Sådan udskriver du en bygning - videnskaben bag 3-D-print i byggeriet

Det hævdes ofte, at 3-D-print - kendt i branchen som "additiv fremstilling" - vil ændre den måde, vi lever på. Seneste, et team fra Eindhoven University of Technology annoncerede planer om at bygge "verdens første" beboelige 3-D printede huse. Men det er én ting at bygge småt, prototypehuse i en park – det er noget helt andet med succes at bruge additiv fremstilling til store projekter i byggesektoren.

Additiv fremstilling bruger en kombination af materialevidenskab, arkitektur og design, beregning og robotteknologi. Alligevel på nogle måder, det er ikke så futuristisk, som det lyder. Den enkle tilgang med lagmæssig konstruktion – hvor byggematerialer lægges oven på hinanden for at skabe en facade – har allerede været praktiseret længe i byggesektoren, f.eks. i konventionelle tegllagsteknikker.

Den sande nyhed ved additiv fremstilling ligger i dens evne til at kombinere nye, højeffektive og bæredygtige materialer med arkitektonisk designsoftware og robotteknologi, at automatisere og forbedre processer, der allerede er bevist manuelt. I denne forstand, additiv fremstilling rummer mange potentielt banebrydende fordele for byggesektoren.

3D-print kan producere op til 30 % mindre materialespild, bruge mindre energi og færre ressourcer, muliggør in-situ produktion (hvilket igen reducerer transportomkostningerne), give større arkitektonisk frihed og generere færre CO₂-emissioner over hele produktets livscyklus.

Udskrivbare råmaterialer

Men der er stadig et stykke vej igen, før additiv fremstillingsteknologi kan levere sit potentiale. Der er flere forskellige komponenter i additiv fremstilling, som hver især skal udvikles og forfines, før processen med succes kan bruges i storskala byggeri.

En komponent er printbare råmaterialer - de materialer, der faktisk "printes" for at skabe det endelige produkt. Der er mange typer printbart råmateriale, men den mest relevante for byggeri i stor skala er beton. Udskrivbare råmaterialer er typisk lavet af en kombination af bulkmaterialer – såsom jord, sand, knust sten, ler og genbrugsmaterialer – blandet med et bindemiddel såsom Portland cement, flyveaske eller polymerer, samt andre tilsætningsstoffer og kemiske midler for at lade betonen hærde hurtigere og bevare sin form, så lagene kan aflejres hurtigt.

I et projekt, jeg i øjeblikket arbejder på på Brunel University, vi fokuserer på at producere et printbart cementråmateriale. For at skabe materialer til 3-D printede konstruktioner, videnskabsmænd skal omhyggeligt kontrollere hærdningstiden for pastaen, stabiliteten af ​​de første par lag og bindingen mellem lagene. Materialernes opførsel skal undersøges grundigt under en række forhold, at opnå en robust konstruktion, der kan tåle belastning.

Kombinationen af ​​cement, sand og andre tilsætningsstoffer skal være helt rigtige, så råmaterialerne ikke sætter sig, mens de stadig er i printeren, og forbliv ikke våde for længe, ​​når de er blevet aflejret for at danne en struktur. Forskellige kvaliteter af råmateriale skal formuleres og udvikles, så denne teknologi kan bruges til at bygge en række forskellige strukturelle elementer, såsom bærende og storskala byggeklodser.

Byggesten

En anden komponent er printeren, som skal have en kraftig pumpe, der passer til skalaen af ​​fremstilling i byggebranchen. Printerens tryk og flowhastighed skal afprøves med forskellige typer råmaterialer. Printerens hastighed og størrelse er nøglen til at opnå en god printkvalitet:glat overflade, firkantede kanter og en ensartet bredde og højde for hvert lag.

Hvor hurtigt råmaterialerne afsættes – typisk målt i centimeter i timen – kan fremskynde eller bremse byggeriet. Formindskelse af hærdningstiden for råmaterialet betyder, at printeren kan arbejde hurtigere – men det risikerer også at råmaterialet hærder inde i printersystemet. Printsystemet bør optimeres til kontinuerligt at levere råmaterialerne med en konstant hastighed, så lagene kan smelte jævnt sammen.

Geometrien af ​​de producerede strukturer er den sidste brik i puslespillet, når det kommer til at bruge 3-D print i byggeriet. Når printeren og råmaterialet er korrekt opsat, de vil være i stand til at producere byggeklodser i fuld størrelse med en smart geometri, som kan tåle belastning uden forstærkninger. Formstabiliteten af ​​de truss-lignende filamenter i disse blokke er en væsentlig del af trykning, som giver styrke og stivhed til de trykte genstande.

Denne trestrengede tilgang til tilpasning af additiv fremstilling til byggeri kan revolutionere industrien inden for de næste ti til 15 år. Men før det kan ske, forskere er nødt til at finjustere blandingsforholdene for råvarerne, og forfine et printsystem, der kan klare den hurtige fremstilling af byggeklodser. Kun da kan potentialet ved 3D-print udnyttes til at bygge hurtigere, og mere bæredygtigt, end nogensinde før.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.