Taustaa

Betonin 3D-tulostamisen (3DCP, 3D Concrete Printing) uskotaan olevan ratkaisu nopeuttamaan rakennusalan tehokkuutta ja luovuutta. Arkkitehtonisesti hankalien rakenteiden toteuttaminen on ollut käsityönä suhteettoman kallista, ja usein näistä hankkeista onkin luovuttu kalliin toteutushinnan takia. Suunnitelmia on muutettu helpommin toteutettaviin ratkaisuihin. Betonin 3D-tulostaminen tulevaisuudessa pienentää toteutuskuluja, ja arkkitehdin villeimmätkin visiot ovat toteutettavissa – tietenkin huomioiden betonitulostamisen valmistustekniset vaatimukset.

Erilaisten 3DCP-ratkaisujen tarjonta alkaa nousta näkyville, mutta yleisiä standardeja betonin 3D tulostamiseen ei vielä ole. Toistaiseksi betonin 3D-tulostus ei yleisesti ottaen pärjää perinteisille toteutustavoille, mutta on hyvä muistaa, että kyseessä on vasta muutaman vuoden ajan esillä ollut, vielä vahvasti kehitysvaiheessa oleva tekniikka. Rakennusteollisuus on puolestaan tarkasti säänneltyä ja hitaasti uusia tekniikoita vastaanottava toimiala.

Muutama yliopisto on edellä betonin tulostamisessa sekä robottien hyödyntämisessä rakentamisessa. Näitä ovat Zurichin, Einhovenin sekä Barcelonan teknilliset yliopistot. Pisimmällä näistä lienee Zurich yliopisto, jonka sivuilta on saatavilla paljon betonin 3D tulostamiseen liittyvää tutkimusaineistoa. Yliopisto järjesti 2018 ensimmäisen Digital Concrete seminaarin, jossa kolmen päivän aikana pidettiin luentoja vain betonin 3D tulostamiseen liittyen.

Hyvä katsaus viime vuosien tutkimustilanteesta löytyy seuraavasta artikkelista “3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research”: Ruswell, R.A., Cement and Concrete Research (2018) , https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006

Tekniikan kehittyessä 3DCP tulee haastamaan rakennusalan toimijat. Rakennusalan osaajilla on oltava hallussa monialainen osaaminen ennen kuin tulostamista voi hyödyntää työssään tai vaaditaan usean henkilön osaamista, jotta prosessi toimii sujuvasti. Useilla laitetoimittajilla onkin mainittu, että laitteisto vaatii 2-3 henkilön läsnäoloa tulostuksen aikana. Betonin koostumus, tulostus laitteiden toimivuus sekä tulostuksen jatkuvuus on onnistuttava samaan aikaan. Pintakerrosperiaatteella tulostamisessa on useita riskitekijöitä, joita tavallisessa vaakatasossa tehtävässä elementtirakentamisessa ei ole. Pohdittavaksi jää löytyykö pintakerrostekniikalle parempaa tekniikkaa, joka syrjäyttää nykyisen toimintatavan.

Savonian 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshankkeessa yhtenä hankinnan kohteena on betonin 3D-tulostukseen ratkaisu, joka soveltuu tutkimuskäyttöön. Hankinta tapahtuu vuoden 2020 aikana. Tarkoituksena on noin metrin kokoluokan kappaleen valmistukseen soveltuva laitteisto, jossa pystyttäisiin betonin lisäksi hyödyntämään myös esimerkiksi savea. Lyhyt kuvaus Savonian investointi & kehityshankkeesta löytyy seuraavasta kirjoituksesta: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/09/19/savilahden-uudelle-kampukselle-tulee-monipuolinen-3d-tulostusymparisto/

Laitevalmistajia

Isojen 3D-tulostuslaitteiden toimittajia Euroopassa sekä yleisesti ympäri maailmaa on toistaiseksi aika vähän. Käytännössä markkinoilla on tarjolla muutamia erityyppisiä ratkaisuja: Käsivarsirobotteihin liitettäviä tulostuspäitä, joita myydään yleensä kokonaispakettina tai nosturimallisia järjestelmiä, joissa tulostuspäätä liikutetaan nosturin avulla. Nosturimallisia ratkaisuja on tällä hetkellä eniten tarjolla ja ne on kehitetty isojen rakennusten sekä elementtien tulostamiseen. Muut tarjolla olevat järjestelmät ovat yleensä pienikokoisempia ja suunnattu tutkimukseen tai taiteellisiin käyttökohteisiin

Tähän kirjoitukseen on kerätty joitakin markkinoilla esillä olevia betonin 3D-tulostusratkaisuja tarjoavia yrityksiä.

Total Kustom (http://www.totalkustom.com/)

TotalKustom on yksi alan pioneereista Yhdysvalloissa. Sen perustaja Andrey Rudenko rakensi ensimmäisen modulaarisen betonitulostimen autotallissaan 2014. Laitetta hyödyntäen hän valmisti samana vuonna noin 3 metriä korkean linnamaisen leikkimökin takapihalleen tulostamistaan betonielementeistä.

