W architekturze rzadko pojawiają się nowe materiały. Przez setki lat to drewno i cegła, a potem także beton stanowiły podstawę większości budowli. W czasach rewolucji przemysłowej materiały budowlane zaczęły być produkowane masowo. Z kolei w latach 90. XIX wieku do architektury weszła stal, co na zawsze zmieniło budownictwo. Umożliwiła ona architektom projektowanie wyższych budynków z większymi oknami, co dało początek drapaczom chmur, które dziś są nieodłącznym elementem wszystkich większych miast na świecie.

Być może wkrótce czeka nas kolejna rewolucja w budownictwie – a to za sprawą tzw. produkcji addytywnej na dużą skalę.

Wytwarzane addytywne (przyrostowe) to technika produkcji obiektów trójwymiarowych na podstawie ich komputerowych modeli, która polega na łączeniu kolejnych warstw materiału. Niezależnie od tego, czy jest to glina, beton czy plastik, materiał do drukowania jest wytłaczany w stanie płynnym i twardnieje do ostatecznej postaci. Dzięki temu w przyszłości budynki mogłyby być w całości tworzone z elementów wykonanych z materiałów pochodzących z recyklingu lub pozyskiwanych na miejscu.

Przykładem takiego do budownictwa jest Tecla – prototypowe mieszkanie o powierzchni ok. 42 metrów kwadratowych, zaprojektowane przez Mario Cucinella Architects i wydrukowane w Massa Lombarda, małym miasteczku we Włoszech. Architekci wydrukowali Teclę z gliny pochodzącej z pobliskiej rzeki. Unikalne połączenie tego niedrogiego materiału i promieniowej geometrii zaowocowało energooszczędną formą obudowy. Z kolei w Austin w Teksasie powstał House Zero – dom, którego betonowe ściany zostały wydrukowane. Za projekt odpowiadają architekci z Lake Flato oraz firma zajmująca się technologiami budowlanymi ICON. Budynek o powierzchni prawie 186 metrów kwadratowych to dowód na wydajność betonu wydrukowanego w 3D.

Wytwarzanie addytywne na dużą skalę obejmuje trzy obszary wiedzy: projektowanie cyfrowe, wytwarzanie cyfrowe i materiałoznawstwo.

Jak powstają takie konstrukcje? Najpierw architekci tworzą komputerowe modele wszystkich komponentów, które zostaną wydrukowane. Projektanci mogą również użyć oprogramowania do przetestowania, w jaki sposób komponenty zareagują na siły strukturalne i dostosować je do warunków. Narzędzia te mogą również pomóc w zmniejszeniu wagi komponentów i zautomatyzowaniu niektórych procesów projektowych, takich jak wygładzanie złożonych przecięć geometrycznych przed drukowaniem. Następnie oprogramowanie tłumaczy model komputerowy na zestaw instrukcji dla drukarki 3D.

Beton – póki co – jest najczęściej wybieranym materiałem, z którego tworzone są budynki powstałe przy użyciu drukarki 3D. Jest najbardziej znany i faktycznie wytrzymały. Glina jest z kolei intrygującą propozycją, jednak to tworzywa sztuczne i polimery mogą mieć najszersze zastosowanie. Można je formować w sposób spełniający szeroki zakres specyficznych wymagań konstrukcyjnych i estetycznych. Budynki mogą być również tworzone z materiałów pochodzenia organicznego lub z recyklingu.

Wytwarzane addytywne umozliwia wykorzystanie tylko takiej ilości materiału i energii, która jest wymagana do wytworzenia określonego komponentu. To znacznie bardziej wydajny proces niż tradycyjne metody, które polegają na odcinaniu nadmiaru materiału — na przykład frezowanie drewnianej belki z drzewa. Większość materiałów budowlanych jest obecnie produkowana masowo na liniach montażowych zaprojektowanych do produkcji tych samych komponentów. Ten proces obniża koszty, ale nie pozostawia miejsca na dostosowanie.

Inną zaletą wytwarzania addytywnego na dużą skalę jest możliwość produkowania złożonych elementów z pustym wnętrzem.

Pewnego dnia może to umożliwić wydrukowanie ścian z już zainstalowanymi przewodami lub kanałami. Ponadto badana jest obecnie możliwość wielomateriałowego drukowania 3D – techniki, która może pozwolić na pełną integrację okien, izolacji, wzmocnienia strukturalnego, a nawet okablowania w jednym drukowanym elemencie.

Drukowanie 3D to budowanie warstwa po warstwie z wolno twardniejącego materiału. Odzwierciedla to naturalne procesy, takie jak formowanie skorupy, co umożliwia projektantom wdrażanie geometrii, które są trudne do wyprodukowania przy użyciu innych metod konstrukcyjnych, ale są powszechne w naturze. Ramy konstrukcyjne inspirowane delikatną strukturą ptasich kości mogą tworzyć lekkie kratownice rur o różnych rozmiarach odzwierciedlających działające na nie siły. Fasady, które przypominają swoim kształtem liście, mogą być zaprojektowane w taki sposób, aby jednocześnie zacieniać budynek i wytwarzać energię słoneczną.

Pomimo wielu pozytywnych aspektów wytwarzania addytywnego, istnieje szereg przeszkód w jego szerszym zastosowaniu.

Być może największą z nich jest sam fakt innowacyjności tej metody. Istnieje cała infrastruktura zbudowana wokół tradycyjnych form konstrukcji, takich jak stal, beton i drewno, która obejmuje łańcuchy dostaw i przepisy budowlane. Ponadto koszt sprzętu do cyfrowej produkcji jest stosunkowo wysoki, a specyficzne umiejętności projektowe potrzebne do pracy z nowymi materiałami nie są jeszcze powszechnie nauczane. Aby druk 3D był szerzej stosowany w architekturze, musi znaleźć swoją niszę. Być może będzie to związane z jego zdolnością do drukowania wysoce wydajnych ram konstrukcyjnych.

Tekst: MZ