3D-печать в производстве бетона: революция в строительстве

3D-печать в производстве бетонных изделий

Технологические процессы, связанные с производством бетонных изделий, продолжают активно развиваться, и в настоящее время все более распространенным становится современный метод 3D-печати бетоном. С его помощью можно создавать как индивидуальные, так и серийные бетонные и железобетонные конструкции с применением передовых 3D-принтеров. Эти приборы послойно накладывают смесь и размещают арматуру, следуя инструкциям из файлов, созданных в специализированных CAD-программах.

Как выполняется печать

Аддитивные технологии предполагают использование обычных строительных материалов, таких как пескобетон, сложные органо-неорганические составы и геополимерные бетонные смеси. Бетон подается через сопло экструдером, что напоминает выдавливание крема из тюбика. В результате вертикальная конструкция создается слоями, где нижние слои упрочняются под тяжестью верхних, позволяя им выдерживать значительные нагрузки. Дополнительная прочность достигается благодаря горизонтальной и вертикальной арматуре.

При строительстве зачастую 3D-принтер формирует не всю толщину несущей стены, а лишь ее внешнюю и внутреннюю части, достигая толщины от 30 до 50 мм. Полости между ними заполняются различными материалами. Для внутренних перегородок часто достаточно одной печатной стенки.

Принтеры для бетона

На сегодняшний день существует три основных типа конструкций строительных 3D-принтеров:

1. Робот-манипулятор. В данном устройстве экструдер перемещается с помощью роботизированной руки. Эти модели можно устанавливать как внутри создаваемого объекта, так и снаружи. Они имеют компактные размеры и высокую подвижность.
2. Портальные модели. Основа таких принтеров состоит из рамы, по которой движется печатающее устройство. Эти принтеры монтируются внутри объекта, поэтому для печати крупных сооружений требуется увеличение их размеров.
3. Кабельные подвесные механизмы (delta-принтеры). Данная конструкция использует тросы для перемещения печатающей головки внутри рамы, что дает возможность создавать высокие конструкции, но ограничивает площадь.

Примеры наиболее известных 3D-принтеров и проектов

Современная 3D-печать открывает перед производителями бетонных изделий множество новых перспектив. Одним из наиболее захватывающих применений является создание архитектурных элементов, таких как стены, колонны и декоративные детали. Некоторые компании применяют 3D-принтеры для изготовления уникальных фасадов зданий, реализуя сложные геометрические формы, которые невозможно получить традиционными методами. Вот несколько известных 3D-принтеров для бетона и проекты, которые они воплотили:

1. WinSun. Оборудование от компании Shanghai WinSun (Китай) имеет размеры 150 м в длину и 10 м в ширину. Оно способно за 3-4 часа построить здание высотой до шести метров. Для 3D-печати используется состав, созданный на основе различных строительных отходов, включая стальную арматуру и стекло. Первые 10 домов появились в 2014 году, а затем в промышленном парке в провинции Цзянсу были напечатаны различные строения, самое высокое из которых имело 5 этажей. Использование WinSun позволяет сократить строительные расходы в два раза, а экономия на трудозатратах достигает 70-80%.
2. Stroybot. Этот 3D-принтер был разработан российским инженером Андреем Руденко, который позже переехал в США. С его помощью был создан небольшой замок, использующий геополимерный бетон с добавлением вулканического пепла. Его гостиничный сегмент стал первым в мире 3D-печатным объектом, который получил коммерческое применение.
3. Yhnova. Этот французский проект был реализован совместно с университетом Нанта и Nantes Digital Sciences, которые разработали технологию Batiprint3D (печатка интерьера). Процесс включает создание ограждающей конструкции из полиуретана, которая затем заполняется бетонной смесью. С помощью 3D-принтера Yhnova был построен пятиэтажный дом социального назначения с арочными стенами и закругленными углами. Благодаря данной технологии строительный процесс становится быстрее, а теплоизоляционные показатели значительно улучшаются, что снижает эксплуатационные расходы. С применением роботизованного оборудования можно строить объекты до семи метров в высоту.
4. Wasp. Компания Wasp из Италии была основана в 2012 году для разработки эффективных технологий строительства с минимальными отходами. Ее руководство считает, что использование бетона печатью является одним из решений жилищной проблемы, с которой сталкиваются многие страны.

