INOM
EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2018,
Ett fönster för byggbranschen
Ett storskaligt implementeringsscenario för automatiserad byggnation med fokus på materialadderande tillverkning
JONATAN BOSTRÖM VICTORIA GRANBERG
KTH
Ett fönster för byggbranschen: Ett storskaligt
implementeringsscenario för automatiserad byggnation med fokus på materialadderande tillverkning
A window for building construction: A big scale implementation scenario for automated building construction with a focus on additive manufacturing
Kandidatexamensarbete för Civilingenjörsprogrammet i Industriell Ekonomi, 2018 Jonatan Boström
Victoria Granberg
Sammanfattning
I ett stort tidsperspektiv är det tydligt att revolutionerande förändringar har ägt rum inom byggnationsteknik. Under de senaste decennierna har byggbranschen däremot kritiserats för att vara konservativ och ligga efter vad gäller teknologisk förnyelse. Med digitaliseringens entré har detta resonemang tagit en rejäl vändning mot spekulationer kring revolutionerande förändring och innovation. Under de senaste fem åren har det skett en kraftig utveckling inom teknik som automatiserar produktion av byggnader. Däribland finns tekniker såsom 3D-skrivare, Robotic Timber Construction och Robotic Bricklaying. 3D-skrivarteknik
identifieras bland dessa som den mest revolutionsbenägna, resursminimerande, omskrivna och tidsaktuella för byggbranschen med flertalet projekt och framsteg publicerade senaste månaderna. En mängd olika byggnader har dessutom under de senaste åren tillverkats med 3D-skrivarteknik av ett flertal olika företag runt om i världen, där betong varit det vanligaste materialet att använda.
För att 3D-skrivning med betong skall bli en motiverad teknik för användande vid nybyggnation finns ett antal parametrar som identifierats som avgörande. De mest avgörande är implementeringsgrad, situationskontext, förändringskaraktären och teknisk kompetens i företaget, kostnadsaspekter, maskin- och robotkapacitet,
informationskompabilitet mellan mjukvaruplattformar, klimatförhållandenförhållanden i samband med tillverkningen och materialaspekter för kvalitetssäkring av bland annat hållfasthet.
Materialaspekter som involverar lämpliga betongblandningar för att säkra tillräcklig
hållfasthet för stora betongkonstruktioner har utgjort ett av de största hindren för storskalig implementering av 3D-skrivare inom byggnadsbranschen tillsammans med andra faktorer såsom kostnadsaspekter och otillräckliga informationsplattformar. Tekniken för 3D-skrivare utvecklas dock i snabb takt och det har börjat växa fram lösningar till tidigare problem, till exempel bristande hållfasthet. Med ytterligare teknikutveckling kan 3D-skrivare på sikt förväntas användas inom byggbranschen i stor skala.
Områden i processen eller branschen som till hög grad berörs av teknologins implementering i byggbranschen har sammanställts som formgivande frihet,
byggnationskostnad och byggnationstid, resursförbrukning, arbetsuppgifter och säkerhet samt affärsmodeller och tillgänglighet. Dessa tillsammans med de externa effekter som påverkar samhället i stort utgör en intressant framtid för tekniken som anses ha en möjlighet att revolutionera byggbranschen.
Abstract
When taking a broad overview of past construction technology, it is apparent that
revolutionary changes have taken place. Contrary to this, the building industry during the last decades received criticism for being conservative and lagging behind when it comes to technological change. With the entrance of digitalization, this discussion has shifted towards speculation on revolutionary change and innovation. Technology for automating
house-building has seen great advancement in the last five years in, for example, robotic timber construction, bricklaying and 3D-printing. 3D-printing is identified as the most
revolutionary, resource minimizing, discussed, and topical candidate for building, with great progress during the last months, and is used in several pioneering projects. These projects are seen in many places in the world and mainly uses concrete as material for building.
In order for 3D-printing with concrete to become a justifiable technology to be used in building construction, there are a number of identified parameters that fundamentally affect the implementation. The most significant ones are degree of implementation, context of situation, the character of change and competence in the company, cost aspects, machine and robot capacity, information compatibility between software platforms, climate conditions in conjunction with the production, and material aspects of quality assurance, for instance, solidity.
Material aspects, involving achieving suitable concrete mixtures to secure decent/adequate building strength for larger constructions, have been one of the greatest obstacles for a greater scale implementation of 3D-printers in the construction industry together with other factors, such as cost aspects and insufficient information platforms. The technology of 3D-printers is rapidly developing and new innovations are creating solutions to earlier problems such as insufficient solidity. With further technology development, 3D-printing is in the long-run expected to be used in the building construction industry on a large scale.
Areas in the building process or in the building industry that are greatly affected by an implementation of 3D-printing with concrete are summarized as design freedom, building cost and time, resource consumption, work assignments and safety, business models, and accessibility. Together, these summed up with the external effects on society, broadly speaking, form an interesting future for the technology of 3D-printing that is considered to hold potential for revolutionizing the building industry.
Förord
Processarbetet bakom denna rapport har varit intressant och givande särskilt när det gäller att få överblick av byggbranschen och en mer specifik inblick i den framväxande tekniken materialadderande tillverkning med betong. Ett särskilt tack för god handledning under processens gång riktas till Per Johansson, Handledare industriell produktion, Jannis Angelis, Handledare industriell ekonomi, och Lasse Wingård, Examinator, som alla bidragit med värdefulla synpunkter och samtal.
Innehåll
1 Inledning 5
2 Branschanalys - en tid av revolutionerande förändringar 11
2.1 Byggbranschen i tidsperspektiv 11
2.2 Innovation- och förändringskaraktär 11
2.3 Beslutsfattande i dynamiska skeenden 13
2.4 Framtidsscenarion 14
2.5 Avgörande teknolgiska förändringsdrivare 15
3 Automatiserad produktion av byggnader 18
3.1 Trendanalys 18
3.2 Teknisk bakgrund till AMAT 24
4 Implementeringsanalys av 3D-skrivning med betong 27
4.1 Materialaspekter 27
4.2 Implementeringsgradens relevans 36
4.3 Miljöaspekter kopplade till 3D-skrivning 38
4.4 Maskiners och robotars roll 39
4.5 Design och formkomplexitet 41
4.6 Byggindustrins karaktär och arbetssätt 42
4.7 Situationskontext och samhällskonsekvenser 43
4.8 Applicering i andra branscher 44
5 Summerad implemeteringsanalys och slutsats 45
6 Rekommendationer för framtida studier 48
Källhänvisningar 49
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Övergripande situationsbeskrivning av byggnadsbehov
Ur ett framåtblickande perspektiv blir det allt viktigare med resurseffektivitet och effektiv produktion för att nå hållbara lösningar för samhället i stort. I dagens globaliserade värld, där det varje år förbrukas mer resurser än vad som nybildas (WWF, 2016), finns ett nödvändigt fokus på strategier för hållbara städers utformande i och med den förväntat fortsatta
urbaniseringen (Regeringen, 2015). Denna och ytterligare megatrender driver på behovet av förändring i många sektorer, inte minst i skapandet av växande samhällen och städer där en stor del är uppbyggnaden av infrastruktur.
Inom stadsutformning finns flertalet utmaningar som kräver förbättrade lösningar inom allt från övergripande systemfunktionsaspekter till produktionsdetaljer vid tillverkning av de fysiska element som utgör samhällsrummet. Med en ökande befolkningstillväxt råder det på många platser världen över bostadsbrist och dessutom brist på lämpliga byggnader för industrier, offentlig sektor och företag. Särskilt är detta ett faktum i snabbt växande globala städer som lockar till lokalisering av både privata fastigheter och företagsanläggningar (Florida, 2018). För svensk byggbransch, indikeras det att byggindustrin inte kunnat matcha efterfrågan, där utmaningen både handlar om att öka produktionen i förhållande till
prognosen inför kommande år och att kompensera för de senaste årens underproduktion (Boverket, 2018). Byggnadsbristen handlar inte på alla platser i första hand om
kvantitetsbrist utan är framförallt en fråga om kvalitétsnivå och prisklass. På ett globalt plan kan problemet mer ses som bristen på byggnader som är möjliga att köpa eller hyra (Florida, 2018), vilket är fallet för många privatpersoner och företag i Hong Kong (South China
Morning Post, 2016). Liknande är trenden på svensk marknad som tyder på att producerade byggnader inte möter efterfrågan i prisnivå då ett stort och ökande utbud dyrare
nyproducerade bostäder i Stockholm i dagsläget inte blir sålda (DN, 2018 [1,2]) samtidigt som bostadsbristen är ett faktum. Sociala konsekvenserna av en bostadssituation där förhållandet mellan bostadskostnad och inkomst ökar berör särskilt inkomstsegment runt medelklass och underliggande (Florida, 2018).
