Принтер, который смог
Текст: Татьяна Петухова | 2017-07-20 | 1987
Технологии 3D-печати достаточно быстро проникли во многие сферы нашей жизни. Не обошли они стороной и строительную отрасль, ведь идея не построить дом, а просто взять и напечатать его, очень заманчива. Тем не менее в широкое применение аддитивных технологий в строительстве мало кто верил, прекрасно понимая, что принтер, способный печатать целые дома, должен иметь гигантские размеры. Единственным, кто попытался посмотреть на эту проблему с другой стороны, в прямом смысле вывернув её наизнанку, оказался Никита Чен-юн-тай. Его, на первый взгляд, простая мысль о том, что дома нужно печатать не снаружи, а изнутри, сегодня вполне способна совершить самую настоящую строительную революцию. Принтер, в котором эта идея нашла своё воплощение, уже создан, и не так давно в России с его помощью был напечатан первый демонстрационный жилой дом. Об особенностях и перспективах использования технологии нам рассказал сам её разработчик – основатель компании Apis Cor Никита Чен-юн-тай.

– Бывают такие идеи, впервые узнав о которых, ты думаешь: «Ну почему это придумал не я?» Эти идеи обычно настолько логичны и естественны, что ты просто не понимаешь, почему до них никто не додумался раньше. И что самое интересное, прийти к этим самым логичным решениям чаще всего удаётся только очень неординарным людям. Случай с твоей идеей, мне кажется, как раз из этой серии. Как ты всё-таки до неё дошёл?

С самого детства я увлекался робототехникой. Чуть позже это переросло в профессиональную деятельность по сборке фрезерных и плазморежущих станков с ЧПУ. И поскольку мне всегда хотелось что-нибудь автоматизировать и оптимизировать, в какой-то момент я задумался, где бы ещё я смог это сделать. Я заметил, что, наверное, самая неоптимизированная индустрия – это строительство. За последнее время здесь не происходило никаких существенных изменений. Да, появлялись новые материалы, новые технологии, но революционных сдвигов в строительстве не было.

В тот момент, когда я задумался о возможности привнести в строительную индустрию что-то новое, уже активно обсуждалось перенесение туда технологий 3D-печати. Маленькие принтеры, печатающие пластиком методом наслоения, были уже всем знакомы, и люди, которые хотели применить технологию в строительстве, просто решили сделать их больше, чтобы можно было печатать очень крупные объекты, такие как дома. Собственно, в этом направлении технологии тогда и двигались.

У меня был достаточно большой опыт работы с портальными конструкциями (а таковыми были все созданные на тот момент строительные 3D-принтеры), и я прекрасно понимал ограничения этого оборудования. Помимо гигантских размеров, строительные 3D-принтеры, которые имеют портальную конструкцию, прецизионны и предъявляют очень серьёзные требования к поверхности, на которую их можно устанавливать. А это сразу ограничивает вопрос мобильности такого оборудования. Гораздо рентабельнее подобную конструкцию установить один раз на заводе на тщательно выверенном, ровном полу и печатать с её помощью отдельные крупные элементы – стены здания, скамейки и тому подобное. Затем везти их на то место, где должен стоять будущий дом, и там собирать воедино.

Строительные 3D-принтеры портального типа перемещаются по рельсовым направляющим, которые требуют для установки ровной поверхности. Поэтому пусконаладка такого принтера на месте строительства может занять до 3-х недель. При этом размеры принтера должны превышать габариты зданий, которые будут строить с его помощью. Так, к примеру, строительный 3D-принтер WinSun, разработанный в китайской компании Shanghai WinSun имеет размер 150х10 метров в длину и ширину соответственно.  

Некоторое время назад очень широко была растиражирована новость о том, что в Китае с помощью 3D-принтера была напечатана целая пятиэтажка. Но говорить так не корректно, поскольку всё было сделано именно в той последовательности, которую я только что описал – на заводе напечатали панели, а потом в другом месте из них собрали дом. Такой подход практически не отличается от технологий панельного строительства, и говорить о том, что дом был напечатан целиком, нельзя. Инновация заключалась только в том, что сами эти панели делались быстрее и дешевле, но вам их всё равно приходилось везти на место и там монтировать. А это те же рабочие, те же погрузо-разгрузочные работы, тот же транспорт – всё то же самое, что и в обычном строительстве.

Поэтому я начал думать о том, как сделать принтер, у которого не было бы ограничений по мобильности и по размеру печатаемого здания. То есть принтер, который можно взять, привезти на любое место и там, где вы хотите видеть свой дом, сразу же целиком его отпечатать. Причём в автоматическом режиме, без вмешательства человека.

Отталкиваясь от этого, я пришёл к мысли, что конструкция принтера должна быть абсолютно другой. Собственно, так и родилась идея строительного 3D-принтера в виде башенного крана, который печатает дом изнутри.

В 3D-принтере, разработанном компанией Apis Cor устранены недостатки, характерные для принтеров портального типа.  

– То есть ключевым моментом в данном случае является именно идея, потому что каких-то технических проблем с тем, чтобы сделать такой принтер, в общем-то и не было?

Да, но и сама конструкция принтера при этом тоже была совершенно новой. Она позволяет кардинально изменить сам подход к строительной 3D-печати. С появлением такой конструкции аддитивные технологии действительно могут заявить о себе как о серьёзном конкуренте традиционному методу строительства.

– В одном из своих интервью ты сказал, что, наблюдая за работой Илона Маска, вдохновляешься мыслью о том, что один человек в состоянии столько успеть и сделать. И это действительно не может не восхищать. Но есть одна вещь, в которой Маска иногда упрекают, причём, вероятно, вполне заслуженно. Привычный нам образ легкового автомобиля (капот, потом салон, потом багажник) был продиктован его конструкцией, а именно наличием массивного двигателя внутреннего сгорания, для которого требовалось отдельное пространство. Создав «Теслу», Маск мог придать ей новую, практически любую форму, но по какой-то причине этого не сделал. Высказывается мнение, что даже ему не хватило смелости отойти от привычного образа. Ты же, напротив, очень сильно отходишь от знакомого вида строительного принтера. Что позволило тебе пойти на этот шаг? Какие-то внутренние качества или просто очень хорошее знание предмета, с которым работаешь?

Чтобы ответить на этот вопрос, я выскажу свою точку зрения по поводу Илона Маска. Да, «Тесла» не внесла серьёзных изменений в привычный образ автомобиля, но я считаю, что никакой необходимости делать это и не было. Когда вы создаёте что-то революционно новое, будь то новый принтер или новый электрокар, нужно думать не только о том, какие новые качества он получит, но и о том, чтобы нравиться, быть комфортным. Мы могли бы сделать принтер, который не только печатает стены, но и вставляет окна, стирает носки, и нас часто спрашивают, почему мы этого не сделаем. Ответ на этот вопрос в том, что нужно определить здравый баланс между всеми интересами и целесообразностью создания чего-то нового.

Электрокар уже сам по себе является революционным. Мы знаем, что люди иногда тяжело принимают что-то новое, и Маску приходилось очень долго сражаться с их предубеждениями про электрокары. Поэтому я и считаю, что достаточно привычное исполнение «Теслы» является правильным ходом. Маск сделал машину красивой, близкой по форме к представительскому классу, чтобы люди это приняли и начали этим пользоваться.

В случае с 3D-принтером ситуация немного другая. Если Маск не менял форму, чтобы электрокары нормально вошли в умы людей, то здесь мы изменили конструкцию именно для того, чтобы внедрить новый подход в строительную индустрию. Здесь это была необходимость, потому что с любой другой конструкцией мы вскоре упёрлись бы в потолок её развития.

Компания Apis Cor получила своё название в честь пчелы (apis в переводе с латыни означает «медоносная пчела»). Пчёлы создают улей изнутри, слой за слоем, используя для строительства наплавляемый воск и являясь живым воплощением технологий 3D-печати в строительстве.  

– А есть ли такой потолок у вашей технологии? Сейчас, насколько мне известно, максимальная площадь печати не такая уж и большая – 132?м2, плюс ограничения по этажности – три.

Это не совсем так. Даже в той конфигурации принтера, которая есть сейчас, у него нет ограничений по площади печати, потому что принтер легко можно передвинуть краном-манипулятором и продолжить печать здания дальше. При этом не нужно проводить никакой серьёзной подготовки рабочей площадки. Нужно только выставить нулевые точки. Принтер сам отсканирует поверхность, выявит неровности, запомнит их и в случае необходимости заполнит бетоном, выровняв поверхность перед началом печати дома. Без особых проблем можно напечатать объект площадью даже в несколько тысяч квадратных метров, поскольку программное обеспечение принтера позволяет синхронизировать точку, на которой вы остановили печать, и продолжить работу уже из другого места. Площадь печати – лишь вопрос количества перестановок принтера, не более.

За один цикл принтер печатает один этаж, после чего тем же краном-манипулятором его достают из помещения. Затем ставят межэтажные перекрытия и уже на них поднимают принтер, чтобы он напечатал второй этаж. И так далее, этаж за этажом. Так что ограничений по этажности в принципе тоже нет. Но мы сейчас заявляемся только на три этажа, поскольку технология новая, и пока она рассчитана только на малоэтажное строительство. Возведение высоток – это другие нормы по прочности и армированию, и адаптировать нашу технологию к ним ещё только предстоит.

В будущем, конечно, было бы интересно печатать многоэтажные дома, но здесь нам нужно будет решить ряд задач. Например, могут возникнуть вопросы с доставкой строительной смеси на верхние этажи. Но всё это решаемо, и каких-то действительно проблем я здесь не вижу.

– А откуда взялось число 132? Из ваших представлений о том, какую площадь должны иметь типовые дома?

Максимальная площадь печати без перемещения принтера определяется вылетом его стрелы, который составляет 6,5 метров. Конечно, мы могли бы сделать так, чтобы стрела выдвигалась метров на 20, что позволило бы нам печатать большие дома из одной точки. Но это было бы уже за гранью рациональной степени усложнения. Чем больше вылет стрелы, тем больше её колебания, а это приводит к снижению точности печати. Чтобы обеспечить точность на таком вылете, нужно было бы значительно усложнить конструкцию оборудования, что привело бы к очень существенному увеличению его стоимости. В следующих релизах оборудования мы даже пойдём на уменьшение размеров принтера, но зато внедрим гусеничную платформу для его автономности.

– Смесь, которой вы осуществляете печать, – это какой-то стандартный материал или ваша собственная разработка?

Мы используем обычную песчано-цементную смесь, но при этом подобрали определённые добавки, которые включаем в её состав. Они ускоряют схватываемость смеси и увеличивают её вязкость. Эти добавки доступны на рынке для любой компании, занимающейся строительством. Секрет только в том, какое их количество взять и как смешать между собой. Нужного нам результата мы добились опытным путём, когда только начинали свой проект.

Но бетон – не самый полезный и не самый экологичный материал. Поэтому останавливаться только на нём мы не хотим. Думаю, что будущее строительной печати в принципе очень сильно зависит от используемых материалов. В области создания новых строительных смесей мы сотрудничаем с Московским строительным университетом, а также компанией Renca – разработчиком геополимерных бетонов, содержащих в своём составе природные компоненты геологического происхождения.

Тестирование геополимера.  

– Что произойдёт, если в процессе печати дома по какой-то причине отключится электричество? Если смесь застынет в самом принтере, то насколько реально его можно будет очистить?

Действительно, существует опасность, что смесь может «встать» в магистрали принтера. Это шланг, по которому смесь поступает из автоматической системы замешивания в сам принтер. Но на случай отключения электричества у нас предусмотрен резервный источник питания, которого хватает на 30-40 минут работы. Этого времени достаточно, чтобы включить автоматическую систему промывки магистрали.

– А насколько глубоко автоматизированы остальные процессы?

Наша разработка – это не только принтер, но и автоматическая мобильная система замешивания и подачи смеси. Сухая смесь в систему поступает автоматически, после чего опять-таки автоматически перемешивается. Мы вообще постарались насколько это возможно минимизировать участие человека, но полностью обойтись без него пока не смогли. Сейчас для того, чтобы принтер работал и печатал здание, на месте необходимы два работника. Первый – это оператор самого оборудования, который проверяет исправность рабочей программы и следит за непредвиденными ситуациями (тем же самым отключением электричества). Второй человек выполняет минимальные общестроительные работы. По мере того, как печатаются стены здания, каждые 40-50 см по высоте необходимо укладывать армирование. Вот для этого и нужен второй человек. Сам принтер делать это пока что не может.

Опалубка для фундамента.  

– Если посмотреть видеоролик, на котором представлена печать дома вашим принтером, то можно увидеть, что напечатанные стены не являются монолитными, а состоят из трёх частей – двух стенок и связующей их змейки. Такой подход в строительной 3D-печати является стандартным?

Это максимально естественный вариант печати стен. Китайцы делают точно так же. Здесь мы не пытаемся придумать что-то новое, сложное, хитрое. На самом деле, даже в процессе реализации 3D-принтера мы старались использовать максимальное количество готовых решений, доступных на рынке, потому что это позволяет снизить стоимость оборудования. То же самое было и с печатью стен, с их конфигурацией. Это естественная форма, которая максимально эффективна и целесообразна для этих целей. Хороша она и тем, что позволяет без труда «играть» с толщиной стены. Соответственно, для одних климатических зон можно сделать стену толщиной в один или даже два метра, для других – 20-30 сантиметров.

Первый слой.  

Создаваемые змейкой пустоты желательно заполнять теплоизоляционным материалом. Это позволит предотвратить передачу тепла от внешней части стены к внутренней (и наоборот) за счёт конвекции воздуха. При необходимости можно сделать дополнительную камеру, для чего в 7-10 см от стены мы печатаем ещё одну стенку, которая связывается с основной стеной стеклопластиковой арматурой. Получается, что две стенки связываются змейкой, а третья – стекло-пластиковыми прутками, так как эта арматура имеет очень низкий коэффициент теплопроводности, что исключает возникновение мостиков холода. В камеру, где уложены стеклопластиковые прутки, можно устанавливать теплоизоляционный материал, как мы это сделали в нашем демонстрационном здании в Ступино.

Технологические пустоты в стене, которые обычно заполняются теплоизоляционным материалом. Справа – камера для дополнительной теплоизоляции стены.  

– При поэтапном наслоении материала обычно возникает проблема, связанная с получением ровной, гладкой поверхности. Насколько серьёзные работы нужно проводить перед чистовой отделкой напечатанного помещения? К примеру, насколько толстый слой штукатурки необходимо нанести, чтобы стену можно было покрасить или наклеить на неё обои?

Над этой проблемой мы работаем. Но уже сейчас у нас получается поверхность стены, которая соответствует требованиям ГОСТа в части поверхностей, подготовленных под финишную отделку. То есть необходимости что-то штукатурить нет – достаточно нанести финишную шпатлёвку.

– Наскольку необычный дизайн можно придать напечатанному дому?

У принтеров, которые печатают пластиком, возможностей в плане формы намного больше, чем у строительных. Это связано с тем, что пластиковые принтеры могут печатать подпорки для наклонных поверхностей. При печати бетоном делать это нецелесообразно – после завершения процесса печати подпорки придётся удалять, создавая тем самым кучи строительного мусора. Но зато в горизонтальной плоскости стену мы можем сделать практически любой формы – прямую, круглую, волнистую и так далее, что уже достаточно, чтобы открыть новые архитектурные возможности.

– Если поднимать тему создания доступного жилья, то на первое место здесь всегда выходит экономика строительства. Если сравнивать вашу 3D-печать и уже привычные всем строительные технологии, то какие-нибудь экономические выгоды она даёт?

Выгод достаточно много и какие-то из них я уже упоминал. Но чтобы было понятнее, я ещё немного расскажу о самой нашей технологии.

