House Zero ในเมืองออสติน รัฐเท็กซัส เป็นบ้านขนาด 2,000 ตารางฟุตที่สร้างด้วยคอนกรีตพิมพ์ลาย 3 มิติ สถาปนิกทะเลสาบ Flato

ในทางสถาปัตยกรรมนั้น วัสดุใหม่ๆ ไม่ค่อยเกิดขึ้น

เป็นเวลาหลายศตวรรษที่ไม้ อิฐก่อ และคอนกรีตก่อตัวเป็นพื้นฐานสำหรับโครงสร้างส่วนใหญ่บนโลก

ในช่วงทศวรรษที่ 1880 การยอมรับของ โครงเหล็กเปลี่ยนสถาปัตยกรรมไปตลอดกาล. เหล็กช่วยให้สถาปนิกสามารถออกแบบอาคารที่สูงขึ้นด้วยหน้าต่างที่ใหญ่ขึ้น ทำให้เกิดตึกระฟ้าที่กำหนดเส้นขอบฟ้าของเมืองในปัจจุบัน

นับตั้งแต่การปฏิวัติอุตสาหกรรม วัสดุก่อสร้างส่วนใหญ่ถูกจำกัดไว้เฉพาะองค์ประกอบที่ผลิตจำนวนมาก ตั้งแต่คานเหล็กไปจนถึงแผงไม้อัด ชุดชิ้นส่วนมาตรฐานนี้ได้แจ้งการออกแบบและก่อสร้างอาคารมากว่า 150 ปี

ที่อาจเปลี่ยนแปลงไปในไม่ช้าด้วยความก้าวหน้าในสิ่งที่เรียกว่า “การผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่” นับตั้งแต่มีการนำโครงเหล็กมาใช้ก็มีการพัฒนาที่มีศักยภาพมากพอที่จะเปลี่ยนวิธีคิดและก่อสร้างอาคาร

การผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ เช่น การพิมพ์ 3 มิติบนเดสก์ท็อป เกี่ยวข้องกับการสร้างวัตถุทีละชั้น ไม่ว่าจะเป็นดินเหนียว คอนกรีต หรือพลาสติก วัสดุพิมพ์จะถูกอัดขึ้นรูปในสถานะของไหลและแข็งตัวเป็นรูปแบบสุดท้าย

ในฐานะผู้อำนวยการของ สถาบันโครงสร้างอัจฉริยะ ที่มหาวิทยาลัยเทนเนสซี ฉันโชคดีที่ได้ทำงานในโครงการต่างๆ ที่นำเทคโนโลยีใหม่นี้ไปใช้

แม้ว่าอุปสรรคบางประการต่อการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้อย่างแพร่หลายยังคงมีอยู่ แต่ฉันสามารถคาดการณ์อนาคตที่อาคารต่างๆ จะสร้างจากวัสดุรีไซเคิลทั้งหมดหรือวัสดุที่มาจากไซต์ ด้วยรูปแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากรูปทรงเรขาคณิตของธรรมชาติ

ต้นแบบที่มีแนวโน้ม

กลุ่มคนเหล่านี้คือ Trillium Pavilionโครงสร้างเปิดโล่งพิมพ์จากวัสดุรีไซเคิล โพลีเมอร์ ABSซึ่งเป็นพลาสติกทั่วไปที่ใช้ในผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคหลากหลายประเภท

พื้นผิวโค้งสองชั้นที่บางของโครงสร้างได้รับแรงบันดาลใจจากกลีบดอกของ ดอกไม้ที่มีชื่อของมัน. โครงการนี้ออกแบบโดยนักศึกษา พิมพ์โดย Loci Robotics และสร้างขึ้นใน University of Tennessee Research Park ที่ Cherokee Farm ใน Knoxville

ตัวอย่างล่าสุดอื่นๆ ของการผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ รวมถึง Teclaซึ่งเป็นบ้านต้นแบบขนาด 450 ตารางฟุต (41.8 ตารางเมตร) ออกแบบโดย Mario Cucinella Architects และพิมพ์ใน Massa Lombarda เมืองเล็กๆ ในอิตาลี

Tecla ถูกสร้างขึ้นจากดินเหนียวที่มาจากท้องถิ่น สถาปนิก Mario Cucinella

สถาปนิกพิมพ์ Tecla จากดินเหนียวที่มาจากแม่น้ำในท้องถิ่น การผสมผสานที่ไม่เหมือนใครของวัสดุราคาไม่แพงและรูปทรงเรขาคณิตในแนวรัศมีทำให้เกิดรูปแบบที่ประหยัดพลังงานของตัวเรือนทางเลือก

ย้อนกลับไปในสหรัฐอเมริกา บริษัทสถาปัตยกรรม Lake Flato ร่วมมือกับบริษัทเทคโนโลยีการก่อสร้าง ICON เพื่อพิมพ์ผนังคอนกรีตภายนอกสำหรับบ้านที่ขนานนามว่า “บ้านศูนย์” ในออสติน เท็กซัส

บ้านขนาด 2,000 ตารางฟุต (185.8 ตารางเมตร) แสดงให้เห็นถึงความเร็วและประสิทธิภาพของคอนกรีตพิมพ์ 3 มิติ และโครงสร้างยังแสดงความแตกต่างที่น่าพอใจระหว่างผนังโค้งและโครงไม้เปลือย

ขั้นตอนการวางแผน

การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุขนาดใหญ่เกี่ยวข้องกับความรู้ XNUMX ด้าน ได้แก่ การออกแบบดิจิทัล การผลิตดิจิทัล และวัสดุศาสตร์

ในการเริ่มต้น สถาปนิกสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของส่วนประกอบทั้งหมดที่จะพิมพ์ นักออกแบบเหล่านี้สามารถใช้ซอฟต์แวร์เพื่อทดสอบว่าส่วนประกอบจะตอบสนองต่อแรงโครงสร้างอย่างไร และปรับแต่งส่วนประกอบตามนั้น เครื่องมือเหล่านี้ยังสามารถช่วยให้นักออกแบบหาวิธีลดน้ำหนักของส่วนประกอบและทำให้กระบวนการออกแบบบางอย่างเป็นไปโดยอัตโนมัติ เช่น การทำให้ทางแยกทางเรขาคณิตที่ซับซ้อนราบเรียบ ก่อนทำการพิมพ์

ชิ้นส่วนของซอฟต์แวร์ เรียกว่าตัวแบ่งส่วนข้อมูล จากนั้นแปลโมเดลคอมพิวเตอร์เป็นชุดคำสั่งสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

คุณอาจคิดว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติทำงานในสเกลที่ค่อนข้างเล็ก ลองคิดดู เคสมือถือ และ ที่ใส่แปรงสีฟัน.

แต่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติทำให้ฮาร์ดแวร์ เพื่อขยายขนาดอย่างจริงจัง. บางครั้งการพิมพ์จะทำผ่านสิ่งที่เรียกว่า ระบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของ – กรอบสี่เหลี่ยมผืนผ้าของรางเลื่อนคล้ายกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะ มากขึ้นเรื่อยๆ แขนหุ่นยนต์ ใช้เนื่องจากความสามารถในการพิมพ์ในทิศทางใดก็ได้

แขนหุ่นยนต์ช่วยให้กระบวนการก่อสร้างมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

ไซต์การพิมพ์อาจแตกต่างกันไป สามารถพิมพ์เฟอร์นิเจอร์และส่วนประกอบขนาดเล็กได้ในโรงงาน ในขณะที่บ้านทั้งหลังต้องพิมพ์ในสถานที่

สามารถใช้วัสดุได้หลากหลายสำหรับการผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ คอนกรีตเป็นตัวเลือกยอดนิยมเนื่องจากความคุ้นเคยและความทนทาน ดินเหนียวเป็นทางเลือกที่น่าสนใจเพราะสามารถเก็บเกี่ยวได้ในสถานที่จริง ซึ่งเป็นสิ่งที่นักออกแบบของ Tecla ทำ

แต่พลาสติกและโพลิเมอร์สามารถใช้ประโยชน์ได้กว้างที่สุด วัสดุเหล่านี้มีประโยชน์หลากหลายอย่างเหลือเชื่อ และสามารถสร้างขึ้นในรูปแบบต่างๆ ที่ตอบสนองความต้องการด้านโครงสร้างและความสวยงามเฉพาะด้านได้หลากหลาย นอกจากนี้ยังสามารถผลิตได้จากวัสดุรีไซเคิลและวัสดุอินทรีย์

แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

เนื่องจากการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุสร้างทีละชั้น โดยใช้เฉพาะวัสดุและพลังงานที่จำเป็นในการสร้างส่วนประกอบเฉพาะ จึงเป็นกระบวนการสร้างที่มีประสิทธิภาพมากกว่า “วิธีการลบซึ่งเกี่ยวข้องกับการตัดวัสดุส่วนเกินออกไป ลองนึกถึงการกัดคานไม้จากต้นไม้

แม้แต่วัสดุทั่วไป เช่น คอนกรีตและพลาสติกก็ยังได้รับประโยชน์จากการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้แบบหล่อหรือแม่พิมพ์เพิ่มเติม

วัสดุก่อสร้างส่วนใหญ่ในปัจจุบันผลิตเป็นจำนวนมากในสายการประกอบที่ออกแบบมาเพื่อผลิตชิ้นส่วนเดียวกัน ในขณะที่ลดต้นทุน กระบวนการนี้ทำให้มีพื้นที่น้อยสำหรับการปรับแต่ง.

เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือ แบบฟอร์มหรือแม่พิมพ์ การผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ช่วยให้แต่ละชิ้นส่วนมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว โดยไม่มีการปรับลดเวลาสำหรับความซับซ้อนหรือการปรับแต่งที่เพิ่มขึ้น

คุณลักษณะที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งของการผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่คือความสามารถในการผลิตส่วนประกอบที่ซับซ้อนโดยมีช่องว่างภายใน วันหนึ่งอาจอนุญาตให้พิมพ์ผนังด้วยท่อร้อยสายหรือท่อร้อยสายไฟที่มีอยู่แล้ว

นอกจากนี้ การวิจัยกำลังเกิดขึ้น เพื่อสำรวจความเป็นไปได้ของการพิมพ์ 3 มิติแบบหลายวัสดุ ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วยให้หน้าต่าง ฉนวน การเสริมโครงสร้าง แม้กระทั่งการเดินสายไฟ สามารถผสานรวมเข้ากับส่วนประกอบการพิมพ์ชิ้นเดียวได้อย่างสมบูรณ์

แง่มุมหนึ่งของการผลิตสารเติมแต่งที่ทำให้ฉันตื่นเต้นที่สุดคือวิธีการสร้างชั้นทีละชั้นด้วยวัสดุที่แข็งตัวช้าๆ สะท้อนถึงกระบวนการทางธรรมชาติ เช่น การก่อตัวของเปลือกหอย

บ้านพิมพ์ 3 มิติในเซี่ยงไฮ้ สร้างขึ้นภายในเวลาไม่ถึง 24 ชั่วโมงจากขยะในการก่อสร้าง ภาพ Visual China Group / Getty

นี่เป็นการเปิดหน้าต่างแห่งโอกาส ช่วยให้นักออกแบบสามารถใช้รูปทรงเรขาคณิตที่ยากต่อการสร้างด้วยวิธีการก่อสร้างอื่น ๆ แต่เป็นเรื่องปกติ

กรอบโครงสร้าง แรงบันดาลใจจากโครงสร้างกระดูกนกชั้นดี สามารถสร้างตะแกรงน้ำหนักเบาของท่อที่มีขนาดแตกต่างกันซึ่งสะท้อนถึงแรงที่กระทำต่อพวกมัน เบื้องหน้านั้น ทำให้นึกถึงรูปร่างของใบพืช อาจออกแบบให้ร่มเงาแก่อาคารและผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ไปพร้อมกัน

เอาชนะเส้นโค้งการเรียนรู้

แม้จะมีแง่บวกหลายประการของการผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ แต่ก็มีอุปสรรคมากมายในการนำไปใช้ในวงกว้าง

บางทีสิ่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการเอาชนะคือความแปลกใหม่ มีโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยใช้รูปแบบการก่อสร้างแบบดั้งเดิม เช่น เหล็ก คอนกรีต และไม้ ซึ่งรวมถึงห่วงโซ่อุปทานและรหัสอาคาร นอกจากนี้ ต้นทุนของฮาร์ดแวร์การผลิตดิจิทัลค่อนข้างสูง และทักษะการออกแบบเฉพาะที่จำเป็นในการทำงานกับวัสดุใหม่เหล่านี้ยังไม่ได้รับการสอนอย่างกว้างขวาง

เพื่อให้การพิมพ์ 3 มิติในสถาปัตยกรรมได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายมากขึ้น จำเป็นต้องค้นหาเฉพาะเจาะจง คล้ายกับว่า การประมวลผลคำช่วยให้คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปเป็นที่นิยมฉันคิดว่ามันจะเป็นการใช้งานเฉพาะของการผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ที่จะนำไปสู่การใช้ทั่วไป

บางทีมันอาจจะเป็นความสามารถในการพิมพ์เฟรมโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูง ฉันยังเห็นคำมั่นสัญญาในการสร้างส่วนหน้าของประติมากรรมที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งสามารถนำไปรีไซเคิลและพิมพ์ซ้ำได้เมื่อหมดอายุการใช้งาน

ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ดูเหมือนว่าปัจจัยบางอย่างร่วมกันจะทำให้มั่นใจได้ว่าอาคารในอนาคตบางส่วนจะเป็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

เกี่ยวกับผู้เขียน

เจมส์โรส, ผู้อำนวยการสถาบันโครงสร้างอัจฉริยะ, มหาวิทยาลัยเทนเนสซี่

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.