572. Современные технологии 3д- печать. Академик Олег Фиговский

Одним из ключевых технологических вызовов современности является необходимость кратного снижения временных затрат на всех циклах создания и изготовления продукции. Изготовление крупногабаритных металлических конструкций традиционными методами требует много времени. В то же время гибридные аддитивные технологии – металлическая производительная 3D-печать в сочетании с последующей механообработкой – способны удовлетворить запрос промышленности на скорость получения готовых изделий, однако они зачастую уступают традиционным технологиям в прочности и пластичности получаемых изделий. Металлическая 3D-печать все шире используется в таких отраслях промышленности, как авиа- и машиностроение, энергетика, медицина и даже ювелирное дело. С ее помощью можно создавать легкие и прочные металлические конструкции сложной формы при значительной экономии материала. В процессе «печати» добавляемый слой материала соединяется с уже сформированным слоем. При этом атомы металла зачастую формируют кристаллы, напоминающие по форме деревья – дендриты, тогда как предпочтительной формой является зерно – многогранная или округлая форма кристалла.
Прочность и пластичность металлических сплавов, произведенных способом металлической 3D-печати, во многом ограничены дендритной структурой кристаллов. Образование подобной структуры удается подавить, используя гибридные технологии аддитивного производства. В исследовании учёные Пермского Политеха чередовали наплавку алюминиево-магниевого сплава с послойными пластическими деформациями (проковкой) посредством ударного воздействия пневмомолотка и обнаружили, что таким образом можно получить равноосную зернистую структуру, — рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры сварочного производства, доктор физико-математических наук Дмитрий Трушников. Важнейшим результатом проведенного исследования является разработанная математическая модель процесса. Она показала, что гибридная технология, сочетающая наплавку и проковку материала, позволяет схлопывать поры, образующиеся при обработке алюминиево-магниевых сплавов. Кроме того, математическая модель позволила существенным образом оптимизировать параметры проковки и заметно повысить характеристики прочности и пластичности материала.
Двигатель – основной источник шума в самолете. Поэтому авиаконструкторы дополняют его обязательным аксессуаром в виде шумо-подавляющих конструкций. Как правило, их изготавливают из полимерного композита. Он представляет собой соединение нескольких разнородных материалов в один новый материал с новым набором свойств. С помощью полимерного композита самолет можно сделать легче, тише и аэродинамичнее. Однако наряду с имеющимися преимуществами изделия из композитных материалов обладают рядом недостатков, один из которых – высокая восприимчивость к образованию и накоплению дефектов между соединенными слоями. Исследователи из Пермского Политеха выяснили, что помочь авиастроению в решении этой проблемы для звукопоглощающих конструкций может технология 3D-печати. В ходе эксперимента команда из ПНИПУ сравнила два образца звукопоглощающих конструкций авиадвигателя. Первый был изготовлен распространенным в авиастроении методом с помощью воздействия давления и температуры из полимерного композита, а второй – из ABS-пластика при помощи аддитивных технологий, более известных как 3D-печать. С целью исследования внутренней структуры изделий из полимерного композита, а также для выявления возникающих технологических дефектов, например, щелей, затекания и вспенивания клея, используются различные методы неразрушающего контроля. Для целей исследования выбрали рентгенографию, поскольку она позволяет получить объемное представление о внутренней структуре образца и его скрытых дефектах, — комментирует ход эксперимента инженер кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем аэрокосмического факультета ПНИПУ Олег Кустов. С помощью рентгена ученым удалось зафиксировать дефекты и деформации образцов, влияющие на качество звукопоглощения. Далее образцы испытывались при высоких уровнях звукового давления – 140 и 150 децибел. Для этого их поместили в акустический интерферометр. Это устройство, смоделированное и изготовленное в 2018 году в лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа (ЛМГШиМА) центра акустических исследований ПНИПУ, генерирует акустическое воздействие при высоких уровнях звукового давления. Результаты эксперимента показали расхождение акустических характеристик образцов. Так, образец, изготовленный при помощи аддитивных технологий, оказался более эффективен в звукопоглощении, чем его оппонент, созданный традиционным промышленным способом. А значит, технология 3D-печати может найти новое применение в авиастроении.
Сегодня инновационная технология 3D-печати применяется в различных сферах: от индустрии развлечений до производства электроники. Однако она все еще имеет целый ряд ограничений, препятствующих ее широкому применению в таких важных областях как медицина или авиастроение. Дело в том, что существующие методы 3D-печати не могут обеспечить достаточную точность и скорость управления процессом, чтобы регулировать температуру сопла. Это приводит к снижению механических свойств печатных изделий, а также к их избыточной деформации. Команда ученых из Пермского Политеха разработала оригинальную конструкцию сопла и индуктора для 3D-печати методом послойного наложения (FDM), которые позволяют решить эти проблемы. После ряда экспериментов и исследований температурных полей в процессе послойной 3D печати, пермским ученым удалось разработать уникальный метод регулирования температуры сопла, который впервые позволит полноценно управлять термическим циклом процесса FDM 3D печати.
«Основное отличие нашего метода заключается в том, что мы использовали индукционный нагрев сопла вместо традиционного. Измерение температуры при этом велось бесконтактным способом», — рассказывает о ходе работы доцент кафедры автоматики и телемеханики, научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «материал-технология-конструкция», кандидат технических наук Игорь Безукладников. Предложенный учеными Пермского Политеха метод регулирования температуры сопла позволяет значительно улучшить качество межслойного слияния и равномерность распределения остаточных напряжений, сократить механические деформации, вызванные неравномерной термоусадкой, и уменьшить задержку управления более чем в шесть раз. Эти усовершенствования сделают доступной печать крупногабаритных объектов со сложной геометрией, в том числе из высокотехнологичных материалов, таких как PEEK (полиэфирэфиркетон), PEI (полиэфиримид), высоко востребованных в протезировании и авиастроении.
Израильская компания начала поставлять в рестораны растительного лосося, напечатанного на 3D-принтере. Компания Plantish надеется изменить пищевую промышленность, в частности то, как мы едим рыбу. Компания надеется, что новая технология, которая уже используется для поставки продукции в рестораны, поможет сохранить популяции рыб. Для своего производства стартап использует растительные компоненты, которые обогащены белками и омега-3 в пропорциях, сопоставимых с настоящей рыбой. Производители отмечают, что их рыба включает все белки и необходимые питательные вещества, но не содержит ртути, микропластика и других загрязняющих веществ, распространенных в океане. Производство лосося — это только первый шаг на пути к модернизации пищевой промышленности, говорят представители компании. В планах у них — создание всех видов рыбы, которая продается и потребляется в виде филе. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, мировое потребление рыбы вырастет со 179 млн тонн в 2018 году до 204 млн тонн в 2030 году. Это изменение окажет существенное влияние на развитие океанов и может создать экологические проблемы при увеличении вылова рыбы. Все началось, когда мы поняли, что наш океан — источник всей жизни на Земле — умирает. Избыточный улов рыбы наносит огромный экологический ущерб нашим океанам, однако спрос на рыбу находится на рекордно высоком уровне и только растет, – представители Plantish в интервью 3D Natives.
Ученые кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» Самарского государственного технического университета (СамГТУ) опробовали технологию восстановления износившихся металлических деталей при помощи прямого лазерного наплавления. Вместо традиционного изготовления модельной оснастки для литья специалисты используют 3D-модель для прямого лазерного нанесения, по которой производится «выращивание» заготовки.
Технология способна сократить цикл изготовления цельной заготовки за счет объединения сборочных частей. Метод позволит сократить срок изготовления до месяца. Об этом сообщили в пресс-службе СамГТУ. «Эта технология – новая для нашей кафедры. В отличие от традиционного литья, она позволяет быстро получить пилотный образец и исследовать его качество. Это особенно актуально для предприятий аэрокосмической отрасли, где зачастую нужны небольшие партии деталей сложной конфигурации и больших габаритов. При помощи лазерного наплавления производство таких деталей возможно в короткие сроки и с меньшими затратами материальных ресурсов и энергии. Кроме того, готовые изделия практически не требуют механической обработки», – рассказал декан факультета машиностроения, металлургии и транспорта Политеха Константин Никитин. Исследователи объясняют технологию 3D-печати следующим образом: из бункера через специальное сопло порошок подается в рабочую зону вместе с инертным газом (аргоном), которые формируют струю порошка. Лазерный луч сплавляет порошковую массу по специальной траектории, которую задает программа. Наслоением наращивается форма заданного изделия. При изготовлении используется порошок состава Ni–Cr–W–Mo.
Первые строительные 3D-принтеры уже начали применяться на практике: в Китае напечатали набережную из бетона, в Штатах — казармы. Американский изобретатель Алекс Белл придумал, как ускорить и упростить этот процесс. Для этого нужны надувные каркасы, внутрь которых заливается раствор. В прошлом Белл уже проявлял свою инженерную смекалку, сконструировав странный велосипед Bellcicle с передним приводом с рулем под сиденьем. Новое его изобретение называется IFFF, что значит надувная гибкая заводская опалубка. Ее коммерциализацией занимается нью-йоркский стартап Automatic Construction. Работает IFFF следующим образом: грузовик привозит на стройплощадку свернутый в рулон из ПВХ, который предстоит наполнить воздухом, как праздничный надувной замок для детей. Затем к стенкам присоединяются шланги, подающие внутрь цементный раствор, который постепенно вытесняет воздух. Застывшие стены, пол и потолок образуют каркас здания, а оболочка из ПВХ служит водонепроницаемым, герметичным и, следовательно, энергосберегающим барьером. Следующий этап — установка окон и дверей, наружная обшивка.
Для фиксации стен опытных образцов, которые проходили испытания до сих пор, применяли арматурные крепления, которые ставили на месте. Однако Белл собирается найти способ устанавливать арматуру, растяжки и прочие крепежные элементы заранее. Что касается скорости возведения здания, то прототипы площадью 9,3 кв. м и 18,6 кв. м были надуты за 10 минут, а бетон заливали еще 1,5 часа. Вместе с работой стоимость сооружения составила $20 долларов за квадратный фут (0,09 кв. м). Это существенно дешевле, чем любой другой метод строительства, заявил Белл в интервью изданию New Altas. Дома, построенные по методу Белла, уже возводят в штате Нью-Йорк, еще два проекта находятся на стадии обсуждения. Помимо домов, торговых точек и прочей строительной инфраструктуры IFFF позволяет быстро строить плавательные бассейны и военные сооружения. Первые строительные 3D-принтеры уже начали применяться на практике: в Китае напечатали набережную из бетона, в Штатах — казармы. Американский изобретатель Алекс Белл придумал, как ускорить и упростить этот процесс. Для этого нужны надувные каркасы, внутрь которых заливается раствор.
В прошлом Белл уже проявлял свою инженерную смекалку, сконструировав странный велосипед Bellcicle с передним приводом с рулем под сиденьем. Новое его изобретение называется IFFF, что значит надувная гибкая заводская опалубка. Ее коммерциализацией занимается нью-йоркский стартап Automatic Construction. Работает IFFF следующим образом: грузовик привозит на стройплощадку свернутый в рулон из ПВХ, который предстоит наполнить воздухом, как праздничный надувной замок для детей. Затем к стенкам присоединяются шланги, подающие внутрь цементный раствор, который постепенно вытесняет воздух. Застывшие стены, пол и потолок образуют каркас здания, а оболочка из ПВХ служит водонепроницаемым, герметичным и, следовательно, энергосберегающим барьером. Следующий этап — установка окон и дверей, наружная обшивка.
Для фиксации стен опытных образцов, которые проходили испытания до сих пор, применяли арматурные крепления, которые ставили на месте. Однако Белл собирается найти способ устанавливать арматуру, растяжки и прочие крепежные элементы заранее. Что касается скорости возведения здания, то прототипы площадью 9,3 кв. м и 18,6 кв. м были надуты за 10 минут, а бетон заливали еще 1,5 часа. Вместе с работой стоимость сооружения составила $20 долларов за квадратный фут (0,09 кв. м). Это существенно дешевле, чем любой другой метод строительства, заявил Белл в интервью изданию New Altas. Дома, построенные по методу Белла, уже возводят в штате Нью-Йорк, еще два проекта находятся на стадии обсуждения. Помимо домов, торговых точек и прочей строительной инфраструктуры IFFF позволяет быстро строить плавательные бассейны и военные сооружения.
Инженеры из четырех стран разработали систему 3D-печати из двух дронов, выполняющих разные функции: один из них отвечает за саму печать, а второй следит за тем, чтобы напечатанный предмет совпадал с планом. Традиционный 3D-принтер имеет фундаментальное ограничение: у него есть рабочая область печати, и выйти за ее пределы в общем случае не получится. Хотя, есть способы обойти это ограничение и строительные принтеры с рабочей зоной размером в несколько метров по каждой стороне. Есть и другой подход: можно установить печатающую головку на подвижную платформу и таким образом задавать рабочую зону в процессе печати, а не в момент сборки принтера. Ранее для этого предлагали использовать роботов на мобильных платформах, в том числе и для работы в паре, где каждый отвечает за свою половину.
Инженеры из Великобритании, Германии, США и Швейцарии под руководством Мирко Ковача (Mirco Kovac) из Лондонского имперского колледжа предложили другой принцип — использовать два дрона, причем дать им разные роли. Также использование дронов позволяет печатать структуры в местах, недоступных для наземных роботов. Главный дрон авторы назвали BuilDrone. Он имеет большую грузоподъемность и на нем установлена печатающая головка, причем инженеры создали два вида: зафиксированную головку и закрепленную на дельта-манипуляторе. Второй вариант позволяет компенсировать колебания дрона, двигая сопло во время печати, чтобы оно сохраняло стабильное положение относительно печатаемой конструкции.
Дроны меняются местами после каждого напечатанного слоя. Второй дрон, получивший название ScanDrone, летает над местом печати и сканирует напечатанные слои с помощью камеры глубины. Это позволяет адаптировать высоту следующего слоя и проверять, соответствует ли реально напечатанное исходной 3D-модели. Во время экспериментов дроны напечатали конструкции из разных материалов. В том числе двухметровую башню из полимерной пены, состоящую из 72 слоев, а также 18-сантиметровый цилиндр из 28 слоев цемента. Без дельта-манипулятора точность печати (медианное значение ошибки) при скорости 5 сантиметров в секунду составляет 1,2 сантиметра, а при его использовании она возрастает до 0,6 сантиметра. А если снизить скорость до одного сантиметра в секунду, точность возрастает до 0,4 и 0,1 сантиметра соответственно.
Исследователи представили технологию печати, которую можно использовать даже на Марсе. Это уменьшит стоимость полетов в космос. Исследователи доказали, что марсианский грунт может служить материалом для 3D-печати — это означает, что его можно использовать для производства предметов на Красной планете. Ученые использовали смоделированный измельченный марсианский реголит, чтобы показать его возможности в качестве материала для 3D-печати. «В космосе 3D-печать — это важная часть пилотируемой миссии, потому что мы не сможем взять с собой все необходимое. А если мы что-то забудем, мы не сможем вернуться за этим», — отмечают ученые. Помимо решения логистических проблем, производство на Марсе позволит снизить затраты. Например, на космическом аппарате каждый килограмм полезного груза, переправляемого на низкую околоземную орбиту, обходится НАСА в $54 000. Среднее расстояние между Землей и Марсом составляет 225 млн км, поэтому доставка грузов на Красную планету обойдется дороже, чем доставка грузов на Международную космическую станцию (МКС) на низкой околоземной орбите.
В большинстве тестов 3D-печати исследователи смешивали разные количества имитируемого марсианского реголита с титановым сплавом. Они также попытались сделать материал для 3D-печати из чистого имитированного реголита. Они нагрели сухие ингредиенты до 2 000°C, а затем залили расплавленный материал в 3D-принтер, чтобы придать материалу разные формы и размеры. Исследователи проверили каждый объект на прочность и долговечность. Команда обнаружила, что смесь, содержащая 5% реголита, была тверже и прочнее, чем титановый сплав. Чистый реголит растрескался при охлаждении после печати, но команда предположила, что его можно использовать для покрытия радиационных щитов, на которые трещины не повлияют.
Стартап Azure Printed Homes намерен демократизировать цены на недвижимость в самом дорогом регионе США — штате Калифорния. Для этого компания разработала новую методику строительства одноэтажных домов. Azure применяет 3D-принтеры, которые печатают модульные оболочки из переработанного пластика. Используя 100 тыс. обычных бутылок, стартап может построить дом-студию за $40 тыс. Для сравнения: аналогичный по размеру коттедж в Лос-Анджелесе сейчас стоит не менее $150 тыс., сообщает Fast Company. Подход Azure Printed Homes напоминает работу другого американского стартапа — Icon, который также занимается 3D-печатью жилых домов. Но, в отличие от конкурента, Azure уделяет значительную часть внимания экологии. Поэтому вместо бетона и дорогостоящих материалов разработчик полагается на пластиковые отходы. Таким образом, утверждают в компании, Azure совершает два полезных дела — стимулирует развитие рынка доступного жилья, а также заботится об окружающей среде, перерабатывая мусор. На строительство одного дома у Azure уходит три дня, сообщает Fast Company. В первый день компания запускает роботизированный принтер у себя на фабрике в Калвер-Сити, недалеко от аэропорта Лос-Анджелеса. Принтер печатает из переработанного пластика модульную оболочку — цельный блок, включающий пол, крышу и две стены. В этом процессе 3D-принтер формирует структуру будущего дома — в зависимости от требований заказчика, дом может быть квадратным или вытянутым, а также немного больше или меньше в рамках вилки размеров. Во второй день сотрудники Azure там же на фабрике прокладывают электропроводку, коммуникации под воду и канализацию, заканчивают подготовительные работы. Одновременно изготавливаются другие части дома, такие, как окна и двери. Затем все части дома погружаются на грузовики и доставляются клиенту на место установки дома. За несколько часов рабочие устанавливают дом на фундамент и подключают его к коммунальным сетям. К вечеру заказчик получает ключи и может заносить мебель.
По словам Росса Магуайра, соучредителя Azure Printed Homes, стартап намеренно не стал заниматься строительством домов на месте. И 3D-печать, и сборка на фабрике работают быстрее, а также сокращают трудозатраты, что в конечном итоге позволяет снизить стоимость самих домов. Кроме того, работа в рамках одного завода упростила подготовку строительных материалов — Azure заключил несколько контрактов с компаниями, которые теперь регулярно поставляют на предприятие пластиковые бутылки и другие полезные компоненты. Самый доступный дом Azure, представленный в виде квартиры-студии с небольшой кухней и ванной, сейчас стоит $39,9 тыс. Как и в случае с другими загородными коттеджами, в эту сумму не входят фундамент, доставка, подключение к инженерным сетям и другие расходы. С ними окончательная стоимость дома вырастает на 25–30%, но, по заверениями стартапа, это все еще значительно дешевле традиционного жилья. Сейчас Azure работает над первым коммерческим проектом — стартап объединился с местным застройщиком, чтобы напечатать небольшую группу домов в одном из пригородов Лос-Анджелеса.
Достижения в области аддитивного производства видны повсюду. Инновации являются неотъемлемой частью аддитивного производства. Эта отрасль не только является одной из самых быстрорастущих с большим количеством стартапов среди секторов производственных технологий, но и охватывает все рынки – от аэрокосмической промышленности и здравоохранения до строительства и потребительских товаров. Компании, о которых пойдет речь ниже, разработали новые подходы к созданию продуктов. Они разрушают традиционные производственные рынки, дают возможность другим компаниям строить лучше и производить больше, внедряют собственные инновации. Разработки этих компаний помогают совместить дальновидный дизайн и промышленную реальность, будь то единственный в своем роде ракетный двигатель или дом по соседству. Они полны идей и знаний о том, как аддитивное производство может улучшить на вашу компанию, вашу отрасль и общество в целом.
Первая инновация не в 3D-принтере, а скорее в том, что он печатает. Проект «House Zero» 2022 года – 3D-печатный дом в Остине, штат Техас. По мнению строительной компании ICON, которая его построила, House Zero станет совершенно новым устойчиво развивающимся типов домов. Он энергоэффективен, такое строительство занимает меньше времени, труда и затрат, чем традиционное. Дом имеет конструкцию стен, которая обеспечивает теплоизоляцию и устойчивость к экстремальным погодным условиям, таким как ураганы. Кроме того, он красивый и удобный, что доказывает, что 3D-печатные дома не являются компромиссом между дизайном и функциональностью. Компания ICON основана в 2017 году и находится в Техасе. ICON ставит перед собой смелую задачу произвести революцию в домостроении. Используя строительный 3D-принтер под названием Vulcan и бетоноподобный материал собственной разработки под названием Lavacrete, компания построила дома для малоимущих сообществ по всему миру, казармы для военных, спроектировала потенциальные места обитания на Марсе и вышла на основной рынок жилья с целью показать, как наши дома могут быть построены быстрее, безопаснее и устойчивее.
Relativity Space создала фабрику Stargate Factory of the Future, открыть которую планирует к 2022 году. Компания вертикально интегрирует робототехнику, программное обеспечение и запатентованные технологии 3D–печати для оцифровки производства многоразовых ракет и двигателей. В дополнение к 3D-принтерам Stargate, которые являются крупнейшими в мире, на заводе также разместятся металлургическая лаборатория, механический цех и центр управления полетами, предназначенные для запуска 3D-печатных ракет в космос. Разрабатывая Фабрику будущего и производство ракет, Relativity расширяет возможности по улучшению дизайна, производства, качества и скорости. Relativity Space – калифорнийская аэрокосмическая производственная компания, основанная в 2015 году с целью разработки технологий аддитивного производства, ракет-носителей и ракетных двигателей для коммерческих орбитальных запусков. Используя гигантский запатентованный 3D-принтер Stargate, компания производит полностью многоразовые ракеты всего за 60 дней в то время, как традиционные аэрокосмические компании делают это годами. Первый испытательный запуск ракеты Terran 1 запланирован на 2022 год.
Компания Axial3D основана в 2014 году и базируется в Белфасте. Компания стремится внести свой вклад в область хирургии с помощью развития технологии 3D-сканирования и 3D-печати моделей, адаптированных к конкретным пациентам. Это делает диагностику и лечение более точными и индивидуальными. Axial 3D предлагает свой портал и 3D-печать в качестве услуги медицинским работникам по всему миру. В начале 2022 года компания Fluicell выпустила 3D-биопринтер Biopixlar AER, печатающий поклеточно детализированные биологические ткани с высокой точностью. Это первый в мире микрожидкостный высокоточный биопринтер, достаточно компактный, чтобы поместиться внутри стандартного шкафа биобезопасности. Его появление расширяет возможности технологии для новых сегментов потребителей в быстро развивающемся секторе биологических наук, фармакологических и медицинских исследований. Сочетание компактности, простоты использования, дистанционного управления, фирменного программного обеспечения и портативности делает его достаточно гибким для широкого спектра применений, начиная от аэрокосмической промышленности и заканчивая глубоководными исследованиями.
Компания Fluicell основана в Швеции в 2012 году как дочернее предприятие Технологического университета Чалмерса и является государственной биотехнологической компанией, специализирующейся на 3D-биопечати с высоким разрешением и одноклеточной биологии. Компания является пионером в области 3D-микрофлюидики открытого объема для обработки и изучения эффекта лекарств в отдельных клетках с уникальным уровнем детализации. Также Fluicell разрабатывает передовые терапевтические препараты на основе биокомпозитов для трансплантации, напечатанных на Biopixlar. Компания работает в трех терапевтических областях, где основной причиной заболевания является повреждение тканей.
Калифорнийская компания Velo3D занимается технологией 3D-печати металлом и предлагает запатентованную систему Sapphire. Sapphire – это новый способ проектирования и производства продуктов для аэрокосмической, энергетической и других важнейших отраслей промышленности. В 2022 году компания добавила поддержку 3D-печати медью и расширила свое присутствие в Европе. Sapphire — это не просто металлический 3D-принтер, это комплексное производственное решение, включающее программное обеспечение и функции контроля качества. Появление подобных продуктов подталкивает такие компании, как SpaceX, Launcher, Honeywell и Honda, переосмыслить производство своих металлических компонентов и преодолеть ограничения традиционного производства. Velo3D основана в 2014 году. Компания предлагает решение для 3D-печати металлом, которое открывает широкие возможности для дизайна и позволяет заказчикам создавать невозможные ранее металлические изделия. Комплексное решение обеспечивает такое аддитивное производство, при котором возможно реализовать космические амбиции человечества, сделать реальностью экономичный сверхзвуковой полет и вывести энергетический и производственный сектор на новый уровень эффективности и масштабируемости.
Nexa3D расширит свой ассортимент оборудования, выпустив на рынок два 3D-принтера в 2022 году и чуть позже третий (порошковый QLS 820). Эти машины значительно расширяют доступ производственного сектора к высокоскоростной 3D-печати. Запатентованная компанией технология фотоотверждения с использованием смазывающего слоя (LSPc) является ключевой особенностью 3D-принтеров NXE 200 и настольного XiP со скоростью печати до 18 см в час. Благодаря этим быстрым машинам, дизайнеры, инженеры и производители получают доступ к точным и доступным решениям для создания прототипов и производства, могут создавать инновационные продукты. Nexa3D – калифорнийский производитель сверхбыстрых 3D-принтеров для промышленного применения. Nexa3D ставит целью устойчивую оцифровку мировой цепочки поставок с помощью самых быстрых промышленных полимерных 3D-принтеров, доступных для профессионалов и предприятий любого размера. Новаторская технология компании разрушает традиционные барьеры производительности и открывает новые возможности, выходя за пределы сложившегося рынка литья под давлением.
Производитель 3D-принтеров, материалов и программного обеспечения Formlabs в 2022 году совершенствует свои, уже лидирующие на рынке полимерные принтеры Form 3 и 3B. Новые Form 3+ и Form 3B+ работают на 40% быстрее, чем предыдущие модели, благодаря разработкам программного обеспечения, лазерам более высокой интенсивности и новым запатентованным настройкам материалов. Компания сделала инновации обратно применимыми, поэтому владельцы предыдущих моделей могут добиться такой же эффективности без покупки новой машины. В 2022 году компания также выпустила смолу для электростатического разряда, один из единственных в отрасли материалов для рассеивания статического электричества, который значительно расширяет возможности применения 3D-печати смолой в электронике. Formlabs была основана в 2011 году и находится в Массачусетсе. Компания ставит своей целью расширение доступа к цифровому производству, «чтобы каждый мог сделать, что угодно». Formlabs — это профессиональные 3D-принтеры, который выбирают инженеры, дизайнеры, производители и лица, принимающие решения по всему миру, обеспечивающие предприятиям завтрашнего дня гибкость и универсальность. Formlabs также разрабатывает собственные высокоэффективные материалы, расширяющие границы 3D-печати, а также программное обеспечение.
Британская компания WAAM3D была основана в 2018 году и выросла из исследований, проводимых в Крэнфилдском университете. Компания стремится предложить экономически обоснованный способ 3D-печати массивных, сложных металлических конструкций на совершенно новых скоростях с меньшим количеством отходов, бросая тем самым вызов традиционным процессам, таким как субтрактивное производство и литье металла. Технология VLM (производство вязкой литографии) от BCN3D еще не продается, но уже считается значительным шагом в области 3D-печати смолами. Запатентованный способ 3D-печати на основе литографии позволяет наносить тонкие слои высоковязких смол на прозрачную пленку, получать высококачественные детали очень быстро, доступным и масштабируемым способом. Отличительным достижением VLM является возможность создавать совершенно новые категории полимерных материалов и создавать детали из нескольких материалов. VLM дает инженерам-материаловедам свободу в разработке смол и модификаторов для достижения новых термических и механических свойств.
Испанская компания BCN3D Technologies основана в 2019 году и начинала как подразделение Политехнического университета Каталонии. BCN3D ставит своей целью предоставить надежные, универсальные и производительные 3D-принтеры и передовые производственные материалы. За последние 12 месяцев Raise3D представила четыре новых 3D-принтера (RMF500, MetalFuse, серия Pro3, E2CF). Компания делает 3D-печать более демократичной, разрабатывая доступные и простые в использовании, отвечающие современным требованиям к качеству, решения. Опираясь на свой опыт в области технологии 3D-печати FDM и запросы клиентов, Raise3D расширила ассортимент 3D-принтерами, печатающими из высокопроизводительных материалов инженерного класса, углеродного волокна и металлических нитей. Raise3D также представила интеллектуального помощника для своей последней линейки Pro3 под названием EVE, который предлагает решения для возникающим проблем при печати. Цифровой помощник помогает пользователям диагностировать и устранять проблемы, которые могут повлиять на качество печати, а также анализирует систему и отправляет пользователям напоминания о необходимости обслуживания принтера.
Калифорнийская компания Raise3D была основана в 2014 году и занимается разработкой и производством 3D-принтеров и решений для аддитивного производства для предприятий всех размеров. Линейка настольных и промышленных 3D-принтеров охватывает широкий спектр материалов (полимеры, композиты и металл) и много областей применения.
Американская компания Alquist 3D анонсировала крупнейший проект быстрого строительства бюджетного жилья. Разработчик объявил, что возведет в двух городках штата Вирджиния 200 домов с помощью своего запатентованного 3D-принтера. Согласно уже одобренному плану, кварталы будут сданы в течение пяти лет и примут первых жильцов к 2027 году, сообщает ZME Science. Alquist 3D — это технологический стартап, основанный в Айове в 2020 году. В основе проектов компании лежит крупногабаритная установка, печатающая фундамент и стены для частных домов. Используя один 3D-принтер, можно возвести основу для будущего здания в течение всего 12 часов. Все, что потребуется затем от работников-людей, — установить крышу, окна, двери и мебель, а также подключить коммуникации. Таким образом компания демократизирует загородную недвижимость и решает проблему нехватки жилья в США.
В рамках Project Virginia компания будет строить доступные дома для людей, которые живут в отдаленных районах США. Для строительства 200 домов Alquist 3D выбрала два округа — Пьюласки и Роанок — объяснив свое решение растущим спросом на недорогие дома на фоне пандемии. В компании считают, что дешевое жилье на базе 3D-печати не только удовлетворит потребности местных жителей, но и привлечет новых жильцов из других штатов. За последние шесть месяцев покупка дома в США стала на 50% дороже. Фиксированные ставки по ипотечным кредитам на 30 лет и средняя цена покупки жилья являются самыми высокими с 2008 года. Очевидно, это тревожная тенденция для всех, кто живет в арендном жилье и копил на собственный дом. Для них напечатанные дома, которые обходятся минимум на 15% дешевле возводимых традиционными методами, может быть хорошим выходом из ситуации.
По части строительства Alquist 3D полагается на своего партнера — Black Buffalo, производителя промышленных 3D-принтеров из Нью-Йорка. Станция Nexcon весом более 17 тонн, используемая в Project Virginia, будет печатать одноэтажные, двухэтажные и трехэтажные дома разной площади, после чего компания будет меблировать их в партнерстве с несколькими студиями дизайна. Ранее в этом году Alquist 3D анонсировала другой проект. Компания заключила соглашение с некоммерческой организацией Habitat for Humanity, и начала печатать дома, предназначенные для малоимущих семей.
На Ваганьковском кладбище в Москве установили памятник из бетона, напечатанный на строительном 3D-принтере, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1. 3D-печать в основном используется для прототипирования и создания деталей механизмов, которые дороже или сложнее производить обычными методами. Но также есть и строительные проекты, в которых основа здания или конструкции создается на 3D-принтере. Например, рассказывали о том, как 3D-печать позволила создать 16-метровый мост в Италии и о мобильной системе 3D-печати, в которой роботы подъезжают на нужное место и одновременно возводят из бетона разные части стены.
Компания 3D4Art создала с помощью 3D-принтера надгробный памятник, который установили на Ваганьковском кладбище. Он состоит из нескольких десятков блоков, напечатанных из бетона на российском строительном 3D-принтере производства «Спецавиа». После печати блоки собрали в единую конструкцию с общей массой в две тонны. Размер памятника составляет 3 метра в длину, 2 в ширину и 1,8 в высоту. Памятник установлен на могиле Арнольда Кайе, который большую часть жизни проработал в театре художником по свету, поэтому памятник выполнен в виде сцены с прожекторами на двух колоннах. Компания отмечает, что стоимость памятника составила 300 тысяч рублей, а процесс изготовления занял менее месяца.
Дамба Янцюй на Тибетском нагорье будет строиться слой за слоем. С помощью искусственного интеллекта проект возведения ГЭС превратится в самый большой в мире 3D-принтер. В строительстве станции высотой 180 метров будут задействованы автономные экскаваторы, грузовики, бульдозеры, бетоноукладчики и катки. Если этот амбициозный проект будет завершен, то дамба Янцюй станет самым высоким объектом, построенным при помощи аддитивных технологий. Нынешний рекорд удерживает двухэтажное здание в Дубае высотой шесть метров. Руководить строительством ГЭС будут не люди, а искусственный интеллект. Как только доставят материалы, за дело возьмется беспилотная техника, оснащенная датчиками: погрузит, развезет и установит первый слой. Затем передаст информацию в центральный узел, сообщает SCMP.
ИИ и парк роботов-строителей помогут свести на нет человеческий фактор и вероятность ошибки операторов — все элементы конструкции будут лежать строго на отведенных им местах, заявили в Университете Цинхуа, где и был разработан этот проект. Кроме того, можно будет не беспокоиться о травмах на производстве. По предварительным подсчетам, новая ГЭС обеспечит жителей Китая пятью миллиардами киловатт-часов ежегодно. Если опыт окажется успешным, такой метод станет примером для других проектов, например, для дорожного строительства.
Технология 3D-печати зародилась еще в 80-х годах 20-го века, а вот строительная 3D-печать появилась гораздо позже. Самые первые строительные проекты с использованием этой технологии появились только в 2014 году. Речь идет, прежде всего, о так называемых малых архитектурных формах (скамейки, клумбы, заборы). Но уже в 2015 году российский стартап Apis Cor произвел фурор – напечатал целый дом в Подмосковье. Строительство – это мировой рынок номер один. И, если в сфере многоэтажного строительства внедряется много технологических инноваций, то в сфере малоэтажного мало что изменилось за последние десятилетия. 2020 год стал испытанием на прочность для всего мира, а также привел к высочайшему уровню инфляции, которая, в первую очередь, ударила по строительному рынку, произошло драматическое изменение цен на металлы, цемент, древесину и многое другое.
За последние 30 лет появился доступный интернет, мобильные телефоны, мобильный интернет, робототехника поднялась на новый уровень и т.д., но, попав на стройку дома, вы вряд ли обнаружите много технологических новинок. Автоматизация практически отсутствует, а ручной труд превалирует. 2020 год стал испытанием на прочность для всего мира, а также привел к высочайшему уровню инфляции, которая, в первую очередь, ударила по строительному рынку, произошло драматическое изменение цен на металлы, цемент, древесину и многое другое. Произошло серьезное удорожание стоимости стройматериалов всего лишь за год. И процесс еще идет. Одновременно происходит серьезное удорожание стоимости рабочей силы, и наблюдается ее острый дефицит. Все это приводит к резкому удорожанию стоимости строительства домов. Как бы странно не звучало, но статистика показывает, что рост автоматизации происходит не тогда, когда всё хорошо, а именно в кризисных ситуациях, во время обострения конкуренции, снижении спроса и необходимости срочно искать новые технологии для повышения эффективности производства. Так случилось и в этот раз, и после некоторого прозябания строительная 3D-печать получила новый импульс развития.

Компания Arkon была создана в 2020 году и занимается производством строительных 3D-принтеров, причем как цехового типа для создания префабов (сборных домов), так и портального, способного напечатать двухэтажный дом, в
2020 – 2022 гг. стало понятно, что гипотезы эффективности строительной 3D-печати оправдываются (дешевле, быстрее, экологичнее), и в отрасль начались крупные вложения. Яркий пример: инвестиция GE (французское подразделение General Electric) в датский COBOD или достижение капитализации в $2 млрд американской компанией ICON. В 2022 – 2023 гг. в мире будет напечатано уже свыше 1000 зданий, происходит масштабирование от отдельных зданий/пилотных проектов до целых поселков и крупных внедрений в области инфраструктуры / ЖБИ. Кроме того, в ряде стран к настоящему моменту создана или активно создается нормативная база для внедрения аддитивных технологий в строительную отрасль. .
По данным отчета Research & market, мировой рынок строительной 3D-печати в 2022 году оценивается в 354.3 млн долларов США, и, по прогнозам, достигнет 11068.1 млн долларов США к 2027 году, увеличившись на 99,04%.
Различные рыночные процессы влияют на цены и поведение участников глобального рынка строительной 3D-печати. Они создают ценовые сигналы, которые являются результатом изменений в кривых спроса и предложения на продукт или услугу. Они могут быть связаны как с макроэкономическими, так и с микроэкономическими факторами. Даже человеческие эмоции также могут определять решения, влиять на рынок и создавать ценовые сигналы.

Не углубляясь сильно в технологию, можно сказать, что строительные 3D-принтеры очень похожи на классические FDM/FFF принтеры, печатающие пластиком, только вместо пластика в качестве материала здесь выступает цементная смесь, которая подается напрямую в сопло и формирует объект путем послойного наложения. Принтеры также бывают портальными, на базе вылетной стрелы, с роборукой. Окончательно все изменилось, когда летом 2021 года американская компания ICON, пытавшаяся внедрить 3D-печать в строительство разных вспомогательных объектов, подписала контракт с одним из крупнейших американских девелоперов – компанией Lennar, на строительство поселка на 100 домов в Техасе и тут же стала единорогом, получив 200 млн. долларов инвестиций от нескольких инвестиционных фондов.

Мало что объединяет развитые, развивающиеся и бедные страны, везде свои проблемы и задачи, но нехватка доступного жилья является общемировой повесткой. Если в бедных странах остро стоит вопрос с ростом количества бездомных из-за нехватки жилья, как такового, то в развивающихся странах необходимо резко ускорить количество возводимого нового жилья для удовлетворения потребностей растущего населения. В развитых же странах проблема, прежде всего, в стоимости жилья, которое подорожало до такой степени, что стало практически недоступным для молодежи. А с одновременным увеличением в этих странах продолжительности жизни эта проблема только усугубляется.
Параллельно развивается тренд на «зеленую повестку», снижение выбросов CO2, строительство из более экологичных материалов и т.д. Но, к сожалению, пока что строительная отрасль является абсолютным лидером по выбросам CO2, а также по количеству мусора, который оставляет после себя каждая стройка. Нельзя сказать, что строительная 3D-печать решает все эти проблемы, но, как минимум, она идет в правильном направлении.

На сегодняшний день, когда мы говорим о 3D-печати домов, речь идет о печати стен. Все остальное (фундамент, окна, двери, перекрытия и крыша) делаются традиционным способом. 3D-печатные стены возводятся как несъемная опалубка, что существенно экономит количество используемого цемента, а это, в свою очередь, снижает стоимость постройки и уменьшает экологический ущерб при производстве цемента. Кроме того, при этом способе возведения не производится никаких дополнительных отходов, прочность конструкции не страдает. Ее можно армировать, как это показано на фото слева, и сразу закладывать инженерные коммуникации, как показано на фото справа, что также влияет на конечную скорость возведения объекта. Общий вес конструкции при этом снижается, оставшиеся полости можно заполнять легким пенобетоном, утеплителем, соломой или любым другим доступным материалом. Такая облегченная конструкция может использовать более легкий фундамент. Сам способ возведения является более экономичным с точки зрения материала, а следовательно, и экологичным.
Сейчас активно ведутся разработки экобетона с добавлением полимеров, при производстве которого выбросы CO2 меньше от 30% до 100%. Упоминаемая в начале статьи компания Apis Cor, строившая в 2015 году дом в Подмосковье, ныне базирующаяся в жаркой Флориде, планирует начать использовать этот материал в своих проектах.

Еще один стартап, родом из России, – Mighty Buildings со штаб-квартирой в Калифорнии, изначально сделал ставку на полимер с добавлением минеральной крошки. И, хотя компания не строит дома целиком, а делает только стеновые панели, она получила множество наград за дизайн, а также оценку в 400 миллионов долларов в ходе привлечения нескольких инвестиционных раундов.

В итоге, при грубом подсчете можно сказать, что суммарная экономия на строительстве стен может достигать 30%, а общая стоимость дома может быть снижена на 10%. Это справедливо для спроектированных под обычное строительство домов. А если изначально проектировать с 3D-печатью, можно улучшить это соотношение за счет оптимизации прокладки коммуникаций, возможности сразу печатать внутренние стены, закладки ниш для ванных, каминов, встроенных шкафов и кухни, как это было сделано в доме, построенным COBOD в Германии. Строительная 3D-печать может пригодиться не только для возведения домов. С ее помощью можно решить много других задач/ Например, американский концерн GE использует принтеры COBOD для строительства опор для ветряных генераторов в цеху. Ребристость поверхности и температурные ограничения в данном случае не играют никакой роли. Строительство идет в цеху, после чего объект перевозится на место установки.

В 2022 году в нескольких регионах России планируют напечатать дома с помощью 3D-принтеров. “С 2014 года мы продали больше 220 принтеров в 15 стран мира, – рассказал “РГ” гендиректор компании “АМТ” Александр Маслов. – Напечатанные на наших принтерах дома есть в Ярославле, Уфе, Екатеринбурге, Копенгагене. Строительство с помощью 3D-принтера хотят освоить и в Магнитогорске. Это будет совместный проект ММК и Магнитогорского технического университета. Первый образец собираются напечатать этим летом. Чуть раньше подобный дом может появиться в Ставрополе. Директор компании “СмартБилд” Дмитрий Прохоренко рассказал “РГ”, что возведение двух жилых домов по 160 квадратов начнут в апреле. “Сначала обычным способом заливается фундамент, затем вокруг него устанавливается принтер, который печатает одновременно стены и межкомнатные перегородки из единого материала. Дальше классическая отделка”, – пояснил Прохоренко.
Возводятся напечатанные дома быстрее и дешевле. “100 квадратов печатаем за двое суток, – рассказал гендиректор Totalkustom Андрей Руденко. – Это стены. В это же время закладываем коммуникации”. По словам Александра Маслова, в сравнении с традиционным монолитным домом напечатанные стены обходятся дешевле на 30 процентов, а все строение – на 8-12 процентов. При массовой застройке себестоимость квадратного метра составляет 22-25 тысяч рублей. Сейчас 3D-принтеры используются для строительства частных одно- или двухэтажных домов. Площадь самого большого в мире напечатанного строения – 641 квадратный метр. Оно находится в Дубае. О многоэтажках речь пока не идет, хотя самый большой разработанный в России принтер в базовой комплектации уже позволяет построить здание в 5 этажей.