Все про 3Д будівництво
Використання комп'ютерних технологій дозволяє створювати тривимірні об'єкти різних типів. 3Д-друк активно використовується для будівництва будинків. Такий спосіб будівництва має важливі переваги, дозволяючи виконувати роботи практично будь-якого рівня складності. Ця технологія на перший погляд може здатися незвичайною. Для того щоб її об'єктивно оцінити, достатньо дізнатися більше про особливості використання тривимірних принтерів у будівництві.
Історія об'ємного друку
Вперше 3D принтер використали на початку вісімдесятих років минулого століття. Професор Хідео Кодама розробив першу систему тривимірного друку на основі фотополімерів, що твердіють, створених на основі акрилу.
1984 року американець Чарльз Хілл винайшов стереолітографію, яку вважають прямою попередницею об'ємного друку. При цьому твердіння відбувалося за допомогою опромінення конструкції ультрафіолетовим лазером. Результатом друкованого процесу був пластиковий виріб. Форма створювалася з урахуванням заздалегідь підготовленого об'ємного креслення.
Технологія була запатентована у 1986 році. Чарльз Хілл заснував компанію 3D Systems, яка зберегла лідируючі позиції досі. Надалі з'явилися технології лазерного спікання та моделювання із застосуванням наплавлення. Останній спосіб використовується в сучасних 3Д принтерах найчастіше.
Як відбувається 3Д будівництво будівель
Відповідно до заздалегідь підготовленого креслення послідовно наносяться шари спеціального матеріалу. Для будівництва будівель зазвичай використовується цементна суміш. Її наносять шарами, після цього вона твердне. Для будівлі можуть використовуватись склади з різними добавками.
Існує також будівництво за допомогою сухих матеріалів. В цьому випадку наносять шари порошку та зміцнюють конструкцію. Після цього змочують її засобом затвердіння.
Для роботи використовуються тривимірні креслення, створені у спеціалізованих додатках. Застосовуються різноманітні способи переміщення сопел, якими подається робочий склад. Вони залежать від типу використовуваного принтера.
Суміш завантажується у бункер. Вона містить у собі цемент, пластифікатор, наповнювач та інші компоненти. Під тиском вона подається до головки принтера. Через неї склад видавлюється в точно визначених місцях відповідно до креслення.
Для будівництва будівель застосовується бетонна суміш, що відрізняється від тієї, яка використовується при стандартних способах будівництва. Однією з її особливостей є дрібнозернистість. Зазвичай суміш для роботи виробники таких принтерів виготовляють за власними рецептами.
Плюси та мінуси 3Д будівництва
Застосовуючи такий метод зведення будівель, можна скористатися такими перевагами:
- Значне прискорення будівництва відбувається без додаткового збільшення вартості. Усього за кілька годин у такий спосіб можна звести конструкцію заввишки 6 метрів.
- За допомогою будівельного 3Д принтера можна точно скопіювати типову конструкцію будівлі.
- Виконання робіт відбувається у автоматичному режимі. При цьому ручна праця може бути потрібна, але її обсяг набагато менше, ніж при застосуванні традиційних методів. Він необхідний для зведення даху, обробки та прокладання комунікацій.
- Будівництво будинку шляхом об'ємного друку разом з проведенням оздоблювальних робіт і прокладанням комунікацій потрібно не більше коштів, ніж для будівництва будинку з бруса. Існує тенденція до зниження вартості таких робіт.
- За такого методу роботи немає необхідності робити опалубку для бетону.
- Складність створюваних геометричних форм не відбивається на швидкості проведення робіт. Принтер просто виконує ті дії, які визначені кресленням.
- Застосування 3Д принтера не створює проблем, пов'язаних із будівельним сміттям.
- Результат роботи буде точно таким, як планувалося. Принтер не втомлюється і робить помилок, що дозволяє бути впевненим у якості виконаної роботи.
