3D-skrivare spränger arkitekturens gränser

På en verkstad i Chattanooga i Tennessee, USA, skriver en robot ut en tredimensionell struktur i kolfiberarmerad plast. När det svarta skelettet är klart fylls det med isoleringsmaterial och sidorna täcks med betong eller gips. Som ett pussel sätts sedan flera moduler ihop till byggnader som kan anta nästan vilka former som helst.

– Med roboten går det att förverkliga komplexa, organiska former som annars skulle bli för dyra att bygga, säger David Fuehrer, sälj- och affärsutvecklingschef på företaget Branch technology som har utvecklat och patenterat den nya byggmetoden.

Efter att ha levererat paviljonger till olika mässor, förbereder företaget bygget av sitt första hus, en futuristisk enplansvilla i böljande former utan raka hörn.

– Så snart konstruktionstesterna är avslutade börjar vi bygga. Huset beräknas stå klart i början av 2019, säger David Fuehrer.

Branch technology med omkring 30 anställda är ett av flera exempel på hur nya företag med nya byggmetoder utmanar den traditionella byggindustrin. Målet är att ge arkitekter och designers större frihet, utan att kostnaderna skjuter i höjden. Med hjälp av kraftfulla datorer beräknas avancerade former som sedan byggs med hjälp av robotar eller stora 3D-skrivare.

I schweiziska Zürich finns ett världsledande forskningscentrum för digitalt byggande. Här utvecklas också nya sätt att forma betong. I ett av forskningsprojekten pusslar en robot ihop små delar av armeringsjärn till en vågformad vägg. Sedan hälls betongen över armeringen som på så sätt fungerar som en form.

Ett annat projekt går ut på att minimera materialåtgången och därmed vikten hos betonggolv. Inspirerade av gotikens självbärande valv och bågar har forskare vid Institutet för arkitekturens teknik vid ETH Zürich utvecklat ett golv där betongen bara är några centimeter tjock. Trots att den inte innehåller någon armering klarar den belastningarna tack vare ett noga uträknat mönster av förstärkande bågar.

– Jämfört med ett normalt betonggolv sparar vi 70 procent av vikten, säger forskningsledaren Tom Van Mele.

För att tillverka gjutformarna för golven används 3D-skrivare. Tom Van Mele berättar att 3D-skrivartekniken också gör det möjligt att lägga in hålrum i golvet, som kan användas för system för uppvärmning och kylning.

– Samtidigt som golven blir lättare och får en intressant geometri blir de även funktionella.

De första golven ska installeras i ett demonstrationshus som håller på att byggas utanför Zürich. Byggnaden kommer även att få ett stort, vågformat tak som ska gjutas på plats med hjälp av en annan innovation. Formen består av ett nät av stålkablar som täcks med tyg. På tyget sprutas sedan två lager av betong med isolerande skikt emellan. På samma sätt som i golven kommer taket att innehålla värme- och kylsystem.

De här nya byggmetoderna befinner sig fortfarande på experimentstadiet, men i framtiden kan de förändra både utseendet på hus och andra konstruktioner i vår omvärld. Samtidigt kan den nya tekniken ge miljövinster eftersom mängden byggmaterial minskar.

– Med 3D-skrivare behöver man inte använda mer material än vad som är nödvändigt, säger Henrik Lund-Nielsen, vd för danska 3D-Printhuset.

Företaget ligger bakom det hittills enda 3D-utskrivna huset i Norden, en liten kontorsbyggnad som nyligen stod klar i Köpenhamns hamnområde.

För bygget har 3D-Printhuset utvecklat en egen 3D-skrivare. Ur ett munstycke som hänger på traverser pressas en sträng av betong. Lager för lager byggs huset upp genom att munstyckets rörelse styrs av byggritningen.

Det 3D-utskrivna kontoret har vågformade väggar. Att hus kan formas fritt utan att det kostar något extra är en av de stora fördelarna, säger Henrik Lund-Nielsen, samtidigt som han poängterar att tekniken fortfarande är i sin linda.

– Det är vårt första hus och vi har gjort massor av misstag, men på sikt kan det här sättet att bygga minska både material- och arbetskostnader.

Det är inte bara hus som får nya former med 3D-skrivare. I Nederländerna avslutade nyligen en industrirobot arbetet med att skriva ut en bro i stål. Genom att smälta en metalltråd lager för lager har bron tagit form. I höst ska den läggas över en av Amsterdams kanaler. Som Forskning & Framsteg (1/2018) tidigare rapporterat finns redan en cykelbro i betong i Nederländerna, som skrivits ut med hjälp av en 3D-skrivare vid universitetet i Eindhoven.

Av de omkring 20 hus som skrivits ut i världen är majoriteten i betong. Men forskning pågår för att även kunna skriva ut hus i andra material.

I ett nytt projekt ska forskningsinstitutet Rise innventia tillsammans med bland annat Kungliga tekniska högskolan och ett antal företag utveckla träbaserade material för storskaliga 3D-utskrifter. Målet är att utforma och tillverka möbler och delar till fordon och byggnader på ett nytt sätt.

En av deltagarna i projektet är Jonas Runberger, arkitekt på White arkitekter och konstnärlig professor i digital design vid Chalmers tekniska högskola. Han ser stora möjligheter med 3D-tekniken.

– Vi kan skapa nya former som vi i dag inte har råd att bygga, säger han.

Samtidigt kan byggnader bli mer funktionella med inbyggda hålrum och kanaler för tekniska system, något som är svårt och dyrt att åstadkomma med traditionella byggmetoder.

– Målet är att varje byggdel ska vara perfekt anpassad efter sitt syfte, och ändå produceras på ett rationellt och hållbart sätt.

Den nya tekniken ändrar också förutsättningarna för byggindustrin.

– Med 3D-skrivare finns det möjlighet att jobba mer lokalt och i liten skala med en effektiv produktionsprocess, säger Jonas Runberger.

Men det är en lång väg kvar innan 3D-skrivarna kommer att sätta sin prägel på byggmiljön. Ett första steg är 3D-utskrivna dekorer och utsmyckningar. Hos Monsén arkitekter i Ängelholm är en 3D-skrivare upptagen med att skriva ut plattor med naturmotiv som träd, blommor och löv. Med plattorna som mall görs sedan gjutformar för fasadelement i betong som ska sitta på ett HVB-hem i Falköping. Motiven är hämtade från naturen. Hundratals bilder har pusslats ihop för att skapa 3D-modeller av verkliga träd som sedan gjorts om till bygginstruktioner för 3D-skrivaren.

Daniel Monsén, vd på Monsén arkitekter, anser att det är dags att återinföra konstinslag på byggnader igen.

– Dagens hus är avskalade och tråkiga. Jag vill att de ska berätta något, men på ett modernt sätt. Vi behöver inte gå tillbaka till 1800-talet.

Exempel på hur byggtekniken påverkat byggandet:

Tegel-revolutionen Tekniken att bränna tegel utvecklades omkring 4400 f.Kr. och gjorde det möjligt att bygga i större skala. När produktionen sedan industrialiserades kunde hela städer byggas i tegel i stället för i trä och sten.

Större ytor av glas Crystal Palace i London (1851) är ett exempel på en ny teknik för att bearbeta glas till stora planglas.

Betongen breder ut sig När järn började användas som armering i betong (1854) blev det möjligt att bygga högre och med större spännvidd, eftersom armerad betong klarar dragkrafter.

Trä breder ut sig … Kunskapen om att laminera trä till balkar (cirka 1860) har gjort det möjligt att bygga avancerade konstruktioner med stor spännvidd i trä.

… och skjuter i höjden Med korslaminerat trä (KL-trä ) har det blivit möjligt att bygga allt högre trähus. Materialet används också för att snabbt producera prefabricerade byggnader.

Den kom, den sågs, den glömdes Konsten att bygga med betong förädlades i romarriket, men föll sedan i glömska till 1400-talet och återupptogs först under 1700-talet.

Bilder: Wikimedia, Olivier de Gruijter