Напечатанные дома: в Томске работают над технологией 3D–печати бетоном

Благодаря им можно создавать не только человеческие органы и оружие. Современные 3D-принтеры могут печатать даже дома.

В Томске с этим способом строительства экспериментируют в профильном вузе — ТГАСУ. Лабораторная модель строительного 3D-принтера для него была собрана НИИПП и организацией на базе ТУСУРа «Электромехатронные системы». Принтер успешно прошел испытания — сейчас в ТГАСУ проводят апробацию составов смесей для принтера, печатают пробные конструкции и работают над созданием технологии строительной печати.

Что такое бетон? Вяжущее вещество, заполнитель, вода и модифицирующие добавки. В томской лаборатории уже опробовали составы на основе гипсового и цементного вяжущего, есть готовые напечатанные «малые архитектурные формы» и различные образцы для проведения испытаний.

— Технология строительной печати на 3D-принтере экспериментальная, над ней работают ученые по всему миру. Ее преимущество, по сравнению с опалубочным методом заливки (метод заливки перекрытий бетоном — прим. ред.), в увеличении скорости возведения зданий, отсутствии ручного труда и энергосбережении, — рассказывает Екатерина Сорокина, аспирант кафедры строительных материалов и технологий ТГАСУ (научный руководитель — Наталья Копаница, профессор, доктор технических наук). — В лаборатории 3D-печати ТГАСУ мы исследуем отдельные компоненты будущих смесей на физико-механические характеристики, моделируем составы для печати, проводим их комплексное исследование.

Печать бетоном на 3D-принтере проводится в несколько этапов: сначала создается модель конструкции в электронном виде, после чего происходит замешивание и подготовка смеси. Через насос смесь подается по шлангу в экструзионную головку — и производится печать изделия. Для принтера в ТГАСУ смесь пока замешивается вручную, но ее подача и формовка изделия — автоматизированы. Готовому изделию нужно время, чтобы набраться прочности перед транспортировкой. Бетон набирает 100% прочности на 28 сутки, 70% — на седьмые.

— Пока срок эксплуатации «отпечатанных» зданий никак не регламентируется, не разработана нормативная документация, — отмечает Екатерина. — Те здания, которые возводятся по этой технологии сейчас, лишь экспериментальные образцы. Хотя срок эксплуатации зданий из бетона может достигать 150 лет. При разработке определенных составов и технологии мы ориентируемся на срок до 100 лет.

Так выглядит процесс печати:

Сейчас есть два варианта применения технологии 3D-печати в строительстве: сбор здания из деталей, созданных на принтере и отпечатка его целиком. Так, в Ярославе, конструкция была собрана из отдельных компонентов — стен, декоративных элементов. Печатали их на маленьком принтере, а затем собирали на стройплощадке как конструктор.

— Мы изучаем возможности печати здания целиком на местности, — рассказывает Екатерина. — Это когда принтер привозят, монтируют, и он производит печать здания внутри себя. Пусть процесс займет несколько суток, в зависимости от характеристик принтера, но зато не потребуется привлечение рабочей силы на монтаж отдельных конструкций.

Между 3D-печатью металлом, пластиком и бетоном есть колоссальное отличие, единственное, что их связывает — название и технология послойного нанесения. С металлом технология отличается от какой-либо печати больше всего — при формовке проволока сплавляется лазерным лучом, иногда применяются порошковые материалы.

А вот печать бетоном не требует дополнительного термического воздействия в процессе. Зато бетон для печати на 3D-принтере отличается от обычного строительного. В нем не применяются крупные фракции — щебень, гравий и так далее. Вместо них используются мелкозернистые составы — песок или керамическая крошка. Второе отличие кроется в самом методе 3D-печати — безопалубочный метод предъявляет высокие требования к смеси: бетон должен сохранять форму после печати и при этом не вставать «колом» в шланге. Смесь должна быть достаточно вязкой, пластичной, но прочной, не расслаиваться и обладать определенной подвижностью. К составам, которые используются при изготовлении тех же бетонных плит, эти требования не предъявляются.

Свойства готового бетона могут быть разными. Если это печать стен здания, к бетону предъявляется куда больше эксплуатационных требований, чем к декоративному архитектурному элементу. Для достижения тех или иных характеристик в готовый бетон добавляются модифицирующие добавки. Такие, например, как фиброволокно, которое получают путем армирования смеси волокнами базальта или полипропилена размером до 6 мм.

Требует или нет изделие дополнительной обработки, зависит от того, где готовая конструкция будет применяться. Если это какой-то архитектурный элемент, то полосы и волны, которые получаются в результате печати, возможно, будут иметь даже какой-то декоративный эффект. А если это печать, например, перегородок здания или колон, то требуется доработка — но и здесь достаточно обычной штукатурки.

В перспективе 3D-печать выгоднее, чем опалубочная заливка — это позволяет уменьшать трудозатраты, одновременно увеличивая скорость возведения зданий. Нет необходимости работать с какой-то формой — технология не требует возведения опалубки, ее заливки, снятия.

— При использовании 3D-печати одна бригада может возвести за месяц не один дом, а четыре. Средняя скорость изготовления конструкции на 3D-принтере зависит от ее размеров и сложности. Печать одного квадратного метра стены занимает порядка 50 минут при толщине в 55 сантиметров, — говорит Екатерина.

3D-принтер и его монтаж — достаточно дорогое удовольствие. Но если сложить стоимость оборудования, которое используется при традиционном строительстве — леса, строительная техника — то дороговизна становится относительной. Особенно с учетом того, что принтер можно будет использовать неоднократно — для строительства последующих домов.

Сегодня в строительной печати существует множество проблем — в основном это связано с отсутствием нормативной базы в применении данной технологии. Поэтому технология 3D-печати бетоном находит себя в дизайне, где ниже требования к безопасности.

— Проблема 3D-печати — в отсутствие технологии, которая была бы решением всех вопросов — под каждый случай требуется своя конструкция принтера, метод подачи, состав смеси, — отмечает Екатерина. — Не до конца разработана еще сама технология, и непонятно как в конечном счете будет осуществляться формовка — будет это послойная печать или все-таки придется применять какие-то материалы для создания форм. В связи с тем, что нет нормативной базы, практик сам выдумывает, что он хочет. Решение проблем каждый находит по-своему.

По словам Екатерины, главная сложность именно в поиске комплексного решения — необходимость совместить конструкцию принтера, смесь и цели печати. Задача разработчиков в обеспечении того, чтобы смесь обладала должными эксплуатационными свойствами и параллельно удовлетворяла требованиям принтера.

— В ближайшее время мы планируем закончить разработку нескольких составов для 3D-печати, исследовать и апробировать их на лабораторном принтере, — рассказывает Екатерина. — В случае успешного выполнения этой работы, полученные составы планируется внедрить в строительство домов методом 3D-печати. А чтобы испытать составы в деле, мы проектируем «пробное» здание — двухэтажный жилой дом с пристроенным гаражом, площадь которого составит 240 квадратных метров.

В лаборатории отмечают — перспективы у технологии неземные, причем в прямом смысле. Одно из наиболее вероятных направлений, где будут применять 3D-печать домов — возведение зданий на Луне.

Текст, фото: Александр Мазуров

Видео предоставлено ТГАСУ