3D принтери для будівництва будинків: міф чи реальність?

city-coffee-table.jpg

3D друк – одна з найбільш обговорюваних технологій останніх років. Деякі розглядають його як початок третьої промислової революції, інші більше схильні бачити недоліки. Так наскільки реален друк будинків на 3D -прінтері? У цій статті ми поговоримо про рівень розвитку 3D-друку в різних країнах і подивимося на тендітні павільйони з композитного матеріалу в Китаї; бетонні опори в Італії, натхненні класичної архітектурою, і «розумні» будинки в Німеччині.

Що таке 3D-друк? Технологію 3D-печаті винайшов американський інженер Чак Халл ( Chuck Hull ). Він запатентував цей процес в 1986 році і спочатку назвав його Стереолітографія. Метод припускав з’єднання молекул за допомогою лазера для трансформації полімерів в жорстких форм. Перше застосування 3D -друк знайшлось в автомобілебудуванні – з її допомогою почали робити так звані «швидкі прототипи». Головна перевага технології полягала в тому, що відтепер не потрібно було відливати форми, що істотно знизило витрати на проектування. Крім того, в порівнянні з випилюванням прототипу з дерева, стало значно менше відходів, адже раніше весь матеріал доводилося утилізувати. 

У 3D-прінтері об’єкти друкуються пошарово, у чомусь повторюючи ідею струмного друку на папері. Тільки процес повторюється багато разів, а замість чорнила беруть більш твердий матеріал. При невеликому зсуві між шарами з’являється обсяг, або, як нині прийнято говорити, 3D-ефект. Матеріали в 3D-печаті використовуються різні, від синтетичних смол і пластика (найчастіше) до сталі і бетону. Сьогодні компактні моделі 3D-прінтеров все частіше з’являються в дизайнерських студіях, школах і навіть в приватних будинках.

Vulcan Pavillon, Beijing Design Week 2015

Масштабне застосування 3D-печаті в Китаї

Китай – країна, де найвищий ступінь вважається ознакою прогресу у всіх сферах життя. Тому немає нічого дивного в тому, що найбільший архітектурний об’єкт, створений за допомогою 3D-прінтера , з’явився саме в цій країні. Павільйон «Вулкан» (на фото) був відкритий для відвідувачів в 2015 році під час Пекінської тижні дизайну (Beijing Design Week 2015). Авторами проекту були архітектори Сюй Фен (Xu Feng) і Юй Лей (Yu Lei). Звичайно, павільйон довжиною 8,08 м і висотою 2,88 м був надрукований не за один раз. Насправді його зібрали з +1023 окремих частин, кожна з яких була надрукована на 3D-прінтере. Хоча це досягнення і потрапило в «Книгу рекордів Гіннеса», воно також показало, що область застосування 3D-печаті поки ще досить обмежена. Щоб створити цілий будинок на 3D-принтері , принтер повинен бути гігантським або, у крайньому випадку, вміти їздити вздовж спеціально споруджених будівельних лісів. Масштаб – ось причина того, чому 3D-друк все ще перебуває на ранній стадії розвитку в усьому, що стосується архітектури.

Vulcan Pavillon, Beijing Design Week 2015 (Detail)

Як надрукувати цілий будинок

І тим не менше в Амстердамі фахівці з компанії DUSArchitects зараз шар за шаром друкують будинок під назвою Canal House . Завершення проекту заплановано на 2017 рік. «У Китаї теж вже друкують цілі будинки на принтері, – говорить доктор Джейн Баррі, доцент лабораторії Spatial Information Architecture Laboratory при Мельбурнському королівському технологічному університеті. – Хоча на цьому етапі вони все ще виглядають сиро». Вона має на увазі проект компанії Winsun , яка вже надрукувала кілька бетонних будинків в Китаї. Цей проект найчастіше наводять як приклад, коли мова заходить про 3D-друк у будівництві. Представники компанії заявляють про суттєву економію. Так, в порівнянні з традиційним будівництвом, на друк нового будинку потрібно на 60% менше матеріалів, на 70% менше часу і на 80% менше трудовитрат. Апарат 150 метрів завдовжки і 10 метрів завширшки здатний всього за кілька годин надрукувати будинок висотою до 6 метрів. 3d будівельний принтер WinSun як «чорнила» використовує цемент, посилений скловолокном.

