3D-печать бетоном или просто бетонная печать относится к цифровым процессам изготовления цементных материалов на основе одной из нескольких различных технологий 3D-печати . 3D-печатный бетон устраняет необходимость в опалубке, сокращая отходы материала и обеспечивая большую геометрическую свободу в сложных конструкциях. Благодаря последним разработкам в области проектирования смесей и технологии 3D-печати за последнее десятилетие, 3D-печать бетоном выросла в геометрической прогрессии с момента ее появления в 1990-х годах. Архитектурные и структурные применения 3D-печатного бетона включают производство строительных блоков , строительных модулей , уличной мебели , пешеходных мостов и малоэтажных жилых зданий.
Автоматизация строительных процессов является областью исследований в области архитектуры и гражданского строительства с 20-го века. Самые ранние подходы были сосредоточены на автоматизации каменной кладки. В 1904 году патент на машину для укладки кирпича был выдан Джону Томасу в США. [1] К 1960-м годам технология значительно развилась, и на строительных площадках стало использоваться функциональное оборудование, такое как Motor-Mason. [2] [3]
В то же время также развивалась автоматизация процессов бетонного строительства. Скользящая формовка , широко используемая сегодня технология для строительства вертикальных бетонных сердечников для высотных зданий, была разработана в начале 20-го века для строительства силосов и элеваторов . Концепция была впервые предложена Джеймсом Макдональдом из MacDonald Engineering Chicago и опубликована Милко С. Кетчумом в иллюстрированной книге: The Design of Walls, Bins, and Grain Elevators в 1907 году. [4] Позже Макдональд опубликовал научную работу: Moving Forms for Reinforced Concrete Storage Bins в 1911 году. [5] Наконец, 24 мая 1917 года Макдональд получил патент США на устройство для перемещения и подъема бетонной формы в вертикальной плоскости. [6]
Инновации в автоматизации процессов бетонирования продолжались на протяжении всего 20 века. Процессы 3D-печати были впервые разработаны в 1980-х годах для фотополимеров и термопластиков. Некоторое время технология 3D-печати была ограничена секторами с высокой добавленной стоимостью, такими как аэрокосмическая и биомедицинская промышленность из-за высокой стоимости материалов. Однако по мере роста базы знаний для 3D-печати были разработаны новые процессы аддитивного производства для других материалов, в том числе для бетона. Технология 3D-печати бетона возникла в Политехническом институте Ренсселера (RPI) в Нью-Йорке, когда Джозеф Пенья впервые применил аддитивное производство к бетону в 1997 году. Этот эксперимент был всего лишь подтверждением концепции, но Пенья распознал развивающуюся отрасль робототехники и увидел в ней возможность автоматизировать процесс строительства, одновременно снижая затраты и образование отходов. [7] Исследования Пеньи позже станут основой для струйной печати связующим веществом или 3D-печати бетоном на основе порошка.
В 1998 году Бехрох Хошневис из Университета Южной Калифорнии разработал Contour Crafting , который был первым устройством для послойной экструзии бетона. Система использовала управляемый компьютером кран для автоматизации процесса заливки и была способна создавать гладкие контурные поверхности. [8] Хошневис изначально разработал эту систему для быстрого строительства домов при ликвидации последствий стихийных бедствий, и он утверждал, что система может завершить строительство дома за один день. [9] С тех пор благодаря инновациям в материалах, дизайне смесей и технологии печати исследователи и инженеры расширили эти две технологии печати, которые будут рассмотрены подробнее в следующем разделе.
На сегодняшний день было продемонстрировано несколько различных подходов, которые включают изготовление на месте и за его пределами элементов зданий или целых зданий с использованием промышленных роботов , портальных систем и привязанных автономных транспортных средств (см. раздел о 3D-принтерах). Демонстрации технологий строительной 3D-печати включали изготовление жилья, элементов зданий (облицовки, структурных панелей и колонн), мостов, гражданской инфраструктуры, искусственных рифов , фолли и скульптур. В настоящее время в 3D-печати бетона используются три различных метода строительства: струйная обработка связующим веществом , роботизированное торкретирование [10] и экструзия слоистого материала .
