House Zero in Austin, Texas, is een huis van 2,000 vierkante meter dat is gebouwd met 3D-geprint beton. Lake Flato-architecten

In de architectuur ontstaan ​​zelden nieuwe materialen.

Eeuwenlang vormden hout, metselwerk en beton de basis voor de meeste bouwwerken op aarde.

In de jaren 1880, de goedkeuring van het stalen frame veranderde de architectuur voor altijd. Met staal konden architecten hogere gebouwen met grotere ramen ontwerpen, waardoor de wolkenkrabbers ontstonden die tegenwoordig de skyline van de stad bepalen.

Sinds de industriële revolutie zijn bouwmaterialen grotendeels beperkt tot een reeks in massa geproduceerde elementen. Van stalen balken tot multiplex panelen, deze gestandaardiseerde kit met onderdelen vormt al meer dan 150 jaar de basis voor het ontwerp en de constructie van gebouwen.

Dat kan binnenkort veranderen met de vooruitgang in wat 'grootschalige additive manufacturing.” Sinds de introductie van het stalen frame is er geen ontwikkeling geweest met zoveel potentieel om de manier waarop gebouwen worden bedacht en gebouwd te veranderen.

Grootschalige additive manufacturing, zoals desktop 3D-printen, houdt in dat objecten laag voor laag worden gebouwd. Of het nu gaat om klei, beton of plastic, het printmateriaal wordt in vloeibare toestand geëxtrudeerd en hard uit tot zijn definitieve vorm.

als directeur van het Instituut voor Slimme Constructies aan de Universiteit van Tennessee heb ik het geluk gehad om aan een reeks projecten te werken waarin deze nieuwe technologie wordt toegepast.

Hoewel er nog steeds enkele belemmeringen zijn voor de wijdverspreide acceptatie van deze technologie, kan ik een toekomst voorzien waarin gebouwen volledig worden gebouwd van gerecyclede materialen of materialen die ter plaatse worden gewonnen, met vormen die zijn geïnspireerd op de geometrieën van de natuur.

Veelbelovende prototypes

Onder deze is het Trillium-paviljoen, een openluchtstructuur geprint van gerecycled materiaal ABS-polymeer, een veelgebruikte kunststof die wordt gebruikt in een breed scala aan consumentenproducten.

De dunne, dubbel gebogen oppervlakken van de structuur zijn geïnspireerd op de bloemblaadjes van zijn gelijknamige bloem. Het project is ontworpen door studenten, gedrukt door Loci Robotics en gebouwd op het University of Tennessee Research Park op Cherokee Farm in Knoxville.

Andere recente voorbeelden van grootschalige additive manufacturing omvatten Tecla, een prototypewoning van 450 vierkante meter, ontworpen door Mario Cucinella Architects en gedrukt in Massa Lombarda, een klein stadje in Italië.

Tecla is gebouwd van lokaal geproduceerde klei. Mario Cucinella Architecten

De architecten drukten Tecla uit klei afkomstig uit een lokale rivier. De unieke combinatie van dit goedkope materiaal en de radiale geometrie creëerde een energiezuinige vorm van alternatieve huisvesting.

Terug in de VS werkte het architectenbureau Lake Flato samen met het bouwtechnologiebedrijf ICON om betonnen buitenmuren te printen voor een huis genaamd "Huis nul”in Austin, Texas.

Het huis van 2,000 vierkante meter toont de snelheid en efficiëntie van 185.8D-geprint beton en de structuur vertoont een aangenaam contrast tussen de kromlijnige muren en het zichtbare houten frame.

Het planningsproces

Bij grootschalige additive manufacturing zijn drie kennisgebieden betrokken: digitaal ontwerp, digitale fabricage en materiaalkunde.

Om te beginnen maken architecten computermodellen van alle componenten die worden afgedrukt. Deze ontwerpers kunnen vervolgens software gebruiken om te testen hoe de componenten zullen reageren op structurele krachten en de componenten dienovereenkomstig aanpassen. Deze tools kunnen de ontwerper ook helpen erachter te komen hoe hij het gewicht van componenten kan verminderen en bepaalde ontwerpprocessen kan automatiseren, zoals het gladstrijken van complexe geometrische kruispunten, voorafgaand aan het printen.

Een stukje software bekend als een snijmachine vertaalt vervolgens het computermodel naar een set instructies voor de 3D-printer.

Je zou kunnen aannemen dat 3D-printers op relatief kleine schaal werken - denk na gsm hoesjes en tandenborstelhouders.

Maar de vooruitgang in de 3D-printtechnologie heeft de hardware mogelijk gemaakt serieus opschalen. Soms wordt het printen gedaan via wat heet een op een portaal gebaseerd systeem – een rechthoekig raamwerk van glijdende rails vergelijkbaar met een desktop 3D-printer. In toenemende mate, robotarmen worden gebruikt vanwege hun vermogen om in elke richting af te drukken.

Robotarmen zorgen voor meer flexibiliteit in het bouwproces.

De printsite kan ook variëren. Meubels en kleinere onderdelen kunnen in fabrieken worden geprint, terwijl hele huizen ter plekke moeten worden geprint.

Een scala aan materialen kan worden gebruikt voor grootschalige additive manufacturing. Beton is een populaire keuze vanwege de vertrouwdheid en duurzaamheid. Klei is een intrigerend alternatief omdat het ter plekke kan worden geoogst – en dat hebben de ontwerpers van Tecla gedaan.

Maar kunststoffen en polymeren zouden de breedste toepassing kunnen hebben. Deze materialen zijn ongelooflijk veelzijdig en kunnen zo worden geformuleerd dat ze voldoen aan een breed scala aan specifieke structurele en esthetische vereisten. Ze kunnen ook worden gemaakt van gerecyclede en biologisch verkregen materialen.

Inspiratie uit de natuur

Omdat additive manufacturing laag voor laag wordt opgebouwd, waarbij alleen het materiaal en de energie wordt gebruikt die nodig zijn om een ​​bepaald onderdeel te maken, is het een veel efficiënter bouwproces dan "subtractieve methoden”, waarbij overtollig materiaal wordt weggesneden – denk aan het frezen van een houten balk uit een boom.

Zelfs gewone materialen zoals beton en kunststoffen hebben er baat bij om 3D-geprint te worden, omdat er geen extra bekisting of mallen nodig zijn.

De meeste bouwmaterialen worden tegenwoordig in massa geproduceerd op assemblagelijnen die zijn ontworpen om dezelfde componenten te produceren. Terwijl u de kosten verlaagt, dit proces laat weinig ruimte voor maatwerk.

Omdat er geen gereedschap, vormen of matrijzen nodig zijn, maakt grootschalige additive manufacturing het mogelijk elk onderdeel uniek te maken, zonder tijdverlies voor extra complexiteit of maatwerk.

Een ander interessant kenmerk van grootschalige additive manufacturing is de mogelijkheid om complexe componenten met interne holtes te produceren. Hierdoor kunnen op een dag muren worden bedrukt met reeds aanwezige leidingen of kanalen.

Daarnaast, er vindt onderzoek plaats om de mogelijkheden van multi-materiaal 3D-printen te verkennen, een techniek waarmee ramen, isolatie, structurele versterking - zelfs bedrading - volledig kunnen worden geïntegreerd in één enkel geprint onderdeel.

Een van de aspecten van additive manufacturing die mij het meest opwindt, is de manier waarop laag voor laag bouwen, met een langzaam uithardend materiaal, natuurlijke processen weerspiegelt, zoals schelpvorming.

Een 3D-geprint huis in Shanghai dat in minder dan 24 uur is gebouwd uit bouwafval. Visual China Group / Getty Images

Dit opent kansen, waardoor ontwerpers geometrieën kunnen implementeren die moeilijk te produceren zijn met andere constructiemethoden, maar die veel voorkomen in de natuur.

Structurele frames geïnspireerd op de fijne structuur van vogelbotten zou lichtgewicht roosters van buizen kunnen maken, met verschillende afmetingen die de krachten weerspiegelen die erop inwerken. Façades dat roepen de vormen van plantenbladeren op kan worden ontworpen om tegelijkertijd het gebouw te verduisteren en zonne-energie te produceren.

De leercurve overwinnen

Ondanks de vele positieve aspecten van grootschalige additive manufacturing, zijn er een aantal belemmeringen voor een bredere acceptatie.

Misschien wel de grootste om te overwinnen is de nieuwigheid. Er is een hele infrastructuur gebouwd rond traditionele constructievormen zoals staal, beton en hout, waaronder toeleveringsketens en bouwvoorschriften. Bovendien zijn de kosten van digitale fabricagehardware relatief hoog en worden de specifieke ontwerpvaardigheden die nodig zijn om met deze nieuwe materialen te werken nog niet algemeen onderwezen.

Om ervoor te zorgen dat 3D-printen in de architectuur op grotere schaal wordt toegepast, zal het zijn niche moeten vinden. Vergelijkbaar met hoe tekstverwerking hielp desktopcomputers populair te maken, Ik denk dat het een specifieke toepassing van grootschalige additive manufacturing zal zijn die tot algemeen gebruik zal leiden.

Misschien is het zijn vermogen om zeer efficiënte structurele frames te printen. Ik zie ook al zijn belofte voor het creëren van unieke sculpturale gevels die aan het einde van hun levensduur kunnen worden gerecycled en opnieuw kunnen worden bedrukt.

Hoe dan ook, het lijkt waarschijnlijk dat een combinatie van factoren ervoor zal zorgen dat toekomstige gebouwen voor een deel 3D-geprint zullen worden.

Over de auteur

Jacobus Roos, directeur van het Institute for Smart Structures, Universiteit van Tennessee

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.