House Zero Austinissa Teksasissa on 2,000 3 neliömetrin koti, joka rakennettiin XNUMXD-painetulla betonilla. Lake Flato -arkkitehdit

Arkkitehtuurissa uusia materiaaleja syntyy harvoin.

Puu, muuraus ja betoni olivat vuosisatojen ajan useimpien maapallon rakenteiden perusta.

1880-luvulla hyväksyttiin teräsrunko muutti arkkitehtuuria pysyvästi. Teräksen ansiosta arkkitehdit pystyivät suunnittelemaan korkeampia rakennuksia suuremmilla ikkunoilla, mikä synnytti pilvenpiirtäjiä, jotka määrittävät kaupungin siluetit nykyään.

Teollisen vallankumouksen jälkeen rakennusmateriaalit ovat suurelta osin rajoittuneet joukkoon massatuotettuja elementtejä. Teräspalkeista vaneripaneeleihin tämä standardoitu osasarja on toiminut rakennusten suunnittelussa ja rakentamisessa yli 150 vuoden ajan.

Se voi pian muuttua ns.laajamittainen lisäaineiden valmistus.” Teräsrungon käyttöönoton jälkeen ei ole tapahtunut kehitystä, jolla olisi yhtä paljon potentiaalia muuttaa rakennusten suunnittelua ja rakentamista.

Laajamittainen lisäainevalmistus, kuten työpöydän 3D-tulostus, käsittää objektien rakentamisen kerros kerrallaan. Olipa kyseessä savea, betonia tai muovia, painomateriaali ekstrudoidaan nestemäisessä tilassa ja kovettuu lopulliseen muotoonsa.

Ohjaajana Älykkäiden rakenteiden instituutti Tennesseen yliopistossa minulla on ollut onni työskennellä sarjassa projekteja, joissa käytetään tätä uutta teknologiaa.

Vaikka tämän tekniikan laajalle levinneelle käyttöönotolle on edelleen olemassa esteitä, voin ennakoida tulevaisuuden, jossa rakennukset rakennetaan kokonaan kierrätetyistä materiaaleista tai paikan päällä hankituista materiaaleista luonnon geometrioiden inspiroimien muotojen avulla.

Lupaavia prototyyppejä

Näiden joukossa on Trillium-paviljonki, ulkoilmarakenne, joka on painettu kierrätetystä materiaalista ABS-polymeeri, yleinen muovi, jota käytetään monenlaisissa kuluttajatuotteissa.

Rakenteen ohuet, kaksinkertaisesti kaarevat pinnat ovat saaneet inspiraationsa terälehdistä sen kaima kukka. Projektin suunnittelivat opiskelijat, sen on painanut Loci Robotics ja se rakennettiin Tennesseen yliopiston tutkimuspuistoon Cherokee Farmilla Knoxvillessä.

Muita viimeaikaisia ​​esimerkkejä laajamittaisesta lisäaineiden valmistuksesta mukaan lukien Tecla, 450 neliömetrin prototyyppiasunto, jonka on suunnitellut Mario Cucinella Architects ja painettu Massa Lombardassa, pikkukaupungissa Italiassa.

Tecla rakennettiin paikallisesti tuotetusta savesta. Mario Cucinella -arkkitehdit

Arkkitehdit painoivat Teclan paikallisesta joesta saadusta savesta. Tämän edullisen materiaalin ja radiaalisen geometrian ainutlaatuinen yhdistelmä loi energiatehokkaan vaihtoehtoisen asumisen.

Palattuaan Yhdysvalloissa arkkitehtitoimisto Lake Flato teki yhteistyötä rakennusteknologiayrityksen ICONin kanssa tulostaakseen betoniset ulkoseinät kodille, jonka nimi on "Talo Zero”Austinissa, Texasissa.

2,000 185.8 neliöjalkaa (3 neliömetriä) talo osoittaa XNUMXD-painetun betonin nopeuden ja tehokkuuden, ja rakenteessa on miellyttävä kontrasti kaarevien seinien ja paljaiden puurunkojen välillä.

Suunnitteluprosessi

Laajamittainen lisäainevalmistus sisältää kolme osaamisaluetta: digitaalinen suunnittelu, digitaalinen valmistus ja materiaalitiede.

Aluksi arkkitehdit luovat tietokonemalleja kaikista tulostettavista komponenteista. Nämä suunnittelijat voivat sitten testata ohjelmiston avulla, kuinka komponentit reagoivat rakenteellisiin voimiin, ja säätää komponentteja vastaavasti. Nämä työkalut voivat myös auttaa suunnittelijaa selvittämään, kuinka komponenttien painoa voidaan vähentää ja tiettyjä suunnitteluprosesseja automatisoida, kuten monimutkaisten geometristen leikkauspisteiden tasoitus ennen tulostusta.

Ohjelmiston pala tunnetaan slicerina sitten muuntaa tietokonemallin 3D-tulostimen ohjeiksi.

Voit olettaa, että 3D-tulostimet toimivat suhteellisen pienessä mittakaavassa – ajattele matkapuhelinkotelot ja hammasharjan pidikkeet.

Mutta 3D-tulostustekniikan kehitys on mahdollistanut laitteiston laajentaa vakavasti. Joskus tulostus tapahtuu ns portaaliin perustuva järjestelmä – suorakaiteen muotoinen liukukiskojen kehys, joka muistuttaa pöytätietokoneen 3D-tulostinta. Yhä useammin robotti aseet käytetään, koska ne voivat tulostaa missä tahansa suunnassa.

Robottivarret mahdollistavat enemmän joustavuutta rakennusprosessissa.

Myös tulostuspaikka voi vaihdella. Kalusteet ja pienemmät komponentit voidaan painaa tehtaissa, kun taas kokonaiset talot on tulostettava paikan päällä.

Laajamittaiseen lisäainevalmistukseen voidaan käyttää erilaisia ​​materiaaleja. Betoni on suosittu valinta tuttuutensa ja kestävyytensä vuoksi. Savi on kiehtova vaihtoehto, koska se voidaan korjata paikan päällä – kuten Teclan suunnittelijat tekivät.

Mutta muovilla ja polymeereillä voisi olla laajin sovellus. Nämä materiaalit ovat uskomattoman monipuolisia, ja ne voidaan muotoilla tavoilla, jotka täyttävät monenlaiset erityiset rakenteelliset ja esteettiset vaatimukset. Ne voidaan valmistaa myös kierrätetyistä ja luonnonmukaisesti johdetuista materiaaleista.

Inspiraatio luonnosta

Koska additiivinen valmistus rakentaa kerros kerrokselta käyttämällä vain tietyn komponentin valmistamiseen tarvittavaa materiaalia ja energiaa, se on paljon tehokkaampi rakennusprosessi kuin "vähennysmenetelmiä”, joka sisältää ylimääräisen materiaalin leikkaamisen – ajattele puupalkin jyrsimistä puusta.

Jopa yleiset materiaalit, kuten betoni ja muovit, hyötyvät 3D-tulostamisesta, koska lisämuotteja tai muotteja ei tarvita.

Suurin osa rakennusmateriaaleista valmistetaan nykyään massatuotantona kokoonpanolinjoilla, jotka on suunniteltu tuottamaan samoja komponentteja. Samalla kun vähennät kustannuksia, tämä prosessi jättää vain vähän tilaa mukauttamiselle.

Koska työkaluja, muotoja tai muotteja ei tarvita, laajamittainen lisäainevalmistus mahdollistaa jokaisen osan ainutlaatuisuuden, eikä monimutkaisuudesta tai räätälöimisestä aiheudu aikarajaa.

Toinen mielenkiintoinen suuren mittakaavan lisäainevalmistuksen ominaisuus on kyky tuottaa monimutkaisia ​​komponentteja, joissa on sisäisiä onteloita. Tämä saattaa jonain päivänä mahdollistaa seinien painamisen, kun putki tai kanava on jo paikoillaan.

Lisäksi, tutkimusta tehdään tutkia mahdollisuuksia monimateriaalista 3D-tulostukseen, tekniikkaan, jonka avulla ikkunat, eristys, rakenteelliset vahvistukset – jopa johdotukset – voidaan integroida täysin yhdeksi tulostetuksi komponentiksi.

Yksi lisäainevalmistuksen puoli, joka minua eniten kiehtoo, on tapa, jolla rakentaminen kerros kerrokselta hitaasti kovettuvalla materiaalilla heijastelee luonnollisia prosesseja, kuten kuoren muodostumista.

3D-tulostettu talo Shanghaissa, joka rakennettiin alle 24 tunnissa rakennusjätteestä. Visual China Group / Getty -kuvat

Tämä avaa mahdollisuuksien ikkunoita, jolloin suunnittelijat voivat toteuttaa geometrioita, joita on vaikea tuottaa muilla rakennusmenetelmillä, mutta jotka ovat luonnossa yleisiä.

Rakenteelliset kehykset lintujen luiden hienosta rakenteesta inspiroituneena voisi luoda kevyitä putkien hiloja, joiden koko vaihtelee heijastaen niihin vaikuttavia voimia. Julkisivut jotka tuovat mieleen kasvien lehtien muodot voidaan suunnitella samanaikaisesti varjostamaan rakennusta ja tuottamaan aurinkoenergiaa.

Oppimiskäyrän voittaminen

Huolimatta suuren mittakaavan lisäaineiden valmistuksen monista myönteisistä puolista, sen laajemmalle käyttöönotolle on useita esteitä.

Ehkä suurin voitettava on sen uutuus. Perinteisten rakennusmuotojen, kuten teräksen, betonin ja puun, ympärille on rakennettu kokonainen infrastruktuuri, joka sisältää toimitusketjut ja rakennusmääräykset. Lisäksi digitaalisen valmistuslaitteiston kustannukset ovat suhteellisen korkeat, ja näiden uusien materiaalien kanssa työskentelyyn tarvittavia erityisiä suunnittelutaitoja ei vielä opeteta laajasti.

Jotta 3D-tulostus arkkitehtuurissa yleistyisi, sen on löydettävä markkinarako. Samanlainen kuin miten tekstinkäsittely auttoi pöytätietokoneiden popularisoinnissaUskon, että se on laajamittaisen lisäainevalmistuksen erityinen sovellus, joka johtaa sen yleiseen käyttöön.

Ehkä se on sen kyky tulostaa erittäin tehokkaita rakennekehyksiä. Näen myös sen lupauksen luoda ainutlaatuisia veistoksisia julkisivuja, jotka voidaan kierrättää ja painaa uudelleen käyttöikänsä lopussa.

Joka tapauksessa näyttää todennäköiseltä, että jokin tekijöiden yhdistelmä takaa sen, että tulevaisuuden rakennuksista osa tulostetaan 3D-tulostuksessa.

Author

James Rose, Älykkäiden rakenteiden instituutin johtaja, University of Tennessee

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.