Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat möjligheten att 3-D-printa ett omöblerat badrum på mindre än en dag.

Efter utskrift, badrummet är möblerat med toalettbeslag för att bli en prefabricerad enhet, redo att användas i byggprojekt. Dess inre inkluderar ett handfat, spegel, dusch, toalettskål, keramiska kaklade väggar och golv, komplett med dolda avlopp och rör.

Detta kan potentiellt hjälpa företag att bygga prefabricerade badrumsenheter (PBU) cirka 30 procent snabbare och 30 procent lättare än nuvarande PBU.

Under de senaste fyra åren, forskargruppen fokuserade på att utveckla en speciell betongblandning som är tillräckligt flytande för att flyta genom slangarna och tryckmunstycket, ändå kan härda tillräckligt snabbt så att nästa lager kan skrivas ut på det. Utöver att säkerställa en konsekvent utskriftskvalitet, slutprodukten måste också vara lika stark som konventionell betong.

Tryckprocessen tar hälften av den tid som behövs för att bygga en konventionell badrumsenhet som använder betonggjutning. Beslagen, plattsättning och efterbehandling tar vanligtvis ytterligare fem dagar.

Denna innovation har utvecklats av ett gemensamt forskarteam ledd av professor Tan Ming Jen från NTU:s Singapore Center for 3-D Printing, i samarbete med Sembcorp Design and Construction, och Sembcorp Architects &Engineers.

Singapore Center for 3-D Printing inrättades av National Research Foundation (NRF) Singapore, att bedriva forskning och utveckling om 3-D-utskriftsteknik, och påskynda företagens antagande av tekniken.

Herr Lim Tuang Liang, Verkställande direktör på Forskningen, Innovation and Enterprise Coordination Office vid National Research Foundation (NRF) Singapore, sa:"Singapores styrka inom avancerad tillverkningsteknik fördjupas inte bara inom forskningsområdet, men också i antagandet och implementeringen av dessa tekniker av våra företag. Detta senaste projekt mellan NTU och Sembcorp är ett bevis på vår starka forsknings- och översättningsförmåga inom 3-D-utskrift. Vi är glada över att främja fler samarbeten mellan våra forskningsinstitut och innovationsdrivna företag för att driva antagandet av nyckelteknologier inom tillverkningssektorn."

Detta Proof-of-Concept syftar till att förbättra produktiviteten för Singapores bygg- och anläggningsindustri genom användning av digitala och robottillverkningsmetoder för att minska kraven på kvalificerad arbetskraft och arbetskraft.

Sedan 2014, det har varit ett krav för alla icke-landsatta bostadsområden för Government Land Sale (GLS) i Singapore att använda Prefabricated Bathroom Units (PBU) i sin byggprocess.

PBU:er gjuts vanligtvis av betong och är helt förmonterade utanför platsen med alla nödvändiga ytbehandlingar och beslag, redo att lyftas och installeras i ett byggprojekt.

Genom att flytta det mesta av tillverkningen utanför anläggningen till den kontrollerade miljön på en fabrik, PBU:er ger tid och arbetskraftsbesparingar på cirka 60 procent, jämfört med byggandet på plats som var praxis före 2014. Det finns också bättre kontroll över materialen och prefabriceringsprocessen, vilket resulterar i högre kvalitet och mindre svinn.

Assoc Prof Tan sa att 3D-utskrift av en badrumsenhet kan hjälpa tillverkare att halvera sin produktionstid samtidigt som transportkostnaderna sänks, koldioxidutsläpp och materialspill. Mindre utrymme krävs för att skapa och lagra samma antal PBU:er i landets knappa Singapore, eftersom konventionella PBU:er tar ungefär två veckor innan de kan vara klara.

"Genom att kunna skriva ut på begäran, företag kan spara på sina lagerkostnader såväl som personalkostnader, eftersom de inte behöver ha så mycket lager och deras arbetare kan omplaceras för att utföra uppgifter på högre nivå. Detta tillvägagångssätt förbättrar säkerheten på arbetsplatsen, eftersom robotar gör konstruktionen av badrumsenheten, " förklarade prof Tan.

Er Lie Liong Tjen, teamledare från Sembcorp Design and Construction, och Sembcorp Architects &Engineers sa:"3-D-utskriftsteknik gör att betong kan skrivas ut och anpassas. Den komplicerade formen på en PBU och dess väggar kan utvecklas och skrivas ut i snabbare takt för att tillfredsställa individuella kunders behov eftersom ingen formsättning eller formar krävs, medan konventionell konstruktion av PBU med betong eller lätta väggpaneler alltid begränsar designmöjligheterna. Dessutom, 3D-utskrift kan bygga kurvlinjära profiler snarare än rätlinjiga former."

Hur badrumsenheten skrivs ut i 3D

Det multidisciplinära teamet som består av forskare över discipliner som mekanisk, civil- och materialteknik, arkitektur och robotik, fick först utveckla speciella betongblandningar som kunde 3D-printas. Nya blandningar inkluderar gröna byggmaterial som geopolymerer, som är gjorda av flygaska avfall.

För att aktivera utskrift, teamet fick också utveckla nya tryck- och kontrollsystem som kunde matcha munstyckets flödeshastighet till betongens härdningsegenskaper.

Tryckningen utfördes sedan i en enda konstruktion med en 6-axlig KUKA robotarm, som har en räckvidd på cirka 6 meter i diameter. Den specialdesignade betongblandningen matades till blandare och pumpades ut ur ett munstycke monterat på robotarmen, deponera materialet lager för lager enligt den digitala ritningen.

För att spara material och uppnå viktbesparingar på upp till 30 procent, PBU:ns väggar trycktes i W-gitterform, vilket gav ytterligare styrka till den slutliga strukturen.

Forskargruppen tryckte och utrustade två PBU:er. En som mätte 1,62 m (L) x 1,5 m (B) x 2,8 m (H) trycktes på bara 9 timmar medan den andra PBU:n som mätte 2 m (L) x 2,6 m (B) x 2,8 m (H) trycktes på 12 timmar.

Under hela processen, NTU-forskare arbetade nära Sembcorps ingenjörer, som gav industriella input och kommenterade forskningsresultat, samt tillhandahållit resurser och material för 3-D-utskriften. De installerade också arkitektoniska ytbehandlingar och VVS-armaturer på de två tryckta PBU:erna och hjälpte till med den övergripande logistiken.

Uppfyller eller överträffar industristandarder

Den större 3-D-printade PBU har redan genomgått stränga industritester, med resultaten som visar att den har uppfyllt den erforderliga styrkan och robustheten som anges i Singapore Standard SS492:2001.

Den genomgår för närvarande vattenabsorptions- och brandmotståndstester som en del av kraven under Building Innovation Panel (BIP) PBU acceptansramverk.

BIP är en byråövergripande plattform som påskyndar utvecklingen och implementeringen av genomförbara metoder, processer, lösningar, teknologier eller material – för att täcka lösningar utöver de som höjer produktiviteten till någon typ av innovation som kan förbättra Singapores byggda miljö.

Tekniken och kunnandet som används i detta tvärvetenskapliga projekt skyddas av en teknikupplysning som lämnats in av NTU:s innovations- och företagsföretag, NTUitiv, och ägs gemensamt av universitetet och Sembcorp.

Går vidare, teamet ser fram emot att få de nödvändiga godkännandena för försök från Building and Construction Authority of Singapore (BCA) och att kommersialisera tekniken genom licensiering eller ett spin-off-företag.