House Zero i Austin, Texas
House Zero i Austin, Texas, er et 2,000 kvadratmeter stort hjem som ble bygget med 3D-trykt betong. Lake Flato arkitekter

I arkitekturen dukker det sjelden opp nye materialer.

I århundrer har tre, mur og betong dannet grunnlaget for de fleste strukturer på jorden.

På 1880-tallet ble vedtakelsen av stålrammen endret arkitektur for alltid. Stål tillot arkitekter å designe høyere bygninger med større vinduer, noe som ga opphav til skyskraperne som definerer byens silhuetter i dag.

Siden den industrielle revolusjonen har byggematerialer stort sett vært begrenset til en rekke masseproduserte elementer. Fra stålbjelker til kryssfinerpaneler, dette standardiserte settet med deler har informert design og konstruksjon av bygninger i over 150 år.

Det kan snart endre seg med fremskritt i det som kalles "storstilt additiv produksjon." Ikke siden innføringen av stålrammen har det vært en utvikling med like mye potensial til å transformere måten bygninger er unnfanget og konstruert.

Storskala additiv produksjon, som 3D-utskrift på skrivebordet, innebærer å bygge objekter ett lag om gangen. Enten det er leire, betong eller plast, ekstruderes trykkmaterialet i flytende tilstand og stivner til sin endelige form.


innerself abonnere grafikk


Som direktør for Instituttet for smarte strukturer ved University of Tennessee har jeg vært heldig å jobbe med en rekke prosjekter som implementerer denne nye teknologien.

Selv om noen veisperringer for den utbredte bruken av denne teknologien fortsatt eksisterer, kan jeg forutse en fremtid der bygninger bygges utelukkende av resirkulerte materialer eller materialer hentet på stedet, med former inspirert av naturens geometrier.

Lovende prototyper

Blant disse er Trillium-paviljongen, en friluftsstruktur trykt fra resirkulert ABS polymer, en vanlig plast som brukes i et bredt spekter av forbrukerprodukter.

Strukturens tynne, dobbeltbuede overflater var inspirert av kronbladene til dens navnebror blomst. Prosjektet ble designet av studenter, trykt av Loci Robotics og bygget på University of Tennessee Research Park på Cherokee Farm i Knoxville.

Andre nyere eksempler på storstilt additiv produksjon inkluderer Tecla, en 450 kvadratfot (41.8 kvadratmeter) prototypebolig designet av Mario Cucinella Architects og trykt i Massa Lombarda, en liten by i Italia.

Tecla ble bygget av lokalt hentet leire.
Tecla ble bygget av lokalt hentet leire.
Mario Cucinella arkitekter

Arkitektene trykket Tecla ut av leire hentet fra en lokal elv. Den unike kombinasjonen av dette rimelige materialet og radiell geometri skapte en energieffektiv form for alternativ bolig.

Tilbake i USA samarbeidet arkitektfirmaet Lake Flato med byggeteknologifirmaet ICON for å trykke yttervegger av betong for et hjem kalt "Hus Zero” i Austin, Texas.

Hjemmet på 2,000 kvadratmeter (185.8 kvadratmeter) demonstrerer hastigheten og effektiviteten til 3D-trykt betong, og strukturen viser en behagelig kontrast mellom de buede veggene og den synlige tømmerrammen.

Planleggingsprosessen

Storskala additiv produksjon involverer tre kunnskapsområder: digital design, digital fabrikasjon og materialvitenskap.

Til å begynne med lager arkitekter datamodeller av alle komponentene som skal skrives ut. Disse designerne kan deretter bruke programvare for å teste hvordan komponentene vil reagere på strukturelle krefter og justere komponentene deretter. Disse verktøyene kan også hjelpe designeren med å finne ut hvordan man kan redusere vekten av komponenter og automatisere visse designprosesser, for eksempel utjevning av komplekse geometriske skjæringer, før utskrift.

Et stykke programvare kjent som en skjærer oversetter deretter datamodellen til et sett med instruksjoner for 3D-skriveren.

Du kan anta at 3D-skrivere fungerer i relativt liten skala – tenk mobiltelefondeksler og tannbørsteholdere.

Men fremskritt innen 3D-utskriftsteknologi har tillatt maskinvaren å skalere opp på en seriøs måte. Noen ganger gjøres utskriften via det som heter et portalbasert system – et rektangulært rammeverk av glideskinner som ligner på en stasjonær 3D-skriver. I større grad, robotarmer brukes på grunn av deres evne til å skrive ut i alle retninger.

