3D печат на строителни елементи и конструкции

В съвременния свят се полагат много усилия за автоматизация на строителната индустрия. Търсят се възможности строителният процес да става все по-безопасен и по-устойчив. Автоматизацията на база роботизирани решения е един многообещаващ път за развитие. Триизмерното печатане е нова разработка, която позволява да се вложат точно толкова материали, колкото са необходими за дадено строително изделие.

Текст: списание Строители

Макар че е общоизвестно, нека все пак да уточним, че строителството е тясно обвързано и с хора, и с технология, и с материали. Вложените материали се следят стриктно. На всеки голям строителен обект, според приблизителната оценка на водещи строителни компании, около 25% от доставените материали се извозват впоследствие като отпадъци. Роботизацията може да промени това, като осигури по-добро качество и последователност.

Специално внимание ще обърнем на една възможност, която наистина звучи футуристично - автоматизация и 3D печат в строителната индустрия. Какво ли е това?

От идеята към реализацията

Най-просто казано, 3D печатът е технология за драстично намаляване на отпадъците и даваща възможност за получаване на специфични пространствени форми. До нея се достига, след като строителната индустрия осъзнава какви огромни количества отпадък се генерират по време на строителния процес. Тогава логично започват търсения на нови технологии за намаляване на похабени материали. Една френска компания, XtreeE, за около пет години успява да разработи пълно решение, от дигитализацията до реалното производство. Това решение позволява строителите да бъдат оборудвани с принципно нова технология за производство на триизмерни „печатани“ елементи и дори сгради. И използваният софтуер, и използваните роботи са предназначени за реализиране на нови видове строителни елементи, проектирани с такива форми, че изпълнението им чрез обичайните строителни методи е почти невъзможно.

Пространственото наслагване на материала е показало, че най-целесъобразно е използването на 6-осни роботи. Използваните при разработването на процеса роботи и софтуер са били на ABB Robots, но вече има и други компании, които могат да осигурят такова производство.

Строителните компании започват да проявяват сериозен интерес към технологията. Peri, например, са се ориентирали към използването є за изработка на сегментите на жилищното строителство и отделните сглобяеми части. Именно те правят първия „напечатан“ дом в Германия през 2020 г.

Реални обекти

Няма да описваме елементи или детайли, а ще се спрем именно на един по-впечатляващ, изпълнен, реален обект. Това е двуетажна административна сграда, „отпечатана“ с 3D принтер от компанията Apis Cor по поръчка на администрацията на Дубай. Засега това е най-голямата сграда, отпечатвана на място. Проектът е уникален в няколко направления. Роботът за печат е разположен на обекта. Използваният материал за печат е бетон, а предварително са заложени армировъчните скелети, необходими за общата експлоатационна сигурност на сградата съгласно конструктивния проект. Самият процес на отпечатване е предшестван от огромна научноизследователска работа. Материалите, включително бетонът, не само трябва да са пригодни за 3D печат, но и да осигуряват необходимите якостни и деформационни характеристики за дълъг период от време, и то при екстремни температури и сурови климатични условия.

Същевременно се развива и концепцията за използване на местни суровини и материали, така че стойността на изделията да пада все повече. Вече има големи производители на цимент, които усещат, че индустрията се променя и те трябва да бъдат част от промяната. Такива визионери насочват усилията си към подобряване качеството и адаптивността на произвежданите от тях материали, като се ориентират предимно към местни ресурси, като местни рециклируеми продукти, пясък, стъкло и др.

Изпълнените по-малки обекти са не по-малко значими. Те проправят пътя. Чрез тях строителните компании оценяват, че получават нови възможности за проектиране и производство. Конструкциите стават персонализирани, цената конкурентна, клиентът знае, че направеното е специално за него, адаптирано за неговите нужди и отговарящо на неговите потребности. Гъвкавостта, осигурена от роботите и софтуера, води до масово персонализиране, защото роботите могат да бъдат програмирани за изпълнението на различни форми. Не е за вярване, но вече има изпълнени изкуствени рифове край бреговете на Франция.

Предимства на триизмерния печат при строителните процеси

Двете най-впечатляващи качества на тази технология са, че се пестят материали и се позволява гъвкавост при архитектурните решения на сградата. Триизмерният печат позволява не само изработване на различни сложни пространствени форми, но и това да става с използване на различни материали. Например с 3D печат на база бетон може да се получат изделия, почти невъзможни или много трудоемки, ако се изпълняват по стандартен начин.

Нещо повече - 3D печатът все повече ще променя строителната индустрия, тъй като е много гъвкав. Той позволява нови и нови подобрения. Особено доволни са архитектите. Използването на роботите им позволява да изследват нови методи за създаване на все по-достъпни сгради, които да се вписват в околната среда по щадящ и естествен начин. Тази гъвкавост е впечатляваща, днес можете да произведете стълба, утре - стена, на следващия ден - мебели, и по време на печатането на което и да е изделие роботът ще печата с една и съща последователност, точност и качество на полагане на материала.

Роботизираният 3D печат осигурява невероятна производителност, ефективност и гъвкавост на производството в областта на строителната индустрия. Точността на автоматизираното изпълнение трудно може да се постигне с ръчни операции. Времето за ръчно изпълнение на дадена операция е в пъти повече, отколкото при автоматизираното. Както всяка роботизирана дейност, и при тази се наблюдава повишаване на безопасността и рентабилността. Роботите не се изморяват и не се разсейват, когато изпълняват повтарящи се операции. Скорост на операциите, точност при изпълнението, производителност, гъвкавост, пропускливост чрез подходящо съвместяване на етапи - всичко това води до невиждано повишаване на качеството, но и до справяне с недостига на работна ръка, запазване на наличната, осигуряване на безопасни условия на труд. Намаляване на трудоемките ръчни дейности, на разхищението на доставените материали на цялата стойност на обекта не може да има, ако роботизацията не навлезе стабилно в строителните процеси, а 3D печатът е една от правилните крачки в тази посока.

Вредните въздействия върху околната среда намаляват. Използването на роботите води до подобряване на устойчивостта на производството. Количеството на отпадъците е силно редуцирано.

Друго съществено качество на 3D отпечатано изделие е увеличението на якостта на единица маса. Триизмерният печат позволява напластяването на материала да става точно там, където е необходимо за осигуряване на проектната якост и устойчивост.

Предизвикателства пред триизмерния печат

Не е нужно да се самозалъгваме, че е намерен всемогъщият отговор на всички строителни задачи. Има неща, които могат да бъдат направени с 3D печат, и такива, при които това няма смисъл. Използването на триизмерен печат за някаква проста правоъгълна форма няма кой знае какъв смисъл. По-евтино и по-ефективно ще бъде, ако се използват общоприетите техники.

Има и особени мнения във връзка с роботизираното отпечатване на място. Все още е по-лесно, по-безопасно, по-производително и дори по-качествено роботизираното производство да е изнесено извън строителната площадка, в закрити пространства. Работата на място, на открито, е съпроводена от допълнителни грижи за робота и за всички елементи около него, за подсигуряване и защита от атмосферните условия.

Процесът на роботизиране и на тази дейност е сложен. Той обхваща научноизследователска дейност, визия и конкретни усилия за развитие, производство, продажби, инженеринг, системна интеграция, до достигане на етапа на обслужване и поддръжка.

Всеки голям производител в областта на строителната индустрия работи съвместно с някоя компания, експерт в роботизирането. Важно е да се има предвид, че процесът на автоматизация може да е доста продължителен. Самото програмиране на робота не изисква много време, но то трябва да е предшествано от снабдяването, обучението на операторите, а и съобразено с геометричните характеристики на обекта. Едва тогава може да се реализира отпечатването на готовия продукт от робота.

Не е за подценяване и въпросът за стойността на роботизираното триизмерно печатане. Да, тази стойност е висока. Все пак трябва да се признае, че дори при този факт практиката е доказала - пестят се средства и стойността на крайния продукт се намалява.

Бъдещето е обещаващо!

Триизмерният печат не е претенциозен към материалите, с които роботът изпълнява изделието, или по-точно казано, може да работи с най-различни. Всъщност, за да се използват различни материали, техните свойства са резултат на задълбочени научни изследвания. Вече има начини за използване на пластмаси, събрани от океаните. С тях се изработват различни детайли, фасадни елементи и дори цели фасади на сгради. Принтирайки с такива пластмаси, излиза наяве още един плюс - светът става мъничко по-чист.

Възможно е и използването на биоразградими материали, когато се предвижда изграждане на временни съоръжения, като изложбени павилиони или артистични структури. В такива случаи има два цикъла. През първия се използват роботите, за да произведат, да „напечатят“ изделията, а през втория се използват изкуствен интелект и самообучаващи се машини, които наблюдават характеристиките на произведението и всяка промяна води до съответното действие на роботизираната система, така че артистичната инсталация да просъществува толкова, колкото е предвидено, преди да започне да се разгражда.

Пътищата за развитие на 3D печатането засега са два. Единият, както споменахме, е триизмерен печат на открито, директно на строителната площадка. На втория, при който изделията се изработват във фабрики, все още се възлагат по-големи надежди. Идеята за развитие по този път е да се търсят партньори, оборудвани с нужните роботи, които да произвеждат извън строежа и да доставят на обекта готови „напечатани“ строителни елементи с високо качество, напълно пригодени за бързо и технологично сглобяване.

Тази технология е еволюционно свързана с процеса на проектиране на сгради и съоръжения. Творческите идеи на архитектите не са ограничени, те ги развиват с разбирането, че и самата професия се развива. Сам по себе си процесът на триизмерно печатане не би могъл да върви напред. Той обаче може да променя строителната индустрия отвътре, като дава неизброими възможности за иновативни решения на архитекти и строителни инженери. Тази технология ще се налага все повече. Все по-често ще виждаме елементи и структури, изпълнени чрез триизмерен печат.

Роботизацията, представена с 3D печата, ни учи, че нещата в строителната индустрия се променят и ангажирането с новата технология е неизбежно. Това не означава, че триизмерният печат ще измести напълно класическите строителни конструкции. Макар че окриля архитектите, 3D печатът показва и неизменната нужда от конструкторите. Неизбежно е, освен социалната устойчивост, да се търси и екологичната, и биологичната. Именно архитектите и конструкторите ще играят важна роля в постепенните промени в строителната индустрия, но задължително подпомагани от най-добрите в развитието на роботизираните производства.

Колкото повече напредва тази технология, толкова по-много ще са спомагателните продукти, които ще бъдат създавани слой по слой от 3D принтери. Всеки детайл от дома ни ще трябва да бъде преосмислен и оптимизиран, за да е възможен за печат. Например електрическите кабели и водопроводните тръби трябва да бъдат поставени на мястото им в точния момент от печата, но това трябва да е предварително обмислено и зададено като алгоритъм в проектното решение.

Триизмерният печат, съчетан с творчески идеи, ще допринесе не само за производствения възход на строителната индустрия, но и за изграждането на един по-красив свят.