3D-печать в строительстве подробно
3D-печать — одно из величайших технологических достижений и инноваций 21 века. Согласно прогнозам, к 2025 году глобальный рынок 3D-печати достигнет $32 млрд, а к 2030 году — $60 млрд.
Факторами, которые больше всего влияют на этот рост, являются усиление экологических проблем в отношении отходов, образующихся в этом секторе, возможность настройки и архитектурная гибкость с использованием этой технологии, а также быстрое создание моделей и прототипов.
Поскольку технология продолжает развиваться, возможности для внедрения и роста увеличиваются, и к 2028 году ожидается, что ее совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 91,5% по сравнению с 2021 годом.
Технология 3D-печати много раз подвергалась сомнению с 1980-х годов. Однако большую актуальность она приобрела благодаря совершенствованию самой техники, позволяющей создавать трехмерный объект путем наложения последовательных слоев материала. Этот метод строительства очень универсален и может помочь создать отдельные компоненты проекта и даже различные типы сложных конструкций в целом, таких как дома или жилые помещения, офисы, мосты, стены, модульные конструкции, арматурные формы, колонны, городская мебель и даже элементы декора. Как это возможно?
В строительстве большая часть информации, необходимой для работы этой технологии, поступает в процессе проектирования. Поскольку в отрасли уже есть опыт автоматизированного производственного процесса, а BIM (информационное моделирование зданий) продолжает процветать в строительном секторе, интеграция технологий 3D-печати становится менее сложной. Используя программу CAD или BIM, 3D-принтер получает информацию о том, что ему нужно напечатать, и машины начинают накладывать уровни материала в соответствии с указаниями. Это можно сделать с помощью различных материалов, наиболее распространенными из которых являются смеси бетона, геополимеров, волокон и песка.
Эволюция 3D-печати в последнее десятилетие была настолько благоприятной, что ожидается, что к 2028 году ее стоимость на строительном рынке достигнет 1 034 096,7 тысяч долларов США, согласно исследованию Research and Markets.
Преимущества 3D-печати в строительстве
3D-печать приносит большие преимущества строительной отрасли, поскольку это решение затрагивает практически все области цепочки создания стоимости в этом секторе . Благодаря вкладу в устойчивое развитие, повышению производительности и поддержке в решении проблем в цепочке поставок, эта технология произвела революцию в том, как мы строим.
Сокращение времени
При использовании традиционных методов строительства на завершение проекта может уйти много месяцев, при этом в норме крупные проекты занимают на 20% больше времени, чем ожидалось, и до 80% перерасхода средств по сравнению с первоначальным бюджетом. Однако 3D-печать позволяет сократить время до 70%, а проект можно выполнить всего за несколько часов или дней, в зависимости от его масштаба. Таким образом, подрядчики могут работать над большим количеством проектов и, следовательно, увеличить свой источник дохода.
Более экономичный и устойчивый
3D-печать позволяет использовать точное количество материала для создания конструкции, что позволяет сократить количество отходов на строительной площадке до 60%. Точно так же не будет излишков и при закупке материалов, при условии сокращения затрат как на их закупку, так и на последующее хранение.
Сокращая время и затраты, компании увидят экспоненциальный рост преимуществ этой технологии, которая также очень помогает в местах, где есть потребность в проектах и нехватка рабочей силы. Автоматизируя создание конструкции с помощью 3D-принтеров, компании могут сократить трудозатраты до 80%.
Безопаснее
Управление по охране труда и здоровья США (OSHA) сообщает, что 1 из 10 рабочих на строительных площадках ежегодно получает травмы, основными причинами которых являются падения и небезопасный контакт с оборудованием.
Одним из наиболее важных преимуществ, которые 3D-печать привнесла в строительство, является здоровье и безопасность сотрудников на строительной площадке. Зная, как эффективно работать с принтерами, рабочие могут легче выполнять свою работу и снижать травматизм в полевых условиях.
Гибкость дизайна
Внесение изменений в проект в последнюю минуту больше не будет проблемой и не задержит процесс строительства. 3D-печать позволяет настраивать работу непосредственно перед началом печати конструкции, избавляя от всех головных болей, которые влекут за собой эти изменения.
Возможности и проблемы 3D-печати в строительстве
Хотя преимущества 3D-печати в строительстве будут продолжать развиваться по мере того, как все больше компаний делают ставку на эту технологию, добиться более широкого внедрения этого метода на рынке по-прежнему сложно.
Мы выделяем следующие моменты , которые мешают сделать эту технологию еще более модной среди профессионалов отрасли и почему крупные компании все еще сомневаются в ней:
- Хотя 3D-печать сама по себе более рентабельна при строительстве, необходимое оборудование по-прежнему стоит очень дорого как для его приобретения, так и для его эксплуатации, и крупные компании по-прежнему не делают на них существенных ставок.
- Отрасли необходимо подготовить более подготовленных специалистов, способных работать с технологиями, лежащими в основе 3D-печати, обученных проектировать компьютерные модели, эксплуатировать оборудование и обеспечивать надлежащее техническое обслуживание.
- Для 3D-печати в строительстве необходимы дополнительные правила и законодательство, которое позволит установить четкие рекомендации по ее использованию и преимуществам ее внедрения на новых строительных площадках.
- Точно так же размеры и разработка принтеров представляют собой проблему, поскольку многие из моделей, появляющихся на рынке, ограничивают свое использование размером печатаемой структуры.
Кроме того, материал или формула смеси, является одним из основных ограничений для 3D-печати. Материал должен иметь желаемую печатную способность, чтобы его можно было выдавливать из сопла, и способность к формовке, чтобы иметь возможность быстро сохранять свою форму и поддерживать себя. Кроме того, главной проблемой становится открытое время, то есть период, в течение которого печать и возможность формовки согласуются с допустимыми параметрами, поскольку время для печати материала ограничено. Любая задержка в процессе может привести к затвердеванию бетона и затруднить работу.
Типы 3D-принтеров
Роботизированная рука
Принтер с автоматическим управлением, обеспечивающий свободу передвижения и гибкость при планировании нескольких задач. Рука способна печатать под разными углами, что позволяет создавать сложные геометрические формы и кривые, а также печатать в больших размерах по сравнению с другими методами 3D-печати.
Портальная система
Метод контурной обработки знаменует собой начало использования 3D-печати в строительстве. Этот процесс наносит строительный материал для формирования 3D-модели и создания крупномасштабных структур с гладкой поверхностью. Он работает с рельсами, расположенными вокруг пола здания, которые действуют как направляющие для манипулятора при укладке бетона слой за слоем.
Методы 3D-печати
Экструзия
Экструзия является наиболее распространенным методом 3D-печати, поскольку ее можно использовать практически во всех средах. Обычно используемый для моделирования, создания прототипов и производства, этот метод создает объект путем наслоения материала через одно или несколько сопел, установленных на манипуляторе, портальной системе или кране.
Порошковое склеивание
В отличие от других методов печати, при порошковой печати в качестве основного компонента используется порошковое сырье. Существует два метода: струйная обработка порошковым слоем и струйная обработка связующим. Первый характеризуется плавлением частиц пыли с помощью лазера на желаемом объекте слой за слоем, в то время как лист покрытия добавляет больше материала для каждого нового слоя.
С другой стороны, при распылении связующего используется печатающая головка, которая наносит жидкий клей на печатную платформу из порошка. Жидкость связывает частицы порошка вместе, чтобы сформировать каждый слой желаемого объекта. Затем добавляется новый слой, и процесс повторяется слой за слоем. Это позволяет печатать с более высоким уровнем точности и может обрабатывать более сложные отпечатки.
Спрей
Автономный робот распыляет строительный материал под давлением в нужной форме и повторяет процесс слой за слоем. Этот метод позволяет заполнить пространство конструкции бетоном, и его использование в настоящее время изучается для вертикальных и выдающихся применений, таких как отделка фасадов или потолков.
3D-печать в строительстве по всему миру
Спрос на строительство и улучшение инфраструктуры растет, особенно в крупных городах. В 1800 г. только 3% населения проживало в городах; к 1900 году общая численность населения, проживающего в городах, увеличилась до 15%. Сегодня мы достигаем 55% населения, проживающего в городских районах, и Всемирный экономический форум прогнозирует, что к 2050 году две трети населения будут жить в крупных городах.
В глобальном масштабе существует множество государственных мер, которые поощряют внедрение 3D-печати в строящихся объектах. Несколько городов претендуют на победу в этой гонке, и одним из тех, кто решил возглавить список, является Дубай, где к 2030 году 25% зданий должны быть построены с использованием технологии 3D-печати.
Как обстоят дела с этой технологией в мире?
Соединенные Штаты были первой страной, сделавшей ставку на технологию 3D-печати в строительстве, и лидируют по количеству проектов, реализуемых в Северной Америке.
Крупные организации, такие как ВМС США и НАСА, участвуют в проектах в Северной Америке.
Мексика — страна, в которой больше всего проектов в Латинской Америке.
Европа лидирует по количеству проектов, разработанных во всем мире, при этом Нидерланды являются основным центром исследований и разработок (НИОКР).
В последние годы известность получили Франция, Германия, Испания, Великобритания и Италия.
Университеты играют очень важную роль в исследованиях и разработках 3D-печати в строительстве и участвуют в их реализации вместе с компаниями.
Они повышают экологические и устойчивые преимущества .
Азия и Ближний Восток. В 2020 году 38% доли рынка 3D-печати в строительстве приходится на Азиатско-Тихоокеанский регион, во многом благодаря прибыльным возможностям в этом секторе для этого региона.
Правительство Дубая, где крупнейшее в мире правительственное здание было построено с использованием только 3D-печати, пообещало, что к 2030 году 25% новых построек будет осуществляться с использованием этой технологии .
Китай был пионером в развитии технологии, но в последние годы другие страны используют его в своих интересах, и Япония присоединяется как одна из самых многообещающих стран в разработке и внедрении технологии.
Большинство проектов считаются коммерческими, и университеты становятся все более важными в развитии технологий.
Помимо домов, они печатают другие конструкции и прототипы, например, мосты.
Десять лет назад разговоры о 3D-печати в строительстве были почти немыслимы, поскольку это было слишком дорогое решение и слишком сложное для расширения на рынках. Теперь мы можем сказать, что варианты на рынке становятся все более полными и предлагают большую выгоду для всех в цепочке создания стоимости строительства.
