Новое высокоскоростное железнодорожное сообщение в Великобритании будет создано 3D-печатью

Используя технологию, известную как «Printfrastructure» (также известной под аббревиатурой COP - Construction Objects Printing) планируется создавать бетонные плиты на месте строительства туннелей, а не доставлять их туда — это поможет сократить перебои в работе существующих линий. Начало испытаний технологии запланировано на 2022 год. В ходе испытаний будет опробован бетон с добавкой графена вместо стали. Ожидается, что это позволит ускорить строительство железной дороги.

«Автоматизация, достигаемая с помощью 3D-печати из железобетона Printfrastructure (COP), создаёт производственную среду, которая обеспечивает высококачественный продукт», — говорит Эндрю Дак, менеджер по временным работам в SCS JV. «Важно, чтобы мы дали таким технологиям, как Printfrastructure (COP), возможность доказать своё превосходство, потому что они открывают возможности для кардинальных изменений в отрасли».

«Технология 3D-печати бетоном PRINTFRASTRUCTURE (COP) повышает эффективность использования материалов и уменьшает углеродный след».

Так будут выглядеть поезда на станции скоростной железной дороги HS2. Фото: HS2

Проблемы HS2

За последние 20 лет железнодорожные перевозки в Великобритании увеличились более чем вдвое. И хотя в улучшение сети было вложено более 74 миллиарда фунтов стерлингов, Network Rail не смогла удовлетворить возросший спрос.

С перегрузкой можно было бы бороться с помощью модернизации существующих линий, однако, по предварительным оценкам, для этого придётся закрывать станции в выходные дни 2700 раз в течение следующих 15 лет, а это вызовет значительные проблемы для поездок по стране.

Чтобы избежать этого, министерство транспорта Великобритании в 2009 году основало компанию HS2. Её задача — строительство линии с ежедневной пропускной способностью 300 000 человек, которая соединит Лондон с северными городами, такими как Манчестер и Лидс. В то же время с момента запуска проект подвергается критике за то, что он вызывает сбои, отстаёт от первоначального графика строительства и постоянно увеличивает стоимость, которая, как говорят, уже превысила 44 миллиарда фунтов стерлингов.

Что ещё хуже, пандемия COVID-19 задерживает строительство на многих объектах HS2. Как сообщается, это приводит к тому, что проект расходует резервный бюджет в 1,7 миллиарда фунтов стерлингов и потребует увеличения финансирования в будущем. В свете неудач HS2, решение использовать 3D-печать можно рассматривать как попытку вернуть реализацию проекта в нужное русло, особенно учитывая скорость и потенциал автоматизации технологии.

Технология 3D-печати ChangeMaker 3D в действии. Фото: HS2

3D-печать Printfrastructure (COP)

Получив задание построить лондонские туннели, компании HS2, SCS JV, совместное предприятие Skanska, Costain и STRABAG обратились для оптимизации процесса к ChangeMaker 3D и её технологиям. Фирменный процесс, известный как «Printfrastructure» (COP), для возведения сложных бетонных конструкций в точном соответствии со спецификациями предусматривает использование 3D-принтеров с компьютерным управлением, которые устанавливаются на роботах.

Предполагается, что после развёртывания на месте строительства в лондонском терминале HS2 эти боты смогут работать в физически ограниченных областях и сократят потребность в сложных и дорогостоящих логистических решениях. Уровень автоматизации процесса ChangeMaker 3D также даёт возможность устранить многочисленные перебои в движении поездов, поскольку отпадает необходимость в обеспечении безопасности людей, занятых на строительстве.

В качестве дополнительного преимущества технология позволит создавать пространственные армированные конструкции, на которые требуется меньше материала. Интеграция графена в бетон, используемый для 3D-печати, потенциально позволяет снизить суммарный углеродный след строительства.

В конечном итоге, СП SCS рассчитывает, что внедрение технологии ChangeMaker 3D поможет сократить расход бетона и выбросы углерода при возведении туннелей до 50%. Более того, исключив сталь из уравнения и уменьшив объём перевозимых автотранспортом грузов, стройку удастся сделать ещё более экологичной.

«Совместный проект SCS и ChangeMaker 3D — фантастическая демонстрация далекоидущих инноваций, реализуемых HS2», — говорит Роб Кернс, менеджер по инновациям HS2. «Благодаря долгосрочной программе строительства, охватывающей всю страну, проект создаёт идеальную среду для разработки технологий, способных изменить подход к созданию основной инфраструктуры».

3D-печать помогает создавать уникальную архитектуру, такую как мост «Стриатус» без поддержки (на фото). Фото: Studio Naaro

Устойчивая инфраструктура в действии

По сравнению с традиционными технологиями строительства, 3D-печать открывает больше возможностей для геометрической настройки, позволяя возводить прочные конструкции, расходуя при этом меньше материалов. Только за последнее время эта идея была реализована в нескольких проектах, в том числе в конструкции моста без поддержки, спроектированного инженерами Block Research Group ETH Zurich.

Исследователи из австралийской школы архитектуры UTS, тем временем, сотрудничают с дизайнерской фирмой BVN Architecture для разработки экологически чистого кондиционера, изготавливаемого с помощью 3D-печати. Фильтрующая система Reef 2 состоит из трубок, целиком произведённых из переработанного пластика. Её применение в существующих зданиях помогло бы уменьшить количество углерода в установках на целых 90%.

Трёхмерные кашпо Aectual были созданы из бельгийских пляжных и бытовых отходов. Фото: Aectual

Реализуя такой же подход к устойчивому развитию, голландская архитектурная фирма Aectual сумела превратить пляжные отходы в уникальные 3D-печатные кашпо для растений в форме раковин. Изготовленные на 100% из переработанного пластика, эти вазоны произведены ограниченным тиражом и продаются на сайте Sabato. По замыслу дизайнеров, они призваны «привнести ощущение естественного пляжа» в дома людей.

В России строительные принтеры по технологии COP представлены производителем АМТ-Спецавиа (г.Ярославль). В их номенклатуре присутствуют как малогабаритные принтеры в цеховом исполнении для производства архитектурных элементов, малых форм и модульных блоков для сборки, так и крупноформатные установки для монтажа на строительной площадке.

Монтаж оборудования по месту установки является несложным и требует участия 2-3 человек и погрузчика либо манипулятора для портальной балки (для цеховых принтеров). Для больших принтеров для монтажа на стройплощадке потребуется - 3 чел. и кран (либо манипулятор) - в этом случае монтаж производится на фундамент. Если фундамент ленточный, то установка - на временные подушки (фундаментные подушки), либо на блоки фбс.

Транспортировка оборудования осуществляется любым грузовым автомобилем с кузовом более 6 м.

Скорость печати

На примере постройки дома, принтер - AMT Спецавиа S-500, рабочее поле принтера:11 х 31 метров, т.е. до 340 кв.м. Производительность - 2,5 куб.м/ч. Простая коробка 3 метра (500м2 стены) будет печататься при максимальной скорости около 10 часов.

В зависимости от того какие смеси (марка бетона) используются, плиту перекрытия можно ставить уже через 3-7 дней, и начинать лить второй этаж (это для примера, а по факту, это, конечно, вопрос к проектировщику - что указано в конструкторской документации).

Для печати 1-2 этажных зданий непосредственно на фундаменте подходят модели S-6044 Long 2 и S-300.

S-6044 Long 2 для печати 1-этажных зданий площадью до 55 кв.м. (рабочий объем 7,5 х 7,4 х 2,7 м, полевой или цеховой варианты). Также данная модель принтера позволяет печатать малые архитектурные формы. Стоимость в базовой комплектации по состоянию на 2021 год составляет 2,71 млн руб. без НДС. Комплектация включает сам принтер, компьютер управления с предустановленным лицензионным ПО. Производительность: до 0,6 куб.м. в час.

Дополнительное оборудование:

мойка высокого давления типа Karcher (или аналог), автоматическая станция приготовления и подачи смеси, либо растворная мешалка-миксер.

Принтер S-300 для печати 2-х этажных зданий с поэтажной площадью до 125 кв.м. (рабочий объем 11,5 х 11,0 х 6 м). Комплектация включает сам принтер, мойку высокого давления, автоматическую станцию приготовления и подачи смеси, компьютер управления с предустановленным лицензионным ПО, комплект ЗИП. Производительность: до 2,5 куб.м. в час.

Если принтер планируется применять для цехового производства (печать в цеху малых форм или элементов зданий с последующей сборкой их на стройплощадке), оптимально подойдет принтер S-6044 Long (рабочий объем 7,5 х 7,4 х 1,05 м). При этом цех - это не обязательно помещение в капитальном здании, можно для удобства работы и логистики организовать временный цех (шатер, тепляк) прямо на стройплощадке.

Стоимость S-6044 Long в базовой комплектации по состоянию на 2021 год =1,92 млн руб. без НДС. Комплектация включает сам принтер, компьютер управления с предустановленным лицензионным ПО.

У производителя на площадке в Ярославле установлен именно цеховой вариант строительного принтера. На нем они производят малые архитектурные формы и печатают модульные элементы построек для последующей сборки на стройплощадке.

Эксплуатационный ресурс принтеров составляет 60 000 рабочих часов. Гарантийный срок 1 год. Оборудование рассчитано на высокую нагрузку и является сверхнадежным.

Непосредственно для работы на принтере требуется 2 человека (оператор печати + подготовщик смеси для печати). Дальнейшее зависит от организации строительного процесса и объемов работ.

При закупке оборудования, в объем поставки входит 3-дневный курс обучения, который включает:

+ обучение приготовлению смеси для печати

+ базовые навыки работы в графических редакторах, подготовка 3д моделей для принтера;

+ перевод 3d модели в исполняемый код для принтера;

+ монтаж-демонтаж, настройка оборудования;

+ управление принтером, печать строительными смесями;

+ регламентное обслуживание принтера.

После прохождения обучения специалисты получают именные сертификаты.

Также к заказу доступен отдельный курс "Проектирование под строительную 3D печать" для повышения квалификации проектировщиков.

Трехдневный курс включает теоретическую часть:

+ Технология строительной 3D печати;

+ Способы строительной печати;

+ Подходы к проектированию;

+ Расчет строительных конструкций.

и практическую часть:

+ Приготовление смеси для 3D печати

+ Работа на строительном принтере

В заключение, приводим фото жилого дома, построенного с помощью строительного 3D-принтера АМТ Спецавиа: