3D-печать — одна из самых обсуждаемых технологий последнего десятилетия. Некоторые рассматривают ее как начало третьей промышленной революции, другие больше склонны видеть недостатки. Так насколько реальна печать домов на 3D-принтере? В этой статье мы поговорим об уровне развития 3D-печати в разных странах и посмотрим на хрупкие павильоны из композитного материала в Китае; бетонные опоры в Италии, вдохновленные классической архитектурой, и «думающие» дома в Германии.
Что такое 3D-печать?Технологию 3D-печати изобрел американский инженер Чак Халл (Chuck Hull). Он запатентовал этот процесс в 1986 году и сначала назвал его стереолитографией. Метод предполагал соединение молекул с помощью лазера для трансформации полимеров в твердые формы.
Первое применение 3D-печать нашла в автомобилестроении — с ее помощью начали делать так называемые «быстрые прототипы». Главное преимущество технологии заключалось в том, что отныне не нужно было отливать формы, что существенно снизило затраты на проектирование. Кроме того, по сравнению с выпиливанием прототипа из дерева, стало значительно меньше отходов, ведь раньше весь оставшийся материал приходилось утилизировать. В 3D-принтере объекты печатаются послойно, в чем-то повторяя идею струйной печати на бумаге. Только процесс повторяется много раз, а вместо чернил берут более твердый материал. При небольшом смещении между слоями появляется объем, или, как нынче принято говорить, 3D-эффект.
Материалы в 3D-печати используются разные, от синтетических смол и пластика (чаще всего) до стали и бетона. Сегодня компактные модели 3D-принтеров все чаще появляются в дизайнерских студиях, школах и даже в частных домах.
Китай — страна, где превосходная степень считается признаком прогресса во всех областях жизни. Поэтому нет ничего удивительного в том, что самый большой архитектурный объект, созданный с помощью 3D-принтера, появился именно в этой стране. Павильон «Вулкан» (на фото) был открыт для посетителей в 2015 году во время Пекинской недели дизайна (Beijing Design Week 2015). Авторами проекта были архитекторы Сюй Фэн (Xu Feng) и Юй Лэй (Yu Lei). Конечно, павильон длиной 8,08 м и высотой 2,88 м был напечатан не за один раз. На самом деле его собрали из 1023 отдельных частей, каждая из которых была напечатана на 3D-принтере.
Хотя это достижение и попало в «Книгу рекордов Гиннеса», оно также показало, что область применения 3D-печати пока еще весьма ограничена. Чтобы создать целый дом на 3D-принтере, принтер должен быть гигантским или, по крайней мере, уметь ездить вдоль специально сооруженных строительных лесов. Масштаб — вот причина того, почему 3D-печать все еще находится на ранней стадии развития во всем, что касается архитектуры.
И тем не менее в Амстердаме специалисты из компании DUS Architects в настоящий момент слой за слоем печатают дом под названием Canal House. Завершение проекта запланировано на 2017 год.
«В Китае тоже уже печатают целые дома на принтере, — говорит доктор Джейн Барри, доцент лаборатории Spatial Information Architecture Laboratory при Мельбурнском королевском технологическом университете. — Хотя на этом этапе они все еще выглядят сыровато». Она имеет в виду проект компании Winsun, которая уже напечатала несколько бетонных домов в Китае. Этот проект чаще всего приводят в качестве примера, когда речь заходит о 3D-печати в строительстве. Представители компании заявляют о существенной экономии. Так, по сравнению с традиционным строительством, на печать нового дома требуется на 60% меньше материалов, на 70% меньше времени и на 80% меньше трудозатрат. Сам принтер при этом имеет гигантские размеры — 150х10х6,6 м!
«Весь вопрос в том, что вы понимаете под 3D-печатью», — говорит Бенедикт Готце, специалист по связям с общественностью Ассоциации немецких архитекторов (Bund Deutscher Architekten). Его экспертное мнение о 3D-печати в архитектуре далеко от всеобщей эйфории: «Идея о печати домов целиком — детская фантазия, этого никогда не будет. А вот то, что действительно произойдет, — это цифровой контроль производства строительных деталей на фабриках, откуда они будут, как и раньше, доставляться на стройплощадки. Китайские 3D-дома, которые так часто приводят в пример, кажутся мне излишней мерой в борьбе за всеобщее внимание».
Профессор Джейн Барри из Мельбурнского технологического говорит: «Главное достоинство 3D-печати не в массовом производстве, а в возможности создания индивидуального дизайна и многообразия вариантов. В нашем университете мы уделяем особое внимание печати из металлов, например при производстве узловых элементов конструкций зданий по индивидуальным меркам. Если уменьшить количество материала в готовом изделии, то соответственно снизятся его вес и общая нагрузка на фундамент, не говоря уж об экономии затраченной энергии. В этом вопросе 3D-печать — настоящая находка, ведь производство узловых элементов конструкции домов другим способом, например литьем, может быть очень дорогим, а с новой технологией за гораздо меньшую стоимость можно даже напечатать несколько запасных деталей на случай ремонта».
Бенедикт Готце подвергает сомнению практичность самой идеи 3D-печати домов: «Весь этот энтузиазм напоминает мне пилотируемые космические полеты — выполнимо, но необходимо ли? Omega до сих пор строит рекламу часов Speedmaster на основании того факта, что они побывали на Луне».
А вот британское архитектурное бюро Foster & Partners и Европейское агентство космических исследований могут поспорить с Готце по поводу полетов на Луну. Совместно они изучают идеи применения 3D-печати на лунной базе в рамках проекта «Жизнь на Луне» (Lunar Habitation), который предположительно будет завершен уже к 2024 году.
Хотя лунная база от Foster & Partners, пожалуй, самая амбициозная из ныне существующих программ, на Земле тоже есть проекты, достойные вашего внимания. Один из них — мост в Амстердаме, ставший плодом совместного творчества дизайнера Йориса Лаармана (Joris Laarman), компании MX3D, которая производит 3D-принтеры, печатающие стальные объекты, и разработчика CAD-программ Autodesk.
При взгляде на этот снимок может показаться, что новый стальной мост возводят прямо на месте, над каналом Oudezijds Achterburgwal, но на самом деле его производят в мастерской. Работа началась осенью 2015 года в огромном помещении, арендованном компанией MX3D. Методом проб и ошибок сотрудники пытаются напечатать всю конструкцию целиком. Окончание работ запланировано на 2017 год, то есть всего через год мы увидим первый настоящий стальной мост, полностью напечатанный на 3D-принтере и открытый для всеобщего пользования, — еще одна гонка за мировым рекордом.
Сотрудничество Университета Неаполя и компании WASP, которая занимается современными технологиями, позволило объединить красоту итальянской архитектуры с техникой модульного строительства.
Компания WASP была основана в 2012 году итальянским предпринимателем Массимо Моретти. Ее основная деятельность направлена на продвижение энергосберегающих методов строительства и поддержку изготовления строительных модулей на месте. Вместе с Неапольским университетом ее специалисты разработали бетонные опоры, которые можно напечатать на 3D-принтере и использовать в самых разных строительных проектах.
Доменико Аспроне (на фото), доцент кафедры строительного проектирования в Неапольском университете, принял участие в этом проекте в качестве инженера-конструктора: «Идея заключалась в том, чтобы напечатать изогнутую бетонную опору, оптимизировав количество используемого бетона и снизив затраты на производство сложной опалубки. Подход основан на разделении опоры на несколько бетонных сегментов, которые печатаются отдельно и затем собираются в единый монолитный элемент вместе со стальной арматурой по принципу конструктора Lego. Этот метод призван облегчить производство сложных деталей с самым разным профилем, что в свою очередь приведёт к большей свободе творчества инженеров-конструкторов», — говорит он.
Одновременно с уже налаженным производством, специалисты WASP разрабатывают технологию единовременной печати армированных опор длиной 3,2 м. С этой целью они используют бетон с более низким показателем вязкости. «За нашими плечами более чем вековая история производства бетонных изделий. Мы просто адаптировали существующие технологии под 3D-печать, — говорит Доменико. — Сегодня мы используем цемент и другие связующие компоненты, например, экологически чистые соединения на основе глины (геополимеры) для создания водонепроницаемых изделий, которые подходят для строительства водостоков».
Каковы дальнейшие планы WASP? В недалеком будущем они собираются напечатать пешеходный мост, подобный проекту Йориса Лаармана в Голландии, но не из стали, а из бетона.
Как и итальянская компания WASP, российский производитель «Спецавиа» использует 3D-принтеры для печати бетонных изделий.
Среди основных клиентов этой компании — строительные подрядчики. Генеральный директор Александр Маслов рассказывает о тех изделиях, которые можно напечатать на его принтерах: «Принтеры серии 06044 могут печатать отдельные конструктивные элементы длиной до 12,3 м. Этого более чем достаточно для печати изделий сложной формы для строительства и оформления всевозможных башен, арок, перегородок и других декоративных элементов зданий. Уже сегодня у нас есть опыт в печати таких элементов ландшафтного дизайна, как небольшой бассейн и детский городок. Так же принтер можно использовать для печати каминов, печей, мангалов и других огнеупорных изделий из каолиновых смесей».
Несмотря на то, что Александр считает себя прагматиком и предпочитает не заглядывать слишком далеко вперед, он все же допускает, что новые строительные технологии, подобные той, что предлагает его компания, через несколько лет станут неотъемлемой частью любой стройки.
Смелый взгляд на будущее из Германии
Профессор Аким Менгес — глава знаменитого Института компьютерного дизайна (Institute for Computational Design) при Штутгартском университете. Реальные возможности новой технологии уже применяются здесь в полном объеме и являются предметом изучения в его исследовательских проектах. Он как никто другой знает, что инновация — это приглашение оставить позади все старые представления. «Сначала вы используете новейшее изобретение, чтобы строить традиционные объекты, как это сделали в Китае, где привычного вида дома строят с помощью 3D-принтеров, — говорит Аким Менгес. — А вот на втором этапе развития появляются конструкции, которые можно создать только посредством новой технологии».
Это означает, к примеру, что «3D-печать сделает возможным использование в строительстве сложных геометрических форм без увеличения стоимости или трудозатрат». «Осознание этого факта задаст новое направление в дизайне», — объясняет профессор. Появление компьютерных программ для 3D-моделирования уже изменило эстетику архитектуры, 3D-печать — следующий шаг в этом направлении.
Кроме того, напечатанные элементы физически могут иметь разнородные слои. «У нас есть возможность создавать очень сложные детали с градиентными характеристиками, — говорит профессор Менгес. — То есть готовый предмет может быть мягким с одной стороны и твёрдым с другой благодаря тому, что в многофункциональный принтер прямо в процессе печати заправляют разные материалы».
В настоящий момент профессор Менгес занимается разработкой строительных деталей, которые могут менять форму, как в природе. «Просто представьте сосновую шишку. Пока она растет на дереве, ее чешуйки закрыты, но стоит ей упасть на землю и высохнуть, как они раскрываются, подобно лепесткам, — говорит он. — С помощью 3D-печати мы можем имитировать этот эффект, используя разные материалы, мягкие и твердые, которые по-разному реагируют на атмосферные изменения, например, влажность. Таким образом, мы можем создавать строительные детали, которые будут подстраиваться под климатические условия без необходимости принудительного контроля с помощью ручных или электронных механизмов». На фото — прототип одной из таких деталей.
Многие люди забегают еще на шаг вперед. «Сегодня много разговоров о Industry 4.0, другими словами, четвертой промышленной революции, — говорит профессор Менгес. — Она предполагает взаимное проникновение материального и цифрового мира посредством так называемых кибер-физических систем». В таких системах программное обеспечение соединяется с механическими и электронными компонентами через инфраструктуру данных, например, интернет (адепты этой идеи любят словосочетание «интернет вещей»). Такая разновидность строительной технологии могла бы полностью изменить то, как мы живем, весь знакомый нам повседневный мир.
Поклонники новой технологии буквально подталкивают нас к порогу новой эры. Если ученые станут делиться своими разработками, и технология будет доступна каждому, 3D-печать действительно сможет изменить мир. Производство необходимых предметов может переехать в кухни и гостиные, и тогда мы будем меньше загрязнять окружающую среду, поскольку необходимость в перевозке и доставке товаров снизится многократно.
Но если мы будем говорить об архитектуре, то здесь размеры продолжают быть серьёзным препятствием для дальнейшего развития технологии. Кроме того, список строительных материалов, которые можно заправлять в 3D-принтеры, пока еще весьма ограничен.
Доктор Джейн Барри говорит и о серьезной конкуренции технологий в строительной индустрии: «Я предполагаю, что в следующие десять лет 3D-печать будет развиваться параллельно с другими технологиями, но собственные деньги я бы вложила не в неё, а в деревянное строительство, — это самый очевидный тренд». По ее мнению, клееная многослойная древесина с продольно-поперечным расположением слоев — это как «фанера на стероидах». Такой материал чем-то напоминает бетон в том смысле, что из него можно построить дом целиком, без внутреннего каркаса. Это означает, что потенциально дома можно будет строить быстрее и дешевле. «Я не говорю, что эти технологии не могут сосуществовать, — добавляет она. — В конце концов, 3D-принтер можно заправить и материалом на основе древесины».
Нам предстоит еще многое изучить и опробовать. Возможно, мы и не станем печатать дома на Луне в ближайшем будущем, но 3D-печать, определенно, сделает возможным строительство домов более сложной геометрии. Уже довольно скоро составные части зданий, напечатанные из нескольких материалов, смогут приспосабливаться к климатическим изменениям. В любом случае, следующего этапа в развитии 3D-печати домов мы будем ждать с нетерпением и трепетом.
РАССКАЖИТЕ НАМ…
Есть ли будущее у архитектуры, основанной на 3D-технологиях? Или инновации ограничатся сферой промышленного дизайна? Поделитесь своим мнением в разделе комментариев!
