В России три научные школы 3D-печати в строительстве

Галина Славчева, доктор технических наук, ведущий специалист по аддитивным технологиям в строительстве (Воронежский государственный технический университет) рассказывает о преимуществах 3D-строительства и о проблемах в этой области.

Какие аддитивные технологии применяются в сооружении зданий, при производстве малых архитектурных форм?

В настоящее время для создания строительных объектов апробированы и развиваются следующие строительные аддитивные технологии (АТ), отличающиеся принципами формирования структуры объекта.

D-Shape — объект создается при послойном нанесении наполнителя и жидкого связующего, аналогично процессу порошковой струйной печати. В качестве наполнителя используются измельченные известняковые породы, вулканический и кварцевый песок и т. д. В качестве связующего — эпоксидные смолы или растворы солей.

Smart Dynamic Casting (SDC), Slipforming — объект создается при экструдировании бетонной смеси в момент ее схватывания. Идея процесса основана на технологии бетонирования в скользящей опалубке. В SDC бетонная смесь подается через сопло в скользящий элемент опалубки, закрепленной на руке шестиосевого робота-манипулятора. Высота опалубки намного меньше высоты конечного элемента. Из опалубки бетонная смесь выходит в момент схватывания, то есть с достаточной прочностью, чтобы выдержать собственный вес и вес вышележащих слоев.

3D-печать (сontour crafting (CC), 3D-сoncrete printing (CP)) — объект создается при послойном экструдировании вязко-пластичной смеси (бетонной, растворной на основе цемента, полимербетонной, керамической). Процесс включает стадии приготовления смеси, подачи в печатающую головку (экструдер), экструдирование и безопалубочную укладку слоев смеси экструдером в соответствии с заданной траекторией, твердение и набор прочности объекта.

Можно ли привести примеры 3D-принтеров?

На рынке присутствуют две категории принтеров.

Принтеры для создания полноразмерных объектов, предназначенные для использования на строительной площадке. Площадь печати в 100–200 кв. м обеспечивает возможность возведения малоэтажных домов. Все они портальные, серийно выпускаются ООО AMT (Россия), COBOD BOD2 (Дания), CON Vulcan (США), Total Kustom (США), WinSun (Китай).

Принтеры для печати изделий и конструкций в производственных условиях. Площадь печати менее 10 кв. м позволяет создавать малые архитектурные формы, отдельные конструктивные и декоративные элементы зданий. Это принтеры разного типа: портального типа, выпускаются ООО AMT (Россия) и Constructions-3D (Франция), манипулятор FIXED компании CyBe Construction (Нидерланды), дельта-принтер WASP 3MT Concrete компании WASP 3МТ (Италия).

Для малоэтажного строительства лидером по уровню конкурентоспособности является принтер BOD2 2-2-2 датской компании COBOD BOD2. Это обеспечивается наиболее высокими по отношению к конкурентам параметрами технологичности печати и качества строительных объектов. Принтеры американских производителей, уступая BOD2 2-2-2 по данным показателям, обладают тем не менее высокими индексами конкурентоспособности по конструктивным характеристикам. Аутсайдерами, к сожалению, являются принтеры российской компании ООО AMT.

Применительно к печати изделий и конструкций эталонными характеристиками отличается робот-манипулятор FIXED нидерландской компании CyBe Construction. Его можно считать наиболее конкурентоспособным по сравнению с мини-принтерами портальной и дельта-конструкции.

Какие проблемы существуют в строительной 3D-печати в мире и в России?

Потенциал и проблемы реализации 3D-печати в строительстве делятся на следующие составляющие.

1. Архитектура и проектирование объектов применительно к возможностям и особенностям 3D-печати. К плюсам здесь относится свобода формы конструкций и зданий, создание элементов любой конфигурации, индивидуальный дизайн. К минусам — отсутствие норм и методов проектирования.

2. Создание оборудования и технологических комплексов. Плюсы — автоматизация и роботизация строительных процессов, отказ от опалубки. Ограничения — невозможность печати всех необходимых элементов здания, печать только при положительных температурах, отсутствие принтеров эффективной конструкции, большие временные трудозатраты на сборку принтера.

3. Создание материалов, адаптированных к технологическим условиям слоистой 3D-печати. Плюсы — возможность изготовления на одном и том же оборудовании широкой гаммы материалов непосредственно на стройплощадке. Ограничения — не нормированы технические требования к смесям и методам их испытаний, отсутствует достаточная номенклатура составов смесей.

Сформировались ли научные школы в РФ по этому направлению?

В России можно выделить три научные школы.

Воронежский государственный технический университет. Проблемы создания композитов, исследования их технологических и эксплуатационных свойств, управление режимами печати.

Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова. Разработка 3D-принтера, отличающегося оригинальной системой экструзии и укладки смесей; разработка полимер-минеральных модификаторов вязкости и смесей на их основе.

Казанский архитектурно-строительный университет. Технологии изготовления различных неармированных и армированных печатных изделий на 3D-принтере.

Какие реальные проекты 3D-строительства вы бы отметили?

Подавляющее большинство напечатанных объектов делятся на две категории.

Малоэтажное строительство. Возведение одноэтажных жилых домов по индивидуальным проектам и массовой застройки площадью 40–200 кв. м непосредственно на строительной площадке. Наиболее значимые проекты печати домов реализованы компаниями ICON (США), Contour Crafting (США), WinSun (Китай).

Объекты функционально-декоративного назначения. К таким объектам относятся элементы городской инфраструктуры, а также элементы декора фасадов. Их производство реализовано Branch Technology (США), Contour Crafting (США), Bruil (Нидерланды).

Существует ли финансирование НИОКР по этой тематике и за чей счет?

В настоящее время в России финансирование осуществляется на конкурсной основе, как и для всех других научных проектов в области техники и технологии.

1. Министерство науки и высшего образования. Госзадание по выполнению проектов фундаментальных и прикладных научных исследований.

2. Госзадание плана фундаментальных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук.

3. Госзадание плана исследований Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства.

4. Российский научный фонд (РНФ).