Тривимірний друк будинків

Будівельний 3D-друк (c3Dp) або 3D-будівельний друк (3DCP) відноситься до різних технологій, які використовують 3D-друк як основний метод для виготовлення будівель або будівельних компонентів. Альтернативні терміни для цього процесу включають «аддитивне будівництво»^[1][2]. «3D-бетон» відноситься до технологій екструзії бетону, тоді як автономна роботизована будівельна система (ARCS), великомасштабне адитивне виробництво (LSAM) або будівництво вільної форми (FC) відносяться до інших підгруп^[3].

У будівельному масштабі основними методами 3D-друку є екструзія (бетон/цемент, віск, піна, полімери), порошкове з’єднання (полімерне з’єднання, реактивне з’єднання, спікання) та адитивне зварювання.

На сьогоднішній день було продемонстровано низку різних підходів, які включають виготовлення будівель і будівельних компонентів на місці та за його межами з використанням промислових роботів, портальних систем і прив’язаних автономних транспортних засобів. Демонстрації будівельних технологій 3D-друку включали виготовлення житла, будівельних компонентів (облицювання та структурних панелей і колон), мостів та цивільної інфраструктури, штучних рифів, капризів і скульптур^[4][5].

Роботизована цегляна кладка була розроблена та досліджена в 1950-х роках, а пов’язана з цим розробка технологій навколо автоматизованого будівництва почалася в 1960-х роках, з бетону, що перекачується, та ізоціанатної піни^[6]. Розробка автоматизованого виготовлення цілих будівель з використанням методів ковзного формування та роботизованого складання компонентів, подібних до 3D-друку, була започаткована в Японії для усунення небезпек будівництва висотних будівель у 1980-х і 1990-х роках компаніями Shimizu і Hitachi^[7]. Багато з цих ранніх підходів до автоматизації на місці зазнали невдачі через «бульбашку» будівництва, їхню неспроможність реагувати на нову архітектуру та проблеми подачі та підготовки матеріалів на об’єкт у забудованих районах.

У 2003 році Руперт Соар залучив фінансування та сформував конструкторську групу вільної форми в Університеті Лафборо, Велика Британія, щоб дослідити потенціал розширення існуючих технологій 3D-друку для будівельних застосувань. У 2005 році група забезпечила фінансування для будівництва великого 3D-друкарська машина масштабного будівництва, яка використовує готові компоненти (бетононасос, розпилюваний бетон, портальна система), щоб дослідити, наскільки складними можуть бути такі компоненти та реалістично відповідати вимогам будівництва.

У 2005 році Енріко Діні, Італія, запатентував технологію D-Shape, використовуючи масово масштабну техніку порошкового нанесення/склеювання на площі приблизно 6 м x 6 м x 3 метрів^[8] . Незважаючи на те, що ця техніка спочатку була розроблена з системою склеювання епоксидною смолою, пізніше була адаптована для використання неорганічних сполучних агентів^[9]. Цю технологію комерційно використовували для ряду проектів у будівництві та інших секторах, у тому числі для [штучних рифів]^[10].

У 2008 році 3D бетонний друк розпочався в Університеті Лафборо, Велика Британія, на чолі з Річардом Басуеллом та його колегами, щоб розширити попередні дослідження групи та звернути увагу на комерційні застосування, переходячи від портальної технології до промислового робота^[11].

Групі Buswell вдалося ліцензувати цю роботизовану технологію компанії Skanska у 2014 році. 18 січня 2015 року компанія привернула увагу преси, представивши дві будівлі, які інтегрували компоненти, надруковані на 3D: віллу в стилі особняка та п’яти- поверхова вежа^[12][13]. У травні 2016 року в Дубаї відкрилася нова офісна будівля площею 250 квадратних метрів (2700 квадратних футів), яку Дубайський музей майбутнього рекламував як першу в світі офісну будівлю, надруковану на 3D-принтері^[14].

У 2017 році було оголошено про проект будівництва надрукованого на 3D-принтері хмарочоса в Об’єднаних Арабських Еміратах^[14]. Конструкція Cazza допомогла б побудувати конструкцію. Наразі немає конкретних деталей, таких як висота будівель або точне місце розташування^[15].

FreeFAB Wax, винайдений Джеймсом Б. Гардінером і Стівеном Янссеном із Laing O'Rourke, розробляється з березня 2013 року^[16][17]. У цій техніці використовується 3D-друк будівельних масштабів для виробництва великих об’ємів спеціального воску (до 400 л/год) для виготовлення «швидкої та брудної» 3D-друкованої форми для збірного бетону, бетону, армованого скловолокном (GRC), та інших матеріалів, що розпилюються. /литі матеріали. Потім ливарну поверхню фрезерують по п’яти осях, видаляючи приблизно 5 мм воску, щоб створити високоякісну форму (з шорсткістю поверхні приблизно 20 мікрон)^[18]. Після затвердіння форму подрібнюють або розплавляють, а віск фільтрують і повторно використовують, що значно зменшує кількість відходів у порівнянні зі звичайними технологіями формування. Переваги технології полягають у швидкому виготовленні прес-форм, підвищеній ефективності виробництва, скороченні робочої сили та фактичному виключенні відходів завдяки повторному використанню матеріалів для індивідуальних форм^[19]. Система була вперше продемонстрована в 2014 році з використанням промислового робота^[20]. Пізніше система була адаптована для інтеграції з п’ятиосьовим високошвидкісним порталом для досягнення швидких допусків фрезерування поверхні, необхідних для системи.

3D-друк дозволяє створювати унікальні споруди та їх компоненти згідно з вимогами замовників. Створення друкованих споруд більш ощадливе у використанні матеріалів і робить менше відходів. Технологія 3D-друку прискорює процес створення прототипів, що зменшує ризики змін дизайну. Майже повна автоматизація процесу будівництва суттєво знижує ризики травм для робітників^[21][22].

Однак, витрати на початку будівництва зі встановленням 3D-принтера вищі, ніж за використання старіших технологій. Для ефективності будівництва потрібні стабільні погодні умови, що обмежує його час. Крім того, пристрої для 3D-друку вимагають постійного обслуговування, і їх важко транспортувати між будівельними майданчиками. Для роботи з технологією 3D-друку потрібні кваліфіковані працівники, котрих потрібно попередньо навчити. 3D-принтери не здатні ефективно працювати з усіма будівельними матеріалами, що використовуються в звичайному будівництві. До того ж часто використовують матеріали та композити з переробленої сировини, що може погіршити якість і довговічність споруди. Самі 3D-принтери не є широко доступними^[21][22].