giovanni1313 (giovanni1313) wrote,
giovanni1313
giovanni1313

Category:

3D-печать зданий: на Земле или на Марсе?

Время от времени мне попадаются новости, посвященные 3D-печати зданий. Новую технологию в них расхваливают на все лады и обещают ей самое светлое будущее. Достаточно часто в числе преимуществ упоминается низкая стоимость такого строительства, вот один из свежих примеров.

Мне эта тема показалась интересной. Я нашел кое-какие цифры, попробовал сопоставить их с традиционными методами и материалами, как с точки зрения затрат на строительство, так и свойств самой конструкции. Оправдан ли оптимизм в отношении 3D-печати домов? Давайте вместе посмотрим.

Начнем с того, что эта технология очень молодая, над ней работает не так много команд, и опыта у них накоплено совсем немного. В США первое здание было напечатано только в прошлом году. В Евросоюзе - в 2017. То есть 3D-печатное строительство только-только выходит из промышленных лабораторий.

Эта крохотуля - первый напечатанный в Штатах дом

Порог лабораторий переступили два основных варианта конструкции 3D-принтера. Один — это «осевой»: манипулятор с печатающей головкой размещается платформе примерно в центре будущего здания и наращивает стены вокруг себя. Этот вариант выбрали стартапы ”CyBe” и отечественный “Apis Cor”.

”CyBe” использует манипулятор от «АВВ» с 6 степенями свободы, изначально разработанный для промышленных роботов. У такого готового комплекта есть свой недостаток: даже самых длинных «рук» промышленных роботов не хватает на дома типичных размеров. 3D-принтер ”CyBe” может дотянуться вокруг себя на 3,2 метра. Вспомнив курс геометрии из средней школы, мы получим, что максимальная площадь, которую способен обработать робот с одной позиции — 32 м2. Для дома — тесновато.

Если мы перемещаем осевой принтер с одного места на другое, каждый раз требуется его точно позиционировать. Это требует затрат труда и времени. Но есть и более существенный минус: рабочий раствор застывает довольно быстро, и отпечатанные с разных точек части дома не будут связаны между собой. Это означает снижение структурной прочности здания.

Чтобы решить эту проблему, нужно разрабатывать свой специализированный манипулятор. Этот путь преследует “Apis Cor”. Разработка такой машинерии — непростая инженерная задача. Особенно для нынешних стартапов, обладающих скромными ресурсами и сталкивающихся с большим количеством других технических проблем. Чем длиннее вылет, тем сложнее обеспечить нужную точность операций. Тем не менее, еще в конце 2016 принтер “Apis Cor” мог похвастаться рабочей зоной размером 132 м2.

Основатель “Apis Cor” Никита Чен-юн-тай и его 3D-принтер

Второй вариант конструкции 3D-принтера - «портальный». В нем печатающая головка подвешивается сверху на систему балок, которая находится снаружи объёма печати. Балки могут быть как установлены неподвижно (пример — принтер от ”COBOD”), так и перемещаться, на манер железнодорожного козлового крана (принтер ”ICON”).


Принтер ”COBOD BOD2-483”

Портальные системы могут иметь достаточно большой рабочий объем: так, принтер ”COBOD” имеет модульную конструкцию, позволяющую нарастить доступную длину, ширину и высоту. Максимальный размер, предлагаемый производителем — 45 х 12 х 10 метров. Подвижный принтер ”ICON” печатает в ширину на 8,5 метрах; длина практически не ограничена.

Очевидный недостаток неподвижных портальных систем — необходимость разборки конструкции для транспортировки и сборки по прибытию на новое место. На это нужно немало времени. Кроме того, для работы желательно подготовить идеально ровную площадку, особенно для подвижных принтеров.

«Осевые» принтеры имеют еще одно теоретическое преимущество. Они могут быть использованы для возведения высотных многоэтажных зданий. Для этого машина должна переставляться на новые перекрытия по мере роста здания вверх. Разумеется, перекрытия для этого должны выдерживать вес принтера. «Портальным» принтерам, которые смогли бы строить многоэтажки, нужны очень большие габариты по высоте — что проблематично как с инженерной точки зрения, так и по экономическим характеристикам.

Сам процесс печати и у «осевых», и у «портальных» машин похож и выглядит примерно так:


Как правило, 3D-принтер печатает цементно-песчаным раствором — похожим на тот, который используется для кладки кирпича. ”COBOD” может похвастаться тем, что его машина может использовать раствор с фракциями размером до 8 мм, что приближает его к традиционному бетону. Теоретически также могут использоваться геополимерные смеси, но в таком случае стоимость материалов сразу возрастает.

По прочности на сжатие цементные смеси для печати сопоставимы с бетоном. Но в качестве армирования используется только добавляемое в смесь фиброволокно. Cоответственно, прочность напечатанных конструкций на изгиб сильно уступает железобетону, что ограничивает область применения 3D-печати.

С точки зрения внешнего вида на видео выше вы могли заметить явные неровности, которые образуют укладываемые слои смеси. Для любого штукатура такая стена была бы худшим ночным кошмаром и объектом изощренных матерных выражений. К счастью, такая «волнистая» поверхность превращается в гладкую при наличии специальных насадок на печатающее сопло. Положение такой насадки должно управляться, чтобы плоскость среза всегда получалась параллельной направлению движения сопла. Эта опция даже позволяет напечатать прямые углы — а вот без нее линии всегда будут закругленными.

Образец печати от ”COBOD” с управляемой насадкой. К такой стенке опытный штукатур уже должен быть привычен.

Закругленные, криволинейные стены — одно из рекламируемых преимуществ 3D-печати. Действительно, добиться таких же форм с помощью традиционных способов строительства всегда непросто. 3D-принтеру же всё равно, печатать прямую стену или дугообразную.

Но — и это самое важное замечание по поводу описываемой технологии — всё многообразие форм и богатство возможностей ограничено именно возведением стен. По сути, мы не можем говорить о «3D-печати зданий» - но только о «3D-печати стен». Сегодня нет и в обозримом будущем не появится машин, способных заниматься строительством других неотъемлемых элементов дома — таких, как перекрытия, кровля, коммуникации и т. п. 3D-принтеры готовы взяться только за отдельную — хотя и существенную — задачу из большого списка строительных работ.

Конструктивно стена чаще всего выполняется по такой схеме:


На изображениях видно, что стена имеет ячеистую структуру. Она состоит из внутренней и внешней поверхностей толщиной ок. 5 см (стандартная ширина печати) и зигзагообразной линии, соединяющей их. Такая конструкция дает неплохую прочность и устойчивость, а также обеспечивает хотя бы минимальную тепло- и звукоизоляцию. Впрочем, теплоизоляционные свойства пустотной стены из бетона будут явно неудовлетворительными для многих климатических поясов.

Заполнение пустот утеплителем несколько улучшит ситуацию. Но принципиальных изменений можно достичь, только полностью изменив подход. Поиски в этом направлении уже ведутся. В Нанте, Франция, для экспериментального здания 3D-принтер сначала укладывал внешний и внутренний слои пенополиуретана, которые выступали в роли несъемной опалубки. Затем между ними заливался цементный раствор. Как видно на фото ниже, поверхность такой стены требует дополнительной обработки до отделки. По-хорошему, для реализации данного варианта нужно научить 3D-принтер работать с двумя материалами. Так что пока он является еще более «сырым», чем получившая распространение печать одним бетоном.


Давайте теперь критически посмотрим на одно из самых главных заявлений разработчиков 3D-принтеров — о сверхнизкой стоимости такого строительства. Действительно ли 3D-печать способна вытеснить из бизнеса традиционные подходы к возведению стен?

Практика даёт нам вполне прозрачный намёк: если 3D-печать так выгодна, почему тогда построенные по этой технологии дома можно буквально пересчитать на пальцах, и все они являются скорее демонстрацией возможностей, а не коммерческими проектами? Почему девелоперы не ставят массово 3D-принтеры на свои строительные площадки?

Частично это нежелание объясняется инерцией мышления: технология действительно очень молодая. Кроме того, как и для любых подходов и материалов, предпочтительно изначально делать проектирование зданий под 3D-печать. Так что развитие этого направления зависит не только от строителей, но и от архитекторов-проектировщиков.


Но главный фактор — это всё же стоимость. Вот какие данные мне удалось найти. Скорость печати доступных моделей варьирует от 15 до 60 см/секунду. Последняя цифра заявлена ”СyBe” - как мы помним, рабочее пространство их принтера сильно ограничено. Возьмем за основу 30 см/сек — это скорость ”COBOD BOD2”.

Высота слоя, печатаемого ”COBOD BOD2” - 2 см. Чтобы напечатать квадратный метр стены ячеистой конструкции, принтеру нужно «пройти» 158 погонных метров. На это ему потребуется почти 9 минут. За час принтер напечатает 6,8 м2 стен.

Стоимость раствора для печати не очень высока: в 2-2,5 раза выше стоимости обычного бетона. Разница возникает из-за большого содержания цемента в смеси: >30% по весу. Эту табличку я сделал на основе рецепта и цен, выложенных на сайте ”COBOD”. Цены даются для Дании и для удобства переведены в евро.

В этой табличке меня смущает стоимость цемента — за тонну получается 220 евро. Оптовые цены на цемент сейчас составляют около 110 долларов/т. Даже с учетом НДС, транспортировки и наценки за дистрибуцию вряд ли должно выходить больше 150 евро/т. Квадратный метр ячеистой стены — это 0,16 м3 раствора. По стоимости, приведенной ”COBOD”, это 33 евро. С цементом «по 150» - 25 евро.

Сравним это с традиционными подходами к строительству. Классический кирпич (толщиной в 1 ряд) будет стоить гораздо дороже: почти 72 евро/м2 стены. Более технологичный газобетонный блок толщиной 30 см выйдет несколько дешевле: около 65 евро/м2. При этом он будет обладать гораздо лучшей теплоизоляцией, чем «напечатанная» стена или кирпич.

Но нам стоит сравнить 3D-печать и c менее «капитальными» вариантами строительства. Так, на Западе и особенно в США очень популярны каркасно-рамочные деревянные дома. Тут стоимость материалов вплотную подбирается к печати бетоном и составляет 30-37 евро/м2 стены.

Однако 3D-печать обещала нам совсем не дешевизну материала. Ключевое преимущество этой технологии — возможность автоматизации процесса строительства, сокращения человеческого труда на стройплощадке. Какая экономия на этом достигается?


Компания ”ICON” приводит обескураживающие данные: размер команды, обслуживающей принтер — 4-6 человек. И это притом, что ее машина двигается в автономном режиме, а с интерфейсом управления разберется и 6-летний ребенок. Впрочем, даже такую многолюдность уже можно считать прогрессом. В 2016, когда власти Эмиратов печатали первое в мире здание, принтеру помогали аж восемь работников!

Да, необходимость в «подмоге» действительно есть: например, кто-то должен устанавливать перемычки над оконными и дверными проемами, обеспечивать подачу сырья в миксер и т. п. Но как бы ни организовывали рабочие процессы разработчики 3D-принтеров, им всегда нужно считаться с размером команды в традиционном строительстве. А она для объёмов и задач, которые доступны 3D-печати, составляет ровно те же 4-5 человек.

Таким образом, всё упирается в скорость. Для 3D-принтера мы ее уже знаем: 6,8 м2/час. За 8-часовую рабочую смену новая технология выдаст 54,4 м2 стен. Что у альтернативных вариантов? Кирпичная кладка в один ряд — 12 м2 в смену. Газобетон — 15-22 м2. Пока принтер ощутимо выигрывает.

Однако каркасно-рамочное строительство может само похвастаться высокой скоростью возведения домов. Бригада из 4-ых человек, работая с брусом и фанерой, за смену обгонит 3D-принтер, поставив 59 м2 стен. Если же мы возьмем еще более продвинутый вариант — СИП-панели — то производительность подскакивает до 154 м2/смену. В обоих случаях стены будут превосходно утеплены. Правда, стоимость самих СИП-панелей высока — порядка 70 евро/м2.


Наконец, стоимость оборудования. ”COBOD” - одна из немногих фирм, решившихся открыто объявить цены на свой принтер. Комплекс, позволяющий печатать в габаритах 9,45х9,7х4,05 метров, обойдется в 263 тыс. евро. Миксер и другое вспомогательное оборудование обойдутся еще в 74 тыс. евро. Итого — 343 тыс.

Для амортизации установим щедрый 7-летний срок. Еще более щедрое предположение — что принтер будет постоянно востребован и не будет простаивать без заказов. График стандартный — 5 дней в неделю по 8 часов. И вот тут у нас всплывает очень важный нюанс. На то, чтобы разобрать ”COBOD BOD2” для транспортировки, требуется два рабочих дня! Очевидно, сборка потребует не меньше времени (производитель эту информацию не сообщает). Да, представители фирмы пишут, что «теоретически», при должном опыте, это время может сократиться до одного дня. Хотя всем, я думаю, понятно, что характер работы на стройплощадке несколько отличается от пит-стопа «Формулы-1».

Пойдём навстречу этим заявлениям — тем более, в них речь идёт о разборке силами 2-3 человек, а мы исходим из бригады размером 4 человека. Для дома площадью 100 м2 (среднее по Евросоюзу) принтер напечатает стены примерно за 4 рабочих дня. К этому придется прибавить по одному дню на сборку и разборку машины. Получается, фактическая производительность 3D-печати упадет на 33%.

Сама по себе амортизация добавит к затратам не так много: с учетом расходного оборудования — 12,2 евро/ м2 стены. Тем не менее, мы уже начинаем проигрывать каркасно-рамочному строительству. Но если добавить еще оплату рабочего времени за сборку/разборку... Средняя зарплата в строительном секторе в Еврозоне на прошлый год равнялась 27,6 евро/час. Треть времени, потраченная бригадой на «непечатные» операции, увеличивает стоимость квадратного метра стены еще на 8,2 евро.


Что ж, с учетом этих моментов должны хорошо смотреться 3D-принтеры, не требующие трудоёмкой установки — как «осевые», так и «портальный» ”ICON Vulcan II”. Их можно выгрузить из автоприцепа, поставить в нужную точку, сориентировать по координатам — и они готовы укладывать бетон. Подготовка и тем более свёртывание должны занять в разы меньше времени, чем у ферменного ”COBOD BOD2”.

По цене ”ICON Vulcan II” наверняка дороже и может стоить порядка 500-600 тысяч евро. Но дороговизна с лихвой компенсируется отсутствием простоев машины во время сборки/разборки и экономией на оплате труда монтажников.

Получается, что 3D-печать уже ощутимо выигрывает у «капитальной» кладки стен по стоимости и срокам возведения. Каковы перспективы дальнейшего удешевления новой технологии? Сможет ли она показать в будущем такое же превосходство над каркасно-рамочным подходом? Ведь без этого разговоры о «революционной дешевизне» 3D-печати останутся лишь пустым пиаром.

Есть несколько направлений развития, которые позволяют смотреть на будущее этой технологии с оптимизмом. Во-первых, это скорость печати. Я уже упоминал про принтер «CyBe», укладывающий до 60 см/сек. Но 60 см/сек — это его «ускоренный режим», а стандартная скорость — только 20 см/сек. Аналогично, ”COBOD” хвалится, что их принтер может печатать до 1 м/сек — однако предлагает покупателям самим экспериментировать с результатами в таких режимах (что многое говорит нам о степени коммерческой зрелости продукта).


Очевидно, что рост скорости оборачивается снижением качества печати. Это решаемые проблемы, но их решение занимает годы инженерных поисков. Для того, чтобы реально увеличить скорость в 2-3 раза, понадобится еще 5-7 лет. Но это улучшение очень пригодится в конкурентной борьбе с традиционными подходами к строительству.

Другое направление прогресса — уменьшение количества людей на стройплощадке с принтером. Это уже не такая тривиальная проблема, как качество печати на высоких скоростях, и путей её разрешения может быть очень много (в том числе и тех, что окажутся в итоге тупиковыми). Прогнозировать здесь что-либо сложно, хотя потенциал оптимизации безусловно имеется.

