Будущее 3D-печати в строительной индустрии

По материалам статьи «What does the future look like for 3D construction printing?», от Нила Джеррарда

3D‑печать решает актуальные задачи

Лука Стабиле, директор итальянского отделения компании Arup, руководил проектом по строительству первого в Европе дома, напечатанного на 3D‑принтере, выступившего в качестве демонстрационного образца на Неделе дизайна в Милане в 2018 году. Одноэтажный дом площадью 100 кв. м, получивший название 3D Housing 05, был построен из бетона с помощью робота голландской компании CyBe, специализирующейся на 3D‑печати.

Как и в случае с любой новой технологией, 3D‑печать сначала пережила шквал интереса, который затем он угас по мере проведения работ по оценке её эффективности, считает Стабиле. Тем не менее сейчас технология 3D‑печати, по его мнению, входит в новую стадию развития и находит больше практического применения в реальном мире. Он уверен, что компании Arup удастся выйти за рамки павильонов и найти больше способов применения технологии.

Руководитель нидерландского отделения Arup Мэтью Вола разделяет такое же мнение. В Амстердаме эксперт из Arup, при сотрудничестве с местной технологической компанией MX3D, выступил в качестве ведущего инженера-конструктора проекта по созданию первого в мире стального моста, изготовленного методом 3D‑печати, который был установлен в районе Красных фонарей.

«3D‑печать будет развиваться в геометрической прогрессии. И так как количество квалифицированных кадров сокращается, мы будем становиться всё более зависимыми от подобных технологий. В Нидерландах больше не найти укладчиков кирпичей. А роботы становятся всё лучше и лучше в печати. И при этом при использовании роботов не требуется так много сотрудников, как в случае традиционного найма людей. Даже при работе на фабрике,» — сообщает Вола.

Хенрик Лунд-Нильсен, глава датской компании Cobod, поставляющей портальные 3D‑принтеры по всему миру, тоже видит потенциал в применении 3D‑печати в строительстве. «Наша компания была основана в 2018 году, тогда в штате насчитывалось 8 человек. Сейчас нас более 100, а объём продаж составляет более 20 миллионов евро. В общем, мы развились достаточно быстро,» — говорит он.

Есть небольшие организации, которые используют 3D‑печать, чтобы в некотором роде встряхнуть строительный сектор. А есть и гораздо более крупные заказчики, которые видят в ней будущее и понимают, что это лишь мизерная доля того, что можно сделать при помощи 3D‑печати, добавил Лунд-Нильсен.

3D‑печать используется всё шире

До недавнего времени 3D‑печать в области строительства в основном ассоциировалась с жилыми зданиями. Один из первых в мире проектов как раз представлял собой такие объекты: шанхайская инжиниринговая компания WinSun создала в 2015 году на 3D‑принтерах виллу и квартиры в китайской провинции Цзянсу. Более современный пример: американская компания Icon объявила в конце прошлого года, что собирается реализовать проект по 3D‑печати 100 домов в районе Wolf Ranch в городе Джорджтаун, штат Техас, при поддержке американской строительной компании Lennar.

Впрочем, по мере развития технологий картина начинает меняться, поясняет Лунд-Нильсен. По его словам, первое, о чём задумывается владелец небольшого принтера, который использует материал похожий на бетон — это печать небольшого домика. И именно так 3D‑принтеры снискали первую славу. Однако глава Cobod считает, что это не самый интересный способ их применения.

Лунд-Нильсен отмечает, что хоть благодаря 3D‑печати можно возводить бетонные стены и основания и, возможно, даже крыши, все эти элементы составляют лишь 25-40% от общей конструкции здания. С чем 3D‑печать не может помочь в настоящее время, так это, например, с трубопроводом, электросетями, деревянными полами или мраморной сантехникой.

«Существует множество других вариантов с использованием, по сути, лишь железобетона. Представьте, например, печать мостов, тоннелей, оснований ветряных турбин, резервуаров, силосохранилищ и промышленных складов. Это более простые конструкции, и мы стараемся убедить наших клиентов рассмотреть это направление, так как оно может оказаться более значимым,» — объясняет он.

Эта точка зрения очень похожа на ту, которой стал придерживаться Стабиле, пережив смертоносные наводнения, охватившие его родную Италию в прошлом году. «Наша основная задача сейчас — это укрепление городов и восстановление их инфраструктуры. При помощи 3D‑печати можно будет создать резервуары и собирать ливнёвые воды по индивидуальным запросам. Это не очень модно, но зато полезно,» — подчёркивает он.

Стабиле и Вола также считают, что 3D‑печать зданий и сооружений будет играть важную роль в районах, пострадавших от войн, а также при необходимости быстрого возведения объектов, таких как военные казармы.

Тем временем специалисты из компании Weber, специализирующейся на 3D‑печати и входящей в состав гиганта по производству строительной продукции Saint Gobain, решили сосредоточиться на 3D‑печати бетоном в заводских условиях для изготовления наклонных лестниц, мостов и других несущих конструкций.

Руководитель подразделения Питер Пол Корнелиссен на 100% уверен, что 3D‑печать будет развиваться, и считает, что её нужно рассматривать как средство производства наряду с литьем и формовкой бетона.

Ограничения и препятствия

Несомненно, существуют препятствия на пути широкого распространения этой пока ещё только зарождающейся технологии. Некоторые из них носят технологический характер: портальные принтеры в настоящее время ограничены по высоте.

У принтеров Cobod эта высота сейчас составляет около 9 м. Однако Лунд-Нильсен уверен, что это скоро изменится и что существует технология, которая позволит его принтерам подниматься на высоту до семи этажей.

Более сложными для преодоления могут оказаться трудности с получением сертификатов, действующая нормативно-правовая база и традиционное мышление некоторых представителей строительной отрасли.

Вола рассматривает прохождение сертификации как действительную проблемой, но добавляет, что люди заинтересованы в том, чтобы использовать 3D‑печать. Так что её можно решить.

А вот с нормативно-правовым регулированием дело обстоит сложнее. Как сообщает Вола, его компания столкнулись с этим при 3D‑печати моста в Амстердаме. Получить одобрение со стороны правительства было намного сложнее, чем спроектировать и даже построить его, хотя это тоже было нелегко. Нормативно-правовое регулирование также различается в зависимости от страны. В Нидерландах оно более гибкое, поэтому там можно сказать органам власти, что вы тщательно что-то протестировали, и оно должно работать. И вы пройдёте проверку. Но есть много стран, где регулирование осуществляется сверху вниз и не допускает никакого вмешательства со стороны инженеров.

В таких странах может потребоваться более поэтапный, гибридный подход, в котором 3D‑печать элементов сочетается с более традиционными методами строительства. «В настоящее время не существует законов для 3D‑печати, поэтому, чтобы её использовать, необходимо протестировать технологию и подтвердить её надёжность. Гибридный подход может стать лучшим вектором развития,» — отмечает Стабиле.

Корнелиссен соглашается с тем, что для прохождения сертификаций и разработки законов потребуется много времени. Пока что специалисты из Weber наладили тесные отношения с Эйндховенским технологическим университетом для проведения испытаний и проверки технологии 3D‑печати с целью повышения доверия к ней и стимулирования её внедрения.

Корнелиссен отдельно отмечает строгие требования по контролю качества, установленные в Weber при производстве элементов, напечатанных на 3D‑принтере в заводских условиях. По его словам, сухая смесь, которую производит Weber, прошла необходимую сертификацию. Вы добавляете в неё воду, получаете показатели для контроля вязкости и температуры раствора и указываем их после в отчётах о качестве напечатанных деталей. Подобные примеры является ключевым фактором в переговорах с рынком и организациями, которые выписывают разрешения и утверждают объекты, добавляет он.

