Lisäävä valmistus (3D-tulostuksen teollinen hyödyntäminen) on viime vuosina yleistynyt nopeasti eri teollisuudenaloilla. Vaikka toistaiseksi valmistusmenetelmää hyödynnetäänkin huomattavasti enemmän mm. ilmailualalla ja autoteollisuudessa on se vihdoin tekemässä tuloaan myös rakennusalalle. Potentiaalia löytyy rakennusalalta monen muun teollisuuden alan tavoin useilta eri osa-alueilta työkalujen valmistuksesta lopputuotteisiin saakka.
Erityisesti Lähi-Idässä on suuria odotuksia ja tavoitteita tulevaisuudelle rakennusten 3D-tulostamisen suhteen. Esimerkiksi Dubaissa investoitiin vuonna 2016 100 miljoonaa dollaria uuteen tulostuskeskukseen ja asetettiin rakennusalan strategiatavoitteeksi, että 25% kaikista uusista rakennuksista on 3D-tulostettu vuoteen 2030 mennessä. Vastaavia tavoitteita löytyy myös esim. Saudi-Arabiasta ja Egyptistä.
Savonian LIVA-hankkeessa kartoitettiin lisäävän valmistuksen käyttöä maailmalla rakennusalan sovelluksissa. Selvitystyöstä valmistui vuoden lopulla raportti ”Lisäävän valmistuksen käyttö rakennusalalla, Tilannekatsaus 2017”, ja se on vapaasti ladattavissa osoitteesta: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-203-242-3
Pienestä se on kaikki lähtenyt…
Kuten monella muullakin teollisuuden ja tuotannon aloilla, pienoismallien valmistus on ollut yksi yleisimmistä käyttökohteista rakennusalalla. Syynä tähän on ollut paitsi hinta, myös tekniset rajoitteet kuten tarkkuus ja tulostusalueen koko. Pienoismallit ovat rakennusalalla edelleen yksi yleisimmistä käyttökohteita ja niitä 3D-tulostetaan niin rakennussuunnittelun kuin kaupunkisuunnittelu tarpeisiin. Ne voidaan valmistaa arkkitehdin tietomallia hyödyntäen hyvinkin tarkkoina ja halutussa mittakaavassa.
Kohti suurempia kokonaisuuksia
Viime vuosien kiinnostavimpia kehityskohteita ovat suuremman kokoluokan tulosteet sillä tulostinlaitteiden tekninen kehitys mahdollistaa nykyisin rakennusten osien ja jopa kokonaisten rakennusten valmistamisen. 3D-tulostuksessa käytettävien rakennusmateriaalien kirjo on laaja, teräksestä, saveen, hiilikuituun ja betoniin. Luonnollisesti tutkimuksen kohteena ovat usein ympäristöystävälliset materiaalit, mutta esimerkiksi betonin 3D-tulostuksella voidaan saavuttaa materiaalikäytön optimoinnin myötä selvästi pienempi hiilijalanjälki perinteiseen betonin valmistustapaan verrattuna.
Muutamia esimerkkejä suuremmista 3D-tulosteista ovat Hollannissa valmistettava metallinen kävelysilta kanaalin yli ja Italiassa savi-olkimassasta 3D-tulostamalla valmistettu savimaja. Muovista sekä hiili- ja lasikuiduista on 3D-tulostettu upean muotoisia paviljonkeja ympäri Eurooppaa ja Yhdysvaltoja.
Yksi tämän hetken puhutuimmista rakennusalan 3D-tulostusaiheista on betonin 3D-tulostus, johon liittyen on viime vuosina otettu suuria kehitysaskeleita. Betonista voidaan valmistaa elementtejä tai jopa kokonaisia rakennuksia. Betonia voidaan 3D-tulostaa useilla eri lisäävän valmistuksen menetelmillä, joista tällä hetkellä yleisin on materiaalin pursotukseen perustuvat menetelmä.
Meneillään onkin ideologinen kahtiajako: 3D-tulostuksen hyödyntäminen elementtien valmistamisessa tehtaalla hallitussa ympäristössä sekä rakennuksen ja/tai sen osien valmistus suoraan rakennustyömaalla. Esimerkkejä 3D-tulostetuista rakennuksista ja niiden elementeistä löytyy tähän mennessä Kiinasta, Yhdysvalloista, Lähi-Idästä ja Venäjältä. Myös Eurooppaan on nousemassa ensimmäinen 3D-tulostettu rakennus – Hollannissa on käynnissä projekti, jossa 3D-tulostetaan hotellirakennus.
Betonirakenteiden valmistaminen rakennustyömaalla
Markkinoilta löytyy tällä hetkellä muutamia toimijoita, jotka kehittävät rakennustyömaalla käytettäviä betonin 3D-tulostusjärjestelmiä. Tunneituimpia lienevät Apis Cor (http://apis-cor.com/en/) sekä Contour Crafting (http://contourcrafting.com/), mutta markkinoille on tulossa useita uusia toimijoita.
Suoraan rakennustyömaalla valmistamisessa on useita hyviä puolia, mm. materiaalin kuljetus. Kun rakenteet valmistetaan paikan päällä, on raaka-aineet helpommin kuljetettavassa muodossa. Haasteita ovat mm. rakenteiden kestävyys, keliolosuhteet ja viranomaismääräykset. Vaikka ratkaisuissa lisätäänkin raudoituksia rakenteisiin on tekniikka vielä kehitysvaiheessa ja sen arkipäiväistyminen useamman vuoden takana. Keliolosuhteiden osalta mm. Apis Cor käyttää laitteitaan paikan päälle asennettavan teltan sisällä, joka mahdollistaa 3D-tulostuksen hieman hallitummassa ympäristössä. Viranomaismääräykset puolestaan ovat useissa maissa vielä kesken, joka on rajoittanut valmistusmenetelmän käyttöä useimmissa maissa lähinnä esittelytaloihin.
Elementtivalmistus
Elementtivalmistuksen hyvänä puolena on se, että tehtaalla rakennettavat elementit valmistuvat hallitussa ympäristössä ja rakennustyömaalle viedään elementtejä, joten niiden asentaminen ei poikkea aiemmasta toimintatavasta. Tavoitteena on tehostaa elementtivalmistusta, ja esimerkiksi suomalainen Fimatec on kehittänyt tulostuslaitetta, joka on suoraan konvertoitavissa elementtitehtaan tuotantojärjestelmään ja valmistaa rakennusmääräykset täyttävää seinää kustannustehokkaasti. Hyvänä puolena on myös se, että seinän eri rakennekerrokset (betonikuoret ja lämmöneristeet) voidaan valmistaa samalla kertaa. Heikkoudeksi voidaan puolestaan laskea se, että elementtien kuljetukseen liittyvä logistiikka säilyy ennallaan perinteiseen verrattuna.
Arkkitehtuuri ja 3D-tulostaminen – uusi ulottuvuus
Hyödynnetään tulevaisuudessa 3D-tulostusta tehtaalla tai suoraan rakennustyömaalla, tässä vaiheessa on jo selvää, että 3D-tulostus mahdollistaa uudenlaisen geometrisen vapauden rakennusten muotoiluun ja koristeluun. 3D-tulostaminen voi tuoda arkkitehtuuriin uudenlaisia ilmenemismuotoja ja rikastuttaa kaupunkikuvaa.
Sami Lampinen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke
Kuvalähteet:
kuva 2a)http://mx3d.com/projects/bridge-2/
kuva 2b)https://www.dezeen.com/2017/04/12/icd-itke-research-pavilion-university-stuttgart-germany-carbon-fibre-robots-drones/
kuva 2c)http://www.wasproject.it/w/en/il-muro-di-terra-e-paglia-alle-soglie-dei-3-metri/
kuva 3a)http://www.intellect.com.bd/details/367/worlds-first-3d-printed-office-started-functioning
kuva 3b)https://www.washingtonpost.com/news/innovations/wp/2015/02/05/yes-that-3d-printed-mansion-is-safe-to-live-in/?utm_term=.e893c5eb7d0f
kuva 4a)http://apis-cor.com/en/about/blog/features-and-perspectives-of-3d-printing
kuva 4b)https://www.architetturaecosostenibile.it/architettura/criteri-progettuali/stampante-3d-costruisce-casa-886/
kuva 5a)https://inhabitat.com/worlds-largest-3d-printed-building-made-from-powdered-cement-unveiled-at-uc-berkeley/3d-printed-bloom-pavilion-ronald-rael-uc-berkeley-17/
kuva 5b)https://www.designboom.com/architecture/digital-grotesque-full-scale-3d-printed-room-realized/