Идея печати полистиролбетоном. Интервью с Владимиром Молодиным (Сибстрин) 

Интерес к строительной 3D-печати активно растёт во всём мире, при этом большинство разработанных 3D-принтеров работает с цементно-песчаными смесями. Однако в Новосибирском Государственном Архитектурно-строительном университете (Сибстрин) разработали печатную головку, способную печатать одновременно конструкционным и теплоизоляционным материалом - полистиролбетоном.

Наши коллеги из портала 3DPulse.ru решили поговорить с заведующим кафедрой Технологии и организации строительства НГАСУ (Сибстрин), д.т.н., профессором, Владимиром Викторовичем Молодиным о технических особенностях разработки, принципах ее работы и потенциале применения в строительстве.

3DPulse.ru: Владимир Викторович, добрый день. Когда вы заинтересовались строительной 3D-печатью? Как появилась идея создать свою аддитивную технологию для строительства и как долго вы работали над ее развитием?

Владимир Молодин: Я долгое время работал в реальном секторе экономики – был директором строительной компании. Замечал, что в России низкая производительность труда (около 30% от развитых стран), особенно в строительстве, где низкий уровень механизации, а роботизация вообще в зачаточном состоянии. С тем уровнем техники, который мы имеем сегодня: наш удел – тащиться в хвосте мировой экономики.

Когда впервые увидел 3D-принтер, подумалось – а почему не использовать эту игрушку для печати домов? Стал целенаправленно знакомиться с новинкой. Сам 3D-принтер достаточно подробно разработан и успешно внедряется в разные отрасли экономики. Для нужд строительной 3D-печати этого пока достаточно. Опять же, здесь лидируем не мы.

Вопрос в печатающей головке. Сегодня, в строительной 3D-печати, практически все принтеры используют цементно-песчаные смеси и используют для этих целей печатающие головки с одним соплом в разных вариациях. Однако, ограждающие конструкции, которые нужно печатать, должны обладать теплоизоляционными свойствами, чего цементно-песчаные смеси дать не могут. Но, головки, способные печатать одновременно конструкционным и теплоизоляционным материалом, практически неработоспособны. Поэтому строительная 3D-печать развивается в направлении печати тяжелой цементно-песчаной смесью несъёмной опалубки с последующим заполнением вручную сформированных полостей конструкционным железобетоном и теплоизоляцией.

Роботизация процесса реализуется только 30÷40%. Задача решается только частично

30 лет назад нашей кафедрой была предложена, широко и успешно внедрена технология изготовления строительных изделий из одностадийного полистиролбетона.

Суть её в том, что с целью преодоления флотации вспененных гранул полистирола при перемешивании с цементно-песчаным раствором, невспененные гранулы бисерного полистирола вводились в состав цементно-песчанной смеси при её изготовлении и в силу достаточно близкой плотности, равномерно по ней распределялись. В форме смесь форсированно разогревалась, и гранулы полистирола вспенивались, непосредственно в цементно-песчаной массе. За счет высокой температуры термообработки изделия быстро схватывались и твердели.

Раздумывая над совершенствованием строительной 3D-печати, появилась мысль о использовании здесь этой забытой технологии. Только теперь нет формы. Смесь с невспененными гранулами полистирола, поступает непосредственно на ранее отформованный слой печатаемой стены, между двумя движущимися электродами, на которые подаётся электрический ток.

Пропуская через себя ток, смесь разогревается и достигая температуры 80÷90°С гранулы бисерного полистирола вспениваются. При этих температурах смесь быстро теряет подвижность и уже через несколько минут на отформованный слой можно укладывать новый без опасения расползания нижнего.

Так что, идея появилась три года назад, а шел к ней 30 лет.

3DPulse.ru: Какие результаты уже сейчас позволяет получить разработанный экструдер?

Владимир Молодин: Предложенная нами печатающая головка на выходе обеспечивает слой теплоизоляционно-конструкционного материала толщиной 70 мм и шириной 150÷500 мм с легко регулируемой прочностью и теплопроводностью. Подача смеси осуществляется перистальтическим насосом. Она успешно прошла испытания.

3DPulse.ru: Из чего состоит ваша смесь для печати? Какие у нее должны быть характеристики?

