3D-печать обещает навсегда изменить архитектуру и создать формы, которые сведут с ума современные здания.
В архитектуре редко появляются новые материалы.
На протяжении веков дерево, каменная кладка и бетон составляли основу большинства сооружений на Земле.
В 1880-х годах внедрение стального каркаса навсегда изменило архитектуру . Сталь позволила архитекторам проектировать более высокие здания с большими окнами, что привело к появлению небоскребов, которые сегодня определяют горизонты городов.
Со времен промышленной революции строительные материалы в основном ограничивались целым рядом элементов массового производства. Этот стандартизированный набор деталей, от стальных балок до фанерных панелей, используется при проектировании и строительстве зданий уже более 150 лет.
Это может вскоре измениться с развитием так называемого « крупномасштабного аддитивного производства ». С момента принятия стального каркаса не было разработки с таким большим потенциалом, чтобы изменить способ проектирования и строительства зданий.
Крупномасштабное аддитивное производство , такое как настольная 3D-печать, предполагает построение объектов по одному слою за раз. Будь то глина, бетон или пластик, печатный материал экструдируется в жидком состоянии и затвердевает, принимая свою окончательную форму.
Мне , как директору Института интеллектуальных структур Университета Теннесси, посчастливилось работать над серией проектов, использующих эту новую технологию.
Хотя некоторые препятствия на пути широкого внедрения этой технологии все еще существуют, я могу предвидеть будущее, в котором здания будут построены полностью из переработанных материалов или материалов, полученных на месте, с формами, вдохновленными геометрией природы.
Перспективные прототипы
Среди них Trillium Pavilion , конструкция под открытым небом, напечатанная из переработанного АБС-полимера , обычного пластика, используемого в широком спектре потребительских товаров.
Тонкие изогнутые поверхности конструкции были вдохновлены лепестками одноименного цветка . Проект был разработан студентами, напечатан Loci Robotics и построен в Исследовательском парке Университета Теннесси на ферме Чероки в Ноксвилле.
Другие недавние примеры крупномасштабного аддитивного производства включают Tecla , прототип жилища площадью 450 квадратных футов (41,8 квадратных метра), спроектированный Mario Cucinella Architects и напечатанный в Масса-Ломбарда, маленьком городке в Италии.
Архитекторы напечатали Tecla из глины, добытой из местной реки. Уникальное сочетание этого недорогого материала и радиальной геометрии позволило создать энергоэффективную форму альтернативного жилья.
Вернувшись в США, архитектурная фирма Lake Flato в партнерстве со строительной технологической фирмой ICON напечатала бетонные наружные стены для дома, получившего название « Дом Зеро » в Остине, штат Техас.
Дом площадью 2000 квадратных футов (185,8 квадратных метра) демонстрирует скорость и эффективность бетона, напечатанного на 3D-принтере, а структура демонстрирует приятный контраст между криволинейными стенами и открытым деревянным каркасом.
Процесс планирования
Крупномасштабное аддитивное производство включает в себя три области знаний: цифровой дизайн , цифровое производство и материаловедение.
Для начала архитекторы создают компьютерные модели всех компонентов, которые будут напечатаны. Затем эти проектировщики могут использовать программное обеспечение, чтобы проверить, как компоненты будут реагировать на структурные силы, и соответствующим образом настроить компоненты. Эти инструменты также могут помочь дизайнеру понять, как уменьшить вес компонентов и автоматизировать определенные процессы проектирования, такие как сглаживание сложных геометрических пересечений перед печатью.
Часть программного обеспечения , известная как слайсер, затем переводит компьютерную модель в набор инструкций для 3D-принтера.
Вы можете предположить, что 3D-принтеры работают в относительно небольших масштабах — например, чехлы для мобильных телефонов и держатели для зубных щеток.
Но достижения в технологии 3D-печати позволили аппаратному обеспечению значительно увеличиться . Иногда печать выполняется с помощью так называемой портальной системы — прямоугольной конструкции из выдвижных направляющих, похожей на настольный 3D-принтер. Все чаще используются роботы-манипуляторы из-за их способности печатать в любой ориентации.