Utvecklingens relevans
Samhällsutformning med hållbar byggnadsproduktion innebär komplexa projekt som berörs av flertalet intressenter samt målsättningar och regleringar nationellt likväl som
internationella överenskommelser och avtal (Boverket, 2017). En allmän slutsats kring situationer av försummat byggnadsbehov och bostadsbrist är att det kan vara en problematik som kan rota sig i flera källor och vara starkt situationsberoende. En helhetsanalys av de strukturella och kontextberoende lösningarna i kombination med möjliga produktiviseringar av byggnationsrelaterade faktorer är att föredra. Fortsättningsvis finns i denna uppsats ett valt fokus på förbättringsmöjligheter i de byggnadstekniska aspekterna. Det goda skäl för byggbranschen att strategiskt investera i denna riktning för ökad intern produktivitet och effektiviserade byggnadsprojekt överlag för en ökad möjlig leveranstakt, vilket på sikt indirekt kan öppna upp för möjligheter till lösningar för kontextuella utmaningar.
Interna branschutmaningar
I övergripande analyser av byggindustrin, inräknat byggproduktion och produktion av annan typ av infrastruktur, identifieras särskilt tids- och budgetöverskridande som interna
utmaningar (McKinsey, 2016; Future of Construction, 2016), särskilt när det gäller större projekt (McKinsey, 2016). Utöver detta finns hållbarthetsaspekterna som både berör själva produktionsfasen men också handlar om konsekvenserna av byggnadens hela livscykel och påverkan. Hållbara materialval och hushållande materialanvändning blir avgörande faktorer, särskilt för en industri som är den största råvarukonsumenten i världen och som klassas som en av världens mest utsläppstunga industrier (Future of Construction, 2016).
För svensk byggindustri understryker Byggrådet, en samling av kompetens som framför rekommendationer gällande byggområdet till Boverket, att behovet av nybyggnation är fortsatt stort, trots sjunkande prognoser, och att utmaningar finns i kapacitetsbrist samt i svårigheter att bygga till låg kostnad och att möta efterfrågan (Boverket, 2017). Sveriges byggindustrier pekar på utmaningarna gällande kompetensbrist och brist på yrkeserfarenhet som bromsande faktorer för att möta prognoserna (Sveriges byggindustrier, 2018) vilket också är fallet i USA och Storbritannien (WEF, 2018).
Framväxande teknik och tes
Det har genom tiderna funnits motivation att effektivisera byggnationsprocesser där
inkrementell utveckling gästats av revolutionerande skiften. Idag syns ett antal trender som har motiverad potential att i stor implemeteringsskala på sitt sätt revolutionera
byggnadsproduktion. Bland trenderna i form av framväxande tekniker finns i denna uppsats ett fokus på digitaliserade informationshanteringssytem och automatisering, särskilt av tekniker inom materialadderande tillverkning.
1.2 Syfte
Rapporten formar en bild av förändringsmottagligheten i byggbranschen och en ansats till en trend- och konsekvensanalys för branschen vid storskalig implementering av automatiserad materialadderande tillverkning. Syftet med detta är att bidra med underlag för diskussionen kring scenarion för byggbranschens framtid. Med utgångspunkt i ett förändringsscenario för en globaliserad fastighetsmarknad, som står för 60 procent av de globala tillgångarna (Savills, 2016), är det med introducerandet av nya tekniker, av intresse för intressenter och beslutsfattare inom företag att se över konsekvenserna av spårberoende beslut gällande tekniker och strukturer. Detta för att främja en hållbar utveckling för både branschen i sig och samhället i stort.
1.3 Frågeställning
Med utgångspunkt i byggbranschens mottaglighet för förändring och teknologiska skiften, hur ser förutsättningarna ut för att implementera automatiserad byggnation och integrera materialadderande tillverkningsmetoder i processen för nybyggnation och vilka blir de potentiella konsekvenserna för byggnadsindustrin av en storskalig implementering?
Avgränsningar
De primära avgränsningarna berör byggbranschen och dess processer samt automatiserad byggnation.
Bakgrunden i byggnadsbrist som kontextuell situation har lämnat bostadspolitiska
resonemang åt sidan för en inriktning på interna satsningar på resurseffektiviseringar i de byggnadsproducerande företagen. Vid resonemang kring byggbranschen hämtades informationsmaterial vad gäller teknik, möjligheter och lösningar globalt och pekar mot en allmän kontextapplicering i den del av de byggnadsproducerande företagen som berör nybyggnation, men tar avstamp i en analys av svensk byggbransch. Vid diskussioner gällande byggprocessen har ett val gjorts att prioritera själva byggnationen och de moment som sker på byggarbetsplatsen fram till att färdigt skick inkluderat produktion av de fysiska kärnkomponenterna så som: grund, stomme, väggar, tak, isolering, ledning av elektricitet och vatten. Byggnationsprocessen har haft ett fokus på on-site-byggnation samtidigt som en
övergripande diskussion hållits kring byggprocessen från start till mål för att se hur stor skillnad resurseffektiviseringar i själva byggandet gör för processen som helhet.
I frontlinjen bland framväxande tekniker inom automatiserad byggnation har
tillverkningsmetoderna som är av materialadderande art valts som fokus och specifikt 3D-skrivande tekniker. Detta eftersom att dessa metoder blivit de intressanta för radikala förändringar av byggprocessen. Ett begrepp som frekvent används är automatiserad materialadderande tillverkning som fortsättningsvis förkortas som AMAT.
1.4 Metod
Bilden illustrerar metodiken för undersökandet av frågeställningen.
Litteratursökning har varit arbetsgången för informationsinsamling där byggbranschens förutsättningar och teknisk information kring AMAT undersökts för sig, för att därefter systematiskt analysera ur ett resursperspektiv hur förutsättningar ser ut för implementering av framväxande AMAT-tekniker i branschen genom ett exemplifierande scenario. För ett makroperspektiv på förändringsfasen har teori kring paradigmskiften och teknikskiften insamlats och några exempel från andra branschers tillämpning av AMAT överblickats för jämförelse.
Trender, händelser och uttalanden kring framväxande tekniker har delvis hämtats från den vetenskapliga litteraturen och delvis från andra källor såsom pressartiklar, publika
informationsplattformar och industriföretag då dessa, trots att informationen stundtals är av ogranskad art eller grundar sig i marknadsföringssyften, ses de som intressant underlag för en spekulativ analys kring framtiden för byggbranschen.
För ett konkret uppmålat och exemplifierande framtidsscenario har en av de framväxande teknikerna valts som utgångspunkt. Valet baserades på identifieringen av tekniken som en av de mest revolutionsbenägna, resursminimerande, omskrivna och tidsaktuella teknikerna med flertalet framsteg publicerade senaste månaderna. Som analys för implemeteringen av tekniken har avgörande parametrar identifierats och diskuterats utifrån vilken betydelse de har för förutsättningen att implemetera tekniken för att sedan analysera konsekvenser och effekter för branschen och processen. På en mer övergripande nivå har också
konsekvenserna för branschen och hur denna påverkas diskuterats.
För en återknytning till framtidsperspektivet i problembeskrivningen har en undersökning gjorts kring hur denna process kan bli genomgående hållbar, både ur ett lokalt
företagsperspektiv och samtidigt som byggnadsbransch så att framtida produktion sätter ett hållbart avtryck i det stora perspektivet.
2 Branschanalys - en tid av revolutionerande förändringar
Denna branschanalys är en överblick över byggnadsindustrins förändringskapacitet.
Undersökandet av byggbranschens framtid bottnar i grundläggande teorier i industriell dynamik och teknologisk förändring.
2.1 Byggbranschen i tidsperspektiv
Byggnadskonsten är uråldrig och har fasvis genomgått stora förändringar. Under en lång tid var tillverkningen av olika slags byggnader ett hantverk i varje steg, från planering och idévisualisering till färdig produkt. Idag kan byggnadskonsten fortfarande hävdas vara ett hantverk där det som skiljer tidpunkterna åt är verktygen som finns till hjälp mellan hand och slutprodukt. Verktygen har ändrat skepnad radikalt genom historien och gjort entré i etapper.
