Det hävdas ofta att 3-D-utskrift – känd i branschen som "additiv tillverkning" – kommer att förändra vårt sätt att leva. Senast, ett team från Eindhovens tekniska universitet tillkännagav planer på att bygga "världens första" beboeliga 3-D-tryckta hus. Men det är en sak att bygga litet, prototyphus i en park – det är något helt annat att framgångsrikt använda additiv tillverkning för storskaliga projekt inom byggsektorn.

Additiv tillverkning använder en kombination av materialvetenskap, arkitektur och design, beräkning och robotik. Men på något sätt, det är inte så futuristiskt som det låter. Det enkla tillvägagångssättet med skiktvis konstruktion – där byggmaterial skiktas ovanpå varandra för att skapa en fasad – har redan praktiserats under lång tid inom byggsektorn, till exempel i konventionella tegelskiktningstekniker.

Den sanna nyheten med additiv tillverkning ligger i dess förmåga att kombinera nya, högeffektiva och hållbara material med mjukvara för arkitektonisk design och robotteknologi, att automatisera och förbättra processer som redan har bevisats manuellt. I det här sammanhanget, additiv tillverkning har många potentiellt banbrytande fördelar för byggsektorn.

3D-utskrift kan producera upp till 30 % mindre materialavfall, använda mindre energi och mindre resurser, möjliggör in-situ produktion (vilket i sin tur minskar transportkostnaderna), ge större arkitektonisk frihet och generera färre CO₂-utsläpp under produktens hela livscykel.

Utskrivbara råmaterial

Men det är fortfarande en bit kvar innan additiv tillverkningsteknik kan leverera sin potential. Det finns flera olika komponenter i additiv tillverkning, var och en måste utvecklas och förfinas innan processen framgångsrikt kan användas i storskalig konstruktion.

En komponent är utskrivbara råmaterial – de material som faktiskt "trycks" för att skapa den slutliga produkten. Det finns många typer av utskrivbart material, men den mest relevanta för storskalig konstruktion är betong. Utskrivbara råmaterial tillverkas vanligtvis av en kombination av bulkmaterial – som jord, sand, krossad sten, lera och återvunnet material – blandat med ett bindemedel som portlandcement, flygaska eller polymerer, samt andra tillsatser och kemiska medel för att låta betongen stelna snabbare och behålla sin form, så att skikten kan avsättas snabbt.

I ett projekt jag för närvarande arbetar med vid Brunel University, vi fokuserar på att producera en tryckbar cementråvara. För att skapa material för 3D-tryckta konstruktioner, forskare måste noggrant kontrollera inställningstiden för pastan, stabiliteten hos de första lagren och bindningen mellan lagren. Materialens beteende måste undersökas grundligt under en rad förhållanden, för att uppnå en robust struktur som tål belastning.

Kombinationen av cement, sand och andra tillsatser måste vara helt rätt, så att materialet inte stelnar medan det fortfarande är i skrivaren, och förbli inte blöta för länge när de väl har avsatts för att bilda en struktur. Olika kvaliteter av råmaterial måste formuleras och utvecklas, så att denna teknik kan användas för att bygga en rad olika strukturella element, såsom bärande och storskaliga byggstenar.

Byggklossar

En annan komponent är skrivaren, som måste ha en kraftfull pump för att passa omfattningen av tillverkningen inom byggbranschen. Skrivarens tryck och flödeshastighet måste testas med olika typer av råmaterial. Skrivarens hastighet och storlek är nyckeln för att uppnå en bra utskriftskvalitet:slät yta, fyrkantiga kanter och en konsekvent bredd och höjd för varje lager.

Hur snabbt råvarorna deponeras – vanligtvis mätt i centimeter per timme – kan påskynda eller sakta ner konstruktionen. Att minska inmatningstiden för inmatningen innebär att skrivaren kan arbeta snabbare – men det riskerar också att råvaran härdar inuti skrivarsystemet. Utskriftssystemet bör optimeras för att kontinuerligt leverera inmatningsmaterial med en konstant hastighet, så att lagren kan smälta samman jämnt.

Geometrin på de producerade strukturerna är den sista pusselbiten, när det gäller att använda 3-D-utskrift i konstruktion. När skrivaren och materialet har ställts in på rätt sätt, de kommer att kunna tillverka byggstenar i full storlek med en smart geometri som tål belastning utan förstärkningar. Formstabiliteten hos de fackverksliknande filamenten i dessa block är en viktig del av tryckning, som ger styrka och styvhet till de tryckta föremålen.

Detta tredelade tillvägagångssätt för att anpassa additiv tillverkning för konstruktion kan revolutionera branschen inom de närmaste tio till 15 åren. Men innan det kan hända, forskare måste finjustera blandningsförhållandena för råvarorna, och förfina ett trycksystem som kan klara av den snabba tillverkningen av byggstenar. Först då kan potentialen med 3D-utskrift utnyttjas för att bygga snabbare, och mer hållbart, än någonsin tidigare.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.