XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Печатная архитектура
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Нам в квартире очень тесно,
Мы – огромная семья,
Кошке даже нету места,
А без кошки мне нельзя.
Вот бы нам построить дом,
Чтоб сто комнат было в нем.
Папа маму утешает,
Дом построить обещает,
Но мы слышим каждый раз
Все один и тот же сказ,
Что нам стоит дом построить,
Нарисуем, будем жить.
Я подумал, что тужить?
Надо взяться нам и строить.
Взял бумаги, карандаш
И рисую домик наш
Много окон, трёхэтажный,
Не беда что он бумажный,
Места всем теперь нам хватит,
Мама с папой будут ладить,
Заведу себе котенка
И собачку, и мышонка,
И тритона принесу,
И в коробочке осу,
Вот как здорово! Наш дом,
Скоро ль жить мы будем в нем,
-Мама, мама! Как же быть?
Как нам в этом доме жить?
-Нарисуем... Будем жить!
(«Нарисуем, будем жить» Виталий Петроу)[5]
Однажды я прочитала стихотворение «Нарисуем, будем жить». Оно натолкнуло меня на мысль о том, какими будут дома в будущем. Я представила, как здорово было бы иметь дом, который можно не просто нарисовать карандашом, а буквально напечатать, словно книгу на бумаге!
Тогда я узнала от родителей про новую технологию — трёхмерную печать. Представляете, оказывается, можно построить целый дом, просто нажимая кнопки на специальной машине
Меня очень заинтересовал вопрос, действительно ли эта технология способна сэкономить время, силы и средства, да ещё и бережёт нашу природу. Ведь это очень здорово - построить уютный уголок, не тратя столько усилий и материалов, как раньше!
Теперь я готова поделиться результатами моего исследования.
Актуальность: Современные технологии позволяют строить дома быстро и легко, делая города красивее и удобнее для жизни. Я хочу показать, как новые способы строительства помогают сделать наши дома крепче, уютнее и дружелюбнее к природе.
Цель проекта: Исследовать проблемы развития экологичного строительства настоящего дома с помощью трёхмерной печати.
Объект исследования: строительство домов будущего.
Предмет исследования: Постройка дома с помощью 3D-печати экологичными материалами.
Задачи:
-
Изучить что такое 3D-печать в строительстве.
-
Узнать всё самое интересное о технологиях, которые используют инженеры.
-
Определить строительные материалы для печати.
-
Изучить преимущества и недостатки 3D-строительства.
-
Узнать проблемы развития экологичного строительства.
Методы:
Анализ научной литературы и публикаций по строительным материалам и технологиям.
Практическая значимость исследования: Каждый сможет узнать, как можно строить дома в будущем и причины, почему это направление развивается очень медленно в нашей стране. Возможно, кто-то захочет стать инженером или архитектором, чтобы помочь развиваться этому направлению быстрее, изобрести новые экологичные и высокопрочные материалы для 3D строительства и самому спроектировать и построить дома будущего.
Что такое 3D-печать в строительстве
Сначала я разобралась, что же такое 3D-печать в строительстве?
Строительство - это отрасль, которая меняется очень медленно и осторожно. Как тысячи лет назад каменщик вручную возводил стены каменной кладкой, так зачастую этот процесс происходит и сегодня.
Знаете, что такое 3D-принтер? Обычно он печатает маленькие игрушки или фигурки. Но представьте себе огромный принтер, который способен построить целый дом! Здорово, правда?
Вот как это работает:
Есть специальная машина, которая называется экструдером. Она похожа на большую ложку, выдавливающую тесто слоями. Вместо теста здесь используется особенная густая смесь бетона. Машина двигается туда-сюда и аккуратно выкладывает слои друг на друга, создавая сначала стенки, а потом весь дом целиком.[11]
Но откуда эта машина знает, куда идти и что ей надо строить? Всё начинается с картинки, которую заранее создают дизайнеры на компьютере. Эта картинка превращается в подробную инструкцию для машины, и та её послушно выполняет.
