3D друк: майбутнє будівництва

3D друк: майбутнє будівництва

 

У 2004 році професор Бехрох Хошневіс з Університету Південної Кароліни спробував створити першу 3D-друкарську стіну. З того часу ця інновація революціонізувалася, і тепер можна звести будинок лише за 20 годин! Професор розробив 3D-принтер FDM, встановлений на роботизованій руці, який видавлює шари бетону замість пластику для створення 3D-моделі.

Ця технологія Contour Crafting продемонструвала всі якості, необхідні для використання адитивного виробництва на будівельних майданчиках: зниження витрат та втрат, швидшу швидкість будівництва, зниження аварій, складні архітектурні форми та багато іншого. Його відкриття започаткувало 3D-друк у будівництві. Тим не менш, ця галузь залишається набагато менш використовується, ніж деякі галузі, такі як аеронавтика або медицина.

Будівельні гіганти швидко усвідомлюють потенціал 3D-технологій та їх вплив на майбутнє будівництва. Очікується, що ринок бетонного 3D-друку в 2021 році досягне 56,4 млн. доларів, і для цього є всі підстави. Дедалі більше компаній розпочинають роботу у цьому секторі для створення нових інноваційних проектів. Деякі з них більш футуристичні, деякі дуже реальні в даний час, наприклад, 3D-друкарня Apis Cor за 24 години. 3D бетонний друк швидко розвивається та спирається на різні технології та матеріали, пропонуючи своїм користувачам безліч переваг. Однак технологія все ще перебуває в зародковому стані та пов’язана з існуючими обмеженнями.

Які є процеси 3D-друку у будівельному секторі?

1 – Екструдери з роботизованою рукою

Метод Contour Crafting включає нанесення будівельного матеріалу для створення великомасштабної тривимірної моделі з гладкою поверхнею. Рейки встановлені навколо основи будівлі, яка діятиме як структура для спрямування маніпулятора. Він рухається туди-сюди, щоб видавлювати бетон, шар за шаром. Кельми розташовуються збоку та над соплом для вирівнювання екструдованих шарів та забезпечення міцності моделі.

У цьому процесі звичайний бетон не може бути використаний, тому що він повинен затвердіти, перш ніж ви зможете продовжити процес. Якби він був надрукований на 3D-принтері , він не зміг би витримати власну вагу. Тому бетон використовується зі швидкими властивостями схоплювання.

 

Contour Crafting (компанія з такою самою назвою, як і метод) дуже обережні у своєму прогресі. Ці машини величезні (32 м завдовжки, 10 м завширшки і 6,6 м заввишки). Це дозволяє їм друкувати 3D-структури повністю та збирати їх на місці. Це робиться шляхом змішування бетону та скловолокна на місці та подальшого друку. Цей подвиг змусив будівельників вивчити адитивне виробництво.

Конкуруючі компанії

Різні учасники ринку розробили машини, які використовують різноманітні технології для 3D-друку бетону. Французька компанія Constructions-3D створила полярний 3D-принтер , який друкує всередині будівельного майданчика, а потім йде через вхідні двері будівлі після завершення будівництва. Він складається з механічної основи та роботизованої руки з насадкою для видавлювання матеріалу на кінці. Ця рука пропонує для друку площу понад 250 м² та понад 8 метрів у висоту.

 

Робот Cazza Construction використовує мобільну кранову систему, що дозволяє їм друкувати в 3D набагато ширшій області та створювати більші та вищі конструкції. Це показано у минулих друкованих виданнях таких компаній, як Apis Cor та XtreeE, які швидко створюють цілі будинки.

Інші компанії спеціалізуються на екструзії матеріалів, крім бетону за допомогою цієї технології. Запатентований процес BatiPrint 3D є яскравим прикладом: Університет Нанту, Bouygues Construction і Lafarge Holcim об’єднали зусилля для розробки промислового робота, який друкує 3 шари матеріалу одночасно. Два з цих шарів є полімерною піною, а третій шар є бетоном. Бенуа Фюре, професор Нантського університету, пояснює, що «піна приносить внутрішню та зовнішню ізоляцію; бетон та армування несучої конструкції».

2 – Піщані шари пов’язані між собою

Італійський архітектор Енріко Діні вперше став володарем титулу «людини, яка друкує вдома у 3D». Нещодавно він продемонстрував цікавий процес 3D-друку на своєму 3D-принтері D-Shape. Ця машина заснована на зв’язуванні порошку, що дозволяє затвердити шар матеріалу за допомогою сполучного. Шари піску наносяться відповідно до бажаної товщини до того, як друкуюча головка поливає краплі (сполучна речовина) для затвердіння піску. Ця машина 4х4 метри може створювати великі конструкції розміром до 6 кубометрів.