Наконец, третье направление — расширение функционала 3D-печати. Для начала — хотя бы решение вопроса с теплоизоляцией стен. Возможно, какие-то идеи появятся в области отделки или коммуникаций. Здесь тоже широкое поле возможностей, но дороги к ним займут еще дольше времени.

Остальное зависит не столько от 3D-печати, сколько от побед в идейном пространстве. Насколько консервативной окажутся строительная отрасль и архитекторская мысль, насколько гибкой будет нормативная база, насколько быстро удастся переломить стереотипы в массовом сознании...

На Земле, как водится, инерция велика. То ли дело космос! Космос всегда жил будущим и одним из первых подхватывал технологии, переступавшие порог земных лабораторий. Поэтому завершим мы рассказ историей о Марсе.

Спонсором истории является американское НАСА. В 2015 году агентство объявило конкурс, в котором нужно было придумать лучшее решение по 3D-печати обитаемых жилых зданий для «исследования глубокого космоса». Из всего «глубокого космоса» Красная планета была самой очевидной целью.


Я вполне серьезно упомянул о том, что космос живёт будущим: даже самые прожженные оптимисты признают, что форпосты земной цивилизации на Марсе появятся в лучшем случае во 2-ой половине этого века. Косвенно замысел НАСА указывает на то, в каком зачаточном состоянии находятся технологии 3D-печати зданий. Впрочем, за 4 года, прошедшие с момента старта конкурса, они показали достойный прогресс.

Подлинные задачи конкурса, конечно, не такие захватывающие: поиск новых идей и поддержка инноваций. С этой точки зрения его можно признать вполне успешным. Командам-участникам нужно было разработать и опробовать технологии работы с потенциальными марсианскими стройматериалами, смоделировать дизайн убежищ и напечатать в комфортных земных условиях их версии в уменьшенном масштабе. В числе участников было несколько компаний, уже упомянутых выше, когда разговор шел о коммерческих применениях технологии. Полученные из «марсианского» призового фонда грантики, будем надеяться, ускорили коммерциализацию 3D-печати на Земле.

Конкурс, насчитывающий несколько этапов, официально завершился несколько недель назад. Победителем стало проектное бюро с броским названием ”AI SpaceFactory”. Давайте познакомимся поближе с выигравшим вариантом марсианского строительства.

По замыслу НАСА, сооружение строений не предусматривает участия человека. Сначала на Марс прилетят роботы, которые должны подготовить всю инфраструктуру для проживания людей. Марсонавты прибудут, когда в укрытия уже можно будет «заселяться».

Новостройки «белый ключ»: редкость в пределах МКАД, норма за лунной орбитой

Когда в твоей логистике появляется понятие «гравитационный колодец», а расстояние измеряется десятками миллионов километров, приходится по максимуму полагаться на местные стройматериалы. В качестве такового ”AI SpaceFactory” предлагает задействовать базальтовое волокно. В роли связующего используется полилактид — полимер, широко применяющийся сейчас для упаковки.

Откуда на Марсе возьмется полилактид? Так же, как и на Земле — из переработки кукурузы растительного сырья с высоким содержанием сахаров. Откуда на Марсе возьмется растительное сырье, спросите вы? Очень просто, ответит ”AI SpaceFactory”: из выращенных на месте растений. Хмм, это ведь невозможно, если не создать растениям специальные условия? Действительно. Но мы же 3D-напечатаем для растений агрофермы!

Согласитесь, ход просто гениальный. На уровне таких прорывных идей, как использование инерционных движителей в космических аппаратах. А если без иронии, то даже прожженные оптимисты погрустнеют, начав прикидывать, когда мы сможем забросить на Марс линии вытяжки базальтового волокна, процессинга растительной массы и синтеза полилактида, 3D-принтеры, харвестеры горной породы, оборудование для регенерации воздуха, контроля климата и прочих нужд агрохозяйства, генераторы энергии для всей этой машинерии и еще десятки технических систем, нужных для автономной подготовки колонии к человеческому обитанию.

