Строительная 3D-печать в ожидании прорыва

Технология 3D-печати зародилась еще в 80-х годах 20-го века, а вот строительная 3D-печать появилась гораздо позже.  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). О постройке домов еще и не мечтали. Но уже в 2015 году российский стартап Apis Cor произвел фурор - напечатал целый дом в Подмосковье. С тех пор периодически появляются новости о новых 3D-печатных домах. Однако несмотря на то, что технология показала себя очень перспективной с точки зрения скорости возведения жилья и снижения стоимости строительства, никакого массового внедрения не последовало.

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. 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.

Этот интернет-мем наглядно показывает, что произошло со стоимостью 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.

Готовясь к написанию статьи, я обратился к основателю компании Arkon - Борису Козлову. 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. Я задал Борису ключевой, на мой взгляд, вопрос:

- Строительная 3D-печать возникла в 2014 году, но за 7-8 лет не последовало никакого массового внедрения этой технологии. Как Вы считаете, почему это произошло, и почему именно сейчас наблюдается всплеск новых проектов?

- Мне кажется, что причина в эффекте «снежного кома». Технология должна была созреть, дорасти от гипотезы до пилотного внедрения и, наконец, до начала коммерциализации и масштабирования (то, что происходит сейчас).  Кроме того, надо учитывать, что строительство - одна из самых консервативных отраслей промышленности, где, в отличие даже от авиации и автопрома, до сих пор крайне низкое внедрение цифровых решений и автоматизации в области именно процесса производства - самой стройки. Немаловажную роль играет и вопрос нормирования и сертификации - этот процесс долгий и создает дополнительный лаг. 

В 2014 – 2016 гг. появились первые образцы строительных 3D-принтеров и прототипы напечатанных зданий. Проверялись концепции различных форм-факторов строительных 3D-принтеров и типов материалов печати. 

В 2017 – 2018 гг. в мире были осуществлены первые заметные инвестиции в ряд стартапов по строительной 3D-печати. Далее, к 2020 г. эти инвестиции «прокрутились» в виде достижения определенного уровня зрелости технологии - появились первые коммерческие продукты (3D-принтеры и дома). 

Наконец, 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. 

Таким образом, считаю, что указанный временной период - достаточно естественный цикл становления технологии, которую, вероятно, ждет экспоненциальный рост в ближайшее десятилетие.

По данным отчета ResearchAndMarket, 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.

Теперь давайте вкратце рассмотрим, что же собой представляет строительный 3D-принтер. 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.

На рисунке слева строительной принтер на базе вылетной стрелы. На рисунке справа портальный строительный 3D-принтер

На рисунке строительный 3D-принтер в виде роборуки, установленной на мобильную платформу.

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. 

На фото 3D-печатные дома в Остине, штат Техас.

Одновременно с этим, датская компания COBOD, созданная крупнейшим в мире концерном по производству строительной опалубки PERRI, начала продавать свои портальные строительные 3D-принтеры, а также участвовать в строительных проектах по всему миру. На фото ниже современный двухэтажный дом, построенный в Германии и здание школы в Малави, построенной за рекордные сроки с минимальным бюджетом.

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. Давайте посмотрим на это на нескольких наглядных примерах.

На фото стены, напечатанные строительным 3D-принтером.

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.

«И на солнце есть пятна». Несмотря на все преимущества строительной 3D-печати, у нее есть несколько существенных недостатков. Главный — это слоистость, избежать которой при текущем уровне развития технологии невозможно.  

На фото видна слоистость 3D-печатных стен.

С этой задачей можно работать в нескольких направлениях:

1. Ребристые стены можно шпаклевать, красить и обыгрывать как элемент дизайна. Так делает ICON в США. , например их последний проект House Zero сделан именно так и он был отмечен рядом наград за дизайн.

На фото дом House Zero в США, построенный ICON.

2. Использовать специальные «шторки» на печатной голове, которые позволяют сглаживать слои, как это делают COBOD и другие производители. На фото ниже видно, что и это не обеспечивает полного отсутствия слоистости.  

3. Полностью зашлифовать поверхность, чтобы получить привычную гладкую стену под шпаклевку, покраску, поклейку обоев или другую отделку. Это возможно, но потребует огромных трудозатрат, которые могут снизить общую эффективность от использования 3D-печати

На фото стена после 3D-печати, отшлифованная до гладкости.

Второй проблемой является необходимый температурный режим.  В идеале печать должна проходить при температуре от +5С° до +30С°. Влажность также важна. Используя присадки, можно раздвигать эти границы, но не до бесконечности. При сильных минусовых температурах печать будет возможна в полевых условиях, только если стройплощадка будет закрыта куполом и внутри будет достигнута необходимая температура с помощью тепловых пушек. В условиях же сильной жары предпочтительно печатать ночью. Еще одним решением может быть печать стеновых панелей в цеху и их сборка на месте строительства. Безусловно, каждое из этих решений будет отрицательно влиять на экономическую эффективность проекта.

Строительная 3D-печать может пригодиться не только для возведения домов. С ее помощью можно решить много других задач, и там ее минусы не будут иметь значения. 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.

На фото 3D-печатная башня ветрогенератора.

Строительная 3D-печать, или, как ее еще называют, аддитивное строительство, только появилась на свет, и хочется верить в ее светлое будущее. К этому есть много предпосылок, но для успеха многое еще нужно сделать. В первую очередь, нужно разработать принципы проектирования домов для строительной 3D-печати. Затем необходимо привлечь топовых архитекторов для создания знаковых проектов, за которыми может последовать массовое внедрение новой и очень перспективной технологии. Строительная 3D-печать может помочь в решении глобальной проблемы нехватки жилья, а также привнести большую долю автоматизацию в другие сферы строительства.

Александр Корнвейц,

Эксперт в области аддитивных технологий и 3D-печати, руководитель компании “Цветной мир”