Применение 3D-печати в строительстве

3D-печать (трехмерная печать) – это процесс создания трехмерных физических объектов из цифровых трехмерных моделей. В процессе 3D-печати материал (как правило, пластик, металл, смола и другие) наслаивается слой за слоем, с использованием трехмерных данных модели, для создания конечного объекта. Этот процесс также называется аддитивным производством, потому что он добавляет материал для создания объекта, в отличие от вырезки или литья, которые удаляют материал из начального блока.

3D-печать началась в 1980-х годах, когда инженеры из компании 3D Systems разработали процесс, позволяющий создавать трехмерные объекты из смолы с использованием лазеров. Это стало началом коммерческого развития 3D-печати.

С течением времени разработано много различных технологий 3D-печати, включая Fused Deposition Modeling (FDM) и Selective Laser Sintering (SLS).

3D-печать быстро расширилась в различные отрасли, включая медицину, авиацию, автомобильное производство и другие. С течением времени она стала доступной для широкой публики и продолжает развиваться.

Согласно определению из книги «Основы 3D печати: Технологии, Материалы и Процессы» Автор: Никоненко А. В., Таскин Р. С. (2017) [1]. 3D печать – это процесс создания трехмерных физических объектов из цифровой модели, обычно слой за слоем, с использованием специализированных материалов и технологий. Это быстро развивающаяся область, которая включает в себя различные методы, такие как стереолитография, лазерная стереоформование, моделирование плавлением, и селективное лазерное спекание.

Основные компоненты 3D-печати включают в себя:

• 3D-модель: это цифровой 3D-модель объекта, который вы хотите создать. Модель создается с использованием специальных программ, называемых программами для 3D-моделирования.
• Принтер: 3D-принтер – устройство, способное читать 3D-модель и создавать объект, следуя инструкциям из модели. Существует множество различных технологий 3D-печати, включая Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS) и другие.
• Материал: Разные 3D-принтеры используют разные материалы для создания объектов. Материалы могут включать пластик, металл, смолу, керамику, песок и другие.

Процесс 3D-печати начинается с загрузки 3D-модели в принтер, который затем создает объект, наслаивая материал слой за слоем в соответствии с инструкциями из модели. После завершения печати объект может быть извлечен из принтера и дополнительно обработан или использован в различных областях, включая производство, медицину, архитектуру, дизайн и другие. 3D-печать предоставляет возможность создавать сложные и индивидуальные объекты, что делает ее весьма популярной в различных сферах.

Каждый год рынок 3D-печати продолжает демонстрировать впечатляющий рост, достигая значительных объемов и охватывая все больше сфер применения. По данным исследованиям Grand View Research в 2020 году было продано около 3.8 млн 3D-принтеров, а к 2025 эта цифра будет достигать 26 млн принтеров.

Рис. 1. Рост продаж 3D-принтеров

3D-печать в строительстве – это область, которая использует 3D-технологии для создания зданий и сооружений. Она позволяет создавать объекты с высокой точностью и детализацией, что может быть полезно в различных областях строительства. Например, 3D-печать может использоваться для создания деталей зданий, таких как колонны, стены, крыши и т. д. Также она может быть использована для создания сложных архитектурных форм, которые невозможно создать традиционными методами. Такое определение можно встретить в книге «3D Printing in Construction: A European Perspective» автора Berok Khoshnevis [2]. В этой книге рассматривается применение 3D-печати в строительстве с европейской перспективы. Кроме того, 3D-печать позволяет создавать здания с высокой энергоэффективностью, так как позволяет создавать более точные и эффективные конструкции.

Первое применение 3D-печати в строительстве датируется началом 2000-х годов. Одним из ранних и значительных примеров было использование 3D-печати для создания строительных элементов и деталей зданий.

Contour Crafting (2004): Доктор Бехрох Хознаджи из Университета Южной Калифорнии разработал технологию Contour Crafting, которая позволяет автоматизировано создавать структурные элементы зданий, такие как стены и перекрытия, с использованием 3D-печати. Этот проект был одним из первых попыток применения 3D-печати в строительстве.

Winsun (2014): Компания Winsun в Китае добилась значительного успеха в использовании 3D-печати для строительства домов и зданий. В 2014 году они представили первый 3D-напечатанный многоквартирный дом и заявили о возможности экономии материалов и времени в строительстве.

Apis Cor (2017): Компания Apis Cor из России также создала портативный 3D-принтер для строительства домов и представила успешные проекты по созданию домов в нескольких странах.

ICON (2018): Компания ICON из Техаса разработала 3D-принтер, способный строить жилье для бедных в развивающихся странах. В 2018 году они создали первый жилой дом с помощью 3D-печати в Техасе.

