Cухая строительная смесь для аддитивной технологии (3d-печати): постановка задачи
С.А. Удодов
Человечество в своем развитии уверенно входит в шестой технологический уклад, важной составной частью которого станут аддитивные технологии, т.е. создание пространственных объектов послойным добавлением материала. Технология создания трехмерных объектов при помощи наращивания материала начинает активно развиваться с восьмидесятых годов прошлого века, и на начальном этапе носит название «быстрое прототипирование».
Родоначальником отрасли считается Чарлз Халл, основатель компании 3D Systems, который еще в 1986 г. собрал первый стереолитографический 3D-принтер. Это дало толчок развитию «аддитивного производства» — процесса создания объекта в трехмерном измерении на основе цифровой многомерной модели.
Аддитивные технологии
Аддитивные технологии (АМ – Additive Manufakturing) достаточно длительный период развивались медленно и настоящий прорыв отмечают примерно с 2010 г. АМ-технологии нашли применение во многих отраслях: машиностроении, биотехнологии, медицине, энергетическом комплексе, геоинформационных системах, оборонно-промышленный комплекс, промышленности, строительстве и т.д. За последние 5 лет динамика роста АМ-технологий составляет 27%. Мировой рынок их в 2013 г. составил порядка $3,8 млрд. Первое место в этой области принадлежит США, затем идут Япония, Германия, Китай и т.д.
Россия по объемам внедрения этой технлогии делит с Турцией 11 место в мире. К сожалению, на государственном уровне пока нет четкого понимания необходимости поддержки и развития АМ-технологий. Тем не менее, отдельные российские ученые, исследователи, инициативные группы и отдельные чиновники уже говорят о необходимости более пристального внимания к данной сфере. Так, зампредседателя правительства РФ Д.О. Рогозин отметил, что аддитивые технологии — это одна из сфер, где Россия имеет шансы идти, никого не догоняя.
Преимущества аддитивных технологий
Благодаря универсальности принципов аддитивных технологий они уверенно вошли и в строительную отрасль. Это не удивительно, поскольку внедрение данной технологии в строительстве дает ряд преимуществ:
- минимальная численность обслуживающего персонала, как следствие – пониженная травмоопасность при строительстве;
- количество отходов минимально — снижается нагрузка на окружающую среду, повышается экология строительства;
- повышается архитектурная выразительность конструкций, понятие трудоемкости выполнения отдельных элементов становится неактуальным;
- объемная конструкция имеет повышенную монолитность за счет непрерывного нанесения слоя за слоем;
- высокая скорость возведения конструкций (китайской компанией WinSun возведено с помощью 3D-принтера 10 одноэтажных домов каждый площадью 200 м2 за сутки).
Для успешного применения АМ-технологии в строительстве необходимо применять последние достижения в трех основных областях: информационные технологии (программное обеспечение процесса), машиностроение и автоматизация (конструкция, узлы и агрегаты самого 3D-принтера) и материаловедческая (рецептура и свойства материала, в данном случае – бетона, из которого будет возведен будущий объект).
На сегодняшний день многие вопросы в первых двух областях уже решены благодаря тому, что они являются общими для всех 3D-принтеров, в какой бы области он ни применялся. Учитывая почти тридцатилетнюю историю развития АМ-технологий в этой части многие вопросы уже решены.
Применение 3D-принтера для возведения реальных зданий и сооружений
Иная картина открывается, когда речь заходит о применении 3D-принтера для возведения реальных зданий и сооружений и необходимости применения таких специальных мелкозернистых бетонов, которые бы обеспечивали безопасность эксплуатации зданий, их прочность и долговечность.
В части рецептурного обеспечения аддитивной технологии в строительстве на сегодняшний день наблюдается серьезный пробел. При ближайшем рассмотрении вопрос создания мелкозернистых бетонов, которые бы отвечали всем строгим требованиям, оказывается не простым.
Именно поэтому в рамках Международного союза лабораторий и экспертов в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций RILEM функционировал отдельный технический комитет, объединяющий два десятка специалистов из разных стран мира, занимающийся вопросами разработки рецептуры и исследования свойств бетонов для 3D-технологии.
Необходимость серьезных исследований в области материаловедения
Необходимость серьезных исследований в области материаловедения подтверждается мнением ряда авторов. В нашей стране вопросами разработки состава бетона для аддитивной технологии в строительстве занимаются исследователи, ученые, а также отдельные специалисты и энтузиасты.
Так, вопросами оптимизации составов высокопрочных мелкозернистых бетонов, в том числе, для 3D-бетонирования, занимается профессор Пензенского государственного университета архитектуры и строительства Калашников В.И. Ряд инициативных групп и компаний, работающих в области 3D-печати в строительстве, предлагают собственные рецептуры.
Необходим комплексный подход к разработке рецептуры мелкозернистого бетона на научной основе
Тем не менее, в большинстве случаев операторы 3D-принтеров пытаются использовать существующие сухие строительные смеси. Эти смеси могут иметь различное первоначальное назначение – от клеевых составов до штукатурок, но совершенно очевидно, что они не обеспечат весь комплекс требуемых свойств ввиду иного назначения. Для широкого и уверенного внедрения технологии в практику строительства необходим комплексный подход к разработке рецептуры мелкозернистого бетона на научной основе.
Для разработки состава сухой строительной смеси для строительного 3D-принтера и уточнения задачи исследования необходимо определиться с требованиями, которые должны предъявляться такому бетону как на стадии смеси, так и в затвердевшем состоянии. При этом можно условно выделить типовые требования и требования, обусловленные особенностями технологии (табл. 1).
Таблица 1 – Общие требования к составам мелкозернистого бетона для строительного 3D-принтера