Владимир Молодин: Как уже говорилось, состав смеси: цемент, песок, гранулы бисерного полистирола, вода и типовые добавки. Увеличение содержания полистирола ведёт в росту сопротивления теплопередаче стены и снижению прочностных характеристик. И наоборот. Высокие температуры термообработки резко сокращают время до потери подвижности материала и приобретения прочности. В том числе и при низких положительных температурах, без устройства тепляка.

3DPulse.ru: Какие объекты вы уже печатали, проводили ли их испытания, что они показали?

Владимир Молодин: Пока только фрагменты ограждающих конструкций, которые всесторонне исследовались по основным параметрам.

3DPulse.ru: Измеряли ли вы характеристики напечатанных образцов с точки зрения прочности, сопротивления теплопередаче, их водопоглощения и т.д.?

Владимир Молодин: Безусловно. Этим мы начали заниматься сразу, как были отформованы первые образцы. Нет смысла делать технологию, если не уверен в качестве её результатов. Исследовались прочность, морозостойкость, водопоглащение, теплопроводность и равномерность распределения полистирола по массе материала.

3DPulse.ru: Сейчас одним из важнейших глобальных трендов в мировой экономике и промышленности является тренд на устойчивость. Насколько экологически безопасен подобный материал? Возможна ли его дальнейшая переработка и повторное использование?

Владимир Молодин: Полученный материал экологически безопасен при эксплуатации зданий, построенных с его применением. Рециклинг материала вполне реален, так как это обычный искусственный конгломерат на основе цемента.

3DPulse.ru: В недавнем интервью "Новосибирским новостям" вы сказали, что лабораторный образец принтера сейчас разобран и будет собран осенью. Какие улучшения будут добавлены в обновленную модель? Расскажите о планах по использованию установки.

Владимир Молодин: Надо сказать, что пандемия внесла серьёзные коррективы в нашу работу. Практически весь прошлый год университет был закрыт, а экспериментальная работа, увы, не может выполняться удалённо. Сейчас мои помощники Иван Гасенко, Павел Тимин, Олег Платошечкин и Никита Калашников спешно работают над запуском модернизированного принтера. Надеемся, что всё получится, и с сентября начнём на нём работу в новой лаборатории 3D-печати. Основная задача – отработка режимов термообработки для выхода в реальное производство.

3DPulse.ru: Давайте поговорим о строительной 3D-печати в целом. Насколько перспективным вам кажется этот метод строительства? В чем его преимущества перед традиционными технологиями?

Владимир Молодин: Уже говорилось, что рост ВВП, так необходимый России для её устойчивого развития, в большей мере обеспечивается ростом производительности труда, которая по разным оценкам не превышает сегодня 30÷40% производительности труда в Америке. Тотальная цифровизация всех сфер нашей жизни неизбежно ставит в связи с необходимостью роста производительности, вопрос глубокой и интенсивной автоматизации и роботизации производственных процессов. 3D-печать наиболее реальная технология, способная решить эту задачу уже сегодня. Поиск здесь идёт по разным направлениям. Предложенная нами технология имеет ряд преимуществ перед существующими.

Во-первых, нет необходимости сначала формовать опалубку, а затем вручную заполнять её. Печатающий материал укладывается сразу на всю ширину стены. Процесс возведения ограждающей конструкции 100% роботизирован.

Во-вторых, в качестве печатающего материала используется цементно-песчаный раствор с невспененными гранулами полистирола, которые за счёт форсированного электроразогрева смеси вспениваются прямо в рабочей головке, оставляя на выходе равномерно утеплённый слой полистиролбетона.

В-третьих, на выходе слой полистиролбетона имеет температуру 80÷90оС, и еще находясь между электродами, теряет подвижность. При новом проходе принтера ему не грозит расплывание под давлением слоёв уложенных выше.

В-четвёртых, дозируя количество полистирола в исходную смесь можно сообщать готовому продукту большую прочность или лучшие теплотехнические характеристики.

В-пятых, в силу наполнения готового продукта теплоизолирующими гранулами возрастает его удельная теплоёмкость а следовательно продолжительность остывания и приобретения прочности. Значит, в районах с умеренно-холодным климатом, возможно, круглогодично обойтись без дорогостоящего тепляка, без которого в северных широтах строительные 3D-принтеры не работают.