Однако хватит о грустном. Пара слов о характеристиках материалов для 3D-печати, выбранных ”AI SpaceFactory”. Во-первых, использование пластика хорошо тем, что он состоит из элементов с малым атомным весом. Это делает его хорошей защитой от космической радиации. Далее разработчики, не моргнув глазом, утверждают, что базальт - «один из лучших известных [тепло]изоляторов». После напечатанных агроферм уже ничему не удивляешься... но вот конкретно базальт проводит тепло достаточно сильно, в 2 с лишним раза лучше бетона.

Учитывая, что ночная температура на Марсе варьирует от -73 (экватор) до -143 (полюса) градусов Цельсия, вопрос теплоизоляции жилищ требует повышенного внимания. Конкретные характеристики материала ”AI SpaceFactory” не раскрывает, ограничиваясь упоминанием о том, что они лучше, чем у бетона. Это означает, что в смеси доля полилактида (имеющего гораздо более низкий коэффициент теплопроводности) является значительной. Соответственно, повышается требуемый объем производства растительной массы.


Бюро выбрало нетрадиционную форму убежищ. Вместо «бункеров» - низких, куполообразных строений, преобладающих во многих концептах и научно-фантастических образах — здания ”AI SpaceFactory” вытянуты в высоту и имеют минимальное пятно застройки. Внятной аргументации в пользу этого варианта нет (если не считать болтовню об «ориентированности на человека» и «подстройки под нужды экспедиции»). Реальная причина — стационарность 3D-принтера и нежелание перемещать строительную технику в условиях неровного марсианского рельефа.

Убежище имеет двойную оболочку. Это сделано главным образом для того, чтобы минимизировать негативный эффект регулярных температурных деформаций.

Строение имеет 4 уровня. На каждом есть хотя бы по одному окну. Обилие окошек, по мнению проектировщика, создаёт психологически комфортную атмосферу. Вообще, описание интерьеров от ”AI SpaceFactory” сильно смахивает на маркетинговые материалы какого-нибудь агентства недвижимости.

Интересно, табуретки тоже придётся везти с Земли?

Лестница выглядит небезопасной. К счастью, падать с нее люди будут с ускорением 0,4 g.

3 этаж убежища. Внизу 4 маленьких отсека с кроватью и письменным столиком. В левой верхней части санузел. Лестница, идущая по внешнему периметру — сверху.

Вид на один из отсеков изнутри. К слову, печатать такой рельеф на стенах 3D-принтеры не способны. Впрочем, более насущный вопрос — каким образом будут выполнены перекрытия уровней.

Все эти красивые картинки отражают скорее умения разработчиков в области графических 3D-редакторов, чем в 3D-печати космических структур. Это хорошо показало финальное испытание, организованное НАСА. Печать простенькой геометрической структуры, по замыслу «не предполагающая участия человека», превратилась в череду сбоев и отклонений, которые то и дело заставляли инженеров ”AI SpaceFactory” забегать внутрь испытательного периметра и вручную исправлять положение. Или брать на себя управление дистанционно.

На лестнице — Джеффри Монтес, руководитель «марсианского» проекта ”AI SpaceFactory”. Качество печати видно на фото (кликабельно)

Самый драматичный эпизод случился в финальные минуты испытания. На напечатанное «убежище» нужно было сверху установить прозрачный купол , и команде в очередной раз пришлось переключиться на «ручное управление». После того, как оператор разжал захват манипулятора, деталь с грохотом рухнула на землю, провалившись внутрь структуры. Времени на исправление ситуации уже не оставалось.


За несколько секунд до злополучного падения

Эта победа «с горьким привкусом» символизирует общее состояние дел с 3D-печатью зданий. «Сырые», толком необкатанные технологии, плохо организованные процессы, куча внеплановых вмешательств и эксперименты вместо широкого развертывания.

Светлое будущее, революция в строительстве и неслыханная дешевизна — всё это требует долгих лет упорной работы. Марсианские колонии еще долго будут лишь научной фантастикой. Но строительные 3D-принтеры уже готовы отвоевывать себе место под солнцем не в «тепличных» условиях государственных грантов, а в куда более суровой земной коммерческой среде. Если у них получится доказать своё преимущество здесь - то с глубоким космосом не должно быть особых проблем.
Tags: инновации, космос, роботизация, строительство, технологии
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments