Byggande är en av de största näringarna i världsekonomin - värt 10 biljoner dollar globalt (motsvarande 13% av BNP).

Men konstruktionen har lidit i decennier av anmärkningsvärt dålig produktivitet jämfört med andra sektorer. Medan jordbruket och tillverkningen har ökat produktiviteten 10-15 gånger sedan 1950-talet, konstruktionen förblir fast på samma nivå som för 80 år sedan.

Det beror på att konstruktionen förblir i stort sett manuell, medan tillverkning och andra industrier har gjort betydande framsteg i användningen av digital, avkännings- och automationsteknik.

Vi och andra forskargrupper ser 3D-tryckt betong som en möjlig lösning på dessa problem. Tekniken kommer sannolikt också att ge arkitekter friheten att tillföra mer kreativitet till sina konstruktioner för nya strukturer.

Problem inför konstruktion

Vår moderna civila infrastruktur är nästan helt byggd med betong. Vi använder mer än 20 miljarder ton betong per år. Det enda materialet vi använder mer än så är vatten.

Byggbranschen står inför ett antal allvarliga problem, inklusive låg arbetseffektivitet och höga olycksfrekvenser på byggarbetsplatser. Enligt Australian Bureau of Statistics, byggbranschen har den högsta andelen arbetsrelaterade skador (59 per 1000 arbetare).

Det finns också svårigheter med kvalitetskontroll på byggarbetsplatser, höga halter av avfall och koldioxidutsläpp, kostnadseffekter, och utmaningar i att hantera stora arbetsplatser med en försvinnande arbetskraft.

Störande teknik som 3D-betongtryck kan erbjuda lösningar.

Fördelarna med 3D-betongtryck

3D-konstruktion använder additiva tillverkningstekniker, vilket betyder att objekt konstrueras genom att lägga till materiallager.

Konventionella konstruktionssätt innebär att gjuta betong i en form (känd som formning). Men additiv konstruktion kombinerar digital teknik och nya insikter från materialteknik för att möjliggöra konstruktion i fri form utan användning av formning.

Eliminering av formkostnader är den viktigaste ekonomiska drivkraften för 3D-betongtryck. Byggd med material som trä, formen står för cirka 60% av den totala kostnaden för betongkonstruktion. Det är också en betydande avfallskälla, med tanke på att det förkastas förr eller senare. Enligt en studie från 2011, byggbranschen genererar 80% av världens totala avfall.

Att hälla betong i formen begränsar också arkitekternas kreativitet att bygga unika former, om inte mycket höga kostnader betalas för skräddarsydd formning. Additiv konstruktion i fri form kan förbättra arkitektoniska uttryck. Kostnaden för att producera en strukturell komponent skulle inte vara knuten till formen, så konstruktionen kunde frigöras från de rektangulära konstruktioner som är så bekanta i nuvarande byggnadsarkitektur.

Vad vi kunde bygga

3D-betongtryck utforskas för att bygga hus, broar, byggnader och till och med vindkraftstorn.

Hus

Detta 3D-tryckta betonghus byggdes på 24 timmar under en hård rysk vinter. Det var det första huset som byggdes på en enda plats.

Broar

En 8-meters 3D-tryckt betongbro för cyklister presenterades förra året i Nederländerna. Bron, som trycktes av Eindhoven tekniska universitet, har mer än 800 lager och tog tre månader att skriva ut.

Invecklade strukturer

3D-betongtryck har en fördel jämfört med konventionella konstruktionsmetoder när det gäller att bygga icke-rätlinjiga former, som krökta former med invecklade detaljer.

Det är fortfarande tidiga dagar

Detta forskningsfält är fortfarande i sin linda.

Det största hindret för utvecklingen av betong 3D-tryck är själva betongen. Konventionell betong i sin nuvarande form är inte lämplig för 3D-utskrift, så nya och innovativa alternativ måste utvecklas.

Forskare utforskar olika typer av betong. Betongen för 3D-utskrift får inte härda när den är inuti skrivaren, men det måste ställas in och förstärkas så snart det extruderas som möjligt. Denna typ av betong kallas "set-on-demand".

När det gäller att faktiskt skriva ut betongen, särskilda skrivare behövs. Vanligtvis, skrivarens storlek måste vara större än komponenten som skrivs ut. Dock, forskare utforskar skrivare eller robotar som kan "klättra" på delar av betongen som redan är inställda för att skriva ut andra sektioner.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.