Na pierwszy rzut oka wygląda jak bryła na wpół ukończonego budynku. Jednak po bliższym przyjrzeniu się widać, że nie ma żadnych cegieł. Ta skomplikowana konstrukcja powstaje poprzez nałożenie na siebie kolejnych warstw materiału. Oto futurystyczny świat druku 3D w budownictwie, w którym mechaniczne ramiona „budują” poprzez automatyczne wyciskanie warstw cementu, plastiku lub innego materiału na fundamenty.
Spis treści
-
- Czym jest druk 3D w budownictwie?
- Jak działa drukowanie 3D w budownictwie?
- Pięć przykładów zastosowania druku 3D w branży budowlanej
- W jaki sposób drukowanie projektów 3D może wspomóc firmy budowlane?
- Wzrost popularności strukturalnego druku 3D
- Druk 3D w budownictwie lądowym
- Wiki House – druk 3D w budownictwie: omówienie koncepcji
- Druga strona medalu
- W jaki sposób druk 3D może zintegrować się z branżą budowlaną
- O PlanRadar
Aktualnie tego typu podejście do budowy pozostaje bardzo niszowym zjawiskiem – na świecie można znaleźć wciąż niewiele domów stworzonych technologią druku 3D i prototypów w biurach. Mimo wszystko jest to ekscytująca wizja, które może fundamentalnie zmienić proces budowania.
Czym jest drukowanie 3D w budownictwie, jaki ma potencjał i czy już niedługo stanie się powszechnym zjawiskiem w branży budowlanej?
Czym jest druk 3D w budownictwie?
Drukowanie 3D w budownictwie może polegać na połączeniu drukarki 3D z mechanicznym ramieniem, które na bieżąco realizuje projekt na miejscu, albo wykorzystaniu drukarek w fabrykach, gdzie powstają elementy budynku, które zostaną złożone później.
Sama koncepcja drukowania 3D nie jest czymś nowym – pierwszą metodę opracowano już w latach osiemdziesiątych. Jednak dopiero w ostatniej dekadzie technologia rozwinęła się na tyle (przy jednoczesnym spadku kosztów), by przeniknąć do mainstreamu.
Drukarki 3D nie różnią się tak bardzo od drukarek atramentowych stosowanych w domach. Oprogramowanie „mówi” drukarce, jakie wymiary powinien mieć produkt końcowy. Następnie drukarka rozprowadza materiał na platformie według planu. Drukarki 3D często stosują płynne metale, plastiki, cement lub wiele innych materiałów, które schładzają się lub wysuszają, by utworzyć strukturę.
W przypadku zastosowania druku 3D w budownictwie, program CAD lub BIM przekazuje drukarce 3D, co ma zostać wydrukowane, a maszyna zaczyna nakładać warstwy materiału zgodnie z planem.
Więcej dowiesz się tutaj: Drukowanie 3D to jedna z wielu ekscytujących innowacji w budownictwie, które wyłoniły się w ostatnim dziesięcioleciu
Drukarki 3D w budownictwie: jak działają?
Koncepcja drukowania 3D polega na wytłaczaniu odpowiedniej mieszanki warstwa po warstwie, w oparciu o trójwymiarowy model komputerowy.
Przygotowana mieszanka cementu, szpachlówki, plastyfikatora i innych substancji umieszczana jest w zbiorniku urządzenia, skąd transportowana jest do głowicy drukarki. Następnie mieszanka rozpylana jest na powierzchnię obiektu albo na wcześniej wydrukowane warstwy. Tak działa większość drukarek 3D w budownictwie. Wyróżnia się trzy rodzaje urządzeń do drukowania 3D:- Drukarki 3D z suwnicą. Składają się z bramki, trzech suwnic i głowicy drukującej. Z jej pomocą można drukować budynek sekcjami albo w całości.
- Drukarki delta. Nie są ograniczone przez trójwymiarowy model i mogą tworzyć bardziej skomplikowane konstrukcje. Głowica drukująca zawieszona jest na dźwigniach przymocowanych do pionowych prowadnic.
- Drukarki z mechanicznymi ramionami. Wykorzystują one robota albo sieć robotów, takich jak np. manipulator przemysłowy z wytłaczarką kontrolowany przez komputer.
Pięć przykładów zastosowania druku 3D w branży budowlanej
Jak dotąd w branży budowlanej ukończono niewiele projektów z wykorzystaniem druku 3D. Oto kilka najbardziej obiecujących przykładów:
- Dwupiętrowy biurowiec w Dubaju, Zjednoczone Emiraty Arabskie
W grudniu 2019 roku firma Apis Cor, zajmująca się drukowaniem 3D z wykorzystaniem robotów, ogłosiła ukończenie realizacji największego pojedynczego budynku drukowanego w 3D. Budynek biurowy zrealizowany w Zjednoczonych Emiratach Arabskich ma 9,5 metra wysokości i powierzchnię użytkową 640 m2.
Drukarkę 3D Apis Cor transportowano po otwartym placu za pomocą żurawia, w zależności od tego, który element budynku trzeba było w danym momencie przygotować.
- Biuro przyszłości w Zjednoczonych Emiratach Arabskich
Oto kolejny przykład imponującej budowli drukowanej w 3D na terenie Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Biuro Przyszłości to unikatowa struktura, która jest wystarczająco obszerna, by pełnić rolę siedziby Future Foundation.
W przypadku tego budynku cały proces drukowania odbył się poza placem budowy. Wydruk wszystkich elementów zajął 17 dni. Cały budynek został złożony w zaledwie 48 godzin.
- Domy drukowane w 3D przez WinSun w Chinach
WinSun, chińska firma zajmująca się drukiem 3D, wykorzystuje drukarki 3D w fabrykach m.in. do drukowania miejsc mieszkalnych. Firma przygotowała kilka projektów domostw, w tym mały apartamentowiec. Użytkownicy projektu mogą szybko i tanio wydrukować elementy, by zainstalować je na miejscu.
Firma szacuje, że wydrukowanie jednego z pięciokondygnacyjnych apartamentowców może kosztować niecałe 161 000 $.
- Drukowany w 3D pokój w hotelu Lewis Grand Hotel na Filipinach
Jeśli wybierasz się na wycieczkę na Filipiny, warto rozważyć nocleg w hotelu Lewis Grand Hotel w Angeles w prowincji Pampanga, w którym goście mogą skorzystać z pierwszego drukowanego w 3D apartamentu hotelowego na świecie. Pokój hotelowy został zaprojektowany przez Lewisa Yakicha, właściciela hotelu, który jest też inżynierem materiałoznawstwa, we współpracy z Anthonym Rudenko, specjalistą z dziedziny druku 3D. Razem przygotowali ogromną drukarkę 3D, która pracuje z cementem przygotowanym z piasku i pyłu wulkanicznego. Apartament wydrukowano w ciągu 100 godzin.
Drukowanie pierwszego domu modelowego z betonu na Filipinach
- Dwukondygnacyjny dom wolnostojący w Beckum w Niemczech
Pierwszy dom mieszkalny drukowany w 3D, o powierzchni około 80 metrów kwadratowych na kondygnację, to pomysł niemieckiej firmy budowlanej PERI GmbH i projektantów z MENSE-KORTE ingenieure+architekten. Wydrukowanie 1 m2 dwuwarstwowej ściany za pomocą drukarek 3D typu BOD2 zajęło mniej więcej 5 minut. Budynek przygotowano z trójwarstwowego muru szczelinowego, wypełnionego izolacją. Instalacja rur i przyłączy została wykonana ręcznie, w trakcie drukowania elementów budynku.
W jaki sposób drukowanie projektów 3D może wspomóc firmy budowlane?
Zwolennicy drukowania domów i biurowców w 3D wskazują na kilka korzyści takiego podejścia:
- Budownictwo zero waste
Prawie jedna trzecia odpadów w Wielkiej Brytanii pochodzi z branży budowlanej. Według agencji badania rynku Transparency Market Research Group szacuje się, że branża budowlana wygeneruje 2,2 mld ton odpadów na całym świecie do 2025 roku. Duża część pochodzi z rozbiórki, ale plac budowy też potrafi nieźle „naśmiecić”. Często zamawia się zbyt dużo materiału, co generuje niepotrzebne koszty i odpady.
Dla porównania druk 3D może ograniczyć generowanie odpadów prawie do zera. Drukarka 3D korzysta jedynie z takiej ilości materiału, jaka jest potrzebna do wydrukowania obiektu. Może się to wiązać z ogromnymi oszczędnościami.
- Zmniejszone zużycie energii
Drukowanie 3D w budownictwie promuje wykorzystanie lokalnie dostępnych, naturalnych materiałów. Może to przyczynić się do ograniczenia zużycia energii na transport, budowę czy produkcję dzięki przetwarzaniu i instalacji w większości miejscowych materiałów z wykorzystaniem mniejszej ilości energii. Podmiana materiałów zawierających szkodliwe chemikalia na takie, które zawierają tylko naturalne elementy, może przyczynić się do zmniejszenia toksyczności środowiska w budynkach. Dodatkowo, miejscowe materiały często lepiej radzą sobie w lokalnych warunkach klimatycznych, co pozwala zaoszczędzić na ociepleniu budynku, a to wiąże się ze zmniejszeniem kosztów realizacji.
- Oszczędność czasu i pieniędzy
Tak samo jak w przypadku wykorzystania sztucznej inteligencji w budownictwie, drukarka 3D może działać przez całą dobę, 7 dni w tygodniu. Może się to przyczynić do szybszej realizacji projektów budowlanych oraz zredukowania kosztów związanych z wykonywaniem prac niewymagających wysokich kwalifikacji. Co więcej, drukowanie 3D nie wymaga przygotowywania obiektów tymczasowych, takich jak rusztowania czy szalunki, powszechnie wykorzystywanych w tradycyjnym budownictwie. Badania nad wykorzystaniem druku 3D w realizacji budynków z betonu wykazały, że zapotrzebowanie na szalowanie jest w takim wypadku wyraźnie niższe, co pozwala zaoszczędzić nawet 35–60%.
- Możliwość realizacji nietypowych projektów
Jedną z najbardziej atrakcyjnych właściwości drukarek 3D jest możliwość realizacji złożonych i nietypowych projektów, nawet takich „na raz”. Działanie drukarek 3D polega na nawarstwianiu materiału, dlatego można zaprogramować je do przygotowania bardziej skomplikowanych kształtów, które byłyby znacznie trudniejsze w realizacji z wykorzystaniem technik tradycyjnych.
- Minimalizacja błędów ludzkich i poprawa bezpieczeństwa
BLS, amerykańskie biuro statystyki pracy, opublikowało w 2020 roku dane dotyczące urazów w miejscu pracy, z których wynika, że pracownicy budowlani są jedną z grup najbardziej narażonych na wypadki. Każdego dnia ok. 5333 zatrudnionych umiera w miejscu pracy. Druk 3D najprawdopodobniej przyczyni się do zmniejszenia częstotliwości poważnych i śmiertelnych wypadków w miejscu pracy ze względu na większa automatyzację i programowalność procesu budowy. Budowa z wykorzystaniem robotów wymaga ustandaryzowanych, dokładnych i pełnych danych cyfrowych budynku.
To właśnie dlatego drukowanie 3D jest bardziej precyzyjne i wydajne, a poprawki związane z korektą błędów ludzkich lub sprzecznymi informacjami zdarzają się niezwykle rzadko. Szansa na uszkodzenie składowanych materiałów, sprzętu czy realizowanego projektu jest niższa, ponieważ materiału nie przechowuje się w zapasie na placu budowy, nie jest on też transportowany z miejsca na miejsce.
- Otwarcie nowych rynków
Wykorzystanie drukarki 3D umożliwia firmom budowlanym wejście na nowe rynki, które wcześniej były dla nich niedostępne. Dla świeżo założonych firm posiadanie drukarki 3D może stanowić przewagę konkurencyjną. Co więcej, druk 3D to świetny sposób na zwiększenie rozpoznawalności firmy budowlanej wśród osób zainteresowanych zmniejszeniem wpływu tradycyjnego budownictwa na naszą planetę.
Wzrost popularności strukturalnego druku 3D
Wykorzystanie drukowania 3D do wzmocnienia konstrukcji, elementów w mikroskali oraz stali konstrukcyjnej może zrewolucjonizować projektowanie i budownictwo, ale także badanie kosmosu. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wierzy, że można wykorzystać metal do drukowania w 3D niezwykle złożonych form za ułamek ceny, co pozwoli bardzo spopularyzować tę metodę.
ESA przygotowała wraz z Komisją Europejską projekt, którego celem jest dopracowanie metod drukowania elementów metalowych nadających się do lotów kosmicznych. W ramach projektu AMAZE (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products) zebrało się 28 partnerów przemysłowych. Praktycznie wszystko da się zaprojektować na komputerze, dlatego też AMAZE wyraźnie daje do zrozumienia, że dąży do zainstalowania drukarki 3D na statku kosmicznym. Gdyby astronauta potrzebował jakiegoś narzędzia, będzie można je z łatwością zaprojektować i wydrukować.
Druk 3D w budownictwie lądowym
Drukowanie 3D w budownictwie zyskało w ostatniej dekadzie szczególną popularność w branży kosmicznej i inżynierii biomedycznej. Nadzieje związane z tą rewolucyjną techniką wytwarzania wynikają z możliwości konstruowania dowolnych form geometrycznych bez ograniczeń formalnych, co minimalizuje powstawanie odpadów przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności i poprawie wyników. Dążąca do automatyzacji branża budowlana osiągnęła ostatnio kilka ważnych kamieni milowych, w tym m.in. wybudowanie pierwszych obiektów z wykorzystaniem mechanicznych ramion i technologii druku 3D.
Wykorzystanie metod druku 3D przy generowaniu elementów strukturalnych wykonanych z polimerów, metalu czy betonu staje się coraz powszechniejsze. Tego typu techniki umożliwiają tworzenie dowolnych, innowacyjnych form architektonicznych w budownictwie lądowym dzięki zastosowaniu oprogramowania zintegrowanego z CAD. Pomimo znacznych wysiłków branży kosmicznej i inżynierii biomedycznej, zmierzających do oceny tego mechanizmu, nadal nie do końca poznaliśmy możliwe zastosowania i wpływ materiałów drukowanych 3D w kontekście obiektów budowlanych, zarówno jeśli chodzi o właściwości wspomnianych materiałów, jak i reakcję strukturalną.
Pierwsza na świecie drukowana w 3D stalowa kładka dla pieszych w Imperial College London
Wiki House – druk 3D w budownictwie: omówienie koncepcji
Wiki House to innowacyjny projekt przygotowany przez niewielką grupę londyńskich projektantów w 2011 roku. Oferuje cyfrowy system konstrukcji open-source, który umożliwia użytkownikom tworzenie, pobieranie i udostępnianie projektów, oraz drukowanie własnych domów. Zastosowanie systemu nie wymaga specjalnego szkolenia i wyjątkowych umiejętności, a obiekt można zbudować w ciągu jednego dnia. Elementy można wycinać cyfrowo z tradycyjnych materiałów w arkuszach, takich jak np. sklejka, z wykorzystaniem maszyn sterowanych komputerowo, co pozwala zaoszczędzić czas i koszty, a do tego nie wymaga takiej biegłości jak w przypadku klasycznych metod budowlanych. Standardowy dom z dwiema sypialniami można wybudować za niecałe 50 000 £, a dodatkowe elementy, takie jak pokrycie, przyłącza, ocieplenie i okna, można umieścić w szkielecie budynku. Pierwszy dom wybudowany z pomocą technologii open-source Wiki House to dwukondygnacyjny budynek wydrukowany w 3D. Przedstawiono go podczas London Design Festival w 2014.
Inicjatorem ruchu Wiki House jest Alastair Parvin, który w swojej prezentacji TED „Architecture for the people, by the people” (Architektura dla ludzi, od ludzi) przedstawia potencjał wykorzystania drukowania 3D w budownictwie. Twórcy projektu wierzą, że Wiki House pozwoli rozwiązać problemy mieszkaniowe i przyda się szczególnie w sytuacjach awaryjnych, na przykład po trzęsieniu ziemi (są już dowody na to, że domy drukowane w 3D są w stanie wytrzymać trzęsienie ziemi o magnitudzie 8,0). W przyszłości druk 3D może stać się realną alternatywą realizacji niedrogich budynków mieszkalnych, dodatkowo udostępniającą klientowi kontrolę nad projektem.
Budynek Wiki House wydrukowany w 3D
Czy druk 3D zapewni budownictwu zrównoważony rozwój w przyszłości?
Druk 3D może fundamentalnie zmienić strukturę łańcucha dostaw, modyfikując sposób projektowania i wytwarzania produktów. Według badań, dzięki drukowaniu 3D, branża budowlana może stać się bardziej wydajna, zrównoważona i „lean”. Według Ivo Kothmana i Nielsa Fiebera z Wyższej Szkoły Zawodowej w Saxion, technologia druku 3D „zmienia zasady gry”. Przeprowadzili badanie opłacalności drukowania betonu w 3D. Ich odkrycia można podsumować w następujący sposób:
- Druk 3D skraca łańcuch dostaw i cały proces projektowania. Ponieważ drukowanie 3D odbywa się na miejscu, można wyeliminować kilka czasochłonnych etapów obecnych w procesie projektowania. Architekci, inżynierowie, podwykonawcy, klienci i organy wykonawcze, którzy zwykle muszą wnieść swój wkład w procesie projektowania budynku, przestają być potrzebni przy drukowaniu 3D. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie zadania mogą zostać ujęte w ramach jednego stanowiska – architekta, który wykorzystuje techniki symulacji i modelowania do zagwarantowania spójności konstrukcji.
- Układanie rur i wykonanie instalacji elektrycznej staje się prostsze i wydajniejsze. W tradycyjnym budownictwie wykonanie ocieplenia oraz podłączenie systemów grzewczych, bieżącej wody czy prądu, związane jest z pracochłonną instalacją na miejscu. Część tych funkcji można zrealizować w procesie drukowania 3D. Drukowanie pustych ścian wymaga mniej zasobów, poprawia izolację i może pozwolić na wykorzystanie przewodów ciepłej oraz zimnej wody drukowanych w 3D. Co więcej, eliminacja konieczności instalowania wspomnianych systemów na placu budowy może przyczynić się do zredukowania ilości wytworzonych odpadów.
- Lepszy proces logistyczny. Drukowanie 3D może wyeliminować dwa kluczowe problemy związane z transportem i logistyką. Po pierwsze, wiele elementów uszkadza się w tranzycie, a tego da się uniknąć poprzez drukowanie ich na placu budowy. Po drugie, na ten moment elementy są dodatkowo wzmacniane, żeby wytrzymać potencjalne zagrożenia związane z transportem, co generuje większe koszty. Takie działania nie muszą być konieczne przy drukowaniu 3D na placu budowy.
- Upowszechnienie niestandardowych projektów na rynku. W tradycyjnym budownictwie realizacja domu z pomocą architekta jest po prostu dla wielu klientów zbyt droga. Drukowanie 3D w betonie sprawia, że kształt przestaje mieć znaczenie: nie wpływa na koszt. To oznacza, że w przyszłości więcej ludzi będzie stać na zakup domu „na miarę”, który będzie dokładnie dopasowany do ich potrzeb.
Przykład zrównoważonego ekologicznie domu Tecla wydrukowanego w 3D przez WASP i Mario Cucinella Architects.