3 – Метал для твердих конструкцій

Голландська компанія MX3D розробила унікальний метод будівництва під назвою WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), який дозволяє 3D-друкувати металеві конструкції за допомогою 6-осьового робота, який виробляє 2 кг матеріалу на годину.

 

Цей робот був результатом роботи співпраці з Air Liquide та ArcelorMittal та оснащений зварювальним апаратом та соплом для пошарового зварювання металевих стрижнів. Цей процес також сумісний з іншими металами, такими як нержавіюча сталь, бронза, алюміній та інконель. Машину можна порівняти з якимсь гігантським паяльником. Команда прокоментувала, що «ми об’єднали промислового робота зі зварювальним апаратом, щоб перетворити його на 3D-принтер , який працює з нашим власним програмним забезпеченням».

Незважаючи на те, що концептуалізуються стартапами, ці проекти часто вимагають підтримки з боку більших імен у будівництві. Royal BAM Group у партнерстві з Ейндховенським технологічним університетом розробила 3D-друкований бетонний міст для велосипедистів. Крім того, Bouygues Construction звернулася до 3D-друку для будівництва будинків у Ліллі, Франція. Крім того, Vinci Construction уклала партнерську угоду з французьким стартапом XtreeE для тестування будівництва складних конструкцій, а нещодавно шведська група Skanska спільно з Університетом Лафборо розробила процес 3D-друку бетону.

Навіщо використовувати 3D-друк у будівництві?

По-перше, 3D-друк бетону заощаджує багато часу. Зокрема використання цих технологій потенційно скорочує двотижневу роботу до 3-4 днів. Крім того, це знижує ризик травмування на роботі. Бенуа Фюре з Нантського університету пояснює: «Зниження труднощів та ризиків – це реальність, ми реалізували конструкції заввишки 3,8 м без будь-яких будівельних каркасів. Крім того, на будівельному майданчику дуже тихо».

Його команді вдалося надрукувати у 3D будинок площею 95 м² та перший у 3D соціальний житловий будинок у місті. Бенуа каже, що їхня технологія BatiPrint також полегшує створення вигнутих форм за менших витрат. Більше того, оскільки 3D-принтерам не потрібно ні їсти, ні спати, вони не перестають працювати, доки проект не буде завершено. Це значно скорочує час очікування.

Переваги 3D друку у будівництві

З точки зору використання матеріалів, 3D-друк економічний. При адитивних, а чи не віднімають процесах використовується менше матеріалів, ніж за традиційних виробничих процесах. Це зменшує вплив на довкілля, оскільки виробляється менше відходів. Ромен Дубалле, один із співзасновників XtreeE, пояснює, що «завдяки посиленій геометричній майстерності ми можемо створювати оптимізовані форми, щоб обмежити кількість використовуваних матеріалів».

Однак до мрії про 3D-друкарні, мости і хмарочоси все ще є застереження. Аксель Тері з Constructions-3D пояснює, що «основні труднощі пов’язані з тим фактом, що процес 3D-друку будівель сьогодні не визнається як метод будівництва багатьма органами кодів і стандартів. Оскільки друковані конструкції не є традиційними, розрахунки опору та опору у часі важко реалізувати, тож спочатку придатні для житла роботи мають перевірятись у кожному окремому випадку». Ці органи зі стандартизації стурбовані тим, що структури дійсно міцні, і якщо вони можуть протистояти навколишньому середовищу.

3D друк у космосі?

Адитивне виробництво також може стати для людства способом освоєння космосу. НАСА запустило програму «Випробовування довкілля в 3D-друку », в якому розглядаються технології, що використовуються для будівництва будинків у космосі, наприклад на Місяці або на Марсі. Хоча амбітно, поки що рано говорити про те, чи є 3D-друк життєздатним рішенням. Однак ми можемо сказати, що 3D-друк у будівництві має стати дуже реальною глобальною силою. SmarTech Publishing нещодавно опублікувала звіт, в якому прогнозується, що світові доходи у цьому секторі у 2027 році становитимуть 40 мільярдів доларів. Від 10 мільйонів до 40 мільярдів доларів за 10 років просто вражаюче. Тому нам потрібно буде побачити, як світ відреагує на цю технологію у майбутньому.