Развитие 3D-печати в строительстве в России, как и во многих других странах, началось сравнительно недавно, но проявило значительный потенциал и интерес со стороны индустрии и научных сообществ. В начале 2010-х годов в России начались исследования в области 3D-печати в строительстве. Ученые и инженеры из различных университетов и научных институтов проводили эксперименты и разрабатывали прототипы систем 3D-печати для создания строительных элементов. В России начали появляться первые практические проекты, связанные с 3D-печатью в строительстве. Например, в 2017 году компания Apis Cor, базирующаяся в России, представила свой портативный 3D-принтер для строительства домов и провела успешные эксперименты. В последние годы Россия активно участвует в исследованиях и разработках в области 3D-печати в строительстве. Научные лаборатории, университеты и компании проводят пилотные проекты для создания жилых домов, беспилотных пунктов, а также других объектов с использованием 3D-печати. Власти России начали обсуждать инициативы по регулированию и поддержке развития 3D-печати в строительстве. Это включает в себя нормативные и правовые аспекты, а также поддержку и финансирование инновационных проектов.

Применение 3D-печати в строительстве предоставляет множество преимуществ и возможностей. Вот несколько основных областей, в которых 3D-печать нашла применение в строительстве:

• Создание жилых домов: С помощью 3D-печати возможно строить жилые дома, включая одноэтажные и многоквартирные здания. Это позволяет сократить сроки строительства и затраты на рабочую силу, а также может увеличить доступность доступного жилья.
• Строительство экологически устойчивых зданий: 3D-печать позволяет использовать разнообразные экологически дружественные материалы, что способствует созданию экологически устойчивых зданий с улучшенной энергоэффективностью.
• Производство прототипов и моделей: 3D-печать позволяет создавать прототипы и модели будущих строительных проектов с высокой точностью и быстро. Это полезно для дизайнеров и архитекторов при разработке проектов.
• Изготовление строительных элементов и деталей: 3D-печать используется для создания строительных элементов, деталей и украшений, что увеличивает индивидуальность и дизайн зданий.
• Реставрация и восстановление исторических объектов: 3D-печать может быть использована для реставрации и восстановления исторических объектов и памятников архитектуры.
• Построение временных или чрезвычайных жилищ: 3D-печать позволяет быстро создавать временные жилища в условиях чрезвычайных ситуаций, таких как природные катастрофы или беженческие кризисы.
• Исследования и инновации: 3D-печать в строительстве также стимулирует исследования и инновации, что может привести к разработке новых материалов и методов, улучшающих процессы строительства.

Применение 3D-печати в строительстве помогает повысить эффективность, снизить затраты и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, что делает эту технологию все более востребованной в строительной отрасли.

По данным компании MarketsandMarkets рынок 3D-печатных строительных материалов в 2020 году оценивался в $13,5 млрд, а по прогнозам к 2030 году рынок возрастет на 196%, что равняется $40 млрд.

Рис. 2. Рост рынка строительных материалов

3D-печать способна существенно улучшить эффективность процесса строительства, и это подтверждено конкретными цифрами и примерами:

• Сокращение сроков строительства: С использованием 3D-печати для строительства дома можно снизить сроки строительства до 50% или даже менее по сравнению с традиционными методами. Например, если традиционное строительство дома занимает 6 месяцев, то с применением 3D-печати это можно сократить до 3 месяцев.
• Снижение затрат на рабочую силу: Использование 3D-печати позволяет сократить затраты на рабочую силу до 30% и более. Это связано с тем, что процесс 3D-печати автоматизирован, и требуется меньше строителей.
• Уменьшение отходов материалов: С применением 3D-печати можно снизить отходы стройматериалов до 20% и менее. Это происходит благодаря более точному расходованию материалов.
• Индивидуальный дизайн и архитектура: 3D-печать позволяет создавать индивидуальные дизайны и архитектурные решения без дополнительных затрат. Это способствует более креативному и уникальному дизайну зданий.

Согласно исследованию Boston Consulting Group, применение 3D-печати в строительстве может сократить сроки строительства на 50% и более, снизить затраты на рабочую силу до 80%, а также уменьшить отходы стройматериалов до 30%. Это числа подчеркивают значительный потенциал 3D-печати для улучшения эффективности и экономической эффективности строительных процессов.

Все эти исследования можно подкрепить конкретными кейсами:

• 3D-напечатанный дом во Франции: В 2018 году во Франции был построен 3D-напечатанный дом за менее чем 48 часов. Этот эксперимент продемонстрировал, как 3D-печать может значительно сократить время строительства домов, снизить затраты на рабочую силу и уменьшить отходы стройматериалов.
• 3D-печать моста в Нидерландах: В Нидерландах был создан 3D-печатанный мост, который служит не только как функциональная дорожная развязка, но и как демонстрация того, как 3D-печать может применяться для создания инфраструктуры. Этот проект позволил сэкономить время и ресурсы при строительстве.
• 3D-напечатанные жилые дома в Мексике: Компания ICON и мексиканская строительная компания создали поселок 3D-напечатанных жилых домов в Мексике. Это позволило быстро предоставить жилье нуждающимся и продемонстрировать, как 3D-печать может решать проблему доступности жилья.
• Apis Cor, российская компания, разработала портативный 3D-принтер для строительства домов. С помощью этой технологии был построен жилой дом в России за всего 24 часа. Традиционное строительство такого дома требовало бы нескольких недель или даже месяцев. Это демонстрирует, как 3D-печать способна существенно сократить сроки строительства.