В настоящее время Wasp занимает одно из ведущих мест на европейском рынке промышленных 3D-принтеров, разработав линейку инновационного оборудования:

• Crane Wasp — портативная модель, способная создавать полноценные здания. Она легко монтируется и демонтируется, что позволяет перемещать ее на новые объекты. Основной блок можно собирать в различных конфигурациях. Она поддерживает бетонные и растворно-битумные смеси (цемент, биоцемент) и может печатать со скоростью до 300 мм/с, при этом толщина слоя составляет около 9 мм.
• BigDelta Wasp — этот принтер может собираться из модулей длиной до 3 метров и способен создавать постройки высотой до шести метров. Двигатели и электроника работают от солнечных аккумуляторов. Delta может печатать готовые элементы массой до 60 кг с минимальными вибрациями и использует технологию FDM со скоростью 400 мм/с.

Преимуществ технологии

В результате внедрения технологии 3D-печати бетоном значительно упрощается и ускоряется процесс строительства уникальных объектов. При этом не требуется большое количество рабочих и специализированного оборудования, что в значительной степени снижает общую стоимость. Конструкции можно изготавливать практически из любых видов монолита.

Важные нюансы 3D-печати бетоном

На данный момент отсутствуют точные требования к реологическим характеристикам бетона, который подается через сопло. Важно, чтобы материал сохранял свои свойства в течение нескольких часов, независимо от изменения температуры и влажности в этот период. Эффективным решением для этого является использование высокоактивных суперпластификаторов на границе твердого и жидкого состояния, что позволит быстро восстанавливать структуру бетона после снятия технологических нагрузок и повысить его пластическую прочность.

Существуют также значительные проблемы с адгезией между слоями смеси, поскольку в 3D-печати отсутствуют арматурные выпускные элементы и виброуплотнение ранее нанесенных слоев. Некоторые эксперты предлагают делать технологические перерывы для успокоения и использовать дополнительные прослойки из сеток или гель-подобных полимеров для укрепления конструкции.

Еще одной проблемой является риск появления так называемых холодных межслойных швов, которые могут возникнуть из-за перерывов в процессе 3D-печати бетоном.

Вопросы по теме

Как 3D-печать в бетоне может изменить подход к проектированию зданий?

3D-печать в производстве бетона позволяет архитекторам и строителям разрабатывать более сложные и уникальные формы зданий, которые ранее были невозможны или требовали значительных затрат на производство. Эта технология дает возможность создавать геометрические конструкции с высокой степенью детализации и интегрировать функциональные элементы прямо в строительную форму, что сокращает время и ресурсы на окончательную отделку. Кроме этого, можно легко адаптировать проект под определенные условия местности, что делает подход более гибким и эффективным.

Какие экологические преимущества предоставляет 3D-печать бетона в строительстве?

3D-печать бетона способствует снижению экологической нагрузки на окружающую среду. Во-первых, благодаря точным расчетам и автоматизации процесса, уменьшается количество отходов, которое генерируется в процессе строительства. Во-вторых, существует возможность использовать переработанные материалы и экологически чистые добавки в составе бетонной смеси, что делает конечный продукт более устойчивым. Вдобавок, сокращение времени на строительство сокращает углеродный след проектов, позволяя строить здания более быстро и с меньшими затратами энергии.

В каких масштабах уже применяют 3D-печать бетона и какие перспективы развития у этой технологии?

На данный момент 3D-печать бетона успешно применяется как в маломасштабном строительстве, например, при возведении индивидуальных жилых домов и ландшафтных объектов, так и в крупносерийном производстве, например, для создания временных зданий, мостов и других инфраструктурных объектов. Ожидается, что с развитием технологий и улучшением материалов использование 3D-печати станет нормой для массового строительства, позволяя создавать архитектуру, сочетающую функциональность, эстетическую привлекательность и устойчивость к климатическим изменениям.