Lämplighetsnivån för användande av 3D-skrivning vid byggnation beror på flertalet faktorer där en av dem är de omgivande förutsättningarna på själva byggnationsplatsen. Här spelar klimatet roll och blir avgörande för geografisk lämplighet. När det gäller betong är temperatur och luftfuktighet viktiga faktorer som påverkar den adderande processen. För
3D-skrivarutvecklingen finns ett fokus på optimering av de motstridiga parametrarna extruderbarhet, bearbetbarhet, byggbarhet och öppentid där klimatet avseende temperatur och luftfuktighet i själva processen blir avgörande för optimeringsinställningarna.
3D-skrivning med betong är som tidigare beskrivits i hög grad beroende av vilken
sammansättning av olika material i en betongblandning som används. Även små skillnader i andelen av olika material i blandningen påverkar betongens egenskaper. Eftersom det råder motstridiga begränsningar för vilken öppentid, bearbetbarhet, extruderbarhet och byggbarhet som är optimal, kan även små skillnader i egenskaperna hos betongen ha stor betydelse för hela byggprocessen. I de tester som gjorts av T. T. Le et. al. (2012) har testerna genomförts i samma omgivande miljö avseende luftfuktighet, temperatur etc. Det samma gäller för tester genomförda av Perrot et. al. (2016). Om olika parametrar i miljön förändras kan därav
egenskaperna hos en viss blandning också komma att ändras.
Den omgivande temperaturen har påverkan för öppentid och hur sträckgränsen för färsk betong beror av tiden. Luftfuktighet kan, utifrån att vatten i en betongblandning har en
betydande roll för betongens egenskaper, antas ha påverkan på betongens egenskaper. En hel del efterforskningar har gjorts för att se hur luftfuktighet på sikt påverkar byggnader av betong. Dessa efterforskningar rör sig dock i många fall om hur betong påverkar andra material i en byggnad, som trä eller metall som är i kontakt med betongen. Något som kan få större betydelse och som är mindre efterforskat, är hur luftfuktighet påverkar färsk betongs egenskaper under en byggnads tillverkningsprocess. Anal K. Mukhopadhyay, Dan Ye, och Dan G. Zollinger (2006) gjorde tester där de kunde visa på att både luftfuktighet och temperatur har betydande påverkan på hydratiserande betong. Sprickbildning kan uppstå i hydratiserande betong om inte temperaturen och fuktigheten är önskvärda. Mukhopadhyay A. K. et. al. (2006) undersökte även hur temperatur och luftfuktighet påverkar mognaden av betong. De kunde visa på att både temperaturen och luftfuktigheten inverkar på betongens mognad.
Vid byggnation med 3D-skrivare, där skillnader i betongens mognad och egenskaper orsakat av temperatur- eller luftfuktighetsförändringar, har betydande inverkan på byggprocessen kan det vara mycket fördelaktigt att kunna reglera både temperatur och luftfuktigheten i omgivningen. Genom att använda ett tält över hela den pågående byggprocessen skulle både temperatur och luftfuktighet kunna regleras. Användningen av just tält över
byggarbetsplatsen var något som ryska företaget Apis Cor använde när de konstrurerade ett hus i närheten av Moskva 2017 (Apis Cor, 2016). Omständigheterna blir då ungefär som för en prefab-fabrik men på plats. Kostnader tillkommer för transport, material och
4.2 Implementeringsgradens relevans
Effekterna på byggprocessen, branschen och samhället i stort varierar med
implementeringsgrad. Följande delkapitel innehåller resonemang som varierar med skalan på implementeringen av tekniken. Generellt får en storskalig implementering större effekter.
Automatiseringsgrad
För processer där det skulle behövas flera olika sorters robotar som utför komplexa
uppgifter, som vid behov av både armeringsjärn och betong, kan det dessutom i många fall vara mer kostsamt med automatisering än manuellt arbete. Ur ett kostnadsperspektiv är det därav ofta mer fördelaktigt att endast göra vissa delar av en byggnad med automatiserad teknik (Hagelberg, 2015). Hur hög automatiseringsgrad av en byggnadsprocess som är lönsam beror dels på hur utvecklad tekniken som används vid automatisering är, men lönsamheten beror även på hur lönenivåerna ser ut för motsvarande manuellt arbete. Därav kan en automatiserad byggnadsteknik som skulle lämpa sig väl i ett land där lönenivåerna anses vara höga, kanske inte alls passa i ett land där lönenivåerna är betydligt lägre.
