House Zero in Austin, Texas, ist ein 2,000 Quadratmeter großes Haus, das mit 3D-gedrucktem Beton gebaut wurde. Lake Flato Architekten

In der Architektur entstehen selten neue Materialien.

Holz, Mauerwerk und Beton bildeten jahrhundertelang die Grundlage für die meisten Bauwerke auf der Erde.

In den 1880er Jahren die Annahme von Der Stahlrahmen veränderte die Architektur für immer. Stahl ermöglichte es Architekten, höhere Gebäude mit größeren Fenstern zu entwerfen, wodurch die Wolkenkratzer entstanden, die heute die Skyline von Städten definieren.

Seit der industriellen Revolution sind Baumaterialien weitgehend auf eine Reihe von Massenprodukten beschränkt. Von Stahlträgern bis hin zu Sperrholzplatten – dieser standardisierte Teilesatz beeinflusst seit über 150 Jahren das Design und den Bau von Gebäuden.

Das könnte sich bald ändern mit Fortschritten bei dem, was „additive Fertigung im großen Maßstab.“ Seit der Einführung des Stahlrahmens hat es keine Entwicklung mit so viel Potenzial gegeben, die Art und Weise, wie Gebäude konzipiert und gebaut werden, zu verändern.

Bei der additiven Fertigung im großen Maßstab, wie beim Desktop-3D-Druck, werden Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Ob Ton, Beton oder Kunststoff, das Druckmaterial wird in flüssigem Zustand extrudiert und härtet zu seiner endgültigen Form aus.

Als Direktor von das Institut für Intelligente Strukturen an der University of Tennessee hatte ich das Glück, an einer Reihe von Projekten zu arbeiten, die diese neue Technologie einsetzen.

Obwohl es noch einige Hindernisse für die weit verbreitete Einführung dieser Technologie gibt, kann ich eine Zukunft vorhersehen, in der Gebäude vollständig aus recycelten Materialien oder Materialien gebaut werden, die vor Ort bezogen werden, mit Formen, die von den Geometrien der Natur inspiriert sind.

Vielversprechende Prototypen

Unter diesen ist der Trillium-Pavillon, eine aus recyceltem Material gedruckte Open-Air-Struktur ABS-Polymer, ein gängiger Kunststoff, der in einer Vielzahl von Konsumgütern verwendet wird.

Die dünnen, doppelt gekrümmten Oberflächen der Struktur wurden von den Blütenblättern inspiriert seine namensgebende Blume. Das Projekt wurde von Studenten entworfen, von Loci Robotics gedruckt und im Forschungspark der Universität von Tennessee auf der Cherokee Farm in Knoxville errichtet.

Weitere aktuelle Beispiele für die additive Fertigung im großen Maßstab gehören Tecla, eine 450 Quadratmeter große Prototypwohnung, die von Mario Cucinella Architects entworfen und in Massa Lombarda, einer kleinen Stadt in Italien, gedruckt wurde.

Tecla wurde aus lokalem Lehm gebaut. Mario Cucinella Architekten

Die Architekten druckten Tecla aus Ton, der aus einem örtlichen Fluss stammt. Die einzigartige Kombination aus diesem kostengünstigen Material und der radialen Geometrie schuf eine energieeffiziente Form alternativer Gehäuse.

Zurück in den USA hat sich das Architekturbüro Lake Flato mit dem Bautechnologieunternehmen ICON zusammengetan, um Außenwände aus Beton für ein Haus mit dem Namen „Haus Null“ in Austin, Texas.

Das 2,000 Quadratfuß (185.8 Quadratmeter) große Haus demonstriert die Geschwindigkeit und Effizienz von 3D-gedrucktem Beton, und die Struktur zeigt einen angenehmen Kontrast zwischen ihren krummlinigen Wänden und ihrem freiliegenden Holzrahmen.

Der Planungsprozess

Die additive Fertigung im großen Maßstab umfasst drei Wissensbereiche: digitales Design, digitale Fertigung und Materialwissenschaften.

Zunächst erstellen die Architekten Computermodelle aller zu druckenden Komponenten. Diese Designer können dann mithilfe von Software testen, wie die Komponenten auf strukturelle Kräfte reagieren, und die Komponenten entsprechend optimieren. Diese Tools können dem Designer auch dabei helfen, das Gewicht von Komponenten zu reduzieren und bestimmte Designprozesse zu automatisieren, wie z. B. das Glätten komplexer geometrischer Schnittpunkte vor dem Drucken.

Ein Stück Software bekannt als Slicer übersetzt dann das Computermodell in eine Anleitung für den 3D-Drucker.

Man könnte annehmen, dass 3D-Drucker in einem relativ kleinen Maßstab arbeiten – denken Sie Handytaschen und Zahnbürstenhalter.

Aber Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie haben die Hardware ermöglicht ernsthaft zu skalieren. Manchmal erfolgt der Druck über sogenannte ein Gantry-basiertes System – ein rechteckiger Rahmen aus Gleitschienen ähnlich einem Desktop-3D-Drucker. Zunehmend, Roboterarme werden aufgrund ihrer Fähigkeit, in jeder Ausrichtung zu drucken, verwendet.

Roboterarme ermöglichen mehr Flexibilität im Bauprozess.

Auch der Druckort kann variieren. Einrichtungsgegenstände und kleinere Komponenten können in Fabriken gedruckt werden, während ganze Häuser vor Ort gedruckt werden müssen.

Eine Reihe von Materialien kann für die großtechnische additive Fertigung verwendet werden. Beton ist aufgrund seiner Vertrautheit und Haltbarkeit eine beliebte Wahl. Ton ist eine faszinierende Alternative, weil er vor Ort geerntet werden kann – was die Designer von Tecla getan haben.

Aber Kunststoffe und Polymere könnten die breiteste Anwendung finden. Diese Materialien sind unglaublich vielseitig und können so formuliert werden, dass sie eine Vielzahl spezifischer struktureller und ästhetischer Anforderungen erfüllen. Sie können auch aus recycelten und biologisch gewonnenen Materialien hergestellt werden.

Inspiration aus der Natur

Da die additive Fertigung Schicht für Schicht aufbaut und nur das Material und die Energie verwendet, die zur Herstellung einer bestimmten Komponente erforderlich sind, ist es ein weitaus effizienterer Bauprozess als „subtraktive Methoden“, bei dem überschüssiges Material weggeschnitten wird – denken Sie an das Fräsen eines Holzbalkens aus einem Baum.

Auch gängige Materialien wie Beton und Kunststoffe profitieren vom 3D-Druck, da keine zusätzlichen Schalungen oder Formen benötigt werden.

Die meisten Baumaterialien werden heute in Massenproduktion auf Fließbändern hergestellt, die für die Herstellung der gleichen Komponenten ausgelegt sind. Während die Kosten gesenkt werden, Dieser Prozess lässt wenig Raum für Anpassungen.

Da keine Werkzeuge, Formen oder Matrizen erforderlich sind, ermöglicht die additive Fertigung in großem Maßstab, dass jedes Teil einzigartig ist, ohne Zeitverlust für zusätzliche Komplexität oder Anpassung.

Ein weiteres interessantes Merkmal der großtechnischen additiven Fertigung ist die Fähigkeit, komplexe Komponenten mit inneren Hohlräumen herzustellen. Dies könnte es eines Tages ermöglichen, Wände mit bereits vorhandenen Leitungen oder Kanälen zu bedrucken.

Zudem hat auch Frau Forschung findet statt um die Möglichkeiten des Multi-Material-3D-Drucks zu erkunden, einer Technik, die es ermöglichen könnte, Fenster, Isolierung, strukturelle Verstärkung – sogar Verkabelung – vollständig in eine einzige gedruckte Komponente zu integrieren.

Einer der Aspekte der additiven Fertigung, der mich am meisten begeistert, ist die Art und Weise, wie Schicht für Schicht mit einem langsam aushärtenden Material natürliche Prozesse wie die Schalenbildung widergespiegelt werden.

Ein 3D-gedrucktes Haus in Shanghai, das in weniger als 24 Stunden aus Bauschutt gebaut wurde. Visual China Group / Getty Images

Dies eröffnet Gelegenheitsfenster, die es Designern ermöglichen, Geometrien zu implementieren, die mit anderen Konstruktionsmethoden schwierig herzustellen sind, aber in der Natur üblich sind.

Strukturrahmen inspiriert von der feinen Struktur von Vogelknochen könnten leichte Gitter aus Röhren erzeugen, deren unterschiedliche Größen die auf sie einwirkenden Kräfte widerspiegeln. Fassaden das erinnern an die Formen von Pflanzenblättern könnte so ausgelegt sein, dass sie gleichzeitig das Gebäude beschattet und Solarstrom produziert.

Überwindung der Lernkurve

Trotz der vielen positiven Aspekte der additiven Fertigung im großen Maßstab gibt es eine Reihe von Hindernissen für ihre breitere Einführung.

Das vielleicht Größte, das es zu überwinden gilt, ist seine Neuheit. Es gibt eine ganze Infrastruktur, die um traditionelle Bauformen wie Stahl, Beton und Holz herum aufgebaut ist, einschließlich Lieferketten und Bauvorschriften. Darüber hinaus sind die Kosten für digitale Fertigungshardware relativ hoch, und die spezifischen Designfähigkeiten, die für die Arbeit mit diesen neuen Materialien erforderlich sind, werden noch nicht allgemein gelehrt.

Damit sich der 3D-Druck in der Architektur weiter durchsetzt, muss er seine Nische finden. Ähnlich wie Die Textverarbeitung hat dazu beigetragen, Desktop-Computer populär zu machen, denke ich, dass es eine spezifische Anwendung der additiven Fertigung im großen Maßstab sein wird, die zu ihrer allgemeinen Verwendung führen wird.

Vielleicht ist es seine Fähigkeit, hocheffiziente Strukturrahmen zu drucken. Ich sehe auch bereits sein Versprechen, einzigartige skulpturale Fassaden zu schaffen, die am Ende ihrer Nutzungsdauer recycelt und neu bedruckt werden können.

Wie auch immer, es scheint wahrscheinlich, dass eine Kombination von Faktoren dafür sorgen wird, dass zukünftige Gebäude teilweise 3D-gedruckt werden.

Über den Autor

James Rose, Direktor des Instituts für Smart Structures, Universität von Tennessee

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