3D-print kan forvandle arkitektur for altid

Det er kun sjældent, at nye materialer dukker op i arkitekturen.

I flere århundreder har træ, murværk og beton dannet grundlaget for de fleste konstruktioner i verden.

I 1880'erne ændrede brug af stålrammer arkitekturen for altid. Stål gjorde arkitekterne i stand til at designe højere bygninger med større vinduer, herunder de skyskrabere, der troner på storbyernes skyline i dag.

Siden den industrielle revolution har byggematerialerne stort set været begrænset til en række masseproducerede elementer. Fra stålbjælker til krydsfinerpaneler har et standardiseret sæt af dele præget design og konstruktion af bygninger i mere end 150 år.

Det kan snart ændre sig med fremskridt i det, der kaldes 'storskala additive fremstillingsmetoder'. Ikke siden indførslen af stålrammen har der været en udvikling med så meget potentiale til at transformere den måde, bygninger bliver udtænkt og konstrueret.

Flere ting stadig står i vejen

Storskala additive fremstillingsmetoder, såsom desktop 3D-print, bygger objekter ét lag ad gangen.

Uanset om det er ler, beton eller plastik ekstruderes eller presses materialet i flydende tilstand og hærder dermed til den endelige form.

Som leder af Institute for Smart Structures ved University of Tennessee har jeg været så heldig at arbejde på en række projekter, der implementerer denne nye teknologi.

Selvom flere ting stadig står i vejen for en større udbredelse, kan jeg forudse en fremtid, hvor bygninger udelukkende bygges af genbrugsmaterialer eller materialer fra nærområdet, og hvor udformningen er inspireret af naturens geometri.

Lovende prototyper

En af disse bygninger er Trillium Pavilion i Ontario, Canada, en friluftsstruktur printet af genanvendt ABS-plast, en polymer der bruges i en lang række forbrugerprodukter.

Strukturens tynde, dobbeltbuede overflade er inspireret af kronbladene på den blomst, bygningen er opkaldt efter.

Projektet er designet af studerende, printet af Loci Robotics og bygget ved University of Tennessee Research Park, Cherokee Farm i Knoxville.

Andre nylige eksempler på storskala additiv fremstilling er Tecla, en 450 kvadratmeter stor prototypebolig designet af Mario Cucinella Architects og printet i Massa Lombarda, en lille by i Italien.

Arkitekterne printede Tecla ud af ler hentet fra en lokal flod. Den unikke kombination af det billige materiale og radial (stråleformet) geometri har skabt en energieffektiv alternativ bolig.

I USA gik arkitektfirmaet Lake Flato sammen med byggeteknologifirmaet ICON om at printe ydervægge af beton til et hjem kaldet 'House Zero' i Austin, Texas.

Huset på 185,8 kvadratmeter demonstrerer effektiviteten og hastigheden ved at arbejde med 3D-printet beton, og strukturen skaber smuk kontrast mellem de buede vægge og den blottede træramme.

Planlægningsprocessen

Storskala additiv fremstilling involverer tre vidensområder: Digitalt design, digital fremstilling og materialeteknologi.

Til at starte med skaber arkitekterne computermodeller af alle de komponenter, der skal printes. Designeren kan derefter bruge software til at teste, hvordan komponenterne vil reagere på strukturelle belastninger og så justere komponenterne.

Disse værktøjer kan også hjælpe designeren med at afdække, hvordan man reducerer vægten af komponenter samt automatiserer visse designprocesser, som eksempelvis udjævning af komplekse geometriske skæringspunkter, før print.

Software, kaldet en slicer, 'oversætter' derefter computermodellen til et sæt instruktioner til 3D-printeren.

Mange tror, at 3D-printere fungerer i relativt lille skala – altså at den kun kan producere for eksempel covers til smartphones og tandbørsteholdere – men fremskridt inden for 3D-printteknologi har gjort det muligt for hardware virkelig at opskalere.

Nogle gange udføres printningen ved hjælp af et såkaldt gantry-baseret system - en rektangulær ramme af glidende skinner, der ligner en stationær 3D-printer.

Robot-arme bruges i stigende grad som følge af deres evne til at printe i alle retninger.

Printning kan ske forskellige steder. Inventar og mindre komponenter kan printes på fabrikker, mens hele huse skal printes på stedet.

En række forskellige materialer kan bruges til storskala additiv fremstilling. Beton er et populært valg som følge af det generelle kendskab til materialet samt dets holdbarhed.

Ler er et spændende alternativ, fordi det kan indsamles 'on sight' - nøjagtig som Teclas-designerne gjorde.

Men plast og polymerer har måske den bredeste anvendelse. Det utroligt alsidige materialer, der kan sammensættes på måder, der opfylder en lang række specifikke strukturelle og æstetiske krav, og som kan fremstilles af genanvendte og organiske materialer.

Inspiration fra naturen

Fordi additiv fremstilling bygger lag for lag og kun bruger lige det materiale og den energi, der kræves for at fremstille en bestemt komponent, er det en langt mere effektiv byggeproces end 'subtraktive metoder', hvor man skærer overskydende materiale væk - som når man fræser en træbjælke ud af et træ .

Selv almindelige materialer som beton og plast kan med fordel 3D-printes, da der ikke er behov for yderligere forskalling eller forme.

De fleste byggematerialer bliver i dag masseproduceret på samlebånd, der er designet til at producere de samme komponenter.

Denne proces reducerer omkostningerne, men efterlader ikke rigtig plads til tilpasning.

Da der ikke er behov for værktøj, forme eller matricer, muliggør storskala additiv fremstilling, at hver del er unik uden tidsmæssige begrænsninger for ekstra kompleksitet eller tilpasning.

Et andet interessant træk ved additiv fremstilling i stor skala er evnen til at producere komplekse komponenter med indre hulrum. Det kan en dag give mulighed for, at vægge kan printes med rør eller kanalanlæg allerede er på plads.

Forskning for at udforske mulighederne for multi-materiale 3D-print, en teknik der muliggør, at vinduer, isolering, strukturel forstærkning – selv ledninger – er fuldt integreret i en enkelt printet komponent, er allerede i gang.

Et af de mest spændende aspekter af additiv fremstilling i mine øjne er, at man ved at bygge lag for lag, med et langsomt hærdende materiale, afspejler naturlige processer såsom skaldannelse.

Det åbner op for muligheder og gør designere i stand til at implementere geometrier, der er svære at fremstille ved hjælp af andre byggemetoder, men som er almindelige i naturen.

Strukturelle rammer inspireret af fugleknoglers fine struktur kan skabe lette gitre af rør i varierende størrelse, der afspejler de kræfter, der har effekt på dem.

Man kan designe facader, der der minder om formen af ​​planteblade, og som både danner skygge for bygningen og producerer solenergi.

Stejl indlæringskurve

På trods af de mange positive aspekter ved storskala additiv fremstilling står der som sagt en række ting i vejen for en bredere anvendelse.

Måske er teknologiens nyhedsværdi den største hindring. En hel infrastruktur er allerede bygget op omkring traditionelle konstruktionsformer som stål, beton og træ med medfølgende forsyningskæder og byggeregler.

Derudover er omkostningerne forbundet med digital fremstillingshardware relativt høje, og de specifikke designfærdigheder, der er nødvendige for at arbejde med disse nye materialer, er endnu ikke udbredte.

For at 3D-print i arkitektur kan blive mere udbredt, skal det finde sin egen niche.

Skal finde sin egen niche

Ligesom tekstbehandling hjalp med at popularisere stationære computere, tror jeg, at specifik anvendelse af storskala additiv fremstilling vil føre til almindelig brug.

Måske vil det være teknologiens evne til at printe højeffektive strukturelle rammer.

Jeg kan allerede se teknologiens løfte om at skabe unikke skulpturelle facader, der kan genbruges og trykkes igen, når de når deres udløbstid.

Uanset hvad, så forekommer det sandsynligt, at en kombination af faktorer vil sikre, at fremtidige bygninger til dels vil blive 3D-printede.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.