I vissa fall har de ersatt de tidigare och ibland kompletterat de redan existerande. Det finns en utveckling från penna, papper och handverktyg till en tid av digitala design- och
beräkningsmjukvaror och utförande av byggarbete med kraftfulla maskiner och robotar.
Utöver verktygen har tillgången till material och utvecklingen av nya dessutom varit avgörande faktorer som påverkat utvecklingen av byggnadskonsten. (Addis, 2007)
2.2 Innovation- och förändringskaraktär
I ett stort perspektiv med kastade blickar på tidernas konstruerade mästerverk inser man att revolutionerande förändringar bevisligen har ägt rum. I diskussionen om dagens egenskaper hos branschen hävdas dock återkommande att den skulle vara en konservativ bransch som har svårt att adaptera till nya förhållanden, men inte bara en uppsats väljer att inleda med detta påstående för att sedan visa på motsatsen (Juhlin, 2018; Löwstedt, 2017;
Ingemansson, 2012, 5). Bland dessa är Mariell Juhlin som i sin fallstudie av “Faktisk innovation i bygg- och anläggningsbranschen” konstaterar att framgångsrika innovationer äger rum och beskriver digitaliseringen som den pådrivande och möjliggörande faktorn (Juhlin, 2018).
Omfattning
Svensk byggbransch med drygt 100 000 företag motsvarar i antal 8% av företagen i svenskt näringsliv. Dessa domineras av mindre företag där endast drygt 12% av dem har fler än 4 anställda (Sveriges Byggindustrier, 2016). Naiva generaliseringar om konservatism i en gigantisk bransch med bred variation i företagsomfattning, struktur och nischer ger inte sanningsenliga bilder av specifika fall. Förändringsgraden och karaktär på förändringen blir mycket beroende av företagskontexten (Ingemansson, 2012, 5).
I en undersökning av vilka företag som genomfört förändring som ökat kundvärde, oberoende av behovet, summerar Ingemansson (2012, 7) resultatet som att det är fördelaktigt ur förändringssynpunkt att vara ett större företag på tillväxtmarknader (i
kommuner med universitet/högskola) som ingår i koncerner och som huvudsakligen sysslar med nyproduktion av bostäder. I dessa företag ses fördelarna som högre utbildningsnivå, internationella kontakter, investeringsförmåga, riskhanteringsinsikt och tillvaratagande av expertkunskap. Detta skiljer sig från andra teorier om att medelstora och mindre företag är de som förändras mest, då det finns inbyggt motstånd i större och mer komplexa
organisationer. En utvecklingsriktning för de större organisationerna är att de går i riktning mot att agera koordinator ett ökat antal aktörer i byggprojekten där specialiserade
underleverantörer samverkar med det större organiserande företaget (Ingemansson, 2012, 10).
En alternativ undersökning med fallstudier av innovationer inom byggbranschen visar på att det inte endast sker avgörande förändring i de stora företagen och att digitaliseringen är en avgörande del för positiv förändring oavsett storlek och kapital (Juhlin, 2018, 7). Samma studie poängterar att digitaliseringen inte bara skapar förändring i initialt skede utan tenderar att sätta igång en process av innovation och förändring som fortsätter.
Kunskapsbildning
En av grundbultarna för förnyelse är kunskapsutveckling, vilket ofta sker genom utbyte med andra parter. Uppbyggnad av systematiskt organisatoriskt lärande i byggbranschen kan försvåras av att verksamhet ofta sker som projektbaserad och lokal, där uppbyggnad av kunskap ofta stannar inom de ramarna och ett begränsat inhämtande med brist på nya influenser kan vara fallet med ett konsekvent nätverk av leverantörer och aktörer (Ingemansson, 2012, 5).
Förändringsbromsande
De största hinder som står i vägen för förändring sammanfattar Ingemansson (2012, 14) med sjunkande relevans som prisfokusering som försvårar dyra och långsiktiga
investeringar, för kort tid mellan beställning och byggstart vilket försvårar förändring inför projekten som därmed resulterar i lösningshantering i processen samt otillräcklig lönsamhet som blir extra känsligt eftersom det är en så konjunkturberoende bransch. För förändring på en projektnivå i större byggföretag finns en bromsande faktor vid standardiseringsförsök av byggprocessen i platschefsers motvilja att frångå friheten rollen inneburit (Löwstedt, 2017).
2.3 Beslutsfattande i dynamiska skeenden
I förändringsfaser är det av intresse för intressenter och beslutsfattare inom företag att se över konsekvenserna av spårberoende beslut gällande tekniker och strukturer, allt för att främja en hållbar utveckling för både branschen i sig och samhället i stort. När det gäller byggbranschen fattas dessa beslut oftast på organisationsnivå (Sepasgozar, 2015). Det handlar om att informerat förbereda sig på en förändring likaväl som att vara medveten om i vilket skede industrin befinner sig i för att kunna fatta strategiska beslut.
Innovationer som ligger till grund för förändring kan vara av olika slag. Schilling (2013, 46) beskriver fyra dimensioner att dela in innovationer i:
● Produktinnovation - Processinnovation
● Radikal innovation - Inkrementell innovation
● Kompetensökande innovation - Kompetensförgörande innovation
● Arkitektonisk innovation - Komponentinnovation
Beroende på företagskontext skiftar definitionen av dimensionerna mellan olika innovationer.
För införande av ny teknologi har Sepasgozar (2013) identifierat ett antal mekanismer som ligger till grund för en initierad process. Dessa sammanfattas i möjligt nytt, aktuellt eller potentiellt arbetstillfälle, inkrementell förbättring, specifika jobbprojekt, finansiell intensiv företagsutveckling och utökad kapacitet samt affärsmöjligheter.
För att ett företag ska börja undersöka möjligheter med ny teknik krävs att ett behov
identifieras (Sepasgozar, 2015). Källan till teknisk innovation i ett företags byggprocess kan ha sitt ursprung antingen i företagets interna utveckling eller i teknik tillhandahållet från externa försäljare. Denna process följer ofta ett mönster som involverar interaktionen mellan kund och försäljare. En avgörande faktor för ett företags innovationsadoptering från externa
källor är försäljares strategier för att sprida teknologin och sedermera företagets slutsats om denna tekniks övervägande fördelar att möta det identifierade behovet (Sepasgozar, 2015).
Beslutsfattande för teknologisk förändring inom byggindustrin kan inte helt uteslutande ses som rationellt och inkluderar ofta osäkerhet gällande beslut om teknologi och rättfärdigande av kostnader (Mitropoulos, 1999). Detta kompenseras för med olika strategier för
management och beslutsfattande som söker maximerad nytta alternativt, eller kombinerat med, minimerad risk. Att möta ett av företaget identifierat behov kan landa i ett rationellt beslut som baserar valet av ny teknik på bästa alternativ för organisationen alternativt ett mer beteendebaserat val som söker det alternativ med troligast genomförbarhet
(Mitropoulos, 1999). De faktorer som Mitropoulos (1999) identifierade som påverkande på beslutsprocessen för kostnadsövervägande är hög närvaro av beslutsfattare i processen, argument med kundfokus och input från flera berörda inom företaget.
Implemetnering av ny teknologi följer ofta liknande mönster på marknaden. Riskerna med ny teknologi kan upplevas högre om teknologin befinner sig i ett tidigt utvecklingsskede och det är en av anledningarna till att spridningen i begynnande skede ofta är av liten magnitud. När teknologin sedan blir mer förstådd, utvecklad och prisreducerad följer ofta en ökad spridning.
(Schilling, 2013)
2.4 Framtidsscenarion
I en framtidsanalys gjord av World Economic Forum (WEF) i samarbete med the Boston Consulting Group finns tre uppmålade scenarion:
● Byggnation i en virtuell värld
● Fabriker styr världen
● En grön robot
som enligt de tre titlarna tydligt talar om tre extremer, där framtiden mycket väl kan vara en kombination av element från de olika ytterligheterna (WEF, 2018).
I analysen uppradas också några avgörande förslag till handling för byggbranschen:
● Locka till sig ny talang och förmåga samt bygga upp nödvändig expertis
● Integrera och samarbeta över byggindustrins värdekedja
● Införa avancerad teknologi storskaligt
● Maximera dataanvändning och digitala modeller genom hela processer
● Utvärdera existerande produktutbud och ta vara på nya affärsmöjligheter
● Göra utrymme för förändring och tillämpa anpassningsförmåga
Införa avancerad teknologi ses som en av de viktiga handlingarna och blir mycket relevant i en tid med stor förändring och samtidigt att göra det på ett strategiskt sätt. Vid teknologiska skiften finns många bra historiska exempel på hur företag, som antingen stått för stilla utvecklingsmässigt eller gått i en riktning som inte kommit att bli den dominerande, fått kliva av scenen då de inte hängt med.
De framväxande teknologierna som i WEF:s framtidsanalys (2018) ses som förändringsavgörande för byggindustrin summeras av:
● prefabrikat
● trådlösa sensorer
● building information modeling (BIM)
● utrustning inom automatisering och robotteknik
● 3D-skrivning - teknik inom materialadderande tillverkning
Denna rapport kommer gå närmare in på de tre understa.
2.5 Avgörande teknolgiska förändringsdrivare
Den revolutionerande digitaliseringen
Dagens byggindustri, precis som många andra industrier, befinner sig i en era av digitalisering som skiljer den markant från tidigare historia. I Addis genomgång av
byggindustrins historia, benämns epoken från 1960 och framåt till byggnationens “Computer Age and Greening of Construction” där just utvecklingen av datorer och inkoorporerandet av skalmodeller i designprocessen varit de två avgörande framstegsfaktorerna. En
väckarklocka för digitalisering och informationshantering ägde rum 2006 då Wall Street Journal publicerade en artikel kring hur processen gått till för Freedom Tower, den blev en vändpunkt för branschen (Bernstein, 2015). Detta är en inledd informationsrevolution som innebär en digitalisering på flera plan i processen vilket gör det möjligt att hantera mängden information på ett effektivt sätt och kommunicera denna vilket gradvis höjer
avancemangsgraden hos genomförbara byggprojekt. Med digitaliseringen följer även kostnadsbesparingar.
Informationshantering med BIM
Building Information Modeling (BIM) är en av de digitaliserade informationshanteringssystem som definieras vara en av de stora avgörande trenderna för dynamisk förändring inom byggbranschen vars analysverktyg ger goda underlag för effektiv ledning av byggprojekt.
Dessa system möjliggör helhetsöversikt likväl som optimering av parametrar i olika delar av processen och skapar en plattform för samarbete och kommunikation med tätare sömmar mellan informationsintressenter. Inom svensk byggbransch är förbättrad projektering med hjälp av datoriserade hjälpmedel och virtuellt byggande en av de tre största områdena inom vilka företag förnyats för att skapa kundvärde (Ingemansson, 2012, 9).
Förutom effektivisering av processerna blir BIM blir dessutom ett kraftfullt vektyg för WasteManagement där resursparametrar kan optimeras mot varandra och materialåtgång kan anpassas i förhållande till kvalitetskrav på byggnaden för att minska svinn.
Den digitala utvecklingen på arkitekturområdet har möjliggjort att information om vad som skall byggas kan lagras i digitala designverktyg, antingen från en renodlad digital process eller konverterad information från fysiskt undersökande. Att informationen från
designprocessen finns lagrad digitalt möjliggör en snabbare informationsförflyttning till analysverktyg för konstruktion och data för byggnation samt som underlag för fortsatt drift av byggnaden. Det som också sker är att plattformar för överblick och sammanvävning av olika delar skapas där informationsförluster och dubbelarbete kan minskas jämfört med tidigare informationsglapp i överlämnande mellan skilda delar av processen. Simulering av
processgången minskar risken att upptäcka fel på vägen och planera fysisk byggarbetsgång på ett sätt i förväg så att olika system och operationer samverkar optimalt med varandra (Bernstein, 2015).
Automatiserad byggnation
Branschens mottaglighet för digitalisering av informationshantering i byggprocessen öppnar upp för direkt automatisering av fysiska processer som i stor implemeteringsskala skulle kunna innebära ett revolutionerande teknologiskt paradigmskifte för byggnation.
Komplexiteten är hög i analysen som sker mitt i skeendet av en turbulent förändringsfas men det som blir tydligt är hur ny teknik och nya system för informationshantering öppnar en väg för förändringsmöjligheter för byggbranschen. Automatiseringen har redan gått långt i många producerande industrier och i det avseendet ligger byggbranschen efter. Produktionstekniker inom digital fabrication är förändringsdrivande och har benämnts som den tredje industriella revolutionen (The Economist, 2012).
Automatiseringen har redan gått långt i många producerande industrier, samtidigt som byggsektorn hållit tillbaka och använt sig av traditionella metoder. Det finns ett antal anledningar till att industrin inte tillämpat automation i högre grad. Khoshnevis (2004) listar följande anledningar:
● de teknologier som använts för automation i andra branscher har inte varit relevanta för byggnation
● konventionella designmetoder har inte lämpat sig för automation
● färre slutprodukter vad gäller kvantitet eller typ i jämförelse med andra industrier
● begränsningar i material som lämpar sig för automation
● motbjudande investeringströskel
● aspekter som rör management
Däremot, med anledning av framväxande tekniker, finns idag en ökad relevans för automatiserad byggnation som går att överväga för både on-site och off-site.
Tekniker inom materialadderande tillverkning
Generellt finns för svensk byggbransch en förnyelsetrend av ökat användande av tekniska plattformar (Ingemansson, 2012, 9). En trend som ser ut att få stor betydelse för branschens fortsatta utveckling syns inom automatiserad materialadderande tillverkning (Juhlin, 2018).
Jason Ballard, en av grundarna till IconBuild som har flera projekt i frontlinjen, säger att byggbranschen globalt står inför ett paradigmskifte i och med framväxande tekniker inom materialadderande tillverkning (IconBuild, 2018).
3 Automatiserad produktion av byggnader
Detta är en genomgång av automatiserad produktion i byggbranschen och de
tillverkningsmetoder som är framväxande inom detta område för byggnation av hus. Det finns ett fokus på de tekniker som är av automatiskt materialadderande art men vissa andra lovande automatiserade tillverkningsmetoder tas också upp.
Skärningen mellan byggbranschen och just automatiserad materialadderande tillverkning blir särskilt intressant med tanke på hur materialadderande tillverkning varit en katalysator och ett intressant utvecklingssteg för några andra exemplifierande branscher. Materialadderande tillverkning har industriellt använts framförallt inom flygbranschen för mindre komponenter och inom biomedicin. Det som blir den avgörande skillnaden för byggbranschen blir uppskalningen i volym av objekten och materialaspekter.
3.1 Trendanalys
Trendanalysen är ett undersökande av intressanta tekniker på frammarsch för en spekulativ analys kring i vilken riktning byggbranschen är på väg i vad gäller framväxande teknik inom området automatiserad tillverkning. Det blir dessutom en indikation på vad som prioriteras och sker i RnD-fronten. Detta blir en utgångspunkt för analysen kring
implemeteringsmöjligheter och utforskandet av potentiella framtidscenarion för branschen.
De områden som med dagens testade teknologi är de mest aktuella appliceringsområdena för automatiserad byggnation är hållfasthetsstrukturer, takkonstruktioner och väggar med integrerad systeminstallation av VVS och elektricitet. Potential finns teoretiskt för delar av grundläggningprocessen och komponenter såsom fönster- och dörrinstallation.
Robotic Timber Construction
Robotic Timber Construction (RTC) är en teknik för automatiserad byggnation av trähus där brädor, träbalkar eller stockar placeras ut automatiskt av en robot efter en digital ritning.
Även kapning av brädor, borrning och annan bearbetning kan göras av RTC-roboten. (J.
Willmann et. al., 2016)
På ETH i Zürich har en grupp forskare utvecklat en RTC-robot som kan göra stora delar av tillverkningen av en byggnad automatiskt (ETH Zürich, 2018). Tekniken har många fördelar gentemot konventionella traditionella tekniker. En av fördelarna är att materialspill kan
minskas avsevärt då roboten kan placera ut brädor med mycket hög precision och
processen kan planeras noggrannare utifrån vad som är optimalt i tillverkningsprocessen av en byggnad.