Струйная 3D-печать связующего, также известная как порошковая кровать и связующее 3D-печать, была первоначально разработана в Массачусетском технологическом институте для активации крахмального или гипсового порошка с водой в качестве связующего, прежде чем Джозеф Пенья применил систему к бетону. [11] При струйной печати связующего печатающая головка выборочно наносит жидкое связующее на порошкообразную подложку слой за слоем. Высота слоя обычно варьируется от 0,2 до 2 мм и определяет как скорость, так и уровень детализации готовой детали. Этапы постобработки необходимы при струйной печати связующего после завершения послойного изготовления. Во-первых, неконсолидированный порошок необходимо удалить механическим способом с помощью щеток и вакуумных трубок. Дополнительные этапы отверждения также могут быть необходимы в печах с контролируемой влажностью и температурой или микроволнах. Наконец, на поверхность также могут быть нанесены покрытия для консолидации небольших поверхностных элементов или для улучшения качества поверхности детали. Типичные материалы, используемые для покрытий, — это полиэфирная или эпоксидная смола. [12]
3D-печать бетона с технологиями струйной печати связующего была продемонстрирована в больших масштабах Энрико Дини с D-Shape . [13] D-Shape использует негидравлический цемент Sorel, который основан на песке, активированном оксидом магния в порошковом слое, и жидком растворе хлорида магния в качестве связующего. Технология в основном использовалась для создания мебели, такой как журнальный столик и стул Root Chair, разработанные KOL/MAC LLC Architecture + Design в 2009 году. Кроме того, D-Shape изготовила крупные архитектурные детали, такие как павильон Radiolaria размером 3 × 3 × 3 м, разработанный Shiro Studio в 2008 году, дом Ferreri для Триеннале в Милане в 2010 году и двенадцатиметровый пешеходный мост, спроектированный Acciona в Мадриде в 2017 году.
Еще одним представителем 3D-печати бетона с использованием связующего вещества является калифорнийская фирма Emerging Objects. Для своего павильона Bloom, построенного в 2015 году, компания использовала цемент без оксида железа и органическое связующее вещество. Хотя неясно, участвует ли в этом процессе гидратация цемента, проект часто упоминается среди других проектов 3D-печати бетона с использованием связующего вещества из-за использования цемента в порошковом слое. В отличие от конструкций D-Shape, которые были изготовлены целиком, Emerging Objects изготовила 840 небольших строительных блоков, которые были сложены для создания конструкции размером 3,6 × 3,6 × 2,7 м. [ необходима цитата ]
По сравнению с другими методами 3D-печати для архитектурных приложений, струйная печать связующего обеспечивает более высокую степень геометрической свободы, включая возможность создания неподдерживаемых консолей или выступов и полых деталей. В отличие от других процессов 3D-печати, требующих вспомогательных опорных конструкций, струйная печать связующего опирается на слой несвязанного порошка для обеспечения непрерывной поддержки последовательных слоев во время изготовления.
Обычно при 3D-печати струей связующего вещества оставшийся порошок можно повторно использовать для будущих деталей. Однако возможность вторичной переработки цементного и заполнителевого порошка проблематична из-за воздействия влажности окружающей среды, которая может вызвать процесс гидратации. Поэтому 3D-печать струей связующего вещества не подходит для строительства на месте. [12]
3D-печать методом экструзии бетона включает в себя сопло с числовым управлением, которое точно выдавливает цементную пасту слой за слоем. Слои обычно имеют толщину от 5 мм до нескольких сантиметров. Сопло экструзии может сопровождаться автоматическим затирочным инструментом, который выравнивает слои, напечатанные на 3D-принтере, и покрывает канавки на межслойных интерфейсах, в результате чего получается гладкая бетонная поверхность. Были предложены дополнительные шаги автоматизации для интеграции в один этап изготовления модульных стальных арматурных стержней или интегрированных строительных услуг , таких как сантехника или электрические трубы. Для этого процесса планирование процесса и скорость осаждения являются критическими параметрами, которые влияют на скорость застывания и отверждения материала. [12]
Послойная экструзионная 3D-печать бетона чаще всего используется в строительстве на месте и сопровождается крупномасштабными 3D-принтерами (см. раздел о 3D-принтерах). В последнее время интерес к этой технологии растет, и многочисленные университеты, стартапы и известные строительные компании разрабатывают специализированное оборудование, бетонные смеси и автоматизированные установки для экструзионной 3D-печати бетона. Области применения включают мосты, колонны, стены, плиты перекрытия, уличную мебель, резервуары для воды и целые здания, как в сборных конструкциях, так и на месте.
В отличие от обычного литья и распыления бетона, для 3D-печати методом послойной экструзии не требуются опалубки . Это существенное преимущество, учитывая тот факт, что опалубка в бетонном строительстве может составлять 50–80 % ресурсов, больше, чем сырье, арматура и труд вместе взятые. [14] Основными проблемами послойной экструзии бетона являются реология бетона, устанавливаемая по требованию, интеграция арматуры и образование холодных швов на границе между последовательными слоями. [15]
Роботизированная скользящая формовка, процесс, разработанный в ETH Zürich под названием Smart Dynamic Casting, [16] иногда включается в семейство процессов 3D-печати бетона вместе с послойной экструзией и струйной подачей связующего. Процесс приблизительно соответствует определению 3D-печати из-за его аддитивной природы, когда материал медленно выдавливается через приводимую в действие форму, которая может изменять свое сечение. Однако, в отличие от других процессов 3D-печати, скользящая формовка является непрерывным процессом, а не дискретным или послойным, и поэтому она более тесно связана с формообразующими процессами, такими как литье и экструзия.
Существует несколько основных категорий роботов, используемых для 3D-печати бетоном, которые зависят от области применения, масштаба проекта и техники печати. Все строительные 3D-принтеры обычно состоят из опорной конструкции и печатающей головки с соплом, которое выдавливает бетон. Принтеры обычно используются в тандеме с программным обеспечением для моделирования, которое загружает планы зданий непосредственно в принтер.
Помимо типа принтера, на конечные характеристики 3D-печатного бетона существенное влияние оказывают определенные параметры принтера, которые необходимо тщательно выбирать при планировании строительства с 3D-печатью. Эти параметры можно просто разбить на конструкцию печатающей головки и скорость печати.
Печатная головка должна быть выбрана таким образом, чтобы бетонная смесь могла плавно проходить через сопло и создавать эффект сцепления между каждым слоем, а также инициировать процесс затвердевания. [8] Подобно выбору принтера, формы и размеры сопел различаются в зависимости от области применения. Образцы бетона, напечатанные на 3D-принтере с помощью сопел с прямоугольными отверстиями, обычно имеют более высокую прочность, чем те, которые были напечатаны с помощью круглых сопел, поскольку между каждым напечатанным слоем меньше зазоров. [8] Однако круглые сопла более приспособлены для печати сложных геометрических форм. Для образцов, напечатанных с помощью одного и того же типа сопла, механические свойства улучшаются при использовании большего сопла. [8]
Высота печатающей головки — это высота сопла относительно печатной платформы. Этот параметр влияет на качество поверхности между слоями, включая прочность связи, и должен быть точно отрегулирован. Печатная головка, установленная слишком высоко, снизит прочность связи между слоями, что приведет к нестабильной форме. [8] Сопло, расположенное слишком близко к поверхности печати, может помешать процессу печати и создать дополнительную нагрузку на бетон. Исследования предлагают высоту печати, равную ширине сопла. [8]
Скорость, с которой устанавливается печатающая головка, также влияет на прочность сцепления. Увеличение скорости сопла обычно снижает прочность сцепления, так как у бетона мало времени для застывания. Однако слишком долгое печатание последовательных слоев снижает межслоевое сцепление, поэтому необходимо установить баланс, учитывающий прочность без преждевременного разрушения. [8] Другие факторы, влияющие на качество 3D-печатного бетона, включают насосы и элементы управления, используемые для контроля принтера, а также проект бетонной смеси (см. раздел «Проект смеси»).
Технология 3D-печати бетоном за последнее десятилетие выросла в геометрической прогрессии и, как ожидается, продолжит расти по мере того, как исследователи узнают больше о программном обеспечении, оборудовании и строительных возможностях этих принтеров. Ниже приведены некоторые известные компании и 3D-принтеры, которые используются во всем мире:
Для 3D-печатного бетона способность к формированию и выдавливанию являются двумя наиболее важными свойствами конструкции для смеси. [26] Способность к формованию — это способность смеси проходить через сопла в печатающей головке, в то время как способность к формированию — это способность поддерживать дополнительные слои. [27] Эти свойства определяются консистенцией, связностью и стабильностью смеси, которые вытекают из конструкции смеси и выбранных материалов. Для обоих свойств должен быть соблюден баланс между жесткостью и удобоукладываемостью. Жесткая смесь увеличит прочность, но снизит расход и скорость печати, что может засорить печатающую головку. [27] И наоборот, слишком большое уменьшение жесткости может увеличить удобоукладываемость и выдавливаемость за счет прочности и удобоукладываемости. [27]
Поскольку бетон печатается слоями, слои должны достаточно сцепляться друг с другом, чтобы обеспечить надлежащее отверждение и полную прочность. Были проведены значительные исследования для создания оптимальной смеси для 3D-печати, [27] хотя в настоящее время нет никаких отраслевых стандартов. Однако использование дополнительных цементирующих материалов (SCM), таких как метакаолин, летучая зола, кремнеземная пыль и суперпластификаторы, распространено во всех бетонных смесях для 3D-печати (см. раздел «Добавки»). [26]
Цементные материалы являются неотъемлемой частью любой конструкции бетонной смеси. Эти материалы служат связующим веществом, которое удерживает смесь вместе, поскольку они химически реагируют с водой, чтобы пройти процесс отверждения. Портландцемент является наиболее распространенным материалом в строительстве как для 3D-печатных, так и для традиционных бетонных применений из-за его низкой стоимости и широкой доступности. Однако его длительное время схватывания и низкая связующая способность невыгодны для 3D-печатных применений. [8] Поэтому для уменьшения усадки и улучшения адгезии часто добавляют полимеры и другие добавки. [8] Некоторые из этих полимеров включают резину, смешанные песчаные заполнители, углеродно-серные полимеры и геополимеры, которые также имеют дополнительные преимущества в виде ремонта трещин и устойчивости. [8]
Одной из альтернатив является сульфоалюминатный цемент, который можно смешивать с портландцементом, чтобы ускорить процесс гидратации и помочь развить раннюю прочность бетона после укладки. В то время как время схватывания портландцемента составляет около получаса, время схватывания сульфоалюминатного цемента составляет всего шесть минут. [8] Таким образом, более высокую прочность можно достичь за гораздо более короткий период времени, что повышает способность к строительству.
Содержание и выбор заполнителя так же важны, как и выбранные цементные материалы, когда дело доходит до проектирования бетонной смеси. В частности, размер частиц оказывает значительное влияние на бетонные смеси, напечатанные на 3D-принтере. Слишком большие размеры частиц могут заблокировать сопло 3D-принтера, в то время как слишком маленькие заполнители снижают прочность смеси и могут вызвать трещины. [8] Правило большого пальца для проектирования смеси заключается в том, что максимальный размер частиц заполнителя должен быть менее 1/10 диаметра сопла, чтобы обеспечить плавную экструзию. [8]
Было проведено несколько исследований для изучения влияния размера заполнителя на механические свойства бетона, напечатанного на 3D-принтере. Было обнаружено, что увеличение крупного заполнителя улучшает объемную стабильность бетона и снижает теплоту гидратации и усадку, которые были распространенными проблемами в ранних бетонных смесях, напечатанных на 3D-принтере. [26] Использование крупного заполнителя также увеличивает скорость осаждения бетона и скорость печатающей головки, что может повысить эффективность и производительность печати. Таким образом, напечатанная структура достигает большей стабильности и прочности, как заметили Иванова и Меччерин. [26] Существует ограничение на содержание и размер крупного заполнителя, поскольку становится очевидной проблема контроля реологии. Природные заполнители, такие как песок и гравий, являются предпочтительными, поскольку они требуют меньше энергии для производства по сравнению с искусственными заполнителями, но выбор заполнителя может быть ограничен региональными месторождениями.
Добавки включают любые материалы, кроме воды, заполнителей и цементных материалов, которые влияют на свойства бетонной смеси. Особенно в 3D-печатном бетоне эти добавки имеют решающее значение для баланса укладываемости, обрабатываемости и экструдируемости. Летучая зола является основной добавкой для высокопроизводительного 3D-печатного бетона, поскольку она улучшает рабочие характеристики и долговечность. [26] Однако большое количество летучей золы может привести к более медленному развитию прочности и укладываемости, поэтому ее часто смешивают с другими добавками, такими как глина, для сохранения стабильности формы. [26]
Кремниевая пыль — еще одна распространенная добавка для 3D-печатных бетонных смесей, поскольку она увеличивает начальную прочность печатного бетона, а также прочность на изгиб после застывания бетона. Главное преимущество кремниевой пыли заключается в том, что ее мелкие частицы заполняют пустоты вокруг более крупных заполнителей, что улучшает сцепление с цементным связующим. Это также помогает оптимизировать распределение размера частиц смеси, что увеличивает предел текучести и пригодность к укладке. [26]
Как и в случае со стандартными бетонными смесями, смеси для 3D-печатного бетона обычно испытываются на прочность на сжатие и изгиб. Эти механические свойства сильно зависят от состава смеси и могут быть улучшены путем добавления добавок, таких как те, что описаны в предыдущем разделе. Для смеси, содержащей обычный портландцемент, летучую золу, микрокремнезем и мелкие стеклянные заполнители, прочность на сжатие составляет около 36–57 МПа, что сопоставимо с прочностью на сжатие обычного бетона. Высокопрочный бетон с прочностью более 100 МПа также был достигнут с помощью использования суперпластификаторов и дополнительных химикатов, но эти смеси более энергоемки в производстве. [26]
Для 3D-печатного бетона структурные свойства в значительной степени зависят от межслойной связи. Увеличение скорости печати и высоты печатающей головки может снизить прочность межслойной связи, в то время как добавление раствора между слоями может улучшить эту прочность. В частности, было обнаружено, что эффективным является смоляной раствор, состоящий из черного угля, серы и песка. [26]
Поскольку не существует установленных стандартов для проектирования бетонной смеси для 3D-печати, компании часто проводят собственные исследования и разработки, если они решают предложить 3D-печать в качестве строительной услуги. Ниже приведены некоторые известные компании, которые успешно внедрили 3D-печать бетона в сферу своих услуг.
Из-за проблем с армированием и ограничений в технологии печати применение 3D-печатного бетона в основном ограничивалось небольшими проектами, включая модели и жилые дома, в отличие от крупных коммерческих зданий. Однако в мире есть несколько примечательных проектов, которые демонстрируют потенциал 3D-печатного бетона.
La Citadelle Des Savoir-Faire — это проект, в котором для возведения сложных архитектурных сооружений используется 3D-печать бетона. Расположенная во Франции, эта инициатива направлена на демонстрацию возможностей технологии 3D-печати в устойчивом строительстве. Цитадель служит образовательным центром, где специалисты и студенты могут изучать и экспериментировать с этой технологией. Проект фокусируется на использовании экологически чистых материалов и передовых методов проектирования, что способствует сокращению углеродного следа строительного сектора. После завершения строительства этот комплекс будет иметь общую внутреннюю площадь около 2565 квадратных метров (27 600 квадратных футов).
Значимым достижением La Citadelle Des Savoir-Faire является строительство самого высокого в мире здания, напечатанного на 3D-принтере, La Tour. Построенное в 2023 году, это трехэтажное здание установило новый мировой рекорд высоты в 14,14 м (46,4 фута), демонстрируя потенциал технологии 3D-печати в создании крупномасштабных конструкций.
ICON создает сообщество из 100 домов, напечатанных на 3D-принтере, в Джорджтауне, штат Техас. Бронирование начнется в 2023 году, начальные цены будут в середине 400 000 долларов. Парк принтеров Vulcan может производить восемь различных планов этажей с 3–4 спальнями и 2–3 ванными комнатами. [22] Система подачи бетона, известная как Magma, снабжает принтер Vulcan разработанной Icon бетонной смесью, известной как Lavacrete, которая может подстраиваться под погодные условия на месте и автоматически подавать готовый к печати бетон. [22] Печать домов площадью от 90 до 200 м2, напечатанных на 3D-принтере, занимает около пяти-семи дней, по сравнению с деревянным каркасом, на печать которого в том же районе уйдет до 16 недель. [22]
ICON также завершила проект в марте 2020 года по семи домам, напечатанным на 3D-принтере в Остине, штат Техас. Каждый дом площадью 400 футов 2 был напечатан всего за 27 часов с помощью принтера Vulcan компании ICON. Первые жильцы переехали в дома в 2020 году и, по оценкам, в них разместятся 480 бездомных города, что составляет около 40% бездомного населения города. [35]
В 2021 году Habitat for Humanity , крупнейшая в мире некоммерческая организация по строительству домов, построила два дома с помощью 3D-печати в Уильямсбурге, штат Вирджиния, и Темпе, штат Аризона. Дом в Вирджинии имел площадь 1200 кв. футов и был напечатан всего за 28 часов на 3D-принтере COBOD, что примерно на четыре недели быстрее стандартного строительства. [36] Организация подсчитала, что напечатанные на 3D-принтере бетонные стены сэкономили около 15% на квадратный фут затрат на строительство. Дом площадью 1738 кв. футов в Аризоне был построен летом: в то время, когда строительство обычно останавливается из-за сильной жары. 80% дома было построено с помощью 3D-печати, включая внутренние и внешние стены, в то время как остальная часть, такая как крыша, была построена с использованием традиционных методов. [36] Habitat for Humanity надеется, что напечатанные на 3D-принтере дома могут стать решением проблемы доступного жилья, а также нехватки рабочей силы в экстремальных климатических условиях и условиях.
Первое 3D-печатное жилое здание в Германии было построено в сентябре 2020 года компанией PERI с использованием принтера BOD2 от COBOD и бетонной смеси Heidelberg Cement. [35] 24 бетонных элемента были напечатаны на заводе, а затем доставлены на место для сборки. Принтер создавал 1 м 2 стены каждые 5 минут, завершив строительство дома площадью 160 м 2 к ноябрю 2020 года. Для печати стен, включая размещение воды, электричества и подключение труб, требовалось всего два оператора. [35]
В 2021 году голландский город Неймеген показал самый длинный в мире 3D-печатный бетонный пешеходный мост, пролетом 29 метров. [37] Было подсчитано, что 3D-печать сэкономила около 50% материалов, поскольку бетон был размещен только там, где требовалась прочность конструкции. 3D-печатные компоненты моста были изготовлены BAM и Weber Beamix за пределами строительной площадки, куда они затем транспортировались и собирались на месте. Предыдущий рекордсмен по длине 3D-печатного бетонного моста составлял 26 метров, его построил Университет Цинхуа в Шанхае. [37]
С точки зрения стоимости и экономики одним из преимуществ 3D-печатного бетона является то, что он не требует опалубки, которая используется для формирования формы для обычной заливки бетона. Опалубка может составлять до 50% от общего объема бетонной конструкции из-за материальных и трудовых затрат. [38] Однако существуют расходы, связанные с оборудованием, включая сопла печатающей головки и дополнительные контрольные устройства. Кроме того, 3D-печатные бетонные смеси часто отличаются от обычного бетона добавками нано-глины, нано-кремнезема и других химических добавок, которые способствуют процессу экструзии. [38]
Существуют косвенные экономические выгоды от 3D-печатного бетона с точки зрения производительности. Строительный сектор часто является весьма традиционным, и по большей части процессы оставались схожими на протяжении последних десятилетий. Это во многом связано с тем, что текущие процессы по-прежнему эффективны во многих строительных приложениях. Например, исследование Гарсии де Сото сравнило роботизированную и традиционно построенную стеновую сборку с разной степенью сложности и обнаружило, что традиционное строительство превзошло роботизированное изготовление для более простых стен, в то время как робот был более продуктивен по мере увеличения геометрической сложности. [38] Не было никаких дополнительных затрат из-за роботизированного изготовления, и в обоих случаях движущим фактором затрат было производство материалов, а не строительные процедуры. [38]
Воздействие на окружающую среду бетона, напечатанного на 3D-принтере, во многом зависит от процессов и материалов, используемых для данного проекта. Бетон, напечатанный на 3D-принтере, может сократить расход материала при производстве бетона за счет устранения опалубки, но специализированные добавки и требуемые технологии могут оказывать такое же воздействие на окружающую среду, как и традиционное бетонное строительство. Оценка жизненного цикла от колыбели до могилы (LCA), сравнивающая воздействие на окружающую среду традиционно построенной бетонной стены с бетонной стеной, напечатанной на 3D-принтере, показала, что альтернатива, напечатанная на 3D-принтере, снижает воздействие на окружающую среду только при отсутствии армирования. [39] Воздействия LCA на потенциал глобального потепления , потенциал подкисления, потенциал эвтрофикации и потенциал образования смога использовались для измерения воздействия на окружающую среду. После того, как в конструкцию из бетона, напечатанного на 3D-принтере, было введено армирование, эти воздействия были больше, чем при традиционных методах строительства, особенно в отношении глобального потепления и потенциала образования смога. [39]
Другая LCA провела похожее исследование, сравнивая обычные и напечатанные на 3D-принтере бетонные стены, но изменяя сложность конструкции. Было обнаружено, что по мере увеличения сложности конструкции метод 3D-печати оказывал меньшее воздействие на окружающую среду. [38] Это было в основном связано со способностью напечатанного на 3D-принтере бетона достигать сложных форм, экономя при этом строительные материалы с точки зрения опалубки и объема бетона. [38] В целом, воздействие на окружающую среду напечатанного на 3D-принтере бетона зависит от конструкции конструкции и того, насколько хорошо инженер может оптимизировать использование материалов. С точки зрения материалов воздействие на окружающую среду аналогично воздействию обычного бетона, поскольку все еще требуется цементное связующее. Однако оптимизированный процесс строительства, который идет с 3D-печатью, снижает отходы материалов и выбросы на месте. [40]
На основе четырех примеров было подсчитано, что вклад выбросов парниковых газов на квадратный метр, связанный со строительством домов, напечатанных на 3D-принтере, ниже, чем у домов, построенных традиционным способом. [41]
Несколько ограничений не позволяют 3D-печати бетона широко применяться в строительной отрасли. Во-первых, палитра материалов, которые можно использовать для 3D-печати бетона, ограничена, особенно из-за экструзии сопла и процесса осаждения слоев бетона, что создает проблему преждевременного обрушения. [38] Поэтому исследование свойств материалов и разработка высококачественных цементных материалов, которые соответствуют как нормам для конструкционного бетона, так и приложениям 3D-печати, являются текущей областью внимания. Из-за чувствительности бетонной смеси изменение типа цемента, заполнителя или добавки повлияет на свойства и поведение бетона.
