Figur 1: Tre huvudsakliga metoder för 3D-utskrift med betong: (a) partikelbäddsbindning [3],(b) sprutbetong [4] och (c) extrudering av färsk betong [5].Artikelförfattare: José Hernandez Vargas, KTH
3D-betongutskrift (3DCP) har uppstått som en innovativ teknik som syftar till att minska miljöpåverkan genom att eliminera behovet av formarbete och möjliggöra placering av material endast där det behövs. Denna artikel analyserar hållbarheten hos 3D-betongutskrift och presenterar en studie där tre oarmerade betongbalkar testades, varav två med optimerad materialdistribution genom att integrera topologioptimering och anpassa utskriftsbanor för att följa materialets interna krafter.Det resulterade i en förbättring av styrka-till-vikt-förhållandet på upp till 63 % jämfört med en traditionell balk.
Betong och miljö
Betong är världens mest använda material. Andra författare påstår att betong i stället är det näst mest använda materialet i världen – bara för att vatten finns med på listan [1]. Även om betongens inbyggda kol per volymenhet (eller massenhet) är lågt jämfört med de flesta alternativ, är dess miljöpåverkan betydande på grund av de enorma mängder vi använder. Beräkningar varierar mellan 6 och 8% beroende på hur många faktorer som ingår i kalkylen. Den här siffran är vanligtvis den första meningen i de flesta artiklar om betong eftersom det har blivit ett av de främsta problemen som betongforskare försöker lösa.
Oftast är det billigare att tillverka ett tyngre betongelement med enklare former. Att tillverka ett anpassat betongelement innebär ofta en ökad komplexitet som blir dyr på grund av material och arbetskraven för att bygga en engångsform. Bland de olika typerna av digital tillverkning av betongelement, syftar 3D-utskrift till att erbjuda en mer hållbar konstruktionsmetod genom att eliminera behovet av form samtidigt som materialet kan placeras bara där det behövs. Därför marknadsförs 3D-utskrift som ett hållbart alternativ till vanlig betongkonstruktion eftersom formfri tillverkning leder till besparingar av material, energi och arbetskraft. 3D-utskrift med betong, särskilt den extruderingsbaserade metoden, har blivit den ledande tekniken för digital tillverkning av betongelement. I den här artikeln presenteras en analys och diskussion om hållbarheten hos 3D-utskrift med betong, tillsammans med en studie som erbjuder ett nytt sätt att optimera betongprestanda genom att följa materialets interna krafter.
3D-utskrift av betongelement
Under de senaste årtiondena har 3D-utskrifter utvecklats från prototyper till verkliga fullskaliga strukturer som hus och broar. Precis som datorer under 80-och 90-talen har 3D-skrivare gått från specialiserad utrustning inom tillverkningsindustrin till vanliga maskiner som finns tillgängliga nästan överallt. På samma sätt förväntas utvecklingen av storskaliga 3D-skrivare för byggnader gå från de prototyperna vi ser redan idag till en vanlig del av byggbranschen, inklusive på byggarbetsplatser.
Det finns flera tekniker för att framställa betongelement genom 3D-utskrift [2]. Den första är baserad på en pulverbädd där ett flytande bindemedel selektivt avsätts för att sammanfoga pulvermaterial. Vanligtvis är det en torrblandning med cement som aktiveras med vatten [3]. En annan teknik för 3D-utskrift med betong är digitalt styrd sprutbetong enligt en 3D-modell [4], som baseras på en betongblandning som pumpas och skjuts ut med hjälp av lufttryck och tillsatser som påskyndar reaktionen med vatten. Den vanligaste tekniken är dock baserad på extruderad betong eller strängbetong som deponeras lager på lager i enlighet med en 3D-modell [5]. Även om alla metoderna kan klassificeras som 3D-utskrift med betong, är den extruderingsbaserade processen den som har blivit synonym med 3D-betongutskrift (som benämns ofta med den engelska förkortning ”3DCP” för 3D Concrete Printing).
För närvarande är 3D-betongutskrift en intresseväckande teknik som får mycket uppmärksamhet inom både forskning och industrin. En studie utvärderade redan för två år sedan den teknikberedskapsnivån för 3D-betongutskrift på samma nivå som allmänna 3D-utskriftstekniker [6]. Även om det inte längre är en ny teknik finns det fortfarande behov av ytterligare utveckling och standardisering innan den kan användas i större skala. Ett av huvudargumenten för digital tillverkning är formfriheten som gör det möjligt att bygga flera olika formvariationer utan att öka kostnaderna som fokuseras oftast på estetiskt uttryck med syfte att leverera en produkt med högre värde, vilket kan bli en konkurrensfördel för tekniken [7]. Med den nuvarande utvecklingen av tekniken är det fortfarande osäkert om detta skulle leda till en minskning av betongindustrins miljöpåverkan. Det är fortfarande en lång väg innan man verkligen kan dra nytta av 3D-betongutskrift ur ett klimatperspektiv.