I varje beslut om automatisering måste kostnaden för att utföra ett arbete med
automatisering vägas mot kostnaden för att utföra arbetet manuellt. I vanliga beslut om automatisering brukar produktion av små volymer innebära att det är billigare att utföra produktionen förhållandevis manuellt och inte göra en automatisering (Hagelberg, 2015). När det gäller just 3D-skrivare fås dock en intressant situation. Vid tillverkning av komplexa designer som är möjliga att göra med 3D-skrivare blir istället kostnaden nästan precis densamma som vid tillverkning av mycket enkla designer med samma volym av material. Med arbete utfört med traditionella byggnadstekniker innebär komplexa designer istället betydligt högre kostnader än enkla designer. I det avseendet ger 3D-skrivning stora kostnadsfördelar vid komplexa designer.
Exempel på förhållandet mellan kostnad för en byggnation och komplexitet med manuellt arbete respektive 3D-skrivning. (Källa: 3D Center)
Grafen ovan är ett exempel på relationen mellan kostnad och komplexitet för en konstruktion där kostnaden initialt med låg komplexitet är billigare med manuellt arbete. Men där
kostnaden sedan blir lägre med 3D-skrivning om komplexiteten är hög.
Startkostnad
Något som påverkar ett automatiseringsbeslut är startkostnaden för att genomföra en automatisering. Startkostnader för automatisering kan vara investering i nya maskiner och utveckling av ny teknik. Att köpa in en 3D-skrivare som kan användas för att konstruera byggnader innebär en stor startkostnad, vilket utgör en barriär för att börja använda
tekniken. 3D-skrivare för att göra byggnader kan kosta uppemot 8 miljoner kronor (Aniwaa). Då tekniken för 3D-skrivare som kan konstruera byggnader fortfarande är i tidigt stadium innebär det också att det hela tiden behövs ytterligare utveckling för att förbättra tekniken. I tidigt stadium av en teknologisk utveckling är det även högre risk att det uppstår fel med tekniken som behöver åtgärdas.
Dessutom tillkommer underhållskostnad med utbyten av komponenter.
Problem
Ett problem med att konstruera byggnader med 3D-skrivare i nuläget är som tidigare nämnt att uppnå tillräcklig hållfasthet i byggnaderna. Ett annat problem är att kunna integrera
kabeldragning, installation av fönster, vatten, rördragning och liknande vid automatiserad byggnation av byggnader. Apis Cor konstruerade 2017 en byggnad nära Moska med 3D-skrivning. Fönster sattes dock in manuellt och isolering vid fönstrena fick sättas in manuellt. (Apis Cor, 2016)
För att kunna utföra fullständig automatisk byggnation skulle flera olika robotar kunna användas. Att kombinera olika robotar som fyller på med isoleringsmaterial, som sätter in fönster och som utför rördragning och dylikt i kombination med en 3D-skrivare ställer dock stora krav på att hantera teknisk komplexitet.
Barriärer för implementering av 3D-skrivning inom byggbranschen
Det finns flera barriärer för att 3D-skrivare ska kunna användas i större skala och bli
industriellt tillämpbar i stor skala för användning inom byggbranschen. En av barriärerna är som tidigare nämnt hållfastheten för konstruktioner. En annan barriär är att tekniken skulle behöva ytterligare utveckling innan det skulle bli betydligt mer lönsamt och användbart att använda 3D-skrivning storskaligt vid byggnation. Barriären som utgörs av kostnader för utveckling är även kopplad till hållfasthetproblematiken, då det behövs ytterligare utveckling för att ge högre hållfasthet.
Hindrena för att implementera 3D-skrivning storskaligt kan i hög grad ses som kostnadsrelaterade. Det behöver helt enkelt finnas kostnadsfördelar för att utföra
konstruktioner med 3D-skrivning för att företag ska vilja satsa på tekniken. Ofta är det även så att en teknik har potential till att bli väldigt användbar då den nått ett högre
utvecklingsstadium. För att en teknik ska nå till detta utvecklingsstadium krävs dock att aktörer ser ekonomiska fördelar med att investera i utvecklingen av ny teknik. Om det är billigare att utföra vissa konstruktioner med 3D-skrivning kommer det att bidra till ökad investering på området och utveckling på området. Att det vid komplexa strukturer är billigare att utföra konstruktioner med 3D-skrivning utgör en möjlighet för att 3D-skrivare inom byggbranschen ska kunna utvecklas ytterligare för att göra komplexa strukturer vilket kan ge synergieffekter.
4.3 Miljöaspekter kopplade till 3D-skrivning
3D-skrivning är mycket materialeffektivt, särskilt i kombination med printande av strukturer som skapar ihåligheter genom att tillämpa de mest hållfasta mönster som innebär minsta mängden materialåtgång. Då 3D-skrivare enkelt och snabbt kan användas för bygga nya
hus, kan det dock argumenteras för att 3D-skrivare uppmuntrar till slösaktighet och att bygga nytt istället för att reparera en befintlig byggnad (OVO Energy, 2013).
Därtill anses betong ha stor negativ miljöpåverkan. En stor mängd växthusgaser släpps ut när betong produceras (GreenSpec).
Betong har dock goda möjligheter att återvinnas (Svensk Betong) men den negativa miljöpåverkan som orsakas av produktion av betong är likväl ett starkt argument mot användning av betong. Problematiken kring den miljöpåverkan betong har ligger dock inte i 3D-skrivning med betong specifikt utan i användningen av betong generellt sätt i
byggbranschen. Det finns istället en rad fördelar för miljön att använda 3D-skrivare för betongbyggnader i jämförelse med traditionella byggnader, då användandet av 3D-skrivare, som tidigare nämnts, kan minska materialåtgången avsevärt. Om 3D-skrivare med i
huvudsak betong används mer utbrett i byggbranschen kommer dock detta att kunna leda till att en ökad andel av alla byggnader som görs, byggs i betong. Samtidigt finns det flera andra material som kan användas även för produktion av hus med 3D-skrivare, även om de allra flesta är betydligt dyrare än betong.
4.4 Maskiners och robotars roll
Möjligheterna för en storskalig implementering av 3D-skrivning i byggindustrin går parallellt med utvecklingen av robotar och maskiner för byggnation.
Vanliga typer vad gäller robotalternativ inom byggnation är: ● robotarmar
● gantry-system
Flexibla robotar är vanligen ett dyrare alternativ än gantry-system i enskilda byggprojekt där fördelarna med robotarmar motiveras med stor flexibilitet i funktionalitet (Keating, 2013). Gantry-system går att montera över stora arbetsytor och robotarmar kan genom rälsar och andra förflyttningsalternativ nå ökad arbetsyta. Vid produktion av “3D Housing 05” föredrogs rörliga robotar över rälsfixerade.
När det gäller 3D-skrivande maskiner var det till en början endast fokus på utveckling inom modellering av mindre prototyper som varken behövde vara särskilt hållbara eller stora. Detta har troligen historiskt varit en inbromsande faktor för technology adoption av tekniken i att vara en begränsning att nå andra användningsområden som är verksam i större skala.
Idag är storleken inte längre en bromsande utmaning för implementeringen eftersom det idag finns robotar som klarar av storskalig 3D-skrivning.
Utvecklingen av robotar som presterar krav på rörlighet, hastighet och precision är
högprioriterad, där 6-axliga robotar ofta klarar av rörelserna som krävs. Bland annat nämns Fuka-robotar som föredragna i projekt för storskaligt utforskande med avseende på
prestanda (MTDCNC, 2017).
Under utforskande är industrobotens roll som repetitiv exekverare av förprogrammerade specifika uppgifter med utmaning att utveckla denna till att hantera unika och skräddarsydda uppgifter med olika grupper tillverkningsmetoder och multipla material. En och samma robot behöver inte vara nedskalat specifik utan kan kombinera monterande funktioner samt additiv, formande och subtraktiv tillverkning med fördelar att integrerad prestanda kombinerar fördelarna med respektive metod, skapar flexibilitet och minskar behovet av mänsklig interaktion, omställning och kalibrering under processen. I undersökningen har bland annat 3D-skrivning har varit experimentationsgrund. (Keating, 2013)
För att automatiseringen skall bli så tidseffektiv som möjligt finns det med dessa robotplattformar med multipla funktioner integrationsmöjligheter av olika delar av
byggnadsprocessen. Vissa maskiner har exempelvis lyckats integrera ytkorrigering i den printande processen då extruderade väggar kan hävdas vara icke-kompletta. Andra väljer att behålla den 3D-printade ytan som finish som estetisk preferens (Designboom, 2018) vilket utesluter efterarbete i de fall då det inte krävs efterarbete av andra skäl än estetiska. Ytterligare ett konkret exempel är integrering av olika automatiserade moment. En framtid ses för automatisering av delprocesser såsom bärande struktur, beredning av väggar och golv, rörinstallation i extruderande väggprocesser, elektricitet- och nätverksinstallation samt ytbearbetning, exempelvis målning (Khoshnevis, 2004). Möjligheter för andra moment som exempelvis isolering ses inte som en omöjlighet. Vissa experimentstadiebyggnader som producerats med hjälp av 3D-skrivning exkluderar dock rörinstallation från
väggkonstruktionen, exempelvis Icons byggnad (IconBuild, 2018).
Idéen om att högt automatiserad tillverkning kräver miljöer med extremt konsekvent struktur för att maskiner och robotar skall kunna navigera ser sin omformulering när Informed Manufacturing intar scenen som innebär att robotar och maskiner kan reagera på och interagera med omgivningen och därmed navigera en oförutsägbar kontext. Att robotar dessutom genom maskininlärning dessutom kan lära sig av misstag genom iaktagande av resultat innebär intressanta konsekvenser.