Экономия и экологичность в контексте 3D-печати в строительстве остаются критически важными аспектами и будут актуальными как на масштабе отдельных проектов, так и в мировом масштабе. Эти принципы не только способствуют сокращению расходов и снижению негативного воздействия на окружающую среду, но также открывают двери для более устойчивых и инновационных методов строительства. Все это способствует более эффективному и ответственному использованию ресурсов, созданию экологически устойчивых объектов и содействует развитию современной строительной индустрии в целом с темой экономии и экологичности можно ознакомиться в исследование Behrokh Khoshnevis «3D Printing in Construction» [3].

В настоящее время, когда мы говорим о 3D-печати домов, основное внимание уделяется созданию стен. Все остальные элементы, такие как фундамент, окна, двери, перекрытия и крыша, по-прежнему строятся традиционными методами. Процесс создания 3D-печатных стен аналогичен использованию несъемной опалубки, что значительно сокращает количество используемого цемента. Это, в свою очередь, снижает стоимость строительства и уменьшает экологическое воздействие производства цемента. Важно отметить, что при использовании этого метода не создается дополнительных отходов, и прочность конструкции не страдает. Конструкцию можно армировать, как показано на одной из фотографий, и внедрять инженерные коммуникации, как показано на другой, что также способствует увеличению скорости строительства. Общий вес конструкции при этом снижается, и оставшиеся полости могут быть заполнены легкими материалами, такими как пенобетон, утеплитель, солома или другие доступные ресурсы. Такая легкая конструкция может использовать менее массивный фундамент. Этот метод строительства более экономичен с точки зрения материала, что в свою очередь делает его более экологичным.

В настоящее время активно идут исследования и разработки в области экологического бетона, включая его модификацию с использованием полимеров. Эти инновации способствуют снижению выбросов CO2 на уровне от 30% до 100% при производстве бетона. Упомянутая в начале статьи компания Apis Cor, которая в 2015 году строила дом в Подмосковье, и в настоящее время базируется в Флориде, намерена внедрить этот улучшенный материал в своих будущих проектах.

Mighty Buildings со штаб-квартирой в Калифорнии, изначально сделал ставку на полимер с добавлением минеральной крошки. И, хотя компания не строит дома целиком, а делает только стеновые панели, она получила множество наград за дизайн, а также оценку в 400 миллионов долларов в ходе привлечения нескольких инвестиционных раундов.

При грубой оценке можно утверждать, что общая экономия в строительстве стен может достигать 30%, а общая стоимость строительства дома может быть снижена на 10%. Эти цифры применимы к проектам, разработанным с учетом традиционных методов строительства домов. Однако, если изначально включить в проект 3D-печать, это позволит улучшить эффективность благодаря оптимизации размещения коммуникаций и возможности напечатать внутренние стены, а также внедрить ниши для ванных комнат, каминов, встроенных шкафов и кухни. Примером такой оптимизации служит дом, построенный компанией COBOD в Германии.

Будущее 3D-принтеров в России

В России 3D-принтеры нашли применение в разнообразных секторах, включая производство, здравоохранение, сферу образования и строительство. В перспективе ожидается расширение рынка 3D-печати строительных материалов и развитие новых технологий и материалов для 3D-печати. Кроме того, российские компании активно начинают разрабатывать собственные 3D-принтеры и инновационные материалы для них. Этот растущий интерес к развитию 3D-печати национального производства свидетельствует о потенциале и перспективах этой технологии в России.

Кроме того, важно отметить, что 3D-печать в России также играет существенную роль в содействии инновационным и стартап-проектам. Многие молодые компании и предприниматели активно внедряют 3D-печать для создания прототипов, индивидуальных решений и уникальных продуктов. Это способствует развитию предпринимательства и новых технологических решений в России, а также способствует конкурентоспособности на мировой арене.

В июле 2021 российским премьер-министром было подписано Распоряжение №1913-р, предусматривающее формирование нормативной базы, регулирующей применение 3D-принтеров в строительстве. С января этого же года введён стандарт ПНСТ 495–2020, содержащий общие положения относительно применения объёмной печати. В дальнейшем, с учётом перспективности использования 3D-принтеров, ПНСТ, вероятно, сменится ГОСТом – и печать зданий и сооружений окончательно закрепится в строительной области.

Благодаря совместным усилиям государства, индустрии и академии, 3D-печать в России имеет потенциал стать важной составляющей инновационной экосистемы, способствующей экономическому развитию и устойчивости страны.

3D-печать в строительстве обещает значительное улучшение процессов и результатов в этой отрасли. С ее помощью можно сократить сроки строительства, снизить затраты и оказать позитивное воздействие на окружающую среду.

Процесс 3D-печати позволяет создавать сложные дизайны, сокращать зависимость от рабочей силы и эффективно использовать стройматериалы. Экологическая сторона также становится все более важной.

Россия активно развивает 3D-печать в строительстве, что создает новые перспективы и возможности для улучшения этой отрасли. Эта технология будет продолжать привлекать внимание и стимулировать инновации в будущем.