Технология 3D-строительства домов с каждым годом становится все более популярной и доступной. Она позволяет создавать дома любой формы и сложности, сокращает время строительства и уменьшает затраты на материалы.
Принцип работы строительных 3D-принтеров заключается в экструзии, или выдавливании, специальной смеси, слой за слоем, по заданной трехмерной компьютерной модели. Заранее подготовленная смесь, состоящая из цемента, наполнителя, пластификатора и других добавок, загружается в бункер устройства и оттуда подается к головке принтера.
Среди 3D-принтеров различают три типа устройств
Портальные 3D-принтеры
- представляют собой конструкцию из рамы, трех порталов и печатающей головки. С помощью таких устройств можно печатать здания и по частям, и целиком, если они умещаются под аркой принтера.
Устройства типа «дельта»
- не зависят от трехмерных направляющих и могут печатать более сложные фигуры. Здесь печатающая головка подвешивается на рычагах, которые крепятся к вертикальным направляющим.
Роботизированные принтеры
- это робот (или группа роботов) типа промышленного манипулятора, оснащенный экструдерами и управляемый компьютером.
Другие методы строительной 3D-печати
- есть и другие методы строительной 3D-печати. Например, оборудование D-Shape печатает наслоением порошкового материала с последующим связыванием его путем нанесения клеящего раствора.
Основные преимущества технологии 3D-строительства домов
- Быстрое строительство.
Позволяет создавать дома за считанные дни, а не месяцы, как это происходит при традиционном строительстве. 3D-принтеры могут создавать дома из бетона, гипса или пластика, печатая их слой за слоем. Это уменьшает время строительства и позволяет быстрее начать эксплуатацию дома. - Экономия материалов.
Позволяет сократить расходы на материалы. При традиционном строительстве в большинстве случаев используется большое количество материалов, которые в итоге остаются ненужными. При использовании 3D-принтеров материалы расходуются более экономично, что уменьшает затраты на их приобретение. - Индивидуальный дизайн.
Позволяет создавать дома любой формы и сложности, а также внедрять в дизайн инновационные решения. Благодаря этому каждый дом может быть уникальным и соответствовать требованиям владельца. - Экологическая безопасность.
Экологически более безопасно, чем традиционное строительство. Это связано с тем, что при использовании 3D-принтеров расходуются только необходимые материалы, что снижает количество отходов и уменьшает воздействие на окружающую среду. Кроме того, при 3D-строительстве используются более экологически безопасные материалы, которые не содержат вредных веществ и не загрязняют окружающую среду. - Снижение стоимости.
Позволяет снизить стоимость строительства. Это связано с тем, что при использовании 3D-принтеров затраты на рабочую силу снижаются, так как большая часть работы выполняется машинами.
Можно сказать, что 3D-строительство домов имеет множество преимуществ по сравнению с традиционным строительством. Оно позволяет сократить время и затраты на строительство, создать уникальный дизайн, а также обладает более высокой экологической безопасностью и устойчивостью к неблагоприятным погодным условиям. Сегодня все это делает 3D-строительство домов перспективным и востребованным.
Кто придумал строительный 3D-принтер
Основателем строительной 3D-печати считают доктора Бехроха Хошневиса (Behrokh Khoshnevis, президент и главный исполнительный директор Contour Crafting Corporation (CC Corp), заслуженный профессор инженерных наук и директор Центра технологий быстрого автоматизированного производства (CRAFT) Университета Южной Калифорнии).
В 1998 году профессор разработал процесс печати под названием «Обработка контуром», который в последующем стал основным методом для печати домов. Исходя из названия, технологический процесс предусматривает выдавливание печатающего материала через сопло принтера по контору конструкции без всяческого использования дополнительной опалубки. В 2009 году резиденты Университета Сингулярности (Singularity University / Singularity Education Group) под руководством Бехроха Хошневиса создали проект по развитию и коммерческому применению технологии контурного построения – Contour Crafting, которая считается первой строительной технологией 3D-печати и фактически стала самой распространенной.
