Wydrukować dom

Budowle, które przetrwały do naszych czasów, a zbudowane były kilka, kilkanaście wieków temu powstawały w tempie, które obecnie nie jest przez nas do zaakceptowania. Kto teraz może sobie na to pozwolić, aby inwestycja ciągnęła się przez kilkadziesiąt lat (nie mówimy o patologii). Mamy budować dużo i tanio, a czy budynek wytrzyma 20, 50, czy 100 lat, te kwestie schodzą na dalszy plan. Mimo że z roku na rok mamy do dyspozycji coraz więcej, coraz bardziej wydajnych maszyn, technologii, a także logistykę na bardzo wysokim poziomie, wciąż nie jesteśmy zadowoleni z tempa prac na budowie. Na czas realizacji inwestycji, jak doskonale wiemy, największy wpływ mają zastosowana technologia oraz czynnik ludzki. Stąd, aby maksymalnie przyspieszyć budowanie, korzysta się z gotowych elementów, prefabrykatów, które przywozimy na budowę i łączymy ze sobą. Technologia znana od dawna - prefabrykaty betonowe, ceramiczne, drewniane są ogólnodostępne. W takim razie może znaleźć sposób na zminimalizowanie czasu potrzebnego na budowie robotnikom, a nawet całkowicie ten czas wyeliminować? No bo, gdyby tak włączyć maszynę, która za dzień, za dwa bez udziału człowieka "stworzy" gotowy budynek ze wszystkimi instalacjami… Science fiction? Okazuje się, że nie do końca, choć droga przed nami jeszcze długa.

Pierwsze próby "drukowania" elementów budowlanych miały miejsce w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, a wykorzystywano do tego celu beton i piankę poliuretanową. Szybki rozwój i badania nad nowymi technologiami druku trójwymiarowego budynków w zastosowaniach komercyjnych nastąpiły od 2004 r. Obecnie możemy już oglądać gotowy pięciokondygnacyjny blok mieszkalny, z wydzielonymi w środku lokalami, z zewnętrzną elewacją wykończoną fakturą imitującą cegłę. A także willę o powierzchni 1100 m², w której konstrukcja, jak i wszystkie detale, kolumny, zdobienia i balustrady zostały wydrukowane. Osiągnięto to przy wykorzystaniu drukarki o wysokości 6,6 metra, szerokości 10 m i długości 40 m. Technologia przypomina nieco "wielką płytę", gdyż drukowane elementy powstają w fabryce i są dostarczane na plac budowy w formie prefabrykatów gotowych do montażu. Po złożeniu są uzupełniane o stolarkę okienną i drzwiową. Plac budowy jest dzięki temu znacznie bardziej przyjazny środowisku. Mokre procesy budowlane są ograniczane do minimum, więc „budowa” praktycznie nie generuje pyłu i jak się szacuje wytwarza od 30 do 60% mniej odpadów w stosunku do tradycyjnych metod. Czas potrzebny na kompletne wykonanie budynków jest krótszy od 50 do 70%. Jeżeli wierzyć projektantowi, to koszty powstania budynku mogą być niższe aż o 80 procent. Całkowity koszt budowy i wyposażenia ww. luksusowej willi wyniósł jedynie niespełna 600 tys. zł.
Z czego powstają drukowane budynki? W powyższym przypadku wykorzystano odpady budowlane i przemysłowe (kopalniane), które zostały posortowane, a następnie przetworzone na „materiał drukarski”. Do mieszanki dodano szybkoschnący cement. Stateczność i odpowiednią wytrzymałość wysokich konstrukcji zapewniło zbrojenie w formie stalowego rusztowania montowanego według tradycyjnych metod. Ściany tworzyły lekką konstrukcję, mającą wewnątrz formę zygzaka. Wolne przestrzenie wewnątrz przegrody wypełniono izolacją termiczną, np. granulatem styropianowym. W planach jest już druk budynków wysokich na 12 pięter. Nie wspomniałem, że budynki te "wydrukowano" w Chinach...

Profesor Behrokh Khoshnevis z USC (Kalifornia) opracował metodę nakładania przez drukarkę kolejnych warstw betonu, aż do powstania dużych elementów składowych. Pierwszym etapem prac jest położenie na placu budowy szyn, po których porusza się specjalnie do tego skonstruowana drukarka 3D. Urządzenie wylewa beton za pomocą dyszy, a poszczególne warstwy nakładane są na siebie zgodnie z komputerowym wzorem. Tak powstaje budynek w stanie surowym, który wykańcza się w następnej fazie prac. Dodatkowo w razie potrzeby maszyna byłaby zdolna do wzmocnienia konstrukcji, a nawet ułożenia w tym samym cyklu produkcyjnym instalacji elektrycznych i hydraulicznych. Dzięki temu, że pracą drukarki 3D steruje komputer, naniesienie zmian na projekt budynku byłoby niezwykle prostym zadaniem i każdy mógłby się cieszyć unikalnym domem. Idąc jeszcze dalej, również prace związane z malowaniem ścian czy układaniem płytek mogłyby być z powodzeniem wykonywane przez maszynę...

Także w Europie mamy swoje rozwiązania. Chociażby włoski projekt, który zakłada budowę drukarek 3D, bazujących na surowcach wykorzystywanych od wieków - błocie, glinie i włóknach naturalnych jako spoiwie. Trwają prace nad drukarką, która zdolna będzie do drukowania struktur o wysokości do 3 m. Jej elementy będzie można przewozić na ciężarówkach, a na montaż przewiduje się 2 godziny. Póki co, gotowa jest maszyna o wymiarach o połowę mniejszych. Również znana nam przecież firma Skanska (!) już skorzystała z możliwości, jakie daje drukowanie 3D, przy budowie jednego z wieżowców w centrum Londynu. Zastosowano tam wydrukowane elementy maskujące łączenia stalowych słupów, podtrzymujące dach o nietypowej konstrukcji. To nie wszystko, bowiem Skanska chce skonstruować maszynę/ robota do drukowania trójwymiarowych elementów konstrukcyjnych z betonu. W tym celu firma nawiązała współpracę z Uniwersytetem w Loughborough (jedną z najbardziej renomowanych uczelni brytyjskich) oraz z producentami cementu i chemii budowlanej. Ma to być pierwsza przemysłowa maszyna do drukowania bardzo złożonych konstrukcyjnych i ozdobnych elementów z betonu. Przewiduje się, że czas wykonania komponentów architektonicznych może zostać skrócony z kilku tygodni do nawet 1 godziny. Pierwsze efekty współpracy zobaczymy w 2016 roku. Na razie możemy się cieszyć wydrukowaną jednotonową żelbetową ławką oraz literą „S” o kubaturze 2 m³, a zespół naukowców pracuje nad rozwojem nowych procesów produkcyjnych zdolnych do wytwarzania elementów o wymiarach 2x2,5x5 m.

Wejdźmy teraz w nieco mniejsze wymiary.
Drukarki 3D stają się też coraz popularniejszym narzędziem wykorzystywanym na etapie projektowania. Potencjalnym inwestorom przedstawiane są całe drukowane makiety.
Szczegółowe makiety architektoniczne pozwalają na bardzo szybkie zobrazowanie i urzeczywistnienie różnego rodzaju projektów związanych z koncepcją zagospodarowania centrum miasta, czy terenów niezurbanizowanych. Z takiej możliwości najczęściej korzystają biura projektowe, którym zależy na szybkim przedstawieniu swojej koncepcji w wersji „fizycznej”, dającej o wiele lepszy pogląd na zastosowanie konkretnych rozwiązań.
Dzięki nowoczesnej technologii druku 3D jesteśmy w stanie wykonywać różnego rodzaju elementy makiet architektonicznych, od budynków i ulic, przez drzewa i ogrodzenia, aż po rozmaite instalacje. Co równie istotne, produktowi można nadać określone kolory, które ułatwiają zapoznanie się z realizowaną koncepcją.
Także i geodeci mogą drukować kolorowe modele odzwierciedlające ukształtowanie terenu w sposób bardzo realistyczny.

Niewątpliwie zakres wykorzystania druku 3D jest bardzo szeroki, czasami zaskakujący, jak choćby odrestaurowanie zabytkowego kościelnego ołtarza. Tradycjonaliści powiedzą: jak to?, przecież kamień i drewno to podstawa przy tego typu działaniach. Okazuje się, że używając do druku kompozytu drewna i polilaktydu pod postacią holenderskiego woodFillu wykonano repliki figur, tworzących zabytkowy ołtarz kościelny. Na koniec figury poddawano procesowi polichromowania. Dzięki technice 3D ich wyprodukowanie kosztowało kilkanaście razy mniej niż zrobienie tradycyjną metodą przez rzeźbiarza.

Technologia trójwymiarowych modeli umożliwia między innymi przygotowanie prototypu projektowanego rozwiązania i przetestowanie jego działania, stworzenie szczegółowych, a jednocześnie niedrogich makiet architektonicznych. Z zalet tej technologii korzysta również medycyna, przemysł samochodowy, czy lotniczy. Przyczynia się ona do ograniczenia czasu poświęcanego na projektowanie, a tym samym do zmniejszenia kosztów realizacji.

Druk 3D dzieli się na szereg zróżnicowanych technologii. Do najważniejszych i najpopularniejszych należą:

• FDM – druk 3D z termoplastów (np. ABS, PLA, nylon). Polega na tym, że materiał w formie żyłki jest wprowadzany za pomocą ekstrudera do głowicy drukującej, gdzie w temperaturach 190ºC – 280ºC jest on przekształcany do stanu półpłynnego i rozprowadzany warstwa po warstwie, tworząc gotowy model przestrzenny.
• SLA – druk 3D z żywic utwardzanych światłem lasera. Charakteryzuje się wysoką dokładnością dochodzącą pod względem rozmiarów drukowanych warstw do poziomu nawet kilku mikronów. Ma zastosowanie w przemyśle przy prototypowaniu bardzo dokładnych i precyzyjnych detali, jak również w medycynie i jubilerstwie do tworzenia modeli pod kątem form odlewniczych.
• DLP – druk 3D z żywic utwardzanych światłem projektora. Projektor emituje obraz, który tworzy pojedynczą warstwę modelu. Następnie wylewana jest kolejna warstwa żywicy i projektor emituje kolejny obraz. Wydruki wykonane w tej technologii charakteryzują się wysoką dokładnością na poziomie kilkudziesięciu mikronów. Proces druku 3D jest dość długotrwały. Technologia DLP ma zastosowanie w medycynie, protetyce, jubilerstwie oraz elektronice i przemyśle – w kontekście detali o wysokim stopniu odwzorowania szczegółów.
• PolyJet / MJM – druk 3D z żywic utwardzanych światłem UV. Polega na natryskiwaniu żywicy światłoutwardzalnej na stół roboczy i utwardzaniu jej za pomocą światła UV. Charakteryzuje się wysoką dokładnością wydruków oraz nie wymaga specjalnej obróbki i wykończenia po zakończeniu pracy. Ma zastosowanie przede wszystkim w przemyśle i medycynie. Jest dość drogą technologią – zarówno jeśli chodzi o koszt maszyn, jak i materiałów eksploatacyjnych.
• CJP – druk 3D w pełnym kolorze z proszku gipsowego utwardzanego lepiszczem. Polega na wysypywaniu sproszkowanego materiału na całej powierzchni komory roboczej o zadanej wysokości warstwy, a następnie selektywnego nanoszenia specjalnego lepiszcza spajającego poszczególne warstwy. W trakcie nanoszenia lepiszcza jest również nanoszony (natryskiwany) odpowiedni dla danego punktu kolor. Po zakończonym procesie druku 3D model jest wydobywany z niezespolonego proszku i oczyszczany. Technologia CJP jest jedną z najdokładniejszych technologii druku 3D, jednakże uzyskane modele mają tylko i wyłącznie charakter koncepcyjny, ponieważ z uwagi na rodzaj materiału, nie mają odpowiedniej wytrzymałości, aby traktować je w sposób użytkowy (np. części maszyn lub obudowy).
• SLS – druk 3D ze sproszkowanych polimerów spiekanych światłem lasera. Proces druku 3D polega na rozprowadzaniu warstw sproszkowanego materiału, a następnie selektywnym spiekaniu go warstwa po warstwie, aż do momentu uzyskania gotowego modelu przestrzennego. Do zalet tej technologii należą wysoka wytrzymałość i dokładność wydruków, odporność na warunki atmosferyczne, jednorodna struktura. Technologia jest opłacalna przy produkcji krótkich serii.
• DMLS – druk 3D ze sproszkowanych metali spiekanych światłem lasera. Proces druku 3D polega na rozprowadzaniu warstw sproszkowanego metalu, a następnie selektywnym spiekaniu go warstwa po warstwie, aż do momentu uzyskania gotowego modelu przestrzennego. Drukarki 3D drukujące w technologii DMLS należą do najbardziej skomplikowanych i przez to najdroższych na rynku. Ceny maszyn drukujących z metalu zaczynają się od kwot na poziomie 1 mln zł.

A wracając do budynków, na chwilę obecną najstarsze drukowane domy mają zaledwie rok, więc nie sposób przewidzieć, jak będą zachowywały się po kilkunastu, kilkudziesięciu latach użytkowania. Czy to, co wytrzyma w Chinach, sprawdzi się w warunkach zmiennego klimatu. Temat niewątpliwie ciekawy i pobudzający wyobraźnię, a czy będziemy mieszkać w "drukowanych" domach czas pokaże. Nie możemy jednak wykluczyć takiej możliwości. Dla wątpiących – przypomnijmy sobie, gdzie byliśmy technologicznie 50, a nawet 20 lat temu. Więc kto wie, w jakich domach będą mieszkać nasze dzieci…