Robotarmer gir mer fleksibilitet i byggeprosessen.

 

Utskriftsstedet kan også variere. Møbler og mindre komponenter kan trykkes i fabrikker, mens hele hus må trykkes på stedet.

En rekke materialer kan brukes til storskala additiv produksjon. Betong er et populært valg på grunn av sin fortrolighet og holdbarhet. Leire er et spennende alternativ fordi det kan høstes på stedet – det er det designerne av Tecla gjorde.

Men plast og polymerer kan ha den bredeste anvendelsen. Disse materialene er utrolig allsidige, og de kan formuleres på måter som oppfyller et bredt spekter av spesifikke strukturelle og estetiske krav. De kan også produseres av resirkulerte og organiske materialer.

Inspirasjon fra naturen

Fordi additiv produksjon bygger lag for lag, og bruker bare materialet og energien som kreves for å lage en bestemt komponent, er det en langt mer effektiv byggeprosess enn "subtraktive metoder,” som innebærer å kutte bort overflødig materiale – tenk å frese en trebjelke ut av et tre.

Selv vanlige materialer som betong og plast drar nytte av å bli 3D-printet, siden det ikke er behov for ytterligere forskaling eller former.

De fleste byggematerialer i dag er masseprodusert på samlebånd som er designet for å produsere de samme komponentene. Samtidig med å redusere kostnadene, denne prosessen gir lite rom for tilpasning.

Siden det ikke er behov for verktøy, former eller dyser, lar storskala additiv produksjon hver del være unik, uten tidsstraff for ekstra kompleksitet eller tilpasning.

Et annet interessant trekk ved storstilt additiv produksjon er evnen til å produsere komplekse komponenter med indre tomrom. Dette kan en dag gjøre at vegger kan skrives ut med kanal eller kanal som allerede er på plass.

I tillegg forskning finner sted å utforske mulighetene for 3D-utskrift med flere materialer, en teknikk som kan tillate at vinduer, isolasjon, strukturell forsterkning – til og med ledninger – integreres fullt ut i en enkelt trykt komponent.

En av aspektene ved additiv produksjon som begeistrer meg mest er måten bygning lag for lag, med et sakte herdende materiale, speiler naturlige prosesser, som skalldannelse.

Et 3D-printet hus i Shanghai
Et 3D-printet hus i Shanghai som ble bygget på mindre enn 24 timer uten byggeavfall.
Visual China Group/Getty Images

Dette åpner for muligheter, og lar designere implementere geometrier som er vanskelige å produsere ved bruk av andre konstruksjonsmetoder, men som er vanlige i naturen.

Strukturelle rammer inspirert av den fine strukturen til fuglebein kunne lage lette gitter av rør, med varierende størrelser som gjenspeiler kreftene som virker på dem. Fasader det fremkalle formene til planteblader kan være designet for å samtidig skygge bygningen og produsere solenergi.

Overvinne læringskurven

Til tross for de mange positive aspektene ved storstilt additiv produksjon, er det en rekke hindringer for bredere bruk.

Kanskje den største å overvinne er nyheten. Det er en hel infrastruktur bygget rundt tradisjonelle konstruksjonsformer som stål, betong og tre, som inkluderer forsyningskjeder og byggeforskrifter. I tillegg er kostnadene for digital produksjonsmaskinvare relativt høye, og de spesifikke designferdighetene som trengs for å jobbe med disse nye materialene er ennå ikke mye lært.

For at 3D-utskrift i arkitektur skal bli mer utbredt, må den finne sin nisje. I likhet med hvordan tekstbehandling bidro til å popularisere stasjonære datamaskiner, jeg tror det vil være en spesifikk anvendelse av storskala additiv produksjon som vil føre til vanlig bruk.

Kanskje vil det være dens evne til å skrive ut svært effektive strukturelle rammer. Jeg ser også allerede løftet om å skape unike skulpturelle fasader som kan resirkuleres og trykkes på nytt ved slutten av levetiden.

Uansett virker det sannsynlig at en kombinasjon av faktorer vil sikre at fremtidige bygninger til en viss grad vil bli 3D-printet.Den Conversation

Om forfatteren

James Rose, direktør for Institutt for smarte strukturer, University of Tennessee

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.