Technologie 3D tisku vznikla v 80. letech 20. století, ale stavební 3D tisk se objevil mnohem později. První stavební projekty využívající tuto technologii se objevily až v roce 2014. Řeč je především o tzv. malých architektonických formách (lavičky, záhony, ploty). O stavbě domů se nám ještě ani nesnilo. Ale už v roce 2015 se ruský startup Apis Cor rozjel – vytiskl celý dům v Moskevské oblasti. Od té doby se pravidelně objevují zprávy o nových 3D tištěných domech. I přesto, že se technologie ukázala jako velmi perspektivní z hlediska rychlosti bytové výstavby a snížení nákladů na výstavbu, žádná masová realizace nenásledovala.
Stavebnictví je celosvětovým trhem číslo jedna. A pokud se v oblasti výškových staveb zavádí mnoho technologických inovací, pak se v oblasti nízkopodlažních staveb za poslední desetiletí změnilo jen málo. Za posledních 30 let se objevil přístupný internet, mobilní telefony, mobilní internet, robotika se zvedla na novou úroveň atd., ale když se dostanete na stavbu domu, je nepravděpodobné, že byste našli mnoho technologických inovací. Automatizace prakticky chybí a převládá manuální práce. Rok 2020 se stal testem síly pro celý svět a vedl také k nejvyšší inflaci, která zasáhla především stavební trh, došlo k dramatické změně cen kovů, cementu, dřeva a mnoha dalších.
Tento internetový meme jasně ukazuje, co se stalo s náklady na stavební materiály za pouhý rok. A proces stále pokračuje. Zároveň dochází k vážnému růstu ceny práce a akutnímu nedostatku pracovních sil. To vše vede k prudkému nárůstu nákladů na stavbu domů. Ať to zní jakkoli zvláštně, statistiky ukazují, že k růstu automatizace nedochází, když je vše dobré, ale v krizových situacích, v době zvýšené konkurence, poklesu poptávky a nutnosti urychleně hledat nové technologie pro zvýšení efektivity výroby. Stalo se tak i tentokrát a stavební 3D tisk dostal po určité stagnaci nový impuls k vývoji.
Při přípravě na psaní článku jsem se obrátil na zakladatele Arkonu – Boris Kozlovu Společnost Arkon vznikla v roce 2020 a zabývá se výrobou stavebních 3D tiskáren, a to jak dílenského typu pro tvorbu montovaných domů (montovaných domů), tak portálového typu, schopných potisknout dvoupatrový dům. Položil jsem Borisovi podle mého názoru klíčovou otázku:
– Stavební 3D tisk se objevil v roce 2014, ale 7-8 let nedošlo k masovému zavedení této technologie. Proč si myslíte, že k tomu došlo a proč nyní dochází k nárůstu nových projektů?
– Zdá se mi, že důvodem je efekt „sněhové koule“. Technologie musela dozrát, od hypotézy k pilotní implementaci a nakonec ke komercializaci a škálování (co se nyní děje). Navíc musíme vzít v úvahu, že stavebnictví je jedním z nejkonzervativnějších odvětví, kde je na rozdíl od leteckého a automobilového průmyslu stále extrémně nízká implementace digitálních řešení a automatizace v oblasti výrobního procesu – samotnou stavbu. Důležitou roli hraje také otázka standardizace a certifikace – tento proces je dlouhý a vytváří další zpoždění.
V letech 2014-2016 Objevily se první vzorky stavebních 3D tiskáren a prototypy tištěných staveb. Koncepty byly testovány pro různé konstrukční faktory 3D tiskáren a typy tiskových materiálů.
V letech 2017-2018 První významné investice na světě byly provedeny v řadě začínajících stavebních 3D tisků. Dále se do roku 2020 tyto investice „scrollovaly“ v podobě dosažení určité úrovně technologické vyspělosti – objevily se první komerční produkty (3D tiskárny a domy).
Konečně v letech 2020-2022. Ukázalo se, že hypotézy o efektivitě stavebního 3D tisku byly oprávněné (levnější, rychlejší, šetrnější k životnímu prostředí) a začaly velké investice do průmyslu. Pozoruhodný příklad: investice GE (francouzská divize General Electric) do dánského COBOD nebo dosažení kapitalizace 2 miliard dolarů americkou společností ICON.
V letech 2022-2023 Po celém světě bude vytištěno více než 1000 budov, od jednotlivých budov/pilotních projektů až po celé vesnice a rozsáhlé realizace v oblasti infrastruktury/prefabrikovaných betonových výrobků. V řadě zemí navíc nyní vznikl nebo se aktivně vytváří regulační rámec pro zavádění aditivních technologií ve stavebnictví.
