«Что нам стоит дом построить, нарисуем – будем жить!» – смелые фантазии автора когда-то незамысловатой песенки находят все большее подтверждение в реальной жизни. Правда, дома будущего все-таки не рисуют, а… печатают на строительном 3D-принтере с помощью особых смесей.

Смелая альтернатива

Первыми отважились на подобный эксперимент компании из Китая, а потом эту смелую идею подхватили и в других странах. Россия не стала исключением. С технологией 3D-печати сегодня работают в Ярославле, Москве, Иркутске. Более трех лет назад группа ученых во главе с профессором ТГАСУ Натальей Копаницей также приступила к изучению 3D-принтирования.

– Поводом стал живой интерес к тому, что предлагает нам рынок строительных технологий. Сегодня Интернет дает широкую возможность познакомиться с новейшими разработками в этой сфере: то в Китае соорудили что-то невообразимое, то в Испании построили креативный мост, то Дубай в очередной раз удивляет невероятным небоскребом, созданным с помощью 3D-принтера, – объясняет задачу исследуемого направления профессор кафедры строительных материалов и технологий строительного факультета ТГАСУ доктор технических наук Наталья Копаница.

Инновационные 3D-техноло­гии развиваются сегодня достаточно быстро и все больше внедряются в различные сферы деятельности человека: напечатанные детали находят широкое применение в области медицины, машиностроения, литейного производства, радиотехники, электроники и даже космоса. В строительной отрасли к подобным идеям относились весьма осторожно, а иногда и скептически, и этому есть свое объяснение: возводимые сооружения требуют обеспечения определенных параметров качества, они должны соответствовать строгим нормативным документам и, самое главное, быть долговечными, безопасными и надежными.

Как же при таких ограничениях технология 3D-принтирования вписывается в строительную сферу? Пока, считает профессор ТГАСУ, больше в фантазиях, в создании опытных изделий и небольших по габаритам сооружений. Причем одинаково занимаются этим как практикующие специалисты, так и теоретики, понимая, что, если есть возможности создавать с помощью послойной печати какие-то интересные по форме изделия, конструкции, почему бы не поэкспериментировать? Тем более что эксперты предрекают этому направлению вполне заманчивые перспективы, даже печать зданий на Луне.

Наталья Копаница соглашается с тем, что в будущем 3D-принтирование займет определенную нишу в строительных технологиях, хотя и не столь скоро.

– Дело в том, что строительная отрасль не так быстро меняется, как те же технологии производства электронной, бытовой техники или автомобилей, – объясняет свою позицию ученый. – Тем не менее строительные 3D-технологии постепенно втягивают и нас, исследователей, в круг своих интересов. И это бесспорно.

Суть нашей разработки заключается в том, что с помощью выдавливающей головки экструдера на печатную платформу выходит специально приготовленная смесь, которая выкладывается по строгому алгоритму тонкими слоями. Компьютерная программа позволяет управлять экструдером – в каком направлении, какого размера и с какими углами вырисовывать заданную конструкцию или строительное изделие.

Лабораторный принтер с первыми печатными образцами

Технологические нюансы

Сами по себе экструдеры как отдельные аппараты известны давно. Они активно применяются в самых разных отраслях промышленности, в том числе и в строительстве.

– А вот как соединить экструдер и строительную смесь? – задается вопросом руководитель научной группы ТГАСУ. – Задача, считаю, крайне интересна для материаловедов, потому что строительные растворы и бетонные смеси известны с давних пор, все знают, как можно регулировать рецептурные составы, чтобы получить необходимые для конкретного вида строительных материалов физико-механические характеристики.

А когда речь заходит о создании конструкций зданий и сооружений с помощью экструдера, возникает очень много вопросов. Что значит нарисовать тонкими слоями конструкцию? Допустим, вернулся экструдер к первоначальной точке, за это время предыдущий слой должен набрать уже минимальную прочность. А если этого не случилось? Тогда следующий слой продавит предыдущий.

И вот таких вопросов, которые относительно обычных строительных смесей раньше не рассматривались, возникает очень много. Поэтому мы поставили перед собой задачу разработать составы строительных смесей для принтирования, которые бы обладали требуемыми для аддитивных технологий характеристиками, иногда противоречивыми, потому что, с одной стороны, нужно, чтобы смесь быстро набирала прочность после укладки, а с другой – быстротвердеющий состав просто застынет в экструдере. Все эти нюансы нам приходится исследовать, изучать, регулировать с помощью всевозможных добавок.

Тематику 3D-печати в группе разрабатывает аспирантка ТГАСУ Екатерина Сорокина

Научные эксперименты на мясорубке

По словам Натальи Копаницы, запустить принтер в лабораторных условиях не так-то просто – для эффективной работы промышленного принтера, который помогли сконструировать партнеры университета, требуются большие объемы строительной смеси, поэтому лабораторные исследования ученые проводили… на модернизированной электрической мясорубке. Правда, сначала над ней серьезно поколдовали вузовские Кулибины, приделав шнек. Именно на такой мясорубке были сделаны первые лабораторные образцы. Дальше – больше. С помощью разработанной по собственной рецептуре смеси были «напечатаны» буквы с наименованием строительного университета – ТГАСУ.

К слову, технология 3D-принти­рования в свое время заинтересовала и крупного томского производителя. Компания ТДСК печатала малые формы – ограждения для цветников, скамейки.

Особая рецептура

Сегодня в распоряжении научной группы во главе с профессором Копаницей имеется собственный 3D-принтер размером 1,5 х 2,5 метра.

– Его разработали специально для нашего коллектива партнеры из НИИПП, они же создали компьютерную программу, – подчеркивает Наталья Олеговна. – Наша задача заключается в том, чтобы привести в соответствие технологические приемы 3D- принтирования с теми стандартными строительными смесями, которые могут быть использованы для получения сооружений с достаточной прочностью, плотностью, морозостойкостью и другими характеристиками. Одним словом, на выходе должна быть получена конструкция здания или сооружения, которая бы соответствовала всем нормативным требованиям для дальнейшей эксплуатации.

Работа эта, признается профессор Копаница, непростая: как уже отмечалось выше, очень сложно совместить возможности экструдера и тех смесей, что применяются сегодня в строительстве. К примеру, если производство обычного строительного бетона не обходится без крупных фракций в виде щебня и гравия, то для печати на 3D-принтере подходят только составы, где крупность зерен не превышает 5 мм.

Смесь должна быть не только пластичной, но и обеспечивать начальную прочность, не расслаиваться, быть безусадочной и быстротвердеющей.

– К тому же эта тема не так широко освещена – в открытой печати можно встретить немного публикаций, которые содержали бы технологию производства с помощью 3D-принтера строительных материалов и изделий: рекламные тексты, не более, а научные публикации, к сожалению, очень редки, – утверждает Наталья Копаница. – На мой взгляд, эта тематика находится либо на стадии лабораторных разработок, либо же исследуется в условиях полной секретности. Даже не с кем поделиться из коллег.

И все-таки, несмотря на все сложности, отягощенные еще и пандемией, интерес к рассматриваемой теме, безусловно, есть. В частности, на томскую разработку обратила внимание одна московская фирма, которая занимается производством строительных материалов. Сейчас между сторонами ведутся активные переговоры: солидный бизнес всегда пытается заглянуть за горизонт, а технология 3D-принтирования вполне логично вписывается в просматриваемую перспективу. Думается, что возможность печатать типовые домики не так уж и далека.

Автор: Татьяна Александрова

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

81 − 75 =