравнению с традиционным строительством заключается в том, что в них легче встроить интеллектуальные технологии, например, датчики, что облегчает их интеграцию в шаблон "умного города". С этой точки зрения гораздо сложнее переоборудовать существующие дома, построенные с помощью традиционных технологий строительства.

Разработка новых технологий требует времени. Это вопрос попыток, выяснения деталей и попыток заставить все различные переменные работать. 3D-печать бетонных конструкций - это то, что, вероятно, получит более широкое распространение. Какую форму она примет в строительной индустрии, мы пока не можем предсказать.

Главный вопрос, конечно, в том, сможете ли вы сделать ее финансово жизнеспособной? Заинтересует ли эта технология покупателей тем, что они будут готовы платить за 3D-печатные дома, например, вместо домов, построенных другими методами? Будет ли стоимость приобретения конкурентоспособной или даже сопоставимой с тем, что предлагается на рынке? Существуют и другие способы достижения подобных результатов, и эти варианты являются менее дорогостоящими и более доступными для строительной отрасли.

Йоуни Партанен
Заведующий кафедрой (передовые методы производства)
Факультет машиностроения
Университет Аалто

В США и Европе есть несколько компаний, которые заявляют, что они занимаются 3D-печатью бетона, но за последние два-три года они сделали лишь совсем небольшие сооружения, такие как семейный дом. Одна российская компания сделала трехэтажное здание в Дубае. Есть также компания в Эстонии, которая собирается построить 3D-печатный дом. Мы помогаем им воплотить эту идею в жизнь, но готовый продукт еще предстоит увидеть.

Строительство - очень регулируемая отрасль, и одна из причин, по которой 3D-печатный бетон не может стать коммерчески доступным, - все эти правила и время, необходимое для получения разрешений. Бетон, используемый для 3D-печати, также дороже традиционных бетонных материалов из-за добавок, необходимых для обеспечения нужной консистенции.

Однако технология продолжает развиваться. При 3D-печати стены получаются как сэндвич с двумя подслоями, поэтому в них остается место, в том числе для труб и вентиляции. В Цюрихе с помощью различных технологий удалось построить трехэтажный дом. Они изобрели так называемую "умную плиту", в которой все нагревательные элементы находятся внутри плиты, но для этого они использовали очень дорогие формы, напечатанные на 3D-принтере. Это был экспериментальный проект, чтобы доказать, что концепция может работать.

Большинство компаний, занимающихся 3D-печатью в строительстве, конечно, утверждают, что эта технология лучше, чем сборные конструкции, но пока они еще не доказали этого.

Ашиш Мохите
Кандидат наук
Факультет машиностроения
Университет Аалто

В настоящее время в строительстве используется технология заливки бетона. Чтобы сделать ее финансово выгодной, необходимо сделать конструкции простыми и стандартизированными. В противном случае стоимость возрастает, поскольку приходится изготавливать и подгонять под себя различные формы. Проблема в том, что при этом не только создаются элементы, которые не выглядят визуально привлекательными, но и на простые конструкции уходит много бетона. С помощью 3D-печати мы можем сократить расход бетона примерно на 50 процентов, сосредоточившись на том, где, например, стена несет нагрузку. Я могу напечатать ряды для изготовления перекрытия и использовать материалы только в тех местах, где они действительно нужны. Однако это означает, что нам необходимо разработать новые методологии проектирования, чтобы воспользоваться преимуществами новой технологии. К сожалению, это требует времени.

Индустрия сосредоточена на том, какие материалы доступны в настоящее время. Я считаю, что если вы собираетесь что-то менять, то стоит взглянуть на это с точки зрения общества и устойчивого развития. Я увидел возможность, работая с цифровым бетоном: все поддерживают идею изменения состава бетона, потому что 3D-печать не воспринимается традиционной строительной индустрией как угроза.

Я думаю, что 3D-печать открывает широкие возможности для создания более "умных" материалов. Почему бы не связать электропроводящие материалы в бетоне, чтобы нам больше не нужно было прокладывать провода в бетонных конструкциях? С помощью 3D-печати можно добавлять сантиметры, вносить изменения в материал, заставлять его связывать электричество в нужном месте, делать бетон полупрозрачным там, где вы хотите. Речь идет о том, чтобы объединить 3D-печатный бетон с умными технологиями на благо нашего общества.

Один из камней преткновения - экономическая целесообразность. Такие технологии, как 3D-печать, не получат широкого распространения, если в определенный момент времени не будет ощутимой экономической выгоды. Поэтому производители могли бы рассмотреть возможность расширения своей бизнес-модели, чтобы строительство оценивалось не только по цене возводимого дома или сооружения, но и по тому, какое влияние оно оказывает на нашу экосистему и ее устойчивость.

Тем не менее, есть большая разница в 3D-печати моста и дома. Мы объявили о проекте по строительству 3D-печатных домов в Эйндховене два с половиной года назад, и первый дом до сих пор не построен. Сложность становится очевидной, если сравнить ее с первым напечатанным мостом. Первый мост был открыт уже через полгода после начала проекта.

Мы поняли, что это ужасно сложно, потому что при строительстве дома необходимо учитывать сложные системы - HVAC, электричество, интернет. 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 больших масштабах. Мосты более просты для 3D-печати, поскольку в них меньше деталей.

Тео Салет
Декан факультета "Построенная среда
Профессор кафедры структурного проектирования / бетонных конструкций
Университет Эйндховена

3D-печать - очень интересная производственная система, за которой мы внимательно следим. Она уже используется во многих отраслях, например, в производстве стали и пластика, а также в авиации, в частности, при изготовлении деталей самолетов. Однако в строительной отрасли она применяется не так широко.

Как отмечают эксперты, еще предстоит решить множество проблем, прежде чем 3D-печать займет свое место в строительстве. Я считаю, что за ней будущее нашего бизнеса - вопрос только в том, как и когда. Сейчас 3D-печать используется в основном для создания декоративных элементов. На некоторых круизных лайнерах 3D-печатные элементы из пластика и целлюлозных волокон используются как часть дизайна интерьера.

Хотя бетон еще не так широко используется для 3D-печати, он обладает множеством преимуществ: он огнеупорный, прочный и может противостоять стихии. Именно это делает его идеальным материалом для 3D-печати внешних элементов, таких как статуи или колонны, особенно если учесть, что люди ищут что-то большее, чем просто коробчатые сборные конструкции.

Декоративные элементы, конечно, можно отливать из бетона, но для этого нужны мастера-формовщики. Одно из практических применений 3D-печати в строительстве - изготовление форм. В сложных сборных проектах создание формы всегда является сложной задачей, поскольку требует много труда и точности. Если формы будут напечатаны с помощью 3D-печати, процесс станет проще и потребует меньше трудозатрат.

Были проведены испытания по 3D-печати целых конструкций из бетона, таких как дома для одной семьи. Хорошо, что такие испытания проводятся, но также очевидно, что 3D-печати бетона еще предстоит пройти долгий путь. Существуют качественные и технические проблемы, которые необходимо преодолеть, особенно когда мы начинаем думать о 3D-печати больших конструкций, таких как многоэтажные здания. Строительство из 3D-печатного бетона также сталкивается с экономическими проблемами. Добавки, необходимые для того, чтобы бетон работал с технологией 3D-печати, очень дороги.

Строительство, полностью опирающееся на 3D-печатный бетон, где вся арматура, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и канализации интегрированы, а не размещены отдельно, как это делается сегодня, на данный момент просто невозможно. Возможно, в будущем, когда мы разовьем технологию бетона до нужного уровня, 3D-печатные конструкции станут реальным вариантом.

Петтери Лайтинен
Вице-президент по проектам и услугам
Elematic