3D-печать в производстве бетонных изделий
Технологии производства бетонных изделий не стоят на месте и сегодня все чаще используется инновационный метод 3D-печати бетоном. Он позволяет изготавливать штучные и серийные бетонные/железобетонные конструкции посредством специальных 3D-принтеров. Устройства послойно наносят смели и раскладывают армирующие элементы на основе файлов, созданных в специальных САПР-программах.
Как выполняется печать
Аддитивные технологии предполагают использование стандартных стройматериалов — пескобетона, сложных органо-неорганических составов, геополимерной бетонной смеси и другие. Бетон нагнетается через сопло посредством экструдера, что напоминает выход компонента из тюбика. Вертикальный объект создается слоями, при этом нижние постепенно уплотняются под массой верхних, что позволяет им выдерживать огромный вес. Дополнительную прочность придает горизонтальная/вертикальная арматура.
Как правило, при возведении зданий, сооружений 3D-принтер создает не полный объем несущей стены, а ее внешний и внутренний сегмент толщиной 30-50 мм. В полости между ними размещается наполнитель. Для внутренних перегородок обычно достаточно однослойной печати.
Принтеры для бетона
Производители предлагают три основных вида конструкции строительных 3D-принтеров:
- Робот-манипулятор. Передвигает экструдер роботизированной рукой. Такие модели можно монтировать внутри создаваемой конструкции или снаружи. Отличаются небольшими размерами и высокой мобильностью.
- Оборудование портального типа. Основу конструкции принтера составляет рама, на которой перемещается устройство для печати. Размещается внутри объекта, поэтому для создания больших объектов необходимо увеличение размеров.
- Кабельный подвесной механизм (delta-принтеры). Предусмотренные конструкцией тросс-кабели двигают печатающую головку внутри рамы. Такое решение позволяет создавать высокие конструкции, но с небольшой площадью.
Примеры наиболее известных 3D-принтеров и проектов
Современные технологии 3D-печати открывают новые возможности для производства бетонных изделий. Одним из наиболее интересных применений является печать архитектурных элементов, таких как стены, колонны и декоративные детали. Некоторые компании используют 3D-принтеры для создания уникальных фасадов зданий, с возможностью реализации сложных геометрических форм, которые сложно или невозможно воспроизвести традиционными методами. Вот самые известные 3D-принтеры для бетона и воплощенные проекты:
- WinSun. Оборудование от компании Shanghai WinSun (КНР) длиной 150 м и шириной 10 м. Может за 3-4 часа создать здание высотой до шести метров. Для 3D-печати применяется состав на основе различных отходов строительства, в том числе стальной арматуры, стекла, цемента. Первые 10 домов были возведены в 2014 году. Затем на территории промышленного парка в провинции Цзянсу были напечатаны несколько разноплановых построек, самая высокая из которых достигала 5 этажей. Использование принтера WinSun удешевляет строительство наполовину, при этом экономия на трудозатратах составляет 70-80%.
- Stroybot. 3D–принтер российского инженера Андрея Руденко, впоследствии переехавшего в США. С его помощью был напечатан небольшой замок на основе гомополимерной бетонной смеси с вулканическим пеплом. Его гостиничный сегмент стал первым на планете 3D-печатный объектом, который стал эксплуатироваться в штатном порядке.
- Yhnova. Французский проект с участием специалистов университета Нанта и представителей компании Nantes Digital Sciences, которые разработали технологию Batiprint3D (т.н печать изнутри). Она предполагает создание ограждающей конструкции из полиуретана, распыляемого в два слоя, в которую заливается бетонная смесь. С помощью 3D-принтера Yhnova был построен пятиэтажный дом социального назначения со стенами в виде дуги и скругленными углами. Применение технологии не только экономит время на строительстве, но и улучшает теплоизоляцию, позволяя снизить эксплуатационные издержки. С помощью роботизированного оборудования можно создавать объекты высотой до семи метров.
- Wasp. Компания Wasp (Италия) была образована в 2012 году для разработки эффективных технологий строительства на основе безотходного производства. Ее руководители рассматривают возведение бетонных зданий с помощью принтеров как средство решения жилищной проблемы, с которой сталкиваются многие государства.
Сегодня это один из ведущих европейских поставщиков промышленных 3D-принтеров, создавший линейку инновационного оборудования:
- Crane Wasp — портативная модель, способная возводить целые здания. Легко демонтируется и перемещается на новый объект. Главный блок собирается в разных конфигурациях. Поддерживает бетонно-растворные смеси (цемент, биоцемент). Скорость печати до 300 мм/с, толщина слоя от 9 мм.
- BigDelta Wasp — принтер собирается из модулей длиной до 3 метров и создает дома шестиметровой высоты. Двигатели и электроника функционируют от заряжаемых солнцем аккумуляторов. Delta способна работать с готовыми элементами массой 40-60 кг при незначительной вибрации. Использует технологию печати FDM со скоростью 400 мм/с.
Преимуществ технологии
Благодаря технологии 3D-печати бетоном значительно ускоряется возведение единичных уникальных объектов. Для строительства не нужны бригады рабочих и многочисленное оборудование. В результате существенно уменьшается себестоимость. Создавать конструкции можно практически из любого вида монолита.
Важные нюансы 3D-печати бетоном
Пока нет точных требований к реологическим характеристикам бетона, направляемого через сопло. Материал должен сохранять свойства на протяжении многих часов независимо от меняющейся за этот период температуры и влажности. Одно из эффективных решений в этом направлении — использование суперпластификаторов с высокой активностью на границе твердый объект-жидкость. Это позволит после снятия технологической нагрузки быстро восстанавливать структуру бетона и увеличивать пластическую прочность.
Актуальная проблема — сцепляемость между слоями смеси, так как в 3D-печати нет арматурных выпусков и виброуплотнения ранее залитых слоев. Некоторые специалисты предлагают вводить технологические перерывы для схватывания и обустраивать прослойки с целью укрепления конструкции из сеток или гелеобразных полимеров.
Также существует риск появления т.н холодных межслойных швов, связанных с интервалами при 3D-печати бетоном.