Vulcan Pavillon, Beijing Design Week 2015

Будинок на 3d принтері – міф чи реальність?

Групі інженерів британського Університету Лафборо, що працюють під керівництвом доктора Сунгву Ліма, вдалося створити унікальний цементний склад, що дозволяє друкувати вироби будь-яких форм: опуклі, наріжні, вигнуті, кубічні.

3dprinthouse12

Дослідники відмовилися від застосування технології лазерного спікання і цифрової обробки світлом. Замість цього вони повернулися до витоків 3D друку в особі дещо видозміненій технології пошарового наплавления.

Удосконалена цементна формула укладається методом екструзії, що дозволяє значно спростити будівельні роботи, так як виключається необхідність в опалубці. Готові бетонні фігури легко піддаються коригуванню і опоряджувальних робіт.

Експерименти британських інженерів не пройшли безслідно. Їх ідея викликала жвавий інтерес вчених з Південно-Каліфорнійського університету. Вони запропонували використовувати величезні машини для 3D-друку безпосередньо на будівельних майданчиках.

На даний момент в патентне бюро США був спрямований проект під назвою Contour Crafting, на основі якого планується зібрати величезний принтер, який зможе друкувати вдома в зборі: не тільки несучі стіни, а й проводку разом з сантехнікою.

3dprinthouse14

Будинок, надрукований на 3d-принтері за доступною ціною

Словенська компанія BetAbram зайнялася серійним виробництвом будівельних принтерів. На даний момент модельний ряд продукції словенського виробника обмежений трьома моделям – P1, P2 і P3.

Вартість бюджетної моделі складе «всього» 12000 євро, в той час як флагмани лінійки будуть продаватися за ціною від 20000 євро. З огляду на, що апарат може друкувати несучі конструкції, його вартість повністю себе виправдовує. Але що більш важливо, окупає себе з лишком.

 

У компанії стверджують, що принтер BetAbram P1 здатний надрукувати бетонний будинок без опалубки об’ємом 144 квадратних метра. Примітно, що висота апарату складає трохи більше двох метрів.

Спеціальна платформа, поставлений на регульовані по висоті рейки, оперативно піднімає екструдер по осі Z, в той час як розміри осей X і Y обмежені (наприклад, для принтера P3 16 х 9 метрів).

А як же щодо внутрішніх стін? Все, описані вище технології і винаходи орієнтовані на будівництво зовнішніх конструкцій. Але на ринку тривимірного друку знайшлися компанії, які всерйоз задумалися над облаштуванням житлового простору зсередини.

Наприклад, Emerging Objects винайшли соляної полімер для друку міжкімнатних перегородок, витончено зондирующих приміщення. Поєднавши воєдино будівельний клей і сіль, видобуту в ставку Редвуд-сіті, винахідники отримали недорогий, легкий, водостійкий, напівпрозорий матеріал.

3dprinthouse6

Першим проектом Emerging Objects став 3D-друкований будинок під кодовою назвою 1.0. Стіни в кімнатах цілком і повністю друкуються з нововинайденого матеріалу Saltygloo. В результаті виходить дуже красивий, витончений і досить міцний будинок, який стане прикрасою будь-курортної зони.

3dprinthouse7

Рональд Раель вирішив не зупинятися на досягнутому. Нещодавно функціонер, який очолює Emerging Objects, повідомив, що планує звести будинок із сучасних 3D-друкованих матеріалів.

Внутрішні стіни, як уже говорилося, будуть зроблені з Saltygloo, а зовнішні надрукують з Picoroco – запатентованих чорнила, що виявляють собою цементний полімер. Варто відзначити, що всі будівельні елементи друкуються на промисловому обладнанні.

Або згорнути будівельний процес 

«Все питання в тому, що ви розумієте під 3D-друком», – говорить Бенедикт Готце, фахівець зі зв’язків з громадськістю Асоціації німецьких архітекторів ( Bund Deutscher Architekten ). Його експертну думку про 3 D -печаті в архітектурі далеко від загальної ейфорії: «Ідея про друк будинків цілком – дитяча фантазія, цього ніколи не буде. А ось те, що дійсно станеться, – це цифровий контроль виробництва будівельних деталей на фабриках, звідки вони будуть, як і раніше, доставлятися на будмайданчики. Китайські 3D-будинку, які так часто наводять як приклад, здаються мені зайвою мірою в боротьбі за загальну увагу ». 

Професор Джейн Баррі з Мельбурнського технологічного каже: «Головна перевага 3D-друку не в масовому виробництві, а в можливості створення індивідуального дизайну і різноманіття варіантів. У нашому університеті ми приділяємо особливу увагу друку з металів, наприклад при виробництві вузлових елементів конструкцій будівель за індивідуальними мірками. Якщо зменшити кількість матеріалу в готовому виробі, то відповідно знизяться його вага і загальне навантаження на фундамент, не кажучи вже про економію витраченої енергії. У цьому питанні 3D-друк – справжня знахідка, адже виробництво вузлових елементів конструкції будинків іншим способом, наприклад литтям, може бути дуже дорогим, а з новою технологією за набагато меншу вартість можна навіть надрукувати кілька запасних деталей на випадок ремонту ».

Бенедикт Готце ставить під сумнів практичність самої ідеї 3D-друку будинків: «Весь цей ентузіазм нагадує мені пілотовані космічні польоти – здійснимо, але чи потрібно? Omega досі будує рекламу годин Speedmaster на підставі того факту, що вони побували на Місяці». А ось британське архітектурне бюро Foster & Partners і Європейське агентство космічних досліджень можуть посперечатися з Готце з приводу польотів на Місяць. Спільно вони вивчають ідеї застосування 3D-друку на місячній базі в рамках проекту «Життя на Місяці» ( Lunar Habitation ), який імовірно буде завершено вже до 2024 року. 

Joris Laarmann, MX3D, Autodesk: 3D-printed Bridge in Amsterdam (Illustration)

Назад на Землю 

Хоча місячна база від Foster & Partners, мабуть, сама амбітна з нині існуючих програм, на Землі теж є проекти, гідні вашої уваги. Один з них – міст в Амстердамі, став плодом спільної творчості дизайнера Йоріса Лаармана ( Joris Laarman ), компанії MX 3D , яка виробляє 3D-прінтери, які друкують сталеві об’єкти, і розробника CAD -програм Autodesk . При погляді на цей знімок може здатися, що новий сталевий міст зводять прямо на місці, над каналом Oudezijds Achterburgwal. Але насправді його виробляють в майстерні. Робота почалася восени 2015 року в величезному приміщенні, орендованому компанією MX 3D. Методом проб і помилок співробітники намагаються надрукувати всю конструкцію цілком. Закінчення робіт заплановано на 2017 рік, тобто всього через рік ми побачимо перший справжній сталевий міст, повністю надрукований на 3D-прінтере і відкритий для загального користування, – ще одна гонка за світовим рекордом.

Joris Laarmann, MX3D, Autodesk: 3D-printed Bridge in Amsterdam - Detail

Ця маленька деталь демонструє, як буде виглядати міст після того, як завершиться процес 3D-печаті. Два безсумнівних переваги друку зі сталі полягають в тому, що в порівнянні з литтям контури виходять більш органічними і текучими, а відсутність необхідності виготовляти ливарні форми істотно знижує вартість виробництва.

by WASProject

Витончений друк з бетону в Італії

Співпраця Університету Неаполя і компанії WASP , яка займається сучасними технологіями, дозволило об’єднати красу італійської архітектури з технікою модульного будівництва.

Компанія WASP була заснована в 2012 році італійським підприємцем Массімо Моретті. Її основна діяльність спрямована на просування енергозберігаючих методів будівництва і підтримку виготовлення будівельних модулів на місці. Разом з Неапольська університетом її фахівці розробили бетонні опори, які можна надрукувати на 3D-прінтері і використовувати в самих різних будівельних проектах.

Доменіко Аспроне (на фото), доцент кафедри будівельного проектування в Неапольському університеті, взяв участь в цьому проекті в якості інженера-конструктора:

«Ідея полягала в тому, щоб надрукувати вигнуту бетонну опору, оптимізувавши кількість використовуваного бетону і знизивши витрати на виробництво складної опалубки. Підхід заснований на поділі опори на кілька бетонних сегментів, які друкуються окремо і потім збираються в єдиний монолітний елемент разом зі сталевими арматурами за принципом конструктора Lego . Цей метод покликаний полегшити виробництво складних деталей з самим різним профілем, що в свою чергу призведе до більшої свободи творчості інженерів-конструкторів », – говорить він.