Принтер имеет компактные габариты 4х1,6х1,5 м и весит всего 2 тонны – примерно столько же, сколько весит небольшой внедорожник. Поэтому для его транспортировки можно использовать стандартную спецтехнику. Для контроля работы принтера и подачи материалов требуется два человека. Потребляет принтер 8 киловатт энергии – столько же, сколько пять одновременно включённых в сеть электрочайников.

Благодаря системе стабилизации в виде двух активных противовесов принтер можно устанавливать, не закрепляя, на любой поверхности, без предварительной подготовки площадки. Вся подготовительная работа сводится к тому, чтобы подключить автоматическую систему замешивания и подачи смеси, принтер и системы коммуникаций. На всё это уходит около 30 минут.

Смесь для печати подаётся дозированно, с машинной точностью. Стены принтер возводит слой за слоем, не оставляя в процессе работы лишних «следов», в результате чего не образуется ни грамма строительного мусора. Стены получаются ровными и гладкими, поэтому этап черновой подготовки можно пропустить и сразу переходить к финишной отделке. За счёт сокращения части работ отпадает необходимость в лишнем инструменте и строительных материалах. Также мы заранее продумываем все коммуникационные развязки и инженерные системы, вносим их в программу печати и получаем в итоге готовую схему для прокладки коммуникаций.

По нашим расчётам, за счёт всего перечисленного снижение стоимости одного проекта достигает в среднем 40 процентов от обычного бетонного аналога.

Демонстрационный дом, который мы построили в Подмосковье, имеет площадь 38 м2. Машинное время, потраченное на его печать, составило 24 часа. Стоимость строительства с чистовой отделкой – 593 568 рублей, или примерно 16 тысяч рублей за квадратный метр, и это учитывая тот факт, что мы использовали самые качественные материалы, а у здания по проекту не самая привычная форма. Квадратный дом с использованием материалов средней ценовой категории обошёлся бы в 13 тысяч рублей за квадратный метр. С подробной сметой строительства этого дома вы можете ознакомиться на нашем сайте.

В феврале 2017 года в подмосковном Ступино с помощью строительного 3D-принтера компании Apis Cor был напечатан первый (демонстрационный) жилой дом площадью 38м2. Стоимость строительства с чистовой отделкой составила 593 568 рублей, или примерно 16 тысяч рублей за квадратный метр.  

– Каким вы видите своё место в строительной индустрии через пять или, может быть, через 10 лет? Какие проекты к этому времени вы планируете запустить?

Наша цель – стать крупнейшей международной компанией, которая предоставляет услуги строительной 3D-печати. Миссия компании Apis Cor – сделать жильё по-настоящему доступным. То есть речь идёт не о продаже принтеров, а именно об услугах печати. Мы хотим, чтобы любой человек в любой стране мира, в любом городе мог позвонить в наш ближайший офис и заказать себе печать дома. И речь идёт не только о частных потребителях, но и о выполнении крупных строительных заказов, потому что данное оборудование максимально рентабельно и раскрывает все свои потенциальные возможности именно в массовом строительстве, потому что может делать быстро, довольно качественно и при небольшом количестве людей.

– Вы уже понимаете, на какие структуры нужно выходить, чтобы включиться в крупные международные строительные проекты?

Да. После того, как мы отпечатали первый дом, серьёзные государственные и частные компании, задействованные в крупных строительных проектах, сами стали на нас выходить. Поскольку тема доступного жилья в мире стоит очень остро, многие государства выделяют на решение этой проблемы огромные средства, в том числе на то, чтобы отслеживать появление альтернативных методов строительства. Небольшую подготовительную работу мы ведём даже с некоторыми подразделениями ООН – они тоже заинтересовались нашей технологией, поскольку у них всегда есть проекты, в которых её можно было бы применить.

Мы планируем печатать дома в Европе, Азии, Африке, Австралии, Северной и Южной Америках. А если потребуется, то и в Антарктиде. Мы хотим во всём мире изменить мнение общества о том, что строительство не может быть быстрым, экологичным, малозатратным и надёжным одновременно. И когда человечеству перестанет хватать места на Земле, мы готовы быть первыми, кто начнёт строительство домов на Марсе.