Domnívám se tedy, že uvedené časové období je zcela přirozeným cyklem vývoje technologie, který pravděpodobně zažije v příštím desetiletí exponenciální růst.
Podle zprávy ResearchAndMarket je globální trh stavebního 3D tisku v roce 2022 oceněn na 354.3 milionu USD a předpokládá se, že do roku 11068.1 dosáhne 2027 99,04 milionu USD, což představuje nárůst o XNUMX %.
Ceny a chování účastníků globálního stavebního trhu 3D tisku ovlivňují různé tržní procesy. Vytvářejí cenové signály, které vyplývají ze změn křivek nabídky a poptávky po produktu nebo službě. Mohou být spojeny s makroekonomickými i mikroekonomickými faktory. I lidské emoce mohou řídit rozhodnutí, ovlivňovat trh a vytvářet cenové signály.
Nyní se pojďme rychle podívat, co je stavební 3D tiskárna?. Aniž bychom se příliš hluboce zabývali technologií, můžeme říci, že konstrukční 3D tiskárny jsou velmi podobné klasickým FDM/FFF tiskárnám, které tisknou plastem, jen místo plastu je zde materiálem cementová směs, která se přivádí přímo do trysky a tvoří objekt aplikací vrstva po vrstvě. Tiskárny jsou také portálové tiskárny, založené na odchozím výložníku, s robotickým ramenem.
Na obrázku vlevo je konstrukční tiskárna založená na odchozím výložníku. Na obrázku vpravo je 3D tiskárna konstrukce portálu
Na obrázku výše stavební 3D tiskárna v podobě robotické paže instalované na mobilní platformě.
Vše se nakonec změnilo, když v létě 2021 americká společnost ICON, která se pokoušela zavést 3D tisk při výstavbě různých pomocných zařízení, podepsala smlouvu s jedním z největších amerických developerů Lennarem na výstavbu vesnice se 100 domů v Texasu a okamžitě se stal jednorožcem a získal investici 200 milionů dolarů od několika investičních fondů.
Na obrázku je 3D tištěný dům v Austinu v Texasu. 3D tištěný dům v Austinu v Texasu.
Dánská společnost COBOD, kterou vytvořil největší světový koncern na výrobu stavebního bednění PERRI, zároveň začala prodávat své portálové stavební 3D tiskárny a také se podílet na stavebních projektech po celém světě. Níže uvedená fotografie ukazuje moderní dvoupatrový dům postavený v Německu a školní budovu v Malawi, postavenou v rekordním čase s minimálním rozpočtem.
Je toho málo, co spojuje rozvinuté, rozvojové a chudé země, každá má své vlastní problémy a výzvy, ale Nedostatek dostupného bydlení je celosvětovou agendou. Pokud je v chudých zemích akutní problém s nárůstem počtu bezdomovců v důsledku nedostatku bydlení jako takového, pak je v rozvojových zemích nutné výrazně urychlit výstavbu nových bytů pro potřeby rostoucí populace. Ve vyspělých zemích jsou problémem především náklady na bydlení, které zdražilo natolik, že se pro mladé lidi stalo prakticky nedostupným. A se současným prodlužováním střední délky života v těchto zemích se tento problém jen zhoršuje.
Zároveň se vyvíjí trend pro „zelená agenda“, snižování emisí CO2, stavba z ekologičtějších materiálů atd. Stavebnictví je ale bohužel stále absolutní špičkou v emisích CO2 a také v množství odpadu, který po sobě každá stavba zanechá. Neznamená to, že stavební 3D tisk řeší všechny tyto problémy, ale alespoň jde správným směrem. Podívejme se na to na několika jasných příkladech.
Stěny vytištěné stavební 3D tiskárnou.
Dnes, když mluvíme o 3D tiskárnách, mluvíme o tisku stěn. Vše ostatní (základy, okna, dveře, stropy a střecha) se provádí tradičním způsobem. 3D tištěné stěny jsou stavěny jako ztracené bednění, což je zásadní šetří množství použitého cementua to zase snižuje náklady na výstavbu a snižuje poškození životního prostředí při výrobě cementu. Navíc při tomto způsobu stavby nevznikají žádné další odpady a neutrpí tím pevnost konstrukce. Lze jej zpevnit, jak je znázorněno na fotografii vlevo, a ihned položit inženýrské sítě, jak je znázorněno na fotografii vpravo, což také ovlivňuje konečnou rychlost výstavby objektu. Celková hmotnost konstrukce je snížena, zbývající dutiny mohou být vyplněny lehkým pěnobetonem, izolací, slámou nebo jiným dostupným materiálem. Tento lehký design může používat lehčí základ. Samotný způsob výstavby je z hlediska materiálu ekonomičtější, a tedy i ekologický.
Momentálně pod aktivní vývoj ekobetonu s přídavkem polymerů, jejichž výroba snižuje emise CO2 z 30 % na 100 %. Na začátku článku zmíněná společnost Apis Cor, která v roce 2015 postavila dům v Moskevské oblasti a nyní sídlí na horké Floridě, plánuje začít tento materiál používat ve svých projektech.
Další startup, původem z Ruska, Mighty Buildings se sídlem v Kalifornii, zpočátku spoléhal na polymer s přídavkem minerálních třísek. A přestože společnost nestaví celé domy, pouze nástěnné panely, získala řadu ocenění za design a ocenění 400 milionů dolarů po několika investičních kolech.
V důsledku toho můžeme hrubým výpočtem říci, že celková úspora na konstrukci stěn může dosáhnout 30% a celkové náklady na dům mohou být sníženy o 10%. To platí pro domy určené pro klasickou výstavbu. A pokud zpočátku navrhujete s 3D tiskem, můžete tento poměr zlepšit optimalizací pokládky komunikací, možností okamžitého tisku vnitřních stěn, položením výklenků do koupelen, krbů, vestavěných skříní a kuchyní, jak tomu bylo v domě postaveném od COBOD v Německu.
“Každé víno má kaly.” Přes všechny výhody konstrukčního 3D tisku má několik významných nevýhod. Tím hlavním je vrstvení, kterému se při současné úrovni vývoje technologií nelze vyhnout.
Fotografie výše ukazuje vrstvení 3D tištěných stěn.
Tento úkol lze řešit několika směry:
Žebrované stěny lze tmelit, natírat a používat jako designový prvek. To ICON dělá v USA, například jejich nejnovější projekt House Zero je udělaný přesně takto a získal řadu designových ocenění.
Použijte speciální „záclony“ na tiskové hlavě, které vám umožní vyhladit vrstvy, jako to dělají COBOD a další výrobci. Níže uvedená fotografie ukazuje, že to nezajistí úplnou absenci vrstvení.
Povrch zcela zbruste, abyste získali obvyklou hladkou stěnu pro tmelení, malování, tapetování nebo jinou povrchovou úpravu. To je možné, ale bude to vyžadovat obrovské mzdové náklady, které mohou snížit celkovou efektivitu používání 3D tisku.
Na fotografii výše je stěna po 3D tisku, broušená do hladka.
Druhým problémem je požadovaný teplotní režim. V ideálním případě by tisk měl probíhat při teplotách od +5C° do +30C°. Důležitá je také vlhkost. Pomocí aditiv můžete tyto hranice posouvat, ale ne donekonečna. Při extrémních teplotách pod nulou bude tisk v terénu možný pouze v případě, že bude staveniště zakryto kopulí a uvnitř bude dosaženo požadované teploty pomocí horkovzdušných pistolí. V extrémních vedrech je lepší tisknout v noci. Dalším řešením může být tisk stěnových panelů v dílně a jejich montáž na místě. Každé z těchto rozhodnutí samozřejmě negativně ovlivní ekonomickou efektivitu projektu.
Stavební 3D tisk může být užitečný nejen při stavbě domů. S jeho pomocí můžete vyřešit mnoho dalších problémů a tam jeho nevýhody nebudou hrát roli. Například americký koncern GE používá tiskárny COBOD pro stavbu podpěr pro větrné generátory v dílně. Žebrování povrchu a teplotní omezení v tomto případě nehrají žádnou roli. Stavba probíhá v dílně, poté je objekt převezen na místo instalace.
3D tištěná věž větrné turbíny. 3D tištěná věž větrné turbíny.
Stavebnictví 3D tisk, nebo, jak se tomu také říká, aditivní konstrukce, se právě objevil a já chci věřit v jeho světlou budoucnost. Předpokladů pro to je mnoho, ale pro úspěch je třeba ještě hodně udělat. Nejprve je nutné vypracovat zásady pro navrhování domů pro stavební 3D tisk. Pak je nutné přilákat špičkové architekty k vytvoření přelomových projektů, po kterých může následovat masové přijetí nové a velmi perspektivní technologie. Stavební 3D tisk by mohl pomoci vyřešit globální nedostatek bytů a také přinést větší automatizaci do dalších oblastí stavebnictví.
Alexander Kornveits
Expert v oblasti aditivních technologií a 3D tisku, šéf společnosti Tsvetnoy Mir