Bricklaying
En annan teknik som automatiserar byggnation av byggnader, som liknar Robotic Timber Construction, är bricklaying. Det är en teknik där en robot automatiskt placerar tegelstenar, stenblock eller andra typer av block, ett efter ett, enligt en digital ritning. Block matas på ett band fram till en robotarm som greppar blocket, placerar ut det på dess bestämda plats och sedan tar nästa block och placerar ut det. På så sätt byggs lager för lager av byggnaden.
Roboten kan även lägga på ett tunt lager av betong som används som sammanfogning av blocken. Med denna teknik kan mycket stora konstruktioner potentiellt göras med god hållfasthet. Denna teknik kan liknas med en robot som placerar ut legobitar en efter en.
En robottyp för bricklaying kallad SAM är 500% snabbare än en genomsnittlig murläggare under en dag på att lägga tegelstenar. Roboten har en startkostnad på flera miljoner kronor men har på lång sikt stora kostnadsfördelar mot att anställa murbruksarbetare (Javelosa, 2017). Roboten används idag på ett fåtal byggarbetsplatser i USA (Financial Times, 2018).
Roboten har stor potential att användas för att effektivisera arbetet för murare. I nuläget krävs dock mer investeringar i tekniken och mer kompetens för användning av tekniken för att bricklaying ska kunna användas storskaligt industriellt (National Science Construction, 2016; Fastbrick Robotics, 2016).
3D-skrivning
Denna teknik innebär adderande av material lager för lager med en 3D-skrivare och kan utföras med många olika typer av material. De hittills mest intressanta för byggnationssyfte är betong och metall.
Under de senaste åren har det skett en stor utveckling av 3D-skrivare med avseende på hur stora konstruktioner som kan göras och det har även skett en kvalitetsutveckling i
hållfastheten för konstruktioner med 3D-skrivare. F. Bos et. al. beskriver att det från 1990-talet fram till 2012 skedde en linjär utveckling av 3D-skrivarteknologi men att det från 2012 och framåt skett en mycket kraftig utveckling för byggnation av byggnader.
Med 3D-skrivare är det även möjligt att göra byggnader som är mycket resurseffektiva
avseende material. 3D-printade strukturer kan möjliggöra att materialåtgången för att göra väggar, golv och tak kan minskas betydligt. (Stava, O. et. al., 2012; Lu, L. et. al., 2014)
Samtidigt som möjligheterna är stora finns det även många utmaningar för byggnation av byggnader med 3D-skrivare. Användandet av 3D-skrivare för att konstruera hela hus och byggnader har ifrågasatts av yrkeskunniga. Platt Boyd, som utvecklat C-Fab, menar på att användandet av 3D-skrivarteknologi bör minimeras inom byggindustrin på grund av
bristande hållfasthet och stabilitet hos konstruktioner gjorda med 3D-skrivare. Åsikterna om 3D-skrivares användbarhet inom byggbranschen går dock isär och tas upp mer senare i rapporten. (Wu et. al., 2016; Molitch, 2015)
3D-skrivning med betong
Det finns flertalet exempel på universitet och företag som utvecklar 3D-skrivare som
använder betong som material. IconBuild är ett företag som utvecklar 3D-skrivarteknologi för byggnation av hus. I mars 2018 byggde de det första godkända bostadshuset i USA på enbart 48 timmar. Företaget har som målsättning inför nästa projekt att kunna bygga en bostad på 24 timmar. Tillsammans med det amerikanska företaget New Story har de 3D-printat ett fyrarumshus på mindre än en dag med en uppskattad kostnad på runt 35 000 kr. Huset är särskilt anpassat för att kunna byggas i fattiga länder och i katastrofområden för att snabbt och billigt kunna bygga upp ett stort antal hus på plats (IconBuild, 2018).
2016 byggde HuaShang Tengda ett tvåvåningshus med 3D-skrivare i Kina med en golvyta av 400 kvadratmeter. Samma år byggde det kinesiska företaget Winsun en kontorsbyggnad med 3D-skrivare i Dubai med en golvyta av 250 kvadratmeter. En femvåningsbyggnad gjord med 3D-skrivare stod 2015 klar i Suzhou i Kina. Winsun gjorde även ett hus under 2015 med en golvyta av 1100 kvadratmeter. (F. Bos et. al., 2016)
Under 2014 gjorde företaget WinSun, vilket är ett arkitektbolag i Kina, en grupp hus på 200 kvadratmeter vardera, i Shanghai, på mindre än en dag. Storleken på 3D-skrivaren som användes var 6,6 meter i höjd, 10 meter i bredd och 150 meter i längd. Materialet som användes var betong och glasfiber. Genom att blanda glasfiber i betongen kunde hållbarheten bli mycket högre än med enbart betong. (F. Bos et. al., 2016)
3D-skrivning med betong har flera fördelar för att bygga hus i jämförelse med konventionella metoder. Några av dem är möjlighet till lägre kostnader, kortare byggtid och nya
designmöjligheter. (Hook, 2016)
3D-skrivning med metall
3D-skrivning av metall ger en rad möjligheter till att kunna göra en mängd olika produkter och konstruktioner. 3D-skrivning av metall kan ge god hållfasthet för många konstruktioner till skillnad från 3D-skrivning av många andra material som ofta brister gällande hållfasthet. I nuläget används 3D-skrivning av metall bland annat inom flygbranschen, bilbranschen, för tillverkning av medicinsk utrustning och för prototyptillverkning inom en rad andra branscher.
(Sciaky)
2015 konstruerade MX3D en mindre bro av rostfritt stål med avancerad utformning och design som vore mycket svårt att konstruera med något annan tillverkningsmetod. Bron är mycket materialeffektiv i jämförelse med broar konstruerade med konventionella metoder (MX3D, 2018). Samma teknik har potential att användas vid byggnation av byggnader för att genomföra komplex design som samtidigt har god hållfasthet. Hastigheten för att göra konstruktioner i metall är dock betydligt lägre än för att göra motsvarande objekt med betong (Wu et. al., 2016). Kostnaden för konstruktioner med metall är även betydligt högre än för konstruktioner i betong.
3D-skrivning med plast
Plast är ytterligare ett material som har potential för att användas inom delar av byggnation av byggnader. En 3D-skrivare som använde FDM och kunde göra konstruktioner i sex meter i kubik, demonstrerades av Quindao Unique Technology under 2014. Skrivaren hade enligt uppgift noggrannhet på millimeternivå och materialet som användes var glasarmerad plast.
(Wu et. al., 2016)
Robotiserad automatiserad byggnation tillsammans med 3D-skrivare
I ett samarbete mellan flera företag i Schweiz och den tekniska högskolan ETH i Zürich, byggs ett trevåningshus kallat Dfab House i ett projekt med materialadderande tillverkning.
Byggnaden väntas stå klar sommaren 2018. Flera nya byggtekniker testas i projektet, där varje byggteknik är baserad på digitala metoder. Målet med projektet är att använda digitala metoder för att göra byggproduktion mer effektiv och hållbar, samtidigt som byggnation med digitala metoder underlättar för att göra specialdesignade hus med unik arkitektur. En viktig del i konstruktionen utgörs av ett stålnät som konstrueras med en robot. Roboten
konstruerar stålnätet med materialadderande teknik genom att fästa bit för bit i stålnätet utifrån en digital ritning. Med hjälp av en mycket stor 3D-skrivare konstrueras takplattor till huset. (Nohrstedt, 2017)
Utforskande inom design och vid innovationsfronten
Tar man ett steg tillbaka och tittar på olika branschers utforskande riktning med
automatiserad materialadderande tillverkning så är det en front med dynamik. Projekten som nämnts hittills kan ses om byggcentrerade, tungt teknikfokuserade och drivna med mål att förfina tekniken medan en del andra projekt särskilt inom konst- och arkitektursfären som undersöker estetiska möjligheter med tekniken som bas.
Ett exempel på hur aktuell 3D-skrivning är inom arkitektur är Massimiliano Locatellis 3D Housing 05 Project som ställdes ut på Designveckan i Milano 2018 (Locatelli, 2018) som lyfter det sköna i betongen och ifrågasätter estetiska husidéal.
Ytterligare pionjärer på området är The Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) som i satsningen PYLOS /// utforskar 3D-skrivning från en arkitekturapproach. De har ett fokus på hållbarhet, lokal produktion och de fördelaktiga egenskaperna hos jord, en av de uråldriga byggnadsmaterialen. Tekniken används on-site med 100% naturliga,
återanvändbara och bionedbrytbara material. (IAAC, PYLOS)
Ett initiativ som också undersöker 3D-printning med andra material för husbyggnation är forsknings- och innovationssatsningen +Project som fokuserar på hållbart byggande (Sliperiet, u.å.). Nedbrytbara material har använts i undersökande projekt som lyfter
möjligheterna med 3D-printing av hus och hållbar resursanvändning genom att använda sig av restprodukter (Uminova Innovation, 2016). Inom ramarna för +Project satsas det på kunskapsbildning genom bland annat konferenser inom storskalig biobaserad additiv och digital tillverkning för diskussion kring byggindustrins framtid (Sliperiet, 2018).
Jämförelse
De olika teknikerna för automatiserad byggnation kan tillämpas inom olika delar av
byggbranschen och användandet av en av dem uteseluter inte användandet av de andra. En del av en byggnad kan exempelvis potentiellt byggas med 3D-skrivare i betong medan en annan del av byggnaden kan göras med robotic timber construction.
Sett till resurseffektiviteten för använt material och kostnadseffektiviteten vid byggandet ser 3D-skrivning ut att vara både mest resurseffektivt avseende material och mest effektivt avseende kostnad om ett billigt material används, som betong. Samtidigt har bricklaying en mer direkt tillämpning inom branschen för murare som lägger tegelsten och tekniken används redan på vissa byggarbetsplatser i USA.
Summering
Av de framväxande teknikerna i trendanalysen för automatiserad byggnation har valet gjorts att undersöka en implementation av främst 3D-skrivarteknologi inom byggbranschen för byggnation av hus. Av de olika typer av automatisk byggnation som vi har studerat så bedömer vi att 3D-skrivare är en mycket intressant metod för nybyggnation.
Med 3D-skrivare är det möjligt att göra specialdesignade komplexa byggnader på ett standardiserat sätt, som är mycket kostnadseffektivt, tidseffektivt och materialeffektivt.
3D-skrivarteknik är omskriven som en av de mest revolutionsbenägna, resursminimerande, uppmärksammade och tidsaktuella teknikerna inom byggbranschen med flertalet projekt och framsteg publicerade senaste åren (Reichental, A., 2018). Av de framväxande teknikerna i trendanalysen för automatiserad byggnation har valet därmed gjorts att undersöka en implementation av specifikt 3D-skrivarteknologi inom byggbranchen. Det material som använts mest frekvent för att göra hus med 3D-skrivare är betong. Det är även ett material som anses vara billigt, ha möjlighet att ge god hållfasthet och gå snabbt att mata ut (Wu et.
al., 2016). Därav har valts att lägga fokus på särskilt betong som material för 3D-skrivning.
3D-skrivning är en del av automatiserad materialadderande tillverkning (AMAT) som gås igenom i följande avsnitt.
3.2 Teknisk bakgrund till AMAT
Organisationen ASTM International (American Society for Testing and Materials) har definierat materialadderande tillverkning som: ‘‘a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”. (Frazier, 2014)
Kommitén för ASTM F42 klassificerar materialadderande tillverkning i sju olika kategorier (Gibson, 2015). Dessa sju olika tekniker används för automatisk materialadderande tillverkning och vi benämner dem härefter som AMAT-tekniker:
1. Vat photopolymerization - Användandet av flytande fotopolymer i en behållare där UV-ljus bestrålar fotopolymeren för att skapa önskvärda objekt, vanligtvis i storlekar som är några centimeter i kubik. Noggrannheten är hög och metoden passar för att göra mindre objekt och prototyper. Kostnaden är dock hög och metoden är inte lämplig inom byggbranschen. (Wu et. al., 2016; Gibson, 2015)
2. Material jetting - En metod som påminner om hur en vanlig skrivare fungerar fast 3D-objekt görs. Smält vaxmaterial extruderas och bygger upp ett objekt lager efter lager.
3. Binder jetting - En process där ett bindemedel sprutas på ett pulver, lager för lager, för att binda samman pulvret till önskvärda former.
4. Material extrusion - Ett munstycke extruderar ett upphettat material, som byggs på lager efter lager som sedan stelnar och bildar önskvärda objekt.
5. Powder bed fusion - Pulver som selektivt bestrålas med laser utifrån en digital ritning för att pulvret ska bindas samma till önskvärt objekt.
6. Sheet lamination - Tunna lager av metall, liknande vanliga papper fast gjorda av metall, adderas lager för lager. Den önskvärda formen för varje lager skärs ut medan det som inte ska vara kvar tas bort. Varje nytt lager fogas samman mot det befintliga objektet med ultraljudssvetsning. (GrafEngin, 2016)
7. Directed energy - Metoden används ofta för att reparera objekt. Material i pulverform eller trådform matas ut på ett existerande objekt. Det utmatade materialet smälts med en koncentrerad laserstråle. Därefter byggs material på lager för lager och processen upprepas. (Loughborough University)
Enligt P. Wu, J. Wang och X. Wang (2016) är det mer lämpligt att dela upp AMAT i nedanstående fem kategorier när det kommer till byggnation av byggnader (Wu et. al., 2016). Därav kommer vikt läggas på dessa kategorier.
1. Stereolithography - Motsvarande Vat photopolymerization
2. Fused Deposition Modeling (FDM) - Skrivarmaterial som polymer eller syntetisk sten och stödmaterial matas ut på en plattfrom genom ett munstycke som kan gå i X-led och Y-led. Objekt byggs upp lager för lager, där plattformen sänks för varje lager. När utmatningen av allt material är klart, tas stödmaterial bort och produkten är färdig.
3. Inkjet Powder Printing (IPP) - Pulver extruderas i ett tunt lager genom ett munstycke på en plattform. Därefter sprayas plattformen och pulvret med ett bindemedel och pulvret hettas upp. Pulvret sammanfogas på så sätt med bindemedlet. Pulvret som kan vara metall, exempelvis stål- eller bronspulver, blir då starkt sammanbundet och nästa lager byggs på motsvarande sätt.
4. Selective Laser Sintering (SLS) - Komplexa objekt kan göras genom att sammanföra på varandra följande lager av pulvermaterial. Sammanfogningen av pulvret sker genom att använda en fokuserad laserstråle.
5. Contour Crafting (CC) - Betong matas ut genom ett stort munstycke och betongen spacklas med datorkontrollerade murslevar kort efter att betong matats ut. Vid traditionell tillverkning med betong behöver spacklingen göras i efterhand vilket tar mycket tid. På så sätt är contour crafting betydligt mer tidseffektivt.
För att konstruera föremål i metall kan både SLS och IPP användas. FDM används främst för objekt i plast (Stratasys). För att göra föremål i keramik eller betong används vanligtvis Contour Crafting som är 3D-skrivning med betong. Vilken metod som används avgörs av vilket material som är önskvärt och vad som ger tillräcklig kvalitet och har tillräckligt hög noggrannhet i förhållande till kostnad och tidsåtgång. IPP kan användas för att göra objekt som inte behöver så stor noggrannhet och som gärna ska konstrueras förhållandevis
snabbt. IPP är även i regel billigare per volymenhet än FDM, SLS och stereolitografi. Av alla de fem metoderna är dock Contour Crafting snabbast per volymenhet. Contour Crafting med betong är även billigast per volymenhet och har möjlighet att göra stora objekt som
byggnader. (Wu et. al., 2016)
Teknologiskt skede
Fram till för bara några år sedan kunde i stort sett ingen av de fem AMAT-teknologier Wu et.
al. har beskrivit användas för att göra stora konstruktioner som byggnader. På de senaste åren har dock materialadderande tillverkning för större konstruktioner utvecklats mycket, där polymerer, metall eller betong använts (Gosselin, 2016). Contour Crafting, som är
3D-skrivning med betong, är som tidigare nämnts både den billigaste metoden att göra stora byggnader med och den snabbaste metoden av de fem AMAT-tekniker som P. Wu et. al.
(2016) tar upp. Contour Crafting kan hävdas vara en särskild typ av 3D-skrivning med betong med ett gantrysystem, men kan även anses vara helt synonymt med 3D-skrivning med betong. Hur begreppet används varierar. För att inte orsaka förvirring, används 3D-skrivning med betong som begrepp då all typ av 3D-skrivning med betong åsyftas. Det mest frekvent använda begreppet i vetenskapliga artiklar på området är även 3D-skrivning med betong. Förutom att det är billigt att göra byggnader med 3D-skrivning med betong i förhållande till många andra AMAT-tekniker, så har även en mängd olika byggnader som gjorts med AMAT, just gjorts med 3D-skrivning med betong. (Koslow, T. 2017) Den här rapporten kommer därav ha ett särskilt fokus på 3D-skrivning med betong.
4 Implementeringsanalys av 3D-skrivning med betong
Implemeteringsanalysen är en genomgång av förutsättningar och utmaningar för att integrera AMAT i form av 3D-skrivande teknik med betong vid nybyggnation samt en undersökning av implementeringskonsekvenserna.
4.1 Materialaspekter
Materialaspekter är en av de mest avgörande parametrarna för användningen av
3D-skrivning vid byggnation. Materialegenskaper krävs som möjliggör kvalitetssäkring för byggnader av bland annat hållfasthet, inomhusklimat med uppvärmning och värmeisolering, brandsäkerhet, fukttålighet och ljudisolering.
Betong med 3D-skrivning
Betong är det mest använda byggnadsmaterialet världen över. Det är billigt att ta fram betong och dess egenskap av att kunna matas ut flytande för att sedan stelna när cementen och vattnet i betongen reagerar med varandra och binder ihop fillern i betongblandningen, gör det mycket användbart för att använda vid olika konstruktioner (F. Bos. et. al., 2016). Vid traditionella konstruktioner i betong, matas betongen ut i formar för att få önskvärda former.
Vid sådana konstruktioner krävs dock mycket tid för att dels göra formarna och få dessa på plats, att ta bort dessa och att spackla den stelnade betongen för att få jämna ytor. Med 3D-skrivning kan konstruktioner i betong med stor variation i formgivning göras utan några extra kostnader för specialanpassad formgivning. Spacklingen kan även göras med automatiskt styrda murslevar vilket sparar mycket tid och konsekvent ger jämna ytor.
Hållfasthet
Betong har även mycket god hållfasthet vid tryck, vilket gör att stora konstruktioner kan göras i betong som klarar av tung ovanpåliggande last. Brottgränsen för betong är dock förhållandevis låg då betong utsätts för sträckning, vilket gör att armering ofta används för att ge konstruktioner i betong som även har hög draghållfasthet. (Nationalencyklopedin,
Betong) Gällande hållfastheten av konstruktioner med 3D-skrivare, är lastbärande delar av en byggnad särskilt svåra att konstruera tillräckligt hållbart med materialadderande
tillverkning. Delar av en byggnad som går i horisontell led är även svåra att konstruera med god hållfasthet med nuvarande teknologier för 3D-skrivning. (Wu et. al., 2016)
En möjlighet för att åstadkomma högre draghållfasthet är att blanda i material som glasfiber i
betongen. En annan lösning är att integrera 3D-skrivning av armeringsjärn i bygg
processen. Hur draghållfastheten hos konstruktioner gjorda med 3D-skrivning kan förbättras gås igenom senare i rapporten.
Byggtakt
Ett problem som identifierats med 3D-skrivning med betong, som är relaterat till vilken takt som material adderas, är att svaghet i hållfastheten kan uppstå i fogarna mellan två lager. I takt med att det föregående lagret stelnar avtar styrkan som kan fås i fogen när ett nytt lager läggs på. Styrkan i fogarna mellan två lager blir därmed svagare ju längre tid det tar mellan att varje lager matas ut. Samtidigt uppstår en kontrasterande problematik, cementbaserade material får ökad hållfasthet ju mer de stelnar. För att få tillräcklig hållfasthet i konstruktionen som helhet är det därmed viktigt att ha tillräckligt stort tidsspann mellan utmatningen av varje lager, för att alla underliggande lager ska vara tillräckligt hållfasta när ett nytt lager adderas.
Precis vid den tid som detta villkor är uppfyllt och alla underliggande lager klarar vikten av ett nytt lager, är det optimalt om nästa lager matas ut för att få så hög styrka i fogarna mellan varje lager som möjligt. (Perrot et. al., 2016)
Materialets sträckgräns är det avgörande för vilken last det klarar av att bära. För att finna den tid som det är optimal att vänta innan nästa lager adderas, kan sträckgränsen med avseende på tiden från att betong börjat stelna, studeras. Så länge sträckgränsen är högre, för varje enskilt lager, än trycket från lasten av ovanpåliggande lager, så kan nya lager adderas.
Stelnandefas
Stelnandet av betong kan delas in i tre faser. I den första fasen binds cementkorn till varandra då kollodial interaktion och kärnbildning av C-S-H-formationer
(kol-svavel-väte-formationer) i kontaktpunkterna mellan cementkorn sker. Denna fas varar endast i ett tiotal sekunder (Perrot et. al., 2016). Därefter bildas C-S-H-bryggor mellan cementkorn, i en ny fas som varar några tiotals minuter, vanligen ungefär 60 minuter, beroende på typ av betong och omgivning. I den andra fasen är formationen av
C-S-H-bryggor konstant vilket gör att även ökningen av sträckgränsen blir konstant. I den tredje fasen tilltar ökningen av sträckgränsen och ger ett exponentiellt förhållande mellan sträckgräns och tid.
Perrot et. al. (2016) genomförde ett försök där de mätte sträckgränsen för betong vid olika givna tidpunkter efter att stelnandefasen påbörjats. Den torra bindemedelsdelen av
betongen, som användes i försöket, bestod av 50% cement, 25% limestone filler och 25%
kaolin. Vatten tillsattes med ett förhållande på 0,41 kg vatten per kg cement för att ge den färdiga betongblandningen som användes i försöket. (Perrot et. al, 2016)
Att hitta en lämplig betongblandning för 3D-skrivning är en viktig del för att kunna göra hållbara konstruktioner på ett tidseffektivt sätt. Vilka betongblandningar som kan vara lämpliga gås igenom i följande avsnitt.
Lämplig typ av betong för 3D-skrivning inom byggbranschen
T. T. Le, S. A. Austin, S. Lim, R. A. Buswell, A. G. F. Gibb och T. Thorpe (2012) pekar på fyra olika faktorer som är viktiga för att bestämma vilken sammansättning av betong som är lämplig för olika typer av 3D-skrivning. De fyra olika faktorerna är:
1. Extruderbarhet - Enkelheten med vilken betong kan matas genom de olika delarna i ett 3D-skrivarsystem och sedan matas ut ur munstycket till ett 3D-skrivarsystem. Om betongen är trögflytande kan det ta längre tid än önskvärt att extrudera betongen och det kan även uppstå stopp i systemet så att hela byggprocessen stannar upp.
2. Bearbetbarhet - Lättheten med vilken betongen kan användas för att bygga önskvärda objekt. Skjuvhållfastheten av ett material brukar användas som en viktig del i att bestämma dess bearbetbarhet. Ju lägre skjuvhållfasthet desto högre bearbetbarhet.
3. Byggbarhet - Hållfastheten hos betong som ej stelnat, då betongen utsätts för tryck.
Betong som ej stelnat måste klara av att bära vikten av ovanpåliggande lager utan att deformeras. Ju snabbare betongen har tillräcklig hållfasthet för att bära ett nytt lager desto snabbare kan 3D-skrivning av en konstruktion genomföras.
4. Öppentid - Tiden från att ett lager adderas till att det inte längre är möjligt att addera ett nytt lager.
Test av lämplig betongblandning
T. T. Le et. al. (2012) gjorde försök där ett flertal olika betongblandningar testades med avseende på ovanstående fyra kriterier för att kunna bestämma vilka betongblandningar som vore mest lämpliga att använda för 3D-skrivare. Blandningarna utgjordes av torrt pulver i form av sand och bindemedel samt vatten. Olika proportioner av sand, i intervallet 55% till 75%, i förhållande till den torra blandningen, och olika proportioner av bindemedel i
intervallet 25% till 45% i förhållande till den torra blandningen, testades. Bindemedlet
utgjordes till 70% av cement, till 20% av flygaska och till 10% av “silica fume”. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel valdes till 0.28, vilket gav en tryckhållfasthet på över 100 MPa.