Текущие строительные нормы рассматривают бетон как однородный материал, тогда как на самом деле бетон является анизотропным . Эта анизотропия дополнительно проявляется в напечатанных слоях, поэтому необходимо разработать новые методы оценки деформаций и трещин. Кроме того, текущее испытание материалов для бетона состоит из цилиндрических образцов в соответствии с ASTM C39. [42] В настоящее время не существует систематической или теоретической основы для 3D-печатного бетона, особенно когда речь идет о стандартных испытаниях.
Текущие проекты 3D-печати были ограничены прототипированием моделей и малоэтажными зданиями большой площади в отличие от многоэтажных коммерческих зданий из-за ограничений в технологии 3D-печати. [8] Принтеры должны быть совместимы с высотой здания, поэтому требуются дополнительные исследования в области устойчивости и дизайна 3D-принтеров. Существуют также проблемы с армированием при 3D-печати бетона, которое требуется для более высоких конструкций. См. армирование для 3D-печати бетона для более подробной информации.
Новаторские исследования в области 3D-печати бетоном проводятся в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, Университете Лафборо , Технологическом университете Суинберна , Технологическом университете Эйндховена и Институте передовой архитектуры Каталонии , а также во многих других учреждениях.
В связи с возросшим интересом к 3D-печати бетоном как со стороны промышленности, так и со стороны академических кругов, на международном уровне началось проведение ряда конференций. Две международные конференции, ориентированные на промышленность, были организованы в феврале и ноябре 2017 года компанией 3DPrinthused в Копенгагене. Впоследствии двухгодичная академическая конференция Digital Concrete была организована в ETH Zürich в 2018 году, в Технологическом институте Эйндховена в 2020 году и в Университете Лафборо в 2022 году. Параллельная серия повторяющихся конференций, посвященных Азиатско-Тихоокеанскому региону, была организована в Технологическом университете Суинберна в 2018 году, в Тяньцзиньском университете в 2019 году и в университетах Шанхай Тунцзи и Хэбэй в 2020 году.
Печать на бетоне может использоваться напрямую для производства готовой детали или косвенно для изготовления опалубки, в которую заливается или распыляется бетон. [43]
3D-печатные опалубки решают некоторые из основных проблем 3D-печати бетона. Арматурные стержни могут быть интегрированы обычным способом, а традиционно отлитый или набрызгиваемый бетон соответствует строительным нормам. Кроме того, качество поверхности бетона значительно лучше, чем при 3D-печати бетона. Для достижения гладкой поверхности 3D-печатные опалубки можно покрывать или полировать.
3D-печать бетона с послойной экструзией использовалась для производства опалубки для заливки бетона. При таком подходе тонкая оболочка, состоящая из одного или двух контуров, напечатанных на 3D-принтере, изготавливается на первом этапе либо на заводе по производству сборных конструкций, либо непосредственно на месте. Затем устанавливаются и закрепляются на месте арматурные каркасы. Наконец, бетон заливается внутри оболочки, либо за один проход, либо в несколько этапов, чтобы предотвратить нарастание гидростатического давления в нижних секциях опалубки. [43]
Для структурных расчетов 3D-печатная оболочка обычно игнорируется, и только литой бетон считается несущим. Однако 3D-печатная оболочка может рассматриваться для необходимого покрытия арматуры бетона, которое защищает сталь от коррозии .
В качестве альтернативы, 3D-печать с нецементными материалами может быть использована для производства опалубки для бетона. Экструзионная печать с глиной, пеной, воском и полимерами, а также струйная печать связующего с песком и стереолитография использовались для изготовления опалубки для архитектурных бетонных компонентов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )