В 2004 году профессор Берох Хошневис из Университета Южной Каролины создал первую роботизированную систему, способную построить дом без участия человека. Технология, названная контурным строительством, по словам самого разработчика, представляет собой масштабированный 3-D принтер, в котором робот является системой направляющих,  по которым осуществляется передвижение гипертрофированной головки струйного принтера в двух плоскостях.

Вместо пластика, использующегося в качестве материала в 3-D принтерах, в системе применяется быстросохнущая бетонная смесь. Закладка арматуры, построение внутренних стен и перегородок, расставление балок, укладка стропильной системы и даже кровли с подшивом также осуществляется строительным роботом, перемещающимся по предварительно подготовленным рельсам.

Методы 3D-печати в строительном секторе

Использование технологии контурного строительства даёт возможность получить целый ряд бесспорных преимуществ, таких, как высокая скорость возведения зданий, минимальные требования к отделке (стены получаются идеально ровными), снижение затрат и рисков, а также простота создания сложных архитектурных форм. Не удивительно, что работа  профессора Хошневиса положила начало масштабному использованию 3-D печати в строительстве.

Строительные гиганты быстро осознают потенциал 3D-технологий и их влияние на будущее строительства. Ожидается, что рынок бетонной 3D-печати в 2021 году достигнет 56,4 млн долларов, и для этого есть все предпосылки. Все больше и больше компаний начинают работу в этом секторе при создании инновационных проектов. Некоторые из них скорее футуристичны, другие — очень реальны уже сегодня, например , 3D принтер Apis Cor, способный построить небольшой дом всего за 24 часа.

1. Экструдеры с роботизированной рукой

Метод контурного строительства – тот самый метод, разработанный профессором Хошневисом, подразумевает использование строительного материала для создания крупномасштабной трехмерной модели с гладкой поверхностью. Рельсы, установленные вокруг основания здания, выступают в роли структуры, направляющей манипулятор, перемещающийся вперед и назад,  слой за слоем выдавливая бетон. Для выравнивания экструдированных слоев и обеспечения прочности модели, по бокам и над соплом располагаются кельмы. При применении данной технологии нельзя использовать обычный бетон, только быстросохнущий, поскольку для нанесения каждого последующего слоя предыдущие должны затвердеть.

Компания Contour Crafting, впервые воплотившая технологию контурного строительства в жизнь, очень осторожна в своем прогрессе. Тем временем различные конкурирующие компании ведут активные разработки машин, использующих различные технологии для 3D-печати бетона. Так, французская компания Constructions-3D создала полярный 3D-принтер, осуществляющий печать внутри строительной площадки, а по окончании строительства покидающий место работы через входную дверь построенного здания. Машина состоит из механического основания и роботизированной руки с насадкой для выдавливания бетона. Возможности такой руки впечатляют: ей под силу печать площади более 250 м² и более 8 метров в высоту.

Робот Cazza Construction имеет схожую конструкцию, при этом использование мобильной крановой системы позволяет ему справляться с большими объёмами работы, создавая более объёмные и высокие конструкции.

Прочие компании довольствуются имеющимися технологиями печати, уделяя большее внимание использующимся материалам. Ярким примером является технология BatiPrint 3D, разработанная и запатентованная совместно Нантским университетом, Bouygues Construction и Lafarge Holcim. Этот промышленный робот осуществляет одновременную печать трёх слоёв материала, два из которых представлены полимерной пеной, третий – бетоном. Таким образом, по словам одного из разработчиков, профессора Нантского университета Бенуа Фюре, одновременно осуществляется не только возведение, но и внешняя и внутренняя изоляция конструкции.

2. Связка песчаных слоёв между собой

Разработал данный метод 3D печати на принтере D-Shape итальянский архитектор Энрико Дини, первым получивший широкую известность как человек, который печатает дома на 3D принтере. Строительный процесс выглядит следующим образом: форсунка проходит по предварительно спрограммированному пути, осуществляя шприцование жидкого клейкого состава на основе песка с примешанным твердым катализатором.

Связующий агент вступает в реакцию с катализатором, что запускает скрепляющий процесс; остаточный песок в это время служит для поддержки структуры. Затем добавляется следующий слой песка, и процесс повторяется. Нанесение слоёв песка осуществляется в соответствии с желаемой толщиной. Машина способна создавать конструкции размером до 6 кубометров.

3. Печать металлических конструкций

Голландская компания MX3D разработала уникальный метод строительства под названием WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), который позволяет осуществлять 3D-печать металлических конструкций с помощью 6-осевого робота. Этот робот, ставший результатом сотрудничества компаний Air Liquide и ArcelorMittal, оснащен сварочным аппаратом и соплом для послойной сварки металлических стержней.

Работа возможна с различными металлами, такими, как нержавеющая сталь, бронза, алюминий и инконель. Машину можно сравнить с гигантским паяльником. По словам разработчиков, конструкция «представляет собой объединение промышленного робота со сварочным аппаратом».

Перспективы использования 3D-печати в строительстве

Важнейшим преимуществом использования 3D-печати в строительстве является существенная экономия времени. В частности, использование этих технологий потенциально сокращает двухнедельную работу до 3-4 дней. Кроме того, автоматизированность процесса сводит к абсолютному минимуму риск производственных травм. Бенуа Фюре из Нантского университета заявляет: что «снижение трудностей и рисков — это реальность. Мы осуществили строительство объекта высотой 3,8 м без каких-либо строительных лесов. Кроме того, на строительной площадке очень тихо».

Его команде удалось напечатать первый в городе жилой 3-D дом площадью 95 м². Бенуа говорит, что их технология BatiPrint также облегчает создание изогнутых форм при меньших затратах. Более того, поскольку 3D-принтерам не нужно ни есть, ни спать, они не перестают работать, пока проект не будет завершен. Это значительно сокращает время ожидания.

Преимущества 3D печати в строительстве

С точки зрения использования материалов, 3D-печать экономична. При её применении используется меньше материалов, чем при традиционных производственных процессах. Это уменьшает воздействие на окружающую среду, поскольку производится меньше отходов.

Однако до мечты о 3D-типографиях, мостах и небоскребах, созданных благодаря этой методике, всё ещё довольно далеко. Аксель Тери из Constructions-3D объясняет, что  «основные трудности связаны с тем фактом, что процесс 3D-печати зданий сегодня не признается в качестве метода строительства многими контролирующими и стандартизирующими органами. Поскольку печатные конструкции не являются традиционными, некоторые расчеты трудно реализовать, поэтому вначале пригодные для жилья работы должны будут проверяться в каждом отдельном случае». Органы по стандартизации обеспокоены тем, достаточна ли прочность таких строений и смогут ли они противостоять окружающей среде.

3D типография: решение жилищного кризиса?

Поскольку 3D-печать теперь позволяет создавать конструкции быстрее, она идеально подходит для борьбы с жилищным кризисом. В результате некоторые компании стремятся к аддитивному производству, в том числе — итальянская компания WASP, которая стремится построить более устойчивый мир с помощью 3D-печати. Они разработали один из крупнейших в мире 3D-принтеров, который способен строить дома из местных материалов с использованием солнечной, ветровой или гидроэнергии. Это позволяет регионам, которые еще не имеют доступа к электричеству, осуществлять строительную 3D-печать из экологически чистых структур.

Точно так же в Бразилии для борьбы с жилищным кризисом Аниэль Гуэдес основала Urban3D. Ее компания печатает части зданий на специальной фабрике, а затем они собираются в единое целое на месте строительства. Это позволяет ей создавать здания высотой, которая была бы невозможна, если бы 3D-печать была сделана на месте. В настоящее время компания тестирует несколько прототипов и надеется предоставить решение для развития бразильских трущоб.

Российская компания Apis Cor также убеждена в положительном влиянии 3D-печати на жилищные вопросы. Её основатель и генеральный директор Никита Чен-юн-Тай объясняет: «Мы считаем, что аддитивное производство является эффективным решением против жилищного кризиса, и именно поэтому мы разработали наш проект. Мы надеемся, что через несколько лет этот подход будет опробован во всём мире, что позволит продемонстрировать его осуществимость. Мы полагаем, что все больше строительных компаний будут применять эту технологию, предпосылки к чему мы видим уже сейчас».

3D печать в космосе

Аддитивное производство также может стать для человечества одним из способов освоения космоса. НАСА запустило проект «Испытание среды 3D-печати», в котором рассматриваются технологии, используемые для строительства домов в космосе, например на Луне или на Марсе. Хотя проект амбициозен, пока рано говорить о том, станет ли 3D-печать в космосе жизнеспособным решением. Однако уже сейчас можно сказать, что 3D-печать в строительстве должна стать очень реальной глобальной силой.