Учеником Бехроха Хошневиса является Ма Йихе (Ma Yihe) – создатель и председатель китайской компании WINSUN BUILDING TECHNIQUE, а также председатель совета директоров российской компании «АМТ-СПЕЦАВИА», производителя модельного ряда портальных строительных принтеров малого и большого формата.
Принтер компании «АМТ»
В 2012 году изобретатель Пётр Новиков вместе с коллегой из Сербии Сашей Йокичем (Институт перспективной архитектуры Каталонии в Испании) совместили новейшие технологии в области робототехники и 3D-печати, чтобы создать систему Mataerial. Это метод цифрового производства, который позволяет печатать любые 3D-объекты на любой рабочей поверхности без необходимости дополнительных структур поддержки – материал застывает в ту же секунду, когда выходит из робота, т.е. робот печатает стены, колонны и все остальные части здания.
Новый проект Петра Новикова и Саши Йокича Minibuilders приближает эру цифрового производства и подразумевает не только 3D-принтеры. Minibuilders – это группа, экосистема строительных роботов, размер которых не зависит от размера того, что они строят. Одни и те же роботы (в будущем) смогут построить и маленький павильон, и стадион.
«Одно из важных преимуществ роботов в том, что они могут работать там, где люди не могут. Я буду очень рад, если строительные роботы смогут быстро строить дома для людей, пострадавших от землетрясений или цунами» (Петр Новиков).
Китайская компания Qingdao Unique Technology в 2016 году представила 3D-принтер с размерами 12х12х12 метров, создающий здания методом послойной печати.
В 2017 году итальянская компания WASP представила 3D-принтер BigDelta, который имеет высоту 12 метров и диаметр 6 метров. Отличительной особенностью принтера является минимальное, по сравнению с аналогами, потребление энергии – менее 100 Вт.
Технология 3D-печати для строительства прошла стремительный путь развития, и в настоящее время существует множество компаний, которые занимаются производством 3D-принтеров для строительства.
Одной из первых компаний, которая начала массовое производство 3D-принтеров для строительства, была основанная 24 июля 2003 года китайская компания Winsun (Yingchuang Building Technique (Shanghai) Co., Ltd.) – мировой лидер в области архитектуры 3D-печати. Компания специализируется на архитектуре 3D-печати и D&R, производстве новых строительных материалов около 20 лет. Winsun начала продажи своих 3D-принтеров для строительства в 2014 году и за короткий промежуток времени смогла построить много зданий, включая дома и офисы. Winsun специализируется на строительстве и отделке крупных общественных зданий, таких как театр, стадион, конференц-зал, коммерческий комплекс, элитный клуб, гостиница, индустриальный парк и др.
Сегодня на рынке есть множество компаний, которые производят 3D-принтеры для строительства: Contour Crafting, AMT, Apis Cor, WINSUN, D-Shape, CyBe Construction, BatiPrint, WASP, Mighty Buildings и другие. Каждая из этих компаний предлагает собственные решения для строительства с использованием технологии 3D-печати. Благодаря этим компаниям и их разработкам технология 3D-печати для строительства становится все более популярной и доступной.
Самое большое здание в мире, возведенное с помощью 3D-принтера собственной конструкции, – дело рук американской технологической корпорации Apis Cor, основанной иркутским конструктором и предпринимателем Никитой Чен-Юн-Таем. Презентация его состоялась в октябре 2019 года. Это административное здание в Дубае площадью 640 м², ставшее первой двухэтажной 3D-печатной конструкцией высотой 9,5 м. Здание занесено в Книгу рекордов Гиннесса.
Среди известных примеров 3D-напечатанных домов можно выделить следующие
В 2014 году китайская компания WinSun Decoration Design Engineering построила менее чем за 24 часа набор из десяти одноэтажных домов, напечатанных на 3D-принтере. Дома, построенные из отходов строительной промышленности, таких как стекловолокно, сталь, цемент, отвердители и переработанные строительные отходы, занимали от 100 до 400 квадратных метров.
Дом в США. Центр передовых конструкций и композитов (ASCC) в Университете штата Мэн представил первый в мире напечатанный на 3D-принтере дом, полностью изготовленный из биоматериалов. Дом площадью 600 квадратных футов имеет стены, полы и крышу из древесных волокон и биосмол, напечатанных на 3D-принтере. Единственное во всей конструкции, собранное старым строительным методом, – это фундамент, залитый из бетона. В доме есть гостиная, кухня, спальня, а также рабочее место. Проект для одной семьи под названием BioHome3D был напечатан в четырех модулях, после чего его перевезли на текущее место и собрали за полдня. Стены и утеплитель крыши выполнены из дерева, а напольная плитка изготовлена из переработанных материалов. Дом максимально экологичен и пригоден для вторичной переработки.
Ярославский проект. В 2017 году появился жилой дом, который был воссоздан с помощью 3D-технологий. На строительство ушло 2 года, но на постройку «коробки» и фундамента – всего месяц. Большая часть работ была произведена с помощью портального принтера. Строительством занималась компания «АМТ-Спецавиа», ее основной задачей было строительство дома, пригодного для жизни, а не очередного выставочного экспоната.
Необычный дом круглой формы в подмосковном Ступино – один из первых проектов российской компании Apis Cor, разработчика одноименного строительного 3D-принтера, который возводит дом целиком на месте строительства. Площадь дома – 37 кв. м. Построен за 20 часов зимой 2017-го года.
Двухэтажная вилла, которую напечатали в Германии – пример использования 3D-печати в строительстве элитного жилья с нестандартным дизайном. Жилая площадь здания составила 80 кв. м. 3D-вилла — совместный проект бюро MENSE-KORTE ingenieure+architekten и застройщика PERI GmbH. Использован уникальный 3D-принтер BOD2, который умеет печатать трубы. Эта особенность «развязывает руки» дизайнерам: сложные инженерные решения на BOD2 можно выполнить быстрее и дешевле, чем при стандартном строительстве. 3D-принтер BOD2, который использовали при строительстве немецкой виллы, может печатать 1 кв. м стены всего за 5 минут.
В ОАЭ реализован первый в мире проект офисного здания, напечатанного на 3D-принтере. Новый объект находится на территории комплекса Emirates Towers в центре Дубая. Кипельно-белый офис футуристического вида под названием «Офис будущего» печатался на огромном 3D-принтере из бетона с роботизированной рукой высотой 6 метров и шириной 12 метров путем экструзии цементной смеси слой за слоем. Также были задействованы небольшие мобильные 3D-принтеры. Общая площадь «офиса будущего», состоящего из нескольких небольших зданий, расположенных рядом, составляет 250 м2. Печать заняла 17 дней, а офис был установлен всего за 2 дня. Последующая работа над инженерными сетями, интерьерами и ландшафтом заняла примерно три месяца.
Эти примеры показывают, что 3D-строительство имеет большой потенциал для решения многих проблем в строительной промышленности и может быть использовано для создания разнообразных типов зданий.
3D-строительство домов имеет большой потенциал для инноваций и развития. Сегодня исследователи работают над технологиями, которые позволят 3D-принтерам строить дома быстрее и эффективнее, а также использовать новые материалы, такие как биопластик или переработанные материалы. Это открывает новые возможности для создания более экологичных и устойчивых построек.
Онлайн-выставка представляет некоторые документы патентного фонда РНТБ по теме «3D-строительство»
Подробнее
RU 2789220 Способ аддитивного производства в строительстве
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений.
Подробнее
RU 212216 Радиально-поворотный строительный 3D-принтер
Полезная модель относится к устройству, обеспечивающему автоматизированную 3D-печать несущих стен, перегородок, статуй, архитектурного декора строительными смесями. Достигаемый технический результат: автоматизированная 3D-печать строительными смесями при меньших затратах времени, чем у существующих аналогов; одновременное строительство нескольких зданий и сооружений, входящих в рабочую зону в радиусе полярных координат до 30 м.
Подробнее
RU 2786192 Cпособ строительной 3D-печати
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений.
Подробнее
RU 2789119 Способ аддитивного строительного производства экструзией материала
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Техническим результатом является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.
Подробнее
RU 211156 Облегченная скамейка S-образной формы, изготовленная на 3D-принтере
Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при изготовлении строительных изделий в виде малых архитектурных форм для благоустройства городских пространств – парков, скверов, улиц и т.д.
Подробнее
RU 214236 Строительный 3D-плоттер
Относится к строительной технике, а именно к изготовлению методом 3D-печати фасадов стеновых панелей различного рода зданий и сооружений. В частности, 3D-плоттер предназначен для нанесения рисунка на опалубочную платформу при производстве стеновых панелей или иных ж/б изделий, формуемых заливкой в опалубку.
Подробнее
2767641 Декоративный бетон повышенной физико-климатической стойкости для строительной 3D-печати
Изобретение относится к строительным материалам, которые применяются для 3D-аддитивных строительных технологий трехмерной печати, и может быть использовано для получения печатных объектов в диапазоне температур окружающей среды от 0 до 30°С.
Подробнее
RU 2767464 Система подготовки и подачи материала строительного 3D-принтера
Изобретение относится к печатающей головке строительного 3D- принтера и позволяет повысить эффективность перемешивания смеси, качество печатаемых конструкций и скорость печати.
Подробнее
US 10464134 Вставка ингибитора для создания изоляции границ детали во время 3D-печати
Относится к принтерам, которые производят желаемые трехмерные объекты путем сплавления нанесенного порошка, включая 3D-принтеры, которые используют спекание с селективным торможением (SIS). Система осаждения может наносить порции плавкого порошка на подложку. Система плавления может применять условия плавления к осажденному плавкому порошку. Ингибиторный материал может не плавиться в условиях плавления. Система введения может вставлять часть материала ингибитора между частями осажденного плавкого порошка после того, как он был нанесен системой осаждения, но до расплавления системой сплавления, чтобы сформировать границу, которая определяет поверхность желаемого 3D-объекта.
Подробнее
CN 115504719 Метод определения пропорции смеси материала на основе цемента для 3D-печати зданий
Изобретение относится к способу определения соотношения компонентов смеси материалов на основе цемента для 3D-печати зданий с учетом типа песка, консистенции и прочности материалов.
Подробнее
WO 2022251571 Система 3D-печати строительных материалов
Изобретение предусматривает элемент строительного материала, который включает в себя архитектурный элемент с трехмерной (3D) печатью и интегрированный функциональный элемент, связанный с функциональным элементом.
Подробнее
CN 217803344 Двухголовочный строительный 3D-принтер
Полезная модель относится к двухголовочному строительному 3D-принтеру, который имеет простую сбалансированную конструкцию, не имеет сложных монтажных кронштейнов, прост в установке, стабильно работает без вибрации, имеет высокую скорость печати.
Подробнее
US 2022349192 3D-принтер для строительства, система и способ поддержания его в горизонтальной ориентации
Изобретение в целом относится к 3D-принтерам, используемым в строительной отрасли, более конкретно, – к системе автоматического выравнивания для таких 3D-принтеров.
Подробнее
CN 108412204 Стеллажная конструкция 3D-принтера для строительства дома
Целью изобретения является создание рамной конструкции 3D-принтера для строительства домов на строительной площадке, которая может поднимать 3D-печатающую головку в соответствии с высотой здания и уменьшать расстояние транспортировки цементного раствора.
Подробнее
CN 114072268 Система печатающей головки 3D-принтера с модулем отверждения на вращающейся платформе
Печатающая головка печатающей системы может включать в себя экструдер, сопло, вращающуюся платформу, двигатель с приводным механизмом и по меньшей мере один модуль отверждения.
Подробнее
WO 2021178925 Индивидуальная сборка строительных модулей, напечатанных на 3D-принтере
Изобретение относится к методам, системам и устройству, включая компьютерные программы, закодированные на компьютерных носителях информации, для определения соответствующей компоновки здания для собственности. Одна из операций выполняется путем получения параметров строительного модуля для раздела соответствующих строительных модулей, отображение через пользовательский интерфейс графического представления двух или более строительных модулей. Система отображает собранный макет здания, включающий два или более строительных модуля, и далее получает подтверждение собранного макета здания для 3D-печати.
Подробнее
EA 039426 Устройство для трехмерной печати зданий и архитектурно-строительных модулей
Изобретение относится к аддитивным технологиям методом трехмерной печати и может быть использовано при строительстве зданий, архитектурных и строительных модулей из жестких строительных смесей.
Подробнее
KZ 33247 Строительный 3D-принтер и способ строительства
Техническое решение относится к автоматизированным системам строительства объёмных объектов в трехмерном пространстве, позволяющим возводить здания, сооружения, а также создавать без каких-либо дополнительных затрат сложные бетонные конструкции, различные архитектурные элементы любой формы и размера. Автоматизированная система позволяет экономить время, строительный материал и способствует более устойчивому строительству. Строительный 3D-принтер в своей работе использует технологию экструдирования, при которой каждый новый слой строительного материала выдавливается из экструдера поверх предыдущего слоя по заложенному программой контуру, наращивая стены здания.
Подробнее
EP 4023417 Экструдер строительной смеси для 3D-принтера
Изобретение относится к строительным 3D-принтерам, в частности, к устройствам экструзии строительных смесей, предназначенным для установки на строительные 3D-принтеры различной конфигурации с целью изготовления инженерных конструкций, в том числе для строительства жилых домов, зданий и сооружений различного назначения, для изготовления деталей и элементов зданий, компонентов инженерных сооружений и других изделий простых и сложных геометрических форм с использованием аддитивных процессов.
Подробнее
CN 209163474 Cопло для строительной печати и 3D-строительный принтер
Полезная модель раскрывает сопло для 3D-печати зданий и строительный 3D-принтер. Загрузочный бункер распылительной головки для 3D-печати зданий снабжен полостью, используемой для хранения материалов для печати. Благодаря использованию распылительной головки для 3D-печати зданий, если необходимо изменить размер печати, необходимо заменить только съемную распылительную насадку соответствующего размера. Таким образом, различные распылительные головки для печати могут быть заменены в соответствии с различными массами здания. Строительный 3D-принтер на основе сопла для 3D-печати зданий может адаптироваться к различным объемам печати и обладает хорошей гибкостью и практичностью.
Познакомиться с этими и другими документами вы можете в отделе патентных документов РНТБ.
Мы работаем в будние дни с 9:00 до 20:00, в субботу – с 10:00 до 18:00 (5-й этаж, комн. 503, тел. для справок +375 17 226 65 05).
* При подготовке информации использованы следующие источники
материалы баз данных РНТБ:
- База данных Orbit,
- База данных «Патенты России».
материалы сайтов:
- https://3dtool.ru/stati/obzor-primeneniya-3d-printerov-v-stroitelstve/;
- https://top3dshop.ru/blog/3d-printing-of-buildings-technologies-and-3d-printers.html;
- https://www.planradar.com/ru/3d-pechat-v-stroitelstve-v-chem-preimushchestva/;
- https://elib.psu.by/bitstream/123456789/25579/1/;
- https://additiv-tech.ru/publications/3d-pechat-v-stroitelstve-chto-novogo.html.
