18+
18+
Александр Мазуров, Как это работает, Образование и наука, ТГАСУ, Томск ТГАСУ 3D-печать бетон дома строительство технология смесь Напечатанные дома: в Томске работают над технологией 3D–печати бетоном

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.

На сегодняшний день методом 3D-печати в мире уже возведено несколько зданий. Особых успехов достигла китайская компания WinSun, которая напечатала пятиэтажный дом и несколько вилл, 10 домов находятся на выставочной площадке. В России с технологией 3D-печати работает ряд компаний: Apis Cor (Иркутск), СПЕЦАВИА (Ярославль), Tytan Industry (Москва). В Томске c 3D-печатью экспериментирует ТДСК — они используют готовые строительные смеси, но не разрабатывают собственных.

Печать внутри себя

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.

Разный бетон

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.

Выгоднее опалубки

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.

Например, компания WinSun заявляла, что технология 3D-печати в строительстве снижает количество отходов на 30–60%, время строительства — на 60–70%, и на 50% снижает расходы на рабочую силу. Также представители компании подчеркнули, что в Китае их строительные методы дешевле на 10–30% в сравнении с традиционными, а в странах с более высоким уровнем зарплаты — эта цифра может достигать 50%.

Поиск формы

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

Тэги/темы:
Путешествия

Студенческий туризм: чем заняться в Томске?

16 сентября 2021
Томские новости

Жители Чукотки, Северного Кавказа и Алтая высоко оценивают своей качество жизни — томские ученые

17 сентября 2021
Томские новости

Томский политех объединяет ведущие технические вузы России для создания моделей нового инженерного образования

23 августа 2021
Томские новости

Томские ученые создали модель для предсказания свойств наноматериалов

25 августа 2021
Томские новости

ТГУ одним из первых защитил заявку в крупнейшей программе поддержки вузов «Приоритет 2030»

13 сентября 2021
Образование и наука

Губернаторский Светленский лицей открылся в томском микрорайоне Северный Парк

1 сентября 2021
Томские новости

Томский госуниверситет получит 150 млн рублей на оборудование для изучения Арктики и Сибири

26 августа 2021
Томские новости

В Томске впервые применили технологию усиления железобетонных конструкций углекомпозитами

27 августа 2021
Томские новости

Томские ученые помогут снизить стресс от перехода в виртуальную среду

10 сентября 2021
Комментарии для сайта Cackle