В то же время американская строительная компания Icon рекомендует поддерживать тесные рабочие отношения с регулирующими органами. «Клиенты несомненно в восторге от этой новой технологии, но не стоит забывать, что сфера строительства — это крупнейшая индустрия в мире, и для проведения в ней каких-либо существенных изменений требуется много времени,» — говорит Майкл Харпер, директор по развитию бизнеса компании Icon.

«Строительные ведомства и регулирующие органы намеренно избегают риска, и на то есть много веских причин. Мы очень тесно сотрудничаем с региональными властями и регулирующими организациями, чтобы гарантировать, что мы выполняем или даже превосходим существующие стандарты строительства и критерии приёмки,» — добавляет он.

По словам Лунд-Нильсена, из-за сложностей, связанных с отличиями в местных законах, компания Cobod стала именно поставщиком технологий, а не строительной компанией. И хотя компания также предоставляет консалтинговые услуги, он предпочитает предоставить клиентам самим разбираться в нормативных требованиях. «Мы сосредоточены на создании наилучшей технологии. Мы рассказываем нашим клиентам о методах, которые используют другие при переговорах с органами власти и получении разрешений. А дальше они сами решают, исходя из имеющихся у них правил, что им лучше подходит,» — добавляет он.

Cobod также старается поощрять диалог между клиентами, которые находятся на разных рынках и не конкурируют друг с другом. Например, между Ирландией и Канадой или Канадой и Калифорнией.

Технологические достижения

Несмотря на то, что 3D‑печать является относительно новой технологией, она развивается стремительно. «Если вы посмотрите на компанию MX3D и качество 3D‑печати моста, а также с какой скоростью он был создан в сравнение с их текущими проектами, то поймёте, что это совсем другой уровень. Все компании постепенно совершенствуются в этой области,» — отмечает Вола.

Он поясняет, что 3D‑принтеры, независимо от расходного материала, становятся всё больше. Это значит, что они становятся способны печатать крупные объекты и работать намного быстрее. Кроме того, существует вероятность, что вместо печати мономатериальных объектов скоро станет доступно создание сложных структур из нескольких материалов.

Вола также напомнил о тестах по 3D‑печати с использованием отходов деревообработки, которые позволили бы при удачном исходе применять в печати целлюлозу. Подчеркивая возможные преимущества 3D‑печати в повторном использовании материалов, он отметил: «Если представить, сколько в мире отходов древесины, то эта идея становится очень интересной. Если бы мы могли качественно улучшать отходы, превращать их в целлюлозу и строить из них здания, то представьте, как бы это изменило углеродный след».

Кроме того, постоянно совершенствуется механизм управления самим принтером, что позволяет сделать его более точным и получить более дешёвый и качественный конечный продукт.

По мнению Корнелиссена, основная задача состоит в том, чтобы убедить рынок «принять» эту технологию. «Мы должны показать рынку, на что она способна, чтобы рынок пришел к нам и сказал: Ребята, было бы здорово, если бы вы помогли нам сделать вот это, если это возможно» — говорит он.

Между тем Лунд-Нильсен обращает внимание на то, что специалисты Cobod уделяют значительное количество времени и сил новым исследованиям и разработкам. Он рассматривает возможность использования портальной конструкции компании, в которой печатающая головка в настоящее время перемещается в трёх измерениях с миллиметровой точностью для других типов задач, например, прокладки утепления или покраски. По словам Лунд-Нильсена, Cobod уже переходит от производства строительных 3D‑принтеров к созданию многофункциональных строительных роботов на основе технологий 3D‑печати.

Что принесёт будущее

Подводя краткие итоги, можно сказать, что технология 3D‑печати в строительстве имеет явный потенциал. Поставщики услуг и оборудования активно развивают свои продукты, а строительные компании активно используют передовую технологию на практике для реализации объектов гражданской инфраструктуры. Профильные специалисты и руководители компаний также рассматривают внедрение новых расходных материалов в процесс 3D‑печати и совмещение напечатанных конструкций с элементами, возведёнными традиционными методами.

Существующие же препятствия в виде трудоёмкого согласования строительства с органами власти в отдельных странах, хоть и требуют внимания, не представляют, тем не менее, больших проблем.