A texasi Austinban található House Zero egy 2,000 négyzetméteres otthon, amely 3D-nyomtatott betonból épült. Lake Flato építészek
Az építészetben ritkán jelennek meg új anyagok.
Évszázadokon át a fa, a falazat és a beton képezte a legtöbb építmény alapját a Földön.
Az 1880-as években elfogadták a az acélváz örökre megváltoztatta az építészetet. Az acél lehetővé tette az építészek számára, hogy magasabb épületeket tervezzenek, nagyobb ablakokkal, így alakultak ki a felhőkarcolók, amelyek ma meghatározzák a város látképét.
Az ipari forradalom óta az építőanyagok nagyrészt a sorozatgyártású elemekre korlátozódnak. Az acélgerendáktól a rétegelt lemezekig ez a szabványos alkatrészkészlet több mint 150 éve szolgálja az épületek tervezését és építését.
Ez hamarosan megváltozhat az ún.nagyüzemi adalékgyártás.” Az acélváz bevezetése óta nem történt olyan fejlesztés, amely ekkora potenciállal változtatta volna az épületek koncepcióját és építését.
A nagyléptékű additív gyártás, mint például az asztali 3D nyomtatás, az objektumok rétegenkénti felépítését foglalja magában. Legyen szó agyagról, betonról vagy műanyagról, a nyomatanyagot folyékony állapotban extrudálják, és megszilárdul a végső formája.
igazgatójaként az Intelligens Szerkezetek Intézete a Tennessee Egyetemen volt szerencsém egy sor projekten dolgozni, amelyek ezt az új technológiát alkalmazzák.
Bár még mindig vannak akadályok e technológia széles körű elterjedése előtt, előre látok egy olyan jövőt, amelyben az épületek teljes egészében újrahasznosított vagy helyben beszerzett anyagokból épülnek, a természet geometriái által ihletett formákkal.
Ígéretes prototípusok
Ezek között van a Trillium pavilon, újrahasznosított anyagból nyomtatott szabadtéri szerkezet ABS polimer, egy elterjedt műanyag, amelyet fogyasztási cikkek széles körében használnak.
A szerkezet vékony, duplán ívelt felületeit a szirmok ihlették névadó virága. A projektet diákok tervezték, a Loci Robotics nyomtatta ki, és a Tennessee Egyetem Kutatóparkjában, a knoxville-i Cherokee Farmon építették fel.
További újabb példák a nagyüzemi adalékanyag-gyártásra köztük a Tecla, egy 450 négyzetméteres (41.8 négyzetméteres) prototípus-lakás, amelyet a Mario Cucinella Architects tervezett és nyomtattak Massa Lombardában, egy olaszországi kisvárosban.
A Tecla helyi eredetű agyagból épült. Mario Cucinella építészek
Az építészek egy helyi folyóból származó agyagból nyomtatták a Teclát. Ennek az olcsó anyagnak és a radiális geometriának az egyedülálló kombinációja az alternatív ház energiahatékony formáját hozta létre.
Visszatérve az Egyesült Államokba, a Lake Flato építésziroda az ICON építőipari technológiai céggel együttműködve beton külső falakat nyomtatott egy "Zero ház” Austinban, Texasban.
A 2,000 négyzetméteres (185.8 négyzetméteres) otthon a 3D-nyomtatott beton gyorsaságát és hatékonyságát mutatja be, a szerkezet pedig kellemes kontrasztot mutat görbe vonalú falai és szabadon álló faváza között.
A tervezési folyamat
A nagyléptékű additív gyártás három tudásterületet foglal magában: digitális tervezés, digitális gyártás és anyagtudomány.
Kezdésként az építészek számítógépes modelleket készítenek az összes nyomtatandó komponensről. Ezek a tervezők ezután szoftverrel tesztelhetik, hogyan reagálnak az alkatrészek a szerkezeti erőkre, és ennek megfelelően módosíthatják az alkatrészeket. Ezek az eszközök abban is segíthetnek a tervezőnek, hogy kitalálja, hogyan csökkentheti az alkatrészek súlyát és automatizálhat bizonyos tervezési folyamatokat, például az összetett geometriai metszéspontok kisimítását a nyomtatás előtt.
Egy szoftver szeletelőként ismert majd lefordítja a számítógép-modellt a 3D nyomtatóhoz tartozó utasítások sorozatává.
Feltételezheti, hogy a 3D nyomtatók viszonylag kis léptékben működnek – gondoljon bele mobiltelefon tokok és a fogkefe tartók.
De a 3D nyomtatási technológia fejlődése lehetővé tette a hardvert komolyan felnagyítani. Néha a nyomtatás az ún portál alapú rendszer – egy asztali 3D nyomtatóhoz hasonló csúszósínekből álló téglalap alakú keret. Egyre inkább, robotkarok Bármilyen tájolású nyomtatási képességük miatt használatosak.
A robotkarok nagyobb rugalmasságot tesznek lehetővé az építési folyamatban.
A nyomtatási hely is változhat. A berendezési tárgyak és a kisebb alkatrészek gyárilag nyomtathatók, míg a teljes házakat a helyszínen kell nyomtatni.
Sokféle anyag használható nagyüzemi adalékgyártáshoz. A beton az ismertsége és tartóssága miatt népszerű választás. Az agyag érdekes alternatíva, mert a helyszínen betakarítható – ezt a Tecla tervezői meg is tették.
A műanyagok és polimerek azonban a legszélesebb körben alkalmazhatók. Ezek az anyagok hihetetlenül sokoldalúak, és olyan módon alakíthatók ki, hogy megfeleljenek a speciális szerkezeti és esztétikai követelmények széles skálájának. Újrahasznosított és szervesen nyert anyagokból is előállíthatók.
Inspiráció a természetből
Mivel az additív gyártás rétegről rétegre épül, csak egy adott alkatrész előállításához szükséges anyagot és energiát használva, ez sokkal hatékonyabb építési folyamat, mint „kivonó módszerek”, amely magában foglalja a felesleges anyag levágását – gondoljunk csak egy fagerenda kimarására a fából.
Még a közönséges anyagok, például a beton és a műanyagok számára is előnyös a 3D-nyomtatás, mivel nincs szükség további zsaluzatra vagy öntőformákra.
Manapság a legtöbb építőanyagot tömegesen gyártják összeszerelősorokon, amelyeket ugyanazon alkatrészek előállítására terveztek. A költségek csökkentése mellett ez a folyamat kevés helyet hagy a testreszabásra.
Mivel nincs szükség szerszámokra, formákra vagy matricákra, a nagyléptékű adalékgyártás lehetővé teszi, hogy minden alkatrész egyedi legyen, és nincs időbeli büntetés a bonyolultság vagy a testreszabás miatt.
A nagyüzemi adalékanyag-gyártás másik érdekessége az a képesség, hogy komplex alkatrészeket lehet előállítani belső üregekkel. Ez egy napon lehetővé teheti, hogy a falakra már a helyükön lévő védőcsövekkel vagy csővezetékekkel nyomtatják ki.
Ezen kívül, kutatás folyik feltárni a több anyagból álló 3D nyomtatás lehetőségeit, egy olyan technikát, amely lehetővé tenné az ablakok, szigetelések, szerkezeti megerősítések – akár vezetékek – teljes integrálását egyetlen nyomtatott komponensbe.
Az additív gyártás egyik szempontja, ami engem leginkább izgat, az, hogy az építkezés rétegről rétegre, lassan keményedő anyaggal tükrözi a természetes folyamatokat, például a héjképzést.
Egy 3D-nyomtatott ház Sanghajban, amely kevesebb, mint 24 óra alatt épült meg építési hulladékból. Visual China Group/Getty Images
Ez lehetőségeket nyit meg, lehetővé téve a tervezők számára, hogy olyan geometriákat valósítsanak meg, amelyeket más építési módszerekkel nehéz előállítani, de a természetben gyakoriak.
Szerkezeti keretek a madárcsontok finom szerkezete ihlette könnyű csőrácsokat hozhatnak létre, amelyek különböző méretűek tükrözik a rájuk ható erőket. Homlokzatok, hogy növényi levelek formáit idézi úgy tervezhető, hogy egyidejűleg árnyékolja az épületet és állítson elő napenergiát.
A tanulási görbe leküzdése
A nagyüzemi adalékanyag-gyártás számos pozitív vonatkozása ellenére számos akadálya van a szélesebb körű alkalmazásának.
Talán a legnagyobb felülmúlandó az újdonsága. Egy egész infrastruktúra épült a hagyományos építési formák köré, mint például az acél, beton és fa, amely magában foglalja az ellátási láncokat és az építési előírásokat. Ezenkívül a digitális gyártási hardver költsége viszonylag magas, és az új anyagokkal való munkához szükséges speciális tervezési ismereteket még nem tanítják széles körben.
Ahhoz, hogy a 3D nyomtatást az építészetben szélesebb körben alkalmazzák, meg kell találnia a rést. Hasonlóan ahhoz, hogyan a szövegszerkesztés segített az asztali számítógépek népszerűsítésében, azt gondolom, hogy ez a nagyüzemi adalékanyag-gyártás sajátos alkalmazása lesz, ami elvezet majd a közös használatához.
Talán ez lesz a képessége rendkívül hatékony szerkezeti keretek nyomtatására. Már látom az ígéretet az egyedi szobrászati homlokzatok létrehozásában is, amelyek hasznos élettartamuk végén újrahasznosíthatók és újranyomtathatók.
Akárhogy is, valószínűnek tűnik, hogy a tényezők bizonyos kombinációja biztosítja, hogy a jövőbeni épületek egy része 3D-nyomtatással készüljön.
A szerzőről
James Rose, az Intelligens Szerkezetek Intézetének igazgatója, University of Tennessee
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