Лофт by WASProject

«Сегменти друкуються окремо. Як тільки бетон трохи затвердіє, в них вставляються арматурні стержні, які посилюють балку і об’єднують кілька сегментів в цілу опору», – говорить Доменіко.

Одночасно з уже налагодженим виробництвом, фахівці WASP розробляють технологію одноразової друку армованих опор довжиною 3,2 м. З цією метою вони використовують бетон з більш низьким показником в’язкості.

«За нашими плечима більш як столітня історія виробництва бетонних виробів. Ми просто адаптували існуючі технології під 3D-друк, – говорить Доменіко. -Сьогодні ми використовуємо цемент та інші зв’язки компоненти, наприклад, екологічно чисті сполуки на основі глини (геополімери) для створення водонепроникних виробів, які підходять для будівництва відсотків ».

Які подальші плани WASP ? В недалекому майбутньому вони збираються надрукувати пішохідний міст, подібний проекту Йоріса Лаармана в Голландії, але не зі сталі, а з бетону.

Сміливий погляд на майбутнє з Німеччини 

Професор Яким Менгес – глава знаменитого Інституту комп’ютерного дизайну Institute for Computational Design) при Штутгарту університеті. Реальні можливості нової технології вже застосовуються тут в повному обсязі і є предметом вивчення в його дослідницьких проектах. Він як ніхто інший знає, що інновація – це запрошення залишити позаду всі старі уявлення. 

«Спочатку ви використовуєте новітній винахід, щоб будувати традиційні об’єкти, як це зробили в Китаї, де звичного вигляду будинку будують за допомогою 3D-прінтеров, – говорить Аким Менгес. – А ось на другому етапі розвитку з’являються конструкції, які можна створити тільки за допомогою нової технології ».

Це означає, наприклад, що «3D-друк уможливить використання в будівництві складних геометричних форм без збільшення вартості або трудовитрат». «Усвідомлення цього факту задасть новий напрямок в дизайні», – пояснює професор . Поява комп’ютерних програм для 3 D -моделювання вже змінило естетику архітектури, 3D-друк – наступний крок в цьому напрямку. Крім того, надруковані елементи фізично можуть мати різнорідні шари. «У нас є можливість створювати дуже складні деталі з градієнтними характеристиками, – говорить професор Менгес. – Тобто готовий предмет може бути м’яким з одного боку і твердим з іншого завдяки тому, що в багатофункціональний принтер прямо в процесі друку заправляють різні матеріали ».

DE ORIGINAL 3D-Druck in Architektur und Design - Zukunft oder Sackgasse

Будинки, які можуть думати 

На даний момент професор Менгес займається розробкою будівельних деталей, які можуть змінювати форму, як в природі. 

«Просто уявіть соснову шишку. Поки вона росте на дереві, її лусочки закриті, але варто їй впасти на землю і висохнути, як вони розкриваються, подібно до пелюсток, – говорить він. – За допомогою 3D-друку ми можемо імітувати цей ефект, використовуючи різні матеріали, м’які і тверді, які по-різному реагують на атмосферні зміни, наприклад, вологість. Таким чином, ми можемо створювати будівельні деталі, які будуть підлаштовуватися під кліматичні умови без необхідності примусового контролю за допомогою ручних або електронних механізмів ». 

На фото – прототип однієї з таких деталей. Багато людей забігають ще на крок вперед. «Сьогодні багато розмов про Industry 4.0 , іншими словами, четвертої промислової революції, – говорить професор Менгес. – Вона передбачає взаємне проникнення матеріального і цифрового світу за допомогою так званих кібер-фізичних систем ». У таких системах програмне забезпечення з’єднується з механічними і електронними компонентами через інфраструктуру даних, наприклад, інтернет (адепти цієї ідеї люблять словосполучення «інтернет речей»). Такий різновид будівельної технології міг би повністю змінити те, як ми живемо, весь знайомий нам повсякденний світ.

Поделиться этим сообщением

PinIt
submit to reddit

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Top