Extruderbarhet
I de test som T. T. Le et. al. (2012) genomförde visade det sig att extruderbarheten påverkades mycket av halten av de olika materialen i den torra blandningen. Med en hög andel sand, 75% av den torra blandningen, uppstod det stopp i 3D-skrivarsystemet. Efter att ha minskat andelen sand, ökat andelen cement, flygaska, silica fume och även ökat andelen vatten samt tillsatt mjukningsmedel och polypropenfibrer kunde en blandning som var
lämplig utifrån dess extruderbarhet fås. Den torra delen av blandningen bestod till 60% av sand, 28% av cement, 8% av flygaska och 4% av silica fume. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel var 0.28. 1.6 kg polypropenfibrer per kubikmeter tillsattes.
Mjukningsmedel tillsattes även så att mjukningsmedlet utgjorde mellan 1% och 2% av den torra blandningen.
Bearbetbarhet
Bearbetbarheten av en betongblandning påverkas i hög utsträckning av graden av
mjukningsmedel. Den betongblandning som i testerna av T. T. Le et. al. (2012) hade mest önskvärda egenskaper och ansågs lämplig för 3D-skrivare hade 1% mjukningsmedel.
Samma blandning utan mjukningsmedel var alldeles för trögflytande och hård. Tillsats av mjukningsmedel till blandningen minskade skjuvhållfastheten och gjorde blandningen mer lättflytande och önskvärd bearbetbarhet kunde fås. Med mjukningsmedel kan andelen vatten i förhållande till cement, för att få en viss bearbetbarhet, vara betydligt lägre än utan
mjukningsmedel. Att ha en låg andel vatten i förhållande till cement möjliggör högre tryckhållfasthet för betongen än en högre andel vatten i förhållande till cement. Därav är användningen av mjukningsmedel av särskilt stor betydelse vid 3D-skrivning med betong, då lämpliga värden för tryckhållfasthet, bearbetbarhet, byggbarhet, extruderbarhet och öppentid är kritiska, med små toleranser för avvikelser, för att betongen ska ha önskvärda
egenskaper.
Öppentid
Genom att variera andelen mjukningsmedel mellan 0-2% i betongblandningen testade T. T.
Le et. al. (2012) den öppna tiden för betongblandningen. Den öppna tiden beskriver det tidsintervall från att ett lager extruderats till att nästa lager fortfarande kan extruderas. Efter att den öppna tiden löpt ut för ett extruderat lager är det således inte lämpligt att addera ett
nytt lager ovanpå det föregående. I testerna av Le et. al. definierades den öppna tiden som den tid efter extrudering av betongen, då betongens skjuvhållfasthet ökat med 0.3 kPa från den ursprungliga skjuvhållfastheten. Då denna ökning i skjuvhållfasthet skett bedömdes det inte längre vara möjligt att extrudera ett nytt lager. 0,5% mjukningsmedel gav 3 minuters öppentid, 1% mjukningsmedel gav en öppentid på ungefär 5 minuter och 2%
mjukningsmedel gav en öppentid på 18 minuter.
I allmänhet gäller att det är mer fördelaktigt ju längre öppentid en betongblandning har, så länge byggbarheten är tillräcklig. I testerna av Le et. al. visade det sig att 1,5-2%
mjukningsmedel gav för låg byggbarhet. 1% mjukningsmedel gav önskvärd bearbetbarhet enligt föregående delavsnitt och gav även tillräcklig byggbarhet. En öppentid på 5 minuter är dock alldeles för kort för att kunna bygga en mängd olika konstruktioner. Genom att tillsätta en retarder kunde den öppna tiden förlängas och med 0,5% retarder kunde en blandning med 100 minuters öppentid fås.
Byggbarhet
Byggbarhet kan beskrivas som hur många lager som kan adderas till varandra utan att sprickbildning, deformation eller förskjutningar uppstår. Ju högre tryckhållfasthet och ju högre skjuvhållfasthet, desto högre är även byggbarheten under förutsättning att lagrena som adderas fäster i varandra. Ju lägre andel vatten och ju högre andel sand, desto högre blir i allmänhet tryckhållfastheten och skjuvhållfastheten. Hög skjuvhållfasthet kan dock innebära att sammanfogningen mellan två lager blir för svag för att lagrena ska fästa
ordentligt i varandra vilket gör att byggbarheten blir lägre. Vid skjuvhållfasthet på 0,3 kPa var hållfastheten för låg för att kunna bygga mer än några lager. Vid skjuvhållfasthet på 0,9 kPa uppstod brytpunkter i filamenten på den extruderade betongen. En skjuvhållfasthet på 0,55 kPa visade sig vara optimal för att uppnå hög byggbarhet.
Lämplig blandning
Den betongblandningen i testerna av T. T. Le et. al. som visade sig mest lämplig för 3D-skrivning bestod till 60% av sand, 28% av cement, 8% av flygaska och 4% av silica fume, avseende den torra delen utan tillsatser. Kvoten mellan viktandel vatten och viktandel bindemedel var 0.28. 1% av bindemedlet (d.v.s. 1% av cement, flygaska och silica fume) utgjordes även av tillsatt mjukningsmedel och 0.5% av bindemedlet utgjordes av en tillsatt retarder. 1,2 kg polypropenfibrer per kubikmeter tillsattes även.
Allmänt kan sägas att andelen sand bör ökas och andelen vatten bör minskas om
tryckhållfastheten och skjuvhållfastheten önskas bli högre. Vid högre tryckhållfasthet och
skjuvhållfasthet blir dock blandningen mer trögflytande och bindningen mellan varje lager blir svagare. För att göra en blandning mindre trögflytande och öka styrkan i bindningen mellan två lager kan mjukningsmedel tillsättas. Det minskar dock även tryckhållfastheten och skjuvhållfastheten i viss utsträckning, men inte lika mycket som om andelen vatten skulle ökas för att få motsvarande egenskaper. För att den öppna tiden ska vara så lång som möjligt, då det är möjligt att fortfarande extrudera ett nytt lager, kan en retarder tillsättas till blandningen.
Jämförelse med andra tester
Det finns flera andra försök som gjorts för att ta fram lämpliga betongblandningar för 3D-skrivare. C. Gosselin et. al. (2016) beskriver hur en blandning av olika betongmaterial med, 40-50% crystalline silica (sand), 30-40% Portland cement CEM I 52.5N, 10% silica fume och 10% limestone filler kan användas som material vid materialadderande
CC-tillverkning. Två tillsatsmedel användes även för att ge starkare sammanfogning mellan varje lager och för att ge minskad setting time för betongen. Den första tillsatsen var en polymerbaserad harts som användes för att ge starkare sammanfogning mellan två lager.
Den andra tillsatsen var en accelerator som tillsattes för att få en önskvärd setting time. Denna uppsättning material tillsammans med sand blandades sedan med en liten mängd vatten för att få önskvärda egenskaper. Vattnet utgjorde ungefär 9% av blandningens totala vikt. Denna blandning påminner till viss del om den blandning som T. T. Le et. al. (2012) fann lämplig för 3D-skrivare. Andelen sand är dock lägre än i den blandning T. T. Le et al.
fann lämplig för 3D-skrivning och istället för flygaska användes limestone filler. Den mest anmärkningsvärda skillnaden är dock att C. Gosselin et. al. (2016) använde en accelerator istället för en retarder. En accelerator gör så att den öppna tiden blir kortare men i gengäld blir skjuvhållfastheten och tryckhållfastheten högre vid varje tidpunkt efter extruderandet av betongen i jämförelse med om en retarder istället använts. A. Perrot et. al. (2016) använde ytterligare en annan betongblandning för extruderandet av betong. Det visar på att det finns en mängd olika betongblandningar som kan användas för 3D-skrivning.
För att få ytterligare ökad hållfasthet kan glasfiber tillsättas i själva betongblandningen.
Företaget WinSun var 2006 först med att använda glasfiber i betong, s.k. SRC (special glass fiber reinforced concrete) (WinSun). Christ et. al. (2015) testade en blandning med 1%
glasfiber med gott resultat, särskilt för tryck vinkelrätt från utmatningsriktningen av
betongblandningen. Det finns även andra tillsatser som har möjlighet att öka hållfastheten i en betongblandning (Christ et. al., 2015) och att använda armeringsjärn vore ett sätt att öka tryckhållfastheten betydligt, vilket beskrivs under avsnittet Armeringsjärn.