Место печати также может быть разным. Мебель и мелкие детали можно печатать на фабриках, а целые дома нужно печатать на месте.
Для крупномасштабного аддитивного производства можно использовать ряд материалов. Бетон является популярным выбором из-за его привычности и долговечности. Глина — интригующая альтернатива, потому что ее можно собирать на месте, что и сделали дизайнеры Tecla.
Но пластмассы и полимеры могут иметь самое широкое применение. Эти материалы невероятно универсальны, и их можно приготовить таким образом, чтобы они соответствовали широкому спектру конкретных структурных и эстетических требований. Они также могут быть изготовлены из переработанных и органических материалов.
Вдохновение от природы
Поскольку аддитивное производство строит слой за слоем, используя только материал и энергию, необходимые для изготовления конкретного компонента, это гораздо более эффективный процесс строительства, чем « методы вычитания », которые включают в себя вырезание лишнего материала — например, фрезерование деревянной балки из дерева. .
Даже обычные материалы, такие как бетон и пластмассы, выигрывают от 3D-печати, поскольку нет необходимости в дополнительной опалубке или пресс-формах.
Большинство строительных материалов сегодня производятся серийно на сборочных линиях, предназначенных для производства одних и тех же компонентов. Несмотря на снижение затрат, этот процесс оставляет мало возможностей для настройки .
Поскольку нет необходимости в инструментах, формах или штампах, крупномасштабное аддитивное производство позволяет каждой детали быть уникальной без дополнительных затрат времени на дополнительную сложность или настройку.
Еще одна интересная особенность крупномасштабного аддитивного производства — возможность производить сложные компоненты с внутренними пустотами. Это может однажды позволить печатать стены с уже установленными кабелепроводами или воздуховодами.
Кроме того, проводятся исследования для изучения возможностей 3D-печати из нескольких материалов — метода, который может позволить полностью интегрировать окна, изоляцию, структурную арматуру и даже электропроводку в один печатный компонент.
Один из аспектов аддитивного производства, который меня больше всего волнует, — это то, как строительство слой за слоем из медленно затвердевающего материала отражает естественные процессы, такие как формирование оболочки.
Это открывает окна возможностей, позволяя дизайнерам реализовывать геометрию, которую трудно создать с помощью других методов строительства, но которая является распространенной в природе.
Структурные каркасы , вдохновленные тонкой структурой птичьих костей, могут создавать легкие решетки из трубок с различными размерами, отражающими действующие на них силы. Фасады, напоминающие формы листьев растений, могут быть спроектированы так, чтобы одновременно затенять здание и производить солнечную энергию.
Преодоление кривой обучения
Несмотря на множество положительных аспектов крупномасштабного аддитивного производства, существует ряд препятствий для его более широкого внедрения.
Возможно, самое большое, что нужно преодолеть, — это новизна. Существует целая инфраструктура, построенная вокруг традиционных форм строительства, таких как сталь, бетон и дерево, которые включают цепочки поставок и строительные нормы и правила. Кроме того, стоимость оборудования для цифрового производства относительно высока, а конкретные навыки проектирования, необходимые для работы с этими новыми материалами, еще не получили широкого распространения.
Чтобы 3D-печать в архитектуре получила более широкое распространение, ей необходимо найти свою нишу. Подобно тому, как обработка текстов помогла популяризировать настольные компьютеры , я думаю, что это будет конкретное применение крупномасштабного аддитивного производства, которое приведет к его повсеместному использованию.
Возможно, это будет его способность печатать высокоэффективные структурные каркасы. Я также уже вижу его перспективы для создания уникальных скульптурных фасадов, которые можно перерабатывать и перепечатывать в конце срока службы.
В любом случае, представляется вероятным, что некоторая комбинация факторов обеспечит то, что будущие здания будут частично напечатаны на 3D-принтере.