Druga strona medalu
Druk 3D to na pewno bardzo kusząca koncepcja, ale warto przyjrzeć się jej bardziej krytycznie. Sceptycy podkreślają, że ta technologia ma kilka ograniczeń:
- Koszt badań i rozwoju
Większość firm budowlanych ma niskie marże zysku. Inwestycja, która umożliwiłaby zastosowanie projektów drukowanych w 3D na szeroką skalę, wymagałaby ogromnego nakładu pieniędzy.
- Czy klienci nie uznają tej technologii za zwykły chwyt reklamowy?
Domy, biurowce, sklepy i inne budynki drukowane 3D są często bardzo imponujące. Ale czy większość chciałaby w nich mieszkać albo pracować? Wiele osób odczuwa silne przywiązanie do budynków wykonanych z cegły, co wynika z tradycji i kultury. Inne technologie, takie jak domy z prefabrykatów, wywołały pewne zainteresowane w przeszłości, ale nie przyjęły się na dobre, chociaż stanowiły tańszą alternatywę dla aktualnego standardu.
- Trudność integracji innych komponentów
Drukarki 3D świetnie sobie radzą z unikatowymi i interesującymi projektami. Jeśli jednak interesuje cię budynek, który stosuje wiele różnych mediów albo elementów, które nie nadają się za bardzo do drukowania 3D, zastosowanie drukarki 3D stanowiłoby problem.
- Niedostatek wykwalifikowanej siły roboczej
Przy aktualnym niedoborze pracowników w branży budowlanej drukowanie 3D wiązałoby się z posiadaniem jeszcze bardziej wyspecjalizowanych umiejętności, tak więc pula dostępnych kandydatów byłaby jeszcze mniejsza. Znalezienie pracowników wykwalifikowanych do pracy w budownictwie z zastosowaniem druku 3D może być w przyszłości prawdziwym wyzwaniem.
- Kontrola jakości na budowie
Warunki pogodowe są w stanie spowolnić tradycyjną budowę, a w przypadku drukowania 3D może być jeszcze gorzej. Czynniki środowiskowe mogą sprawić, że komercyjne zastosowanie druku 3D w budownictwie może przerodzić się w porażkę. Co więcej, kontrola jakości tak realizowanej budowy może być trudnym zadaniem, wymagającym ciągłego ludzkiego nadzoru.
- Brak przepisów i regulacji
Druk 3D pojawia się ostatnio w nagłówkach gazet, ale jeszcze nie wywarł wystarczającego wpływu na branżę budowlaną. Przerzucenie części zadań na budowie z ludzi na drukarki może skomplikować kwestie związane z odpowiedzialnością za wykonaną pracę. Na ten moment ten obszar zastosowania druku 3D w budownictwie pozostawia wiele wątpliwości. Dopóki nie pojawią się odpowiednie przepisy i regulacje, druk 3D raczej nie przeniknie do mainstreamu branży budowlanej.
W jaki sposób druk 3D może zintegrować się z branżą budowlaną?
Mamy solidne dowody na to, że druk 3D to wiarygodna metoda, którą można z powodzeniem zastosować w branży budowlanej. Jest duża szansa na to, że stanie się ona w nadchodzących latach coraz bardziej widoczna na rynku. Wówczas przekonamy się, do jakiego stopnia tego typu maszyny będą wykorzystywane na placu budowy i czy być może pozostaną raczej narzędziem do przygotowywania prefabrykatów. Ale można sądzić, że w przypadku odpowiednich projektów drukarki 3D dołączą do zestawu narzędzi dostępnych dla budowlańców.
O PlanRadar
Firma PlanRadar została założona w 2013 roku. Oferuje innowacyjne oprogramowanie nastawione przede wszystkim na rozwiązania mobilne dla branży budowlanej i nieruchomości. Nasza aplikacja dostępna jest na wszystkie urządzenia z systemami iOS, Android i Windows. Do tej pory pomogliśmy scyfryzować workflow ponad 13 000 klientom w ponad 55 krajach. Tutaj dowiesz się więcej o naszym oprogramowaniu dla budownictwa i nieruchomości.