Уверен, что в ближайшие годы оптимальное решение будет найдено. Может быть им станет наша технология. Посмотрим!

3DPulse.ru: Владимир Викторович, что сейчас, по вашему мнению, ограничивает продвижение и развитие строительной 3D печати?

Владимир Молодин: Разработка новой технологии дело довольно затратное и кроме уверенности авторов, нет никакой гарантии, что она «выстрелит». Заинтересованные компании и корпорации в рискованное дело вкладываться не желают. Им нужен готовый продукт, который уже завтра даст конкурентные преимущества и начнёт приносить прибыль. Так что, пока только университет и фонд поддержки молодых ученых своими скудными средствами частично поддерживают приобретение комплектующих и дают бесплатную крышу над головой. Остальное из собственного кармана и со-свалки…

3DPulse.ru: Сможет ли ваш метод выстрелить в ближайшем будущем (год-два) или массового применения строительных принтеров пока ждать не стоит?

Владимир Молодин: Если у нас получится всё, что мы ожидаем, с тем финансированием, каким располагаем сегодня и не придется ещё год пережидать пандемию по домам, как раз год – два. Если найдётся финансовая поддержка и не придется изобретать велосипед, а можно будет приглашать нужных специалистов и приобретать нужные материалы и комплектующие, дело может двинуться значительно быстрее.

3DPulse.ru: В каких отраслях у 3D-печати наилучшие перспективы - в индивидуальном жилищном строительстве, в промышленном строительстве?

Владимир Молодин: Конечно, первым этапом будет строительство одно- двухэтажных семейных домов, потребность в которых огромна. А дальше её "привяжут" везде, где она будет целесообразна.

3DPulse.ru: Мы, как информационный ресурс, часто получаем запросы на тему того, где можно приобрести принтер для 3D-печати домов. Планируете ли вы коммерциализировать свою установку или смеси в будущем?

Владимир Молодин: Безусловно. Технология и оборудование запатентованы (патент РФ 2 739 244 "Устройство и способ для изготовления теплоизолирующих стен из полистиролбетона при помощи 3D-принтера"). При этом задачи университета третьего поколения: передача знаний, извлечение новых знаний и коммерциализация знаний.

3DPulse.ru: Несколько лет назад в нашей стране было осуществлено несколько известных проектов по строительству домов по строительной 3D печати АписКор, Спецавиа. Как вы их оцениваете для своего времени? Как вы считаете, почему тогда за ними не последовал бум этой технологии?

Владимир Молодин: Это были, без преувеличения сказать, прорывные решения с замахом на фантастическую коммерциализацию. Однако они решали частные вопросы и не решали вопрос 100% роботизации.

"Спецавиа" начала серийный выпуск больших 3D-принтеров для строительства. Никита Чен-юн-тай, безусловно, талантливый инженер и предприниматель, сумел "раскрутить" свой радиальный принтер. Но они не решали проблему – печатали всё ту же несъёмную опалубку и дальше – по тексту. Поэтому взрывного внедрения не получилось. Надеюсь, мы решим эту проблему.

3DPulse.ru: Наверно, главный вопрос, можно ли с помощью вашего принтера напечатать полноценный дом? Планируете ли вы осуществить такой проект и стали бы вы жить в таком доме сами или предпочтете более традиционные материалы?

Владимир Молодин: Пока что мы решаем задачу устройства прочных и теплоэффективных стен 100% роботизировано. Это будут полноценные стены с точки зрения всесторонней надёжности для обитателей.

Насколько мне известно, решений печати перекрытий, в нашем понимании плоских плит, пока нет. Исключение – футуристический патент Бехроха Хошевниса (.патент США US7641461B2) и опыты китайской компании "Вин Сун", переворачивающей напечатанный дом на 90°.

Поэтому полностью напечатать дом пока невозможно. Но, не это главное. Давайте научимся перекладывать на плечи роботов полностью законченный цикл строительства, а затем следующий. Тем более идеи есть.

Что касается жизни в таком доме? Почему бы и нет. Ведь тысячи семей, десятки лет, без проблем, живут в домах из полистиролбетонных блоков.

3DPulse.ru: Владимир Викторович, большое спасибо за интервью! Желаем вам успехов в разработке технологии и ее внедрения в строительную практику!