- Економія буде тим більшою, чим ширше використовується будівництво 3Д.
- Таким чином зручно робити малі архітектурні об'єкти.
Такий метод будівництва має такі недоліки:
- 3Д друк не може використовуватись для будівництва деяких частин будівлі. Наприклад, це стосується зведення даху.
- Використання друку будинків обмежено кліматичними умовами. Процес будівництва можливий лише за умови, що температура повітря опускається не нижче +15 градусів.
- Наразі немає досвіду зведення багатоповерхових будівель. До цього часу 3Д будівництво застосовувалося до створення невеликих будов. Ентузіасти такого підходу стверджують, що за допомогою таких принтерів можна будувати об'єкти практично будь-якого масштабу та складності, але насправді це не перевірено.
- Перша будівля була збудована таким чином, була створена у 2013 році. Тому досвід такого будівництва не дозволяє будувати висновки про те, до чого призведе довготривала експлуатація.
- Висока вартість устаткування, що використовується.
- Дія принтера обмежена тим майданчиком, де він встановлений.
Будівництво 3Д будівель у РФ не регламентовано законодавством. Перешкодою для розширення сфер застосування є відсутність стандартів проведення таких робіт.
Як влаштовано принтер для тривимірного друку
Цей пристрій повинен містити такі елементи:
- Друкувальна головка або екструдер. Він володіє системою для захоплення потрібної кількості матеріалу, що надходить. Потім відбувається його розігрів та видавлювання на місці із зазначеними координатами.
- Робоча поверхня, де формується створювана форма. У будівельних принтерах цю роль виконує ділянка землі, де будують будинок. Усі маніпуляції здійснюються на території, обмеженій можливостями пристрою.
- Лінійний та кроковий двигуни переміщують головку принтера на точно визначене місця відповідно до цифрової моделі.
- Фіксатори є датчиками, які визначають точні координати, відповідні положенню інтрудера. Завдяки їх застосуванню, будівельна суміш розташовується точно там, де необхідно.
- Рама є основою, де встановлено всі елементи 3Д принтера.
Більшість таких пристроїв працюють із кресленнями, зробленими у форматі STL.
Різні типи пристроїв для будівельного друку
Найчастіше використовуються портальні принтери. Для цього будується П-подібна рама, яка пересувається вздовж усієї моделі, що будується. Гнолівка принтера підвішена на її верхній перекладині. Таким чином, здійснюється переміщення по осях X або Y. Висота екструдера може змінюватися, що забезпечує потрібне позиціонування по осі Z.
Переміщення в дельтоподібному принтері виконується відповідно до іншого принципу. Тут рама вибудувана вздовж краю робочого майданчика, розташовуючись на її периметрі. Головка принтера підвішена на кількох тросах, що дозволяє створювати складні геометричні фігури.
Роботизовані керують головкою принтера за допомогою промислових маніпуляторів. Вони зазвичай встановлені на нерухомій вежі, яка може обертатися.
Система D-Shape працює з іншим способом затвердіння суміші. Тут не використовують розчин, а застосовується спеціальний порошок. Його укладають, а потім ущільнюють. Потім екструдер подає речовину, яка сприяє затвердінню матеріалу.
Сфери застосування будівництва за допомогою друку
З їхньою допомогою можна швидко і недорого зводити будинки, що мають один або два поверхи. 3Д друк дає можливість звести велику кількість низькобюджетних будівель за короткий час. Це може бути потрібне, наприклад, для облаштування тих, хто постраждав від стихійних лих і втратив своє житло.
Таким чином вигідно будувати невеликі будови різного роду. Це, наприклад, можуть бути об'єкти паркового дизайну (лавки, столи, зменшені декоративні моделі будівель). Об'ємний друк ефективний при зведенні споруд допоміжного або господарського призначення (гаражів, сараїв та інших).
Приклади надрукованих будівель
Будівництво із застосуванням 3Д принтерів поступово стає дедалі популярнішим. У світі є велика кількість компаній, які виробляють такі промислові пристрої. Далі буде розказано про найвідоміші будинки, створені таким чином.
Будинок, схожий на замок
Ярославське підприємство АМТ "Спецавіа" за допомогою 3Д друку створило будинок для охоронців Єкатеринбурзького цементного заводу. Воно нагадує замок Winterfell із серіалу «Гра престолів». Будинок має площу 165 кв. метрів. Він був створений у 2015 році.
Частину будівлі було збудовано за допомогою принтера, розташованого на майданчику. Деякі будівельні вузли були надруковані окремо, а потім привезені та встановлені на своє місце.
Будинок у Ступіно
Іркутська компанія Apis Cor будує за допомогою тривимірного принтера, встановленого на поворотній вежі з телескопічним утримувачем. Така конструкція дозволяє створювати будинки, що мають складну форму. Будинок у Ступіно був створений для демонстраційних цілей. Компанія виконувала будівельні роботи в Дубаї, збудувавши будинок аналогічної конфігурації площею 540 кв. метрів. На зведення будівлі знадобилося 500 годин.
Будинки для населення
3Д будівництво активно застосовується до створення для незаможних верств населення. Великих успіхів у цій сфері досягла китайська фірма Winsun. У 2014 році компанія створила 10 будинків за 10 діб. Вони мали площу, що дорівнює 200 кв. метрів кожен і були виготовлені з екологічних матеріалів. Конструкція будинків вийшла примітивною, але їх можна було використовувати як житло. Вартість кожного з них складала 4800 доларів.
У 2015 році компанія збудували особняк площею 1100 кв. метрів. Спочатку було надруковано окремі блоки, потім з їхньою допомогою було збудовано будівлю. Витрати будматеріалів були втричі меншими, ніж при виконанні будівництва звичайним чином.
Будівництво у Дубаї
Клієнти з Об'єднаних Арабських Еміратів скористалися послугами голландської компанії CyBe Construction для масового будівництва будинків із застосуванням 3Д принтера. У 2019 році вони планували, щоб чверть новозбудованих до 2025 будинків була зроблена за допомогою цієї технології.
Швидкість роботи будівельного принтера цієї компанії складає 60 см за секунду. З такою швидкістю, наприклад, було збудовано офісну будівлю в Дубаї. При цьому всі несучі конструкції створюються протягом однієї години. Принтер також дозволяє зробити підлогу та опалубку.
Будинки, збудовані за оригінальною технологією
Фірма D-Shape використовує оригінальну технологію будівництва. Виробничий процес збудовано на основі стереолітографії. При цьому застосовується сухий склад, який ущільнюють, а потім обробляють затверджувачем. Стіни, зроблені таким чином, на вигляд нагадують мармур. За міцністю та довговічністю вони перевершують залізобетон.
При використанні такого способу затвердіння потрібно 24 години. З 2012 року ця компанія оголосила, що готова будувати двоповерхові будинки зі сходами, дахами, колонами та трубами для комунікацій. Компанія вважає своїм завданням будівництво будинків оригінальної форми, що мають достатню міцність, щоб не боятися ураганів та землетрусів.
Будинок Ягнова
У Нанті у 2017 році було роздруковано будинок Yhnova House. У ньому є 5 кімнат, що мають загальну площу 95 кв. метрів. Будівля має високу енергоефективність. Як маніпулятор була використана рука робота, точність руху якого забезпечувалася за допомогою лазера. Під час будівництва не застосовувалися ліси. Ця будівля була створена у рамках соціального проекту.
Висновок
Створення будинків за допомогою 3Д принтера все більше перестає бути чимось фантастичним і стає одним із найпоширеніших способів спорудження будівель. Воно має багато важливих переваг, які дають змогу розраховувати на зростання популярності застосування будівельних 3Д принтерів.
