House Zero i Austin, Texas, är ett 2,000 3 kvadratmeter stort hem som byggdes med XNUMXD-tryckt betong. Lake Flato arkitekter

Inom arkitekturen dyker det sällan upp nya material.

I århundraden utgjorde trä, murverk och betong grunden för de flesta konstruktioner på jorden.

På 1880-talet antogs stålramen förändrade arkitekturen för alltid. Stål gjorde det möjligt för arkitekter att designa högre byggnader med större fönster, vilket gav upphov till skyskrapor som definierar stadens silhuetter idag.

Sedan den industriella revolutionen har byggmaterial till stor del varit begränsade till en rad massproducerade element. Från stålbalkar till plywoodpaneler, detta standardiserade kit med delar har informerat design och konstruktion av byggnader i över 150 år.

Det kan snart ändras med framsteg i vad som kallas "storskalig additiv tillverkning.” Inte sedan antagandet av stålramen har det skett en utveckling med så stor potential att förändra hur byggnader är tänkta och konstruerade.

Storskalig additiv tillverkning, som 3D-utskrift på skrivbordet, innebär att man bygger objekt ett lager i taget. Oavsett om det är lera, betong eller plast, extruderas tryckmaterialet i flytande tillstånd och härdar till sin slutliga form.

Som direktör för Institutet för smarta strukturer vid University of Tennessee har jag haft turen att arbeta med en rad projekt som implementerar den här nya tekniken.

Även om vissa vägspärrar för den utbredda användningen av denna teknik fortfarande finns, kan jag förutse en framtid där byggnader byggs helt och hållet av återvunnet material eller material som hämtas på plats, med former inspirerade av naturens geometrier.

Lovande prototyper

Bland dessa är Trillium-paviljongen, en utomhusstruktur tryckt från återvunnet ABS-polymer, en vanlig plast som används i ett brett utbud av konsumentprodukter.

Strukturens tunna, dubbelböjda ytor inspirerades av kronbladen på dess namne blomma. Projektet designades av studenter, trycktes av Loci Robotics och byggdes på University of Tennessee Research Park på Cherokee Farm i Knoxville.

Andra nya exempel på storskalig additiv tillverkning inkluderar Tecla, en 450 kvadratfot (41.8 kvadratmeter) prototypbostad designad av Mario Cucinella Architects och tryckt i Massa Lombarda, en liten stad i Italien.

Tecla byggdes av lokalt framställd lera. Mario Cucinella Arkitekter

Arkitekterna tryckte Tecla av lera från en lokal flod. Den unika kombinationen av detta billiga material och radiell geometri skapade en energieffektiv form av alternativa bostäder.

Tillbaka i USA samarbetade arkitektfirman Lake Flato med byggteknikföretaget ICON för att trycka ytterväggar av betong för ett hem kallat "Hus Zero” i Austin, Texas.

Hemmet på 2,000 185.8 kvadratmeter (3 kvadratmeter) demonstrerar hastigheten och effektiviteten hos XNUMXD-tryckt betong, och strukturen uppvisar en tilltalande kontrast mellan dess kurvlinjiga väggar och den exponerade timmerstommen.

Planeringsprocessen

Storskalig additiv tillverkning involverar tre kunskapsområden: digital design, digital tillverkning och materialvetenskap.

Till att börja med skapar arkitekter datormodeller av alla komponenter som ska skrivas ut. Dessa designers kan sedan använda programvara för att testa hur komponenterna kommer att reagera på strukturella krafter och justera komponenterna därefter. Dessa verktyg kan också hjälpa designern att ta reda på hur man kan minska vikten av komponenter och automatisera vissa designprocesser, som att jämna ut komplexa geometriska korsningar, före utskrift.

En mjukvara känd som en skärare översätter sedan datormodellen till en uppsättning instruktioner för 3D-skrivaren.

Du kan anta att 3D-skrivare fungerar i relativt liten skala – tänk mobiltelefonfodral och tandborsthållare.

Men framsteg inom 3D-utskriftsteknik har möjliggjort hårdvaran att skala upp på ett seriöst sätt. Ibland sker utskriften via det som kallas ett portalbaserat system – ett rektangulärt ramverk av glidskenor som liknar en stationär 3D-skrivare. Alltmer, robotarmar används på grund av deras förmåga att skriva ut i alla riktningar.

Robotarmar möjliggör mer flexibilitet i byggprocessen.

Tryckplatsen kan också variera. Inredning och mindre komponenter kan tryckas i fabriker medan hela hus måste tryckas på plats.

En rad olika material kan användas för storskalig additiv tillverkning. Betong är ett populärt val på grund av dess förtrogenhet och hållbarhet. Lera är ett spännande alternativ eftersom det kan skördas på plats – vilket är vad Teclas designers gjorde.

Men plaster och polymerer kan ha den bredaste tillämpningen. Dessa material är otroligt mångsidiga och de kan formuleras på sätt som uppfyller ett brett spektrum av specifika strukturella och estetiska krav. De kan också tillverkas av återvunnet och organiskt framställt material.

Inspiration från naturen

Eftersom additiv tillverkning bygger lager för lager, med endast det material och energi som krävs för att tillverka en viss komponent, är det en mycket effektivare byggprocess än "subtraktiva metoder, som går ut på att skära bort överflödigt material – tänk att fräsa en träbalk ur ett träd.

Även vanliga material som betong och plast tjänar på att 3D-printas, eftersom det inte behövs ytterligare formar eller formar.

De flesta byggmaterial idag serietillverkas på löpande band som är designade för att producera samma komponenter. Samtidigt som kostnaderna minskar, denna process lämnar lite utrymme för anpassning.

Eftersom det inte finns något behov av verktyg, former eller stansar, gör storskalig additiv tillverkning att varje del är unik, utan tidsstraff för ökad komplexitet eller anpassning.

En annan intressant egenskap hos storskalig additiv tillverkning är förmågan att producera komplexa komponenter med inre tomrum. Detta kan en dag göra det möjligt för väggar att tryckas med rör eller kanalsystem som redan finns på plats.

Dessutom, forskning pågår att utforska möjligheterna med 3D-utskrift i flera material, en teknik som skulle kunna göra det möjligt för fönster, isolering, strukturell förstärkning – även ledningar – att integreras helt i en enda utskriven komponent.

En av de aspekter av additiv tillverkning som retar mig mest är det sätt på vilket byggnad lager för lager, med ett långsamt härdande material, speglar naturliga processer, som skalbildning.

Ett 3D-printat hus i Shanghai som byggdes på mindre än 24 timmar av byggavfall. Visual China Group / Getty Images

Detta öppnar upp för möjligheter, vilket gör det möjligt för designers att implementera geometrier som är svåra att producera med andra konstruktionsmetoder, men som är vanliga i naturen.

Strukturella ramar inspirerad av den fina strukturen hos fågelben kunde skapa lätta gitter av rör, med varierande storlekar som återspeglar krafterna som verkar på dem. Fasader det frammana formerna på växtblad kan utformas för att samtidigt skugga byggnaden och producera solenergi.

Att övervinna inlärningskurvan

Trots de många positiva aspekterna av storskalig additiv tillverkning finns det ett antal hinder för dess bredare antagande.

Den kanske största att övervinna är dess nyhet. Det finns en hel infrastruktur uppbyggd kring traditionella konstruktionsformer som stål, betong och trä, som inkluderar leveranskedjor och byggregler. Dessutom är kostnaden för digital tillverkningshårdvara relativt hög, och de specifika designfärdigheterna som behövs för att arbeta med dessa nya material är ännu inte allmänt lärda ut.

För att 3D-utskrift i arkitektur ska bli mer allmänt antagen måste den hitta sin nisch. Liknar hur ordbehandling hjälpte till att popularisera stationära datorer, jag tror att det kommer att vara en specifik tillämpning av storskalig additiv tillverkning som kommer att leda till dess vanliga användning.

Kanske kommer det att vara dess förmåga att skriva ut högeffektiva strukturramar. Jag ser också redan dess löfte om att skapa unika skulpturala fasader som kan återvinnas och tryckas om i slutet av sin livslängd.

Hur som helst verkar det troligt att någon kombination av faktorer kommer att säkerställa att framtida byggnader till viss del kommer att 3D-printas.

Om författaren

James Rose, chef för Institutet för smarta strukturer, University of Tennessee

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.