Интересно, что вместо обычной бумаги и красок здесь используются настоящие инструменты для строительства и настоящий бетон. Получается, будто огромная ручка чертит настоящую стену![1]
Чтобы дом получился прочным и надёжным, рабочие добавляют внутрь специальные железные стержни или волокна, укрепляя конструкцию изнутри. Так получается крепкий и долговечный дом.
А ещё важно подготовить площадку для строительства: земля должна быть гладкой и ровной, иначе ничего не выйдет. Нужно установить специальные рельсы, по которым передвигается наша большая машинка.
Вот так работают огромные 3D-принтеры, способные построить целые дома за короткое время![9]
Конструкции принтеров для 3D – печати
Давайте разбираться, какие бывают большие 3D-принтеры, умеющие строить дома?
Существует два вида таких машин:
Большие принтеры-мосты: Эти устройства похожи на подъёмные краны. Они состоят из трёх рам и специальных устройств, которые движутся вдоль них и наносят бетон слой за слоем. Такой принтер подходит для постройки целых домов или больших деталей.
Принтеры-роботы: Здесь работают роботы, похожие на тех, что собирают автомобили на заводах. Такие роботы управляются компьютером и точно выполняют задания, постепенно формируя строение.
Ещё бывают особые принтеры, называемые «дельта»: их механизм висит на длинных палочках и плавно движется вверх-вниз, накладывая материал слоями. Такие принтеры тоже удобны для сложных построек.
Какой выбрать аппарат? Инженеры решают это, исходя из того, какую сложную работу предстоит выполнить и какого размера должен быть объект.[3]
Строительные материалы для печати
А давайте посмотрим, из чего строят дома с помощью принтера! Сейчас для печати домов используют вот такие материалы:
Простой бетон — обычный строительный раствор, в который добавили специальные добавки. Из-за этого цена стала ниже, и строить стало выгоднее.
Сухая строительная смесь — её делают заранее и смешивают с водой прямо перед печатью. Она крепкая, хорошо выдерживает морозы и долго служит. Но она дороже простого бетона.
Экологический бетон с низким содержанием цемента - здесь его совсем немного, зато много природных компонентов - крошка дерева, трава мискантус или даже волокна конопли. А ещё есть зелёный бетон. Вместо привычного цемента туда кладут необычные ингредиенты, например, промышленную пыль. Получается прочный и экологически чистый материал, который меньше загрязняет воздух. Такие материалы прочные и помогают экономить энергию.[8]
Бетон с добавками. Используются модифицированные бетонные смеси с пластификаторами, ускорителями схватывания, стабилизаторами и фиброй (полипропиленовой, стеклянной, базальтовой) для повышения прочности и трещиностойкости.
Бетон с переработанным стеклом. Исследователи из Лондонского университета Брунеля предложили заменить часть песка в бетоне на измельчённое стекло от бутылок. Это не только решает проблему отходов, но и улучшает теплоизоляционные свойства материала.[4]
Геополимеры. Альтернатива портландцементу на основе алюмосиликатов (зола-унос, метакаолин). Более экологичны (меньше выбросов CO₂), устойчивы к агрессивным средам.
Графеновый бетон. Учёные из Университета Вирджинии разработали композитное цементное соединение на основе графена, известняка и обожжённой глиняной цементной смеси (LC2). По результатам исследования, такой бетон может снизить выбросы парниковых газов почти на треть по сравнению с обычными смесями.[3]
Бетон без цемента. Исследователи из Университета штата Орегон создали материал для 3D-печати на основе глины с добавлением конопляных волокон, песка и биоугля (продукта пиролиза органического сырья). Вместо цемента используется термореактивное акриламидное связующее, которое застывает практически сразу после выхода из сопла.[6]
Композитные и органические материалы:
Древесная мука. Мелкоизмельчённый древесный наполнитель становится популярным компонентом составов для 3D-печати. Её использование снижает количество отходов деревообрабатывающей промышленности, улучшает теплоизоляционные свойства материала и способствует более равномерному распределению нагрузки.
Древесно-полимерные композиты. Например, проект Forust от Desktop Metal предполагает использование отходов древесного и бумажного производства (опилок и лигнина) в сочетании с эпоксидной биосмолой в качестве связующего вещества. Это экологичный подход, который позволяет воспроизводить различные текстуры древесины.
Комбинации с органическими наполнителями. Экспериментальные составы, где часть цемента заменена органическими компонентами (конопля, мискантус, измельчённая древесина, солома). Идея - снизить углеродный след строительства. [13]
Другие материалы:
Эковата. Это утеплитель, который на 80% состоит из переработанного целлюлозного волокна. В нём нет формальдегидных смол, он не выделяет токсичных веществ при нагревании. 20% состава - природные минералы (бораты), которые выполняют функции антисептика и антипирена.
Биоразлагаемые материалы на основе дрожжей. Исследователи из Технологического университета Чалмерса создали материал, который может заменить пластик, гипс и синтетические ткани в строительстве и дизайне интерьеров. В состав входят пекарские дрожжи, целлюлозные волокна из древесины, альгинат из водорослей, растительный глицерин и вода.[7]
Но, конечно, производство необычных видов бетона пока дорого и сложно, особенно в нашей стране. Чтобы ими активно пользоваться, нужно провести больше исследований и разработок.
Перспективы и исследования:
В Московском Политехе ведётся разработка экологичных композиционных материалов для строительной 3D-печати с повышенной долговечностью в различных климатических условиях. Планируется использование альтернативных вяжущих (глиноземистых цементов, геополимеров, магнезиальных и комбинированных вяжущих), а также изучение способов переработки и улучшения свойств вторичного сырья.
Исследуются возможности использования местных и переработанных материалов, что снижает транспортные расходы и выбросы CO₂.
Учёные продолжают работать над созданием новых составов, которые объединят высокую прочность, лёгкость и экологичность.
При выборе материалов важно учитывать конкретные требования проекта и климатические условия.[2]
Теперь понятно, почему технологии 3D-печати становятся всё популярнее, правда?
Преимущества и недостатки 3D-строительства
Рассмотрю преимущества и недостатки 3D-строительства.
Хорошего в 3D-принтерах много:
-
Можно сделать любую необычную вещь быстро и недорого.
-
Легко украсить дом красивыми деталями разного вида.
-
Программа простая, разобраться сможет каждый.
-
Строится всё точно и ровно, быстро получаются хорошие дома и постройки.
-
Не надо много рабочих, хватит одного-двух человек.
-
Остатков почти нет, потому что детали сразу делают нужного размера, а лишнее можно снова пустить в дело.
-
Для людей и природы это безопасно.
А вот минусов тоже хватает:
-
Законы пока плохо подходят для такого строительства.
-
Материалы бывают только специальные, обычные не подойдут.
-
Сама техника дорогая, хотя потом быстро себя оправдывает.
-
Нужно учиться новому, иначе не получится строить таким способом.
-
Обычно принтер работает только с одним видом материала.
-
Большую технику сложно перевозить и хранить.[12]
Но скоро, наверное, решатся все проблемы, ведь технологии развиваются очень быстро.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В результате работы над проектом я сделала следующие выводы:
Моя тема была интересная: Умные материалы в городах будущего. Именно они позволят нам строить дома по-новому, быстро и удобно! Главное, чтобы решались проблемы развития данного направления!
Первое, что я узнала: Что такое 3D-печать в строительстве? Оказывается, можно построить целый дом с помощью огромной версии обычного 3D-принтера! Прочный бетон ложится слой за слоем, и дом вырастает на глазах.
Второе открытие: Узнала всё самое интересное о технологиях, которые используют инженеры. Существуют разные типы огромных 3D-принтеров: некоторые напоминают большие краны, другие - роботов, работающих на заводе. Выбор принтера зависит от того, какой дом мы планируем построить.
Следующее открытие: Определила самые экологичные строительные материалы для печати. Материал для 3D-печати отличается от обычного бетона. Есть специальный состав, который прочный и быстрый в застывании. Ещё есть интересные добавки, которые делают материал экологически чистым и безопасным.
Ещё я изучила преимущества и недостатки 3D-строительства. Далее я выяснила: Почему строительство с помощью 3D-принтеров так популярно? Потому что оно ускоряет процесс, уменьшает количество мусора и даёт архитекторам свободу фантазии!
Самое главное: Мне удалось определить, что же мешает архитектуре будущего стать экологичным строительством настоящего времени. Это высокая цена на материалы и оборудование, недостаток исследований в этой области. Ещё нехватка законодательной базы для начала масштабного строительства
Итог: Эта работа помогла мне понять, что строительство завтрашних городов будет быстрым, красивым и экологичным. Нам повезло жить в эпоху невероятных открытий! (см.Приложение 1)
Заключение
Считаю, что цель моей работы достигнута, задачи решены в полном объёме.
3Д-печать является важным направлением современного строительства. Применение технологий способствует экономии ресурсов, сохранению природы и снижению производственных расходов. В ближайшем будущем этот вид строительства может решить проблему нехватки доступного жилья и внести свой вклад в улучшение экологической обстановки.
Список использованных источников
1.Журнал «Аддитивные технологии»
https://www.3dpulse.ru/news/zhurnal-additivnye-tehnologii/additivnye-tehnologii-v-stroitelstve-oborudovanie-i-materialy-chast-1/?ysclid=ml19e8rtip12300199
2.национальныепроекты.рф В Московском политехе разработают экоматериалы для строительной 3D-печати
https://национальныепроекты.рф/news/v-moskovskom-politekhe-razrabotayut-ekomaterialy-dlya-stroitelnoy-3d-pechati/
3.Прогресс. 3D-печать в строительстве: технологии, материалы и особенности конструкций
4.СтеклоСоюзРоссии. Учёные создали высокопрочный бетон с переработанным стеклом.https://steklosouz.ru/news/uchenye_sozdali_vysokoprochnyy_beton_s_pererabotannym_steklom
5.Стихи.ру https://stihi.ru/2006/12/23-1381
https://www.tn.ru/journal/3d-pechat-v-stroitelstve-opyt-i-primery-ispolzovaniya/
6.Чудо техники с Сергеем Малозёмовым. Учёные создали бетон для 3D-печати без цемента
https://chudo.tech/2025/12/01/beton-dlya-3d-pechati/
7.@наука. На 3D-принтере напечатали биоразлагаемый материал из дрожжей
https://science.mail.ru/news/50461-na-3d-printere-napechatali-biorazlagaemyj-material-iz-drozhzhej/
8.3D4Art. Материалы для 3D-печати https://3d4art.ru/matyeрeeali-dlya-3d-pyechatee-2/?ysclid=ml19jqifnr487919331
9.3DTOOI. 3D-печать в строительстве: технология применения и как это работает
https://3dtool.ru/stati/obzor-primeneniya-3d-printerov-v-stroitelstve/?ysclid=mkwvvjy0m3278052833
10.Goodbuild – хорошее строительство. Преимущества 3D-печати для экологичного строительства
https://goodbuild.pro/blog/preimushhestva-3d-pechati-dlya-ekologichnogo-stroitelstva/
11.TOP 3D shop. 3D-печать в строительстве: как это работает, технологии и 3D-принтеры https://top3dshop.ru/blog/3d-printing-of-buildings-technologies-and-3d-printers.html?ysclid=ml19ae2b84254137510
12.Vektorus. 3D-печать в строительстве: прочный и комфортный дом возводится с нуля за неделю
https://vektorus.ru/blog/3d-printer-dlya-stroitelstva-doma.html?ysclid=ml2howihxe883155273
13.VologdaWood. Роль древесной муки в материалах для 3D-печати
https://vologodskaya-drevesina.com/blog/drevesnaya-muka/texnologij-3d-pechati-stroitelnyix-materialov.html
Приложение 1