Tällä hetkellä yritys tarjoaa neljää erilaista laitteistoa jotka poikkeavat tulostusalueeltaan, myös runkomateriaaleiltaan. Lippulaivamalli StroyBot 7.1M täyttää Yhdysvaltojen armeijan vaatimukset laitteelle ja se voidaan koota/purkaa 60 minuutissa.

  • StroyBot 6.2S: 10 x 15 x 4 m, hinta 300 000 USD (teräsrunko)
  • StroyBot 6.2A: 10 x 20 x 6 m, hinta 400 000 USD (alumiinirunko)
  • StroyBot 6.2C: 10 x 20 x 6 m, hinta 500 000 USD (komposiittirunko)
  • StroyBot 7.1M: 10 x 20 x 4 m, hinta 950 000 USD (“military grade”)
Kuva 1. TotalKustomin betonin tulostuspää, oikealla vuonna 2014 valmistettu “leikkimökki” joka oli ensimmäisiä 3D-tulostettuja rakennuksia/rakennelmia. Lähde: TotalKustom

Apis Cor (https://www.apis-cor.com/)

Venäläinen Apis Cor tarjoaa nosturipohjaista järjestelmää betonirakenteiden valmistukseen paikan päällä. Yritykseltä löytyy runsaasti esimerkkejä ja videoita yrityksen 3D-tulostulostuslaitteesta toiminnassa erilaisissa ympäristöissä ja olosuhteissa. Yrityksen esimerkeistä löytyy mm. vuoden 2019 aikana valmistettu kaksikerroksinen hallintorakennus Dubaissa. Lisätietoja projektista: https://www.apis-cor.com/dubai-project

Tähän mennessä yritys on osallistunut kaikkiin rakennusprojekteihin itse, 3D-tulostimen myynti alkaa vuoden 2020 loppupuolella. Hintaa laitteistolle tulee yli 250 000 euroa.

Kuva 2. Apis Cor:in järjestelmä perustuu nosturitorniin. Oikealla kuva edellä mainitusta Dubain rakennusprojektista. Lähde: Apis Cor

MudBots (https://www.mudbots.com/)

Yhdysvaltalainen MudBots tarjoaa siltanostureihin perustuvia betonin 3D-tulostusratkaisuja. Tällä hetkellä mallistossa on kuusi erilaisilla varusteilla ja tulostusalueella varustettua laitetta, hintaluokka välillä 35000 – 550 000 USD. Laitteiden toimitusaika on noin 4 kk. Yrityksen laitteilla on valmistettu seinäelementtien lisäksi mm. aitoja, puutarhakalusteita, portaita, jne.

Kuva 3. MudBots 3D-tulostimia. Lähde: Mudbots

Constructions 3D (https://www.constructions-3d.com/copie-de-fiche-produit)

Construction 3D ranskalainen yritys, joka myy työmaakäyttöön betonin tulostinta. Varsinaisia 3D-tulostustettuja rakennuksia yrityksen laitteella ei ole vielä valmistettu, mutta tavoitteena yrityksellä oli valmistaa rakennus vuoden 2019 loppuun mennessä. Pienemmistä esimerkkikappaleista löytyy joitakin erimerkkejä yrityksen nettisivuilta. Näitä ovat mm. 3D-tulostettu paviljonki sekä erilaisia puutarhakalusteita. Hintaa yrityksen tulostimella on 495 000 € ja se on myynnissä Machines3D –yrityksen kautta. (https://www.machines-3d.com/en/)

Kuva 4. Constructions3D:n ratkaisu perustuu liikuteltavaan nostovarteen joka voidaan pakata konttiin kuljetusta varten. Lähde: Constructions3D & Machines3D

XTreeE (https://www.xtreee.eu/) ja Concreative (https://www.concreative.me/)

XTreeE:n betonin 3D-tulostusratkaisu perustuu käsivarsirobottiin kiinnitettävään tulostuspäähän. Yritys tarjoaa betonitulostukseen liittyvää konsultointiapua sekä vuokraa valmistamaansa laitteistoa. Concreave on puolestaan XTreeE:n yhteistyökumppani, joka tarjoaa suunnittelu- ja valmistuspalveluja betonin 3D-tulostukseen liittyen. Concreavella on käytössään XTreeE:n laitteisto ja valikoimassaan erilaisia valmiita 3D-tulostettuja betonituotteita, kuten puutarha/ulkokäyttöön soveltuvia penkkejä ja muita kalusteita. Yritysten sivuilta löytyy runsaasti esimerkkejä tuotteista ja tehdyistä asiakastöistä.

Kuva 5. Esimerkkejä yritysten valmistamista kappaleista. Vasemmalla pilari, keskellä seinäelementti, oikealla “betonikudotut” tuolit. Lähde: XtreeE

AMT 3D-Speciavia (https://specavia.pro/)

AMT Speciavia on venäläinen tulostinvalmistaja, joka valmistaa erikokoisia siltanosturityyppisiä betonin 3D-tulostimia. Yritys myy tulostimien lisäksi myös materiaalia 3D tulostimiin, mm. betonia, geopolymeeribetonia sekä kipsiä. Specavian pienimmän betonitulostinmallin hinta on 1290000 ruplaa, eli noin 18 000€. Eurooppaan toimitettaessa tulee toki omat lisäkulunsa. Tulostuspinta-ala tulostimella on 3,5 x 3,6 x 1,0 m.

Yhtenä yrityksen referensseistä on vuonna 2017 valmistettu asuinrakennus Yaroslavl:issa, Venäjällä. Rakennuksessa hyödynnettiin 3D-tulostusta monelta osin – yksi tulostetuista kohteista oli pyöreä ulkoseinä, alla olevan kuvan keskimmäisenä.

Kuva 6. AMT-Speciavia:n laitteet ovat siltanosturityyppisiä. Keskellä 3D-tulostettu pyöreä seinäelementti, oikealla betonitulostamista venäläiseen tapaan, Lähde: AMT-Speciavia

WASP (https://www.3dwasp.com/en/)

WASP on 3D-tulostinvalmistaja Italiasta, joka on erityisen tunnettu erilaisten maa-aineisten (mm. savi) tulostusprojekteistaan. Yrityksellä oli muutama vuosi takaperin kunnianhimoinen tavoite valmistaa kokonainen ekokylä hyödyntäen saven 3D-tulostusta. Viimeisimpänä versiona tästä sittemmin hiljaisuuteen vaipuneesta projektista on ”Tecla” –projekti. Kyseessä on 3D-tulostettava talo, jonka materiaalina käytetään paikallisia raaka-aineita, mm. savea. Yrityksen sivuilta löytyy runsaasti esimerkkejä eri kokoluokan rakennusprojekteista, mm. https://www.3dwasp.com/en/3d-printed-house-tecla/

Yritys valmistaa muovi- ja metallitulostinten lisäksi betonin/saven 3D-tulostinta sekä tarjoaa tarkoitukseen soveltuvaa erillistä 3D-tulostuspäätä. Aiemmin yritys tarjosi mahdollisuutta käyttää betonin tulostuspäätä muovin 3D-tulostinlaitteessaan, mutta tämän vuoden aikana tilanne hieman muuttui. Yritys julkaisi uuden, betonin ja saven 3D-tulostukseen tarkoitetun 3D-tulostinversion uudesta 3MT –tuoteperheestään. Hintaa tulostimelle tulee 35000 – 55 000 € riippuen varustelutasosta.

Kuva 7. Uusi Wasp 3MT betonitulostin, oikealla suuremmalla Crane Wasp -järjestelmällä valmistettu osa Tecla –talon seinää. Lähde: Formnext 2019, WASP

CyBe (https://cybe.eu/)

Cybe myy robottikäsivarrella toimivia betonitulostimia. Yritys tarjoaa kokonaisvaltaista palvelua: betonitulostinta, soveltuvaa materiaalia sekä tulostimen ohjelmointiin tarvittavaa (siivutus)ohjelmaa. Yrityksen kehittämä ohjelma on nimeltä CyBe Chysel, ja kyseessä on normaalia monipuolisempi siivutusohjelma – se ottaa huomioon jo tulostetut rakenteet ja osaa välttää törmäykset niihin. Yrityksen nettisivuilta löytyy muutamia referenssejä toteutetuista asiakasprojekteista.

Paikallaan toimiva robottikäsivarren hinta alkaen CyBe R 3Dp 150000€ ja mobiiliversio CyBe RC 3Dp 180000€. Näihin hintoihin kuuluu lisävarustus. Cybellä on vahvat referenssit rakennusten tulostamisesta.

Kuva 8. Vasemmalla mobiiliversio 3D-tulostimesta (CyBe RC 3DP), keskellä elementtien tulostusta, oikealla kuva siivutusohjelmasta

3D Potter (https://3dpotter.com/)

3D Potter valmistaa pieniä saven (ja betonin) 3D-tulostukseen soveltuvia laitteita. Yritys tarjoaa lukuisia vaihtoehtoja pienen tulostusalueen tulostukseen, kohderyhmänä selvästi taitelijat ja harrastajat. Valtaosa yrityksen tarjonnasta on pienemmän kokoluokan laitteita.

Yritykseltä löytyy myös muutama vaihtoehto suuremman mittakaavan tulostusta ajatellen. Scara V4 –laite voidaan yhdistää jatkuvamassakoneistoon ja massamyllyyn, jolloin tulostuskapasiteetti nousee ja sillä voidaan tulostaa myös betonia. Suurin tarjottu malli on Scara Heavy Duty (tulostusalue 3.6 x 2.7m) on hinnaltaan 57500 USD. Kyseiseen malliin tarvitaan lisäksi jatkuvamassakoneisto, hinnaltaan 16700–17500 USD.

Kuva 9. Vasemmalla 3D Potter Scara V4, keskellä jatkuvasyöttöpumppu, oikealla kumpikin yhdistettynä.

 

Jari Piirainen
projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Betonin 3D-tulostusratkaisuja 2019
Tagged on:     

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *