House Zero i Austin, Texas, er et 2,000 kvadratmeter stort hjem, der blev bygget med 3D-printet beton. Lake Flato Arkitekter

I arkitekturen opstår der sjældent nye materialer.

I århundreder har træ, murværk og beton dannet grundlaget for de fleste konstruktioner på Jorden.

I 1880'erne blev vedtagelsen af stålrammen ændrede arkitektur for altid. Stål tillod arkitekter at designe højere bygninger med større vinduer, hvilket gav anledning til de skyskrabere, der definerer byens skylines i dag.

Siden den industrielle revolution har byggematerialer stort set været begrænset til en række masseproducerede elementer. Fra stålbjælker til krydsfinerpaneler, dette standardiserede sæt af dele har informeret design og konstruktion af bygninger i over 150 år.

Det kan snart ændre sig med fremskridt i det, der kaldes "storstilet additiv fremstilling." Ikke siden vedtagelsen af ​​stålrammen har der været en udvikling med så meget potentiale til at transformere den måde, bygninger er udtænkt og konstrueret på.

Storstilet additiv fremstilling, som 3D-print på skrivebordet, involverer at bygge objekter et lag ad gangen. Uanset om det er ler, beton eller plast, ekstruderes trykmaterialet i en flydende tilstand og hærder til sin endelige form.

Som direktør for Institut for Smarte Strukturer på University of Tennessee har jeg været så heldig at arbejde på en række projekter, der implementerer denne nye teknologi.

Selvom der stadig eksisterer nogle vejspærringer for den udbredte indførelse af denne teknologi, kan jeg forudse en fremtid, hvor bygninger udelukkende bygges af genbrugsmaterialer eller materialer, der kommer på stedet, med former inspireret af naturens geometrier.

Lovende prototyper

Blandt disse er Trillium-pavillonen, en friluftsstruktur trykt fra genbrug ABS polymer, en almindelig plast, der bruges i en lang række forbrugerprodukter.

Strukturens tynde, dobbeltbuede overflader var inspireret af kronbladene fra dens navnebror. Projektet blev designet af studerende, trykt af Loci Robotics og bygget på University of Tennessee Research Park på Cherokee Farm i Knoxville.

Andre nyere eksempler på storstilet additiv fremstilling omfatter Tecla, en 450 kvadratmeter (41.8 kvadratmeter) prototypebolig designet af Mario Cucinella Architects og trykt i Massa Lombarda, en lille by i Italien.

Tecla blev bygget af lokalt fremskaffet ler. Mario Cucinella Arkitekter

Arkitekterne trykte Tecla ud af ler hentet fra en lokal flod. Den unikke kombination af dette billige materiale og radial geometri skabte en energieffektiv form for alternativ bolig.

Tilbage i USA samarbejdede arkitektfirmaet Lake Flato med byggeteknologifirmaet ICON om at printe betonydre vægge til et hjem kaldet "Hus Zero” i Austin, Texas.

Hjemmet på 2,000 kvadratmeter (185.8 kvadratmeter) demonstrerer hastigheden og effektiviteten af ​​3D-printet beton, og strukturen viser en behagelig kontrast mellem dens buede vægge og dens blottede træramme.

Planlægningsprocessen

Storstilet additiv fremstilling involverer tre vidensområder: digitalt design, digital fremstilling og materialevidenskab.

Til at begynde med laver arkitekter computermodeller af alle de komponenter, der skal udskrives. Disse designere kan derefter bruge software til at teste, hvordan komponenterne vil reagere på strukturelle kræfter og justere komponenterne i overensstemmelse hermed. Disse værktøjer kan også hjælpe designeren med at finde ud af, hvordan man reducerer vægten af ​​komponenter og automatiserer visse designprocesser, såsom udjævning af komplekse geometriske skæringspunkter, før udskrivning.

Et stykke software kendt som en skæremaskine oversætter derefter computermodellen til et sæt instruktioner til 3D-printeren.

Du kan antage, at 3D-printere arbejder i relativt lille skala – tænk mobiltelefon etuier , tandbørsteholdere.

Men fremskridt inden for 3D-printteknologi har tilladt hardwaren at opskalere på en seriøs måde. Nogle gange sker udskrivningen via det, der hedder et portalbaseret system – en rektangulær ramme af glidende skinner, der ligner en desktop 3D-printer. I stigende grad, robotarme bruges på grund af deres evne til at udskrive i enhver retning.

Robotarme giver mulighed for mere fleksibilitet i byggeprocessen.

Udskrivningsstedet kan også variere. Inventar og mindre komponenter kan trykkes på fabrikker, mens hele huse skal trykkes på stedet.

En række materialer kan bruges til storstilet additiv fremstilling. Beton er et populært valg på grund af dets fortrolighed og holdbarhed. Ler er et spændende alternativ, fordi det kan høstes på stedet - hvilket er, hvad Teclas designere gjorde.

Men plast og polymerer kunne have den bredeste anvendelse. Disse materialer er utroligt alsidige, og de kan formuleres på måder, der opfylder en lang række specifikke strukturelle og æstetiske krav. De kan også fremstilles af genanvendte og organiske materialer.

Inspiration fra naturen

Fordi additiv fremstilling bygger lag for lag og kun bruger det materiale og den energi, der kræves for at fremstille en bestemt komponent, er det en langt mere effektiv byggeproces end "subtraktive metoder,” som går ud på at skære overskydende materiale væk – tænk at fræse en træbjælke ud af et træ.

Selv almindelige materialer som beton og plast har gavn af at blive 3D-printet, da der ikke er behov for yderligere forskalling eller forme.

De fleste byggematerialer i dag masseproduceres på samlebånd, der er designet til at producere de samme komponenter. Samtidig med at omkostningerne reduceres, denne proces efterlader lidt plads til tilpasning.

Da der ikke er behov for værktøj, forme eller matricer, tillader storstilet additiv fremstilling, at hver del er unik, uden tidsstraf for ekstra kompleksitet eller tilpasning.

Et andet interessant træk ved additiv fremstilling i stor skala er evnen til at producere komplekse komponenter med indre hulrum. Dette kan en dag give mulighed for, at vægge kan printes med rør eller kanalsystemer, der allerede er på plads.

Desuden forskning finder sted at udforske mulighederne for multi-materiale 3D-print, en teknik, der kunne tillade vinduer, isolering, strukturel forstærkning – selv ledninger – at blive fuldt integreret i en enkelt printet komponent.

Et af de aspekter ved additiv fremstilling, der ophidser mig mest, er den måde, hvorpå bygning lag for lag, med et langsomt hærdende materiale, afspejler naturlige processer, såsom skaldannelse.

Et 3D-printet hus i Shanghai, der blev bygget på mindre end 24 timer uden byggeaffald. Visual China Group/Getty Images

Dette åbner op for muligheder og giver designere mulighed for at implementere geometrier, der er svære at fremstille ved hjælp af andre byggemetoder, men som er almindelige i naturen.

Strukturelle rammer inspireret af den fine struktur af fugleknogler kunne skabe lette gitter af rør, med varierende størrelser, der afspejler de kræfter, der virker på dem. Facader det fremkalde formen af ​​planteblade kan være designet til samtidig at skygge bygningen og producere solenergi.

At overvinde indlæringskurven

På trods af de mange positive aspekter ved storstilet additiv fremstilling er der en række hindringer for den bredere anvendelse.

Måske den største at overvinde er dens nyhed. Der er en hel infrastruktur bygget op omkring traditionelle konstruktionsformer som stål, beton og træ, som omfatter forsyningskæder og byggekoder. Derudover er omkostningerne ved digital fremstillingshardware relativt høje, og de specifikke designfærdigheder, der er nødvendige for at arbejde med disse nye materialer, er endnu ikke udbredt.

For at 3D-print i arkitektur kan blive mere udbredt, skal det finde sin niche. Svarende til hvordan tekstbehandling hjalp med at popularisere stationære computere, Jeg tror, ​​det vil være en specifik anvendelse af storstilet additiv fremstilling, der vil føre til dens almindelige brug.

Måske vil det være dens evne til at printe højeffektive strukturelle rammer. Jeg ser også allerede dets løfte om at skabe unikke skulpturelle facader, der kan genbruges og genoptrykkes ved slutningen af ​​deres levetid.

Uanset hvad, så virker det sandsynligt, at en kombination af faktorer vil sikre, at fremtidige bygninger til dels vil blive 3D-printede.

Om forfatteren

James Rose, direktør for Instituttet for Smarte Strukturer, University of Tennessee

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.