Физико-химические проблемы 3D-печати в строительстве
Применение аддитивных технологий, то есть 3D-печати, стало в последнее время одной из наиболее актуальных тенденций в строительстве.
Как печатают дом
Печать осуществляется из обычных строительных материалов: это пескобетон, геополимерный бетон, гипс, сложные строительные органо-неорганические смеси. Быстротвердеющая бетонная смесь с различными добавками подается с помощью экструдера через сопло. Процесс напоминает выдавливание зубной пасты из тюбика. Вертикальная конструкция формируется послойно: каждый последующий слой наносится поверх предыдущего, в результате нижние слои уплотняются и растет их способность выдерживать больший вес. Для повышения прочности конструкции производится ее армирование, оно может быть и горизонтальным, и вертикальным.
Обычно при строительстве зданий принтер печатает «корочки» внешних стен, так называемую несъемную опалубку (другой термин «технология контурной печати быстротвердеющим бетоном»). То есть печатают не весь объем несущей стены, а наружную и внутреннюю ее части толщиной от 3 до 5 см, образовавшуюся полость заливают наполнителем. Внутренние же перегородки можно печатать в один слой.
Какие бывают принтеры
В мире разработаны и продвигаются на рынок три типа принтеров. Принтер с портальной системой позиционирования представляет собой раму, по которой движется печатающее устройство (экструдер). Такой принтер производит печать объектов внутри системы перемещения, что приводит к увеличению габаритов принтера для масштабных строительных объектов.

Робот-манипулятор перемещает экструдер при помощи «роботизированной руки», что позволяет устанавливать принтер как снаружи, так и внутри печатного объекта. Характеризуется небольшими габаритами и весом, позволяющими достигать высокой мобильности принтера.

Кабельная подвесная система (дельта-принтер) осуществляет трехмерное перемещение печатающей головки с помощью специальных тросс-кабелей внутри внешней рамы. Это определяет возможность печати высоких объектов, но с очень ограниченной площадью.

У всех видов принтеров есть как достоинства, так и недостатки, соотношение которых и определяет их конкурентоспособность. Пока в нашей стране проводились опытно-промышленные испытательные работы в строительстве одноэтажных зданий (5–7 случаев) и в малых архитектурных формах (до 100 ед. надгробий, бульварных скамеек, декоративных беседок и т. п.). По состоянию на декабрь 2022 года в России в разной стадии реализации находится шесть проектов 3D-печати в жилищном строительстве. О самом продвинутом рассказал СМИ заместитель министра строительства РФ Александр Ломакин. Он сообщил, что в селе Айша Зеленодольского района Татарстана первыми в России начали строить целый комплекс жилых домов с помощью 3D-печати.
Удивительно, но в России не замечен ни один импортный принтер, все машины отечественного производства. За период 2015– 2022 годов малыми сериями строительные принтеры производили три компании: ООО «Апис Кор», ООО «Спецавиа» и ООО АМТ; разработки осуществляли «Аркон Констракшн», «Бум 3D-принтер», «Парк 3D», «Смартбилд» и др. Появились специализированные инжиниринговые компании, например, ООО «3Д-Строй» (Казань), «3Д Стройдизайн» (Воронеж), ООО «Хабаровск 3Д» (Хабаровск). ООО «Фирма „Вефт“» (Королев) производит смеси для печати малых форм, ООО «3Д Арт» (Москва) оказывает услуги по запуску 3D-производства.
Проблемы 3D-печати
Существует целый спектр проблем 3D-печати в строительстве — правовых, нормативных, архитектурных, эксплуатационных, страховых. Наиболее сложными видятся физико-химические.
Во-первых, во многом неясны требования к реологическим свойствам цементного раствора, подаваемого через сопло. Они должны быть более или менее стабильными в процессе многочасовой работы, несмотря на изменения температуры и влажности. Это актуально для регионов с континентальным климатом, когда температура на стройплощадке может меняться с перепадами до 40°С. Запатентовано порядка 100 сложных составов цементной смеси, в том числе строительно-архитектурными вузами Москвы, Казани, Воронежа, Белгорода, Калининграда.
Одним из действенных приемов управления реологическими свойствами растворов для аддитивной технологии представляется введение суперпластификаторов, обладающих поверхностной активностью на границе твердое тело—жидкость. Переход от связнодисперсной системы к свободнодисперсной под действием пластификатора необходим для перекачки рабочего раствора из питающего бункера к рабочему соплу и последующей экструзии. В этом аспекте цементные растворы («гибридные полидисперсные многофазные системы жидкость—твердое») обязаны обладать специфическим свойством коагуляционных структур — тиксотропией, то есть после снятия технологической нагрузки за малое время должна восстанавливаться структура, что обеспечивает рост пластической прочности.
Во-вторых, важным параметром является адгезия между слоями раствора. Отличительными особенностями 3D-печати является отсутствие как арматурных выпусков, так и виброуплотнения уложенных слоев. Поэтому обеспечение сцепления формуемых слоев бетонной смеси является актуальным (и во многом нерешенным) вопросом. Некоторые исследователи предлагают делать технологические паузы для схватывания перед нанесением свежего экструдата и даже делать укрепляющие прослойки, в том числе металлическими сетками и гелеобразными полимерными препаратами.