Η 4η Βιομηχανική Επανάσταση και η τρισδιάστατη εκτύπωση κτιρίων

O αγώνας για την ψηφιοποίηση της βιομηχανίας της κατασκευής έχει ήδη ξεκινήσει, και μια από τις σημαντικότερες προσπάθειες εστιάζει στην επιτυχή τρισδιάστατη εκτύπωση (“3D Print”) οικιών, χώρων εργασίας και δομών από σκυρόδεμα.

άρθρο των κ. Νικολάου Κατσιώτη& Χρήστου Καλλίγερου

 

Αν και η τρισδιάστατη κτιρίων και υποδομών υπάρχει ως concept και ως τεχνολογία εδώ και αρκετά χρόνια, εντούτοις απαιτείται να αντιμετωπιστεί ένας σημαντικός ακόμα αριθμός ζητημάτων, όπως είναι η ευκολότερη (αρχιτεκτονικά / σχεδιαστικά), ασφαλέστερη (όσον αφορά την έκθεση σε κίνδυνο του ανθρώπινου δυναμικού), επιτελεστική (από τη σκοπιά της διαχείρισης έργων), οικονομικότερη και περιβαλλοντικά φιλικότερη (με ελαχιστοποίηση των απορριπτόμενων υλικών) κατασκευή δομών από σκυρόδεμα, συμπεριλαμβανομένων και μεγάλων έργων υποδομής, όπως είναι γέφυρες και βάσεις ανεμογεννητριών.

Εξαρχής εγείρονται τα εξής βασικά ερωτήματα:

  • «Ποιος είναι ο τεχνολογικός ορισμός της τρισδιάστατης εκτύπωσης στη βιομηχανία της κατασκευής»;
  • «Τι ακριβώς περιλαμβάνεται σε αυτή την πολλά υποσχόμενη καινοτομική τεχνολογία»;
  • «Θα αλλάξει άρδην η βιομηχανία, οι σχετιζόμενοι χώροι εργασίας αλλά και η κοινωνία η ίδια λόγω της τρισδιάστατης εκτύπωσης της κατασκευής»;

Απαντώντας στα αρχικά αυτά ερωτήματα και τους προβληματισμούς, ένας κοινά αποδεκτός –επί της παρούσης– συγκεντρωτικός ορισμός έχει ως εξής:

«Ως τρισδιάστατη εκτύπωση της κατασκευής (3ΔΕΚ) νοείται το σύνολο των διαφόρων μεθόδων και τεχνολογιών οι οποίες εφαρμόζουν / χρησιμοποιούν κυρίως τρισδιάστατη εναπόθεση κατάλληλα σχεδιασμένου υλικού για την παραγωγή κτιρίων και δομών ή δομικών συστατικών και μερών αυτών».

Εναλλακτικοί (αλλά όχι αναγκαία συνώνυμοι) τίτλοι αναφοράς της 3ΔΕΚ είναι:

  • «Αυτόνομη Κατασκευή» (Autonomous Construction).
  • «Προσθετική Κατασκευή» (Additive Construction).
  • «Ελεύθερη Κατασκευή» (Freeform construction).

Επί της παρούσης, λοιπόν, βρισκόμαστε στο κομβικό σημείο της καθιέρωσης της στάθμης της τεχνικής (“state of the art”) καλών βιομηχανικών πρακτικών σε παγκόσμιο επίπεδο, με τα προφανή πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης κατασκευής να είναι:

  • Η ελευθερία του σχεδιασμού (“design freedom”, ασχέτως πολυπλοκότητας).
  • Το υψηλό επίπεδο αυτοματισμού (το οποίο συνάδει με χαμηλότερο κόστος, υψηλότερη παραγωγικότητα, λιγότερα λάθη, μεγαλύτερη ασφάλεια λειτουργίας καθώς και με υψηλή ακρίβεια).
  • Οι ταχύτεροι χρόνοι ολοκλήρωσης ενός δοθέντος project κατασκευής.
  • Η μείωση των απορριπτόμενων υλικών.
  • Η εύρεση και ο σχεδιασμός καινοτόμων υλικών (περισσότερο φιλοπεριβαλλοντικών, με χαμηλότερο δηλαδή αποτύπωμα άνθρακα αλλά και με αξιοποίηση παραπροϊόντων και με πρόσδοση περαιτέρω προστιθέμενης αξίας [valorization] σε αυτά).

Σύμφωνα με την Deloitte, η τεράστια βιομηχανική καινοτομία του εγχειρήματος έγκειται όχι μόνο στην ίδια τη φύση αυτής της ρηξικέλευθης (“disruptive”) τεχνολογίας, αλλά κυρίως στην επιτυχή “πλοήγηση” προς το μέλλον της κατασκευαστικής βιομηχανίας.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση της κατασκευής θα προσφέρει:

  • Ταχύτητα, με εκτιμώμενη μείωση απαιτούμενων χρόνων κατά 50-70%, λόγω αυξημένου αυτοματισμού και ψηφιοποίησης.
  • Χαμηλότερο κόστος κατά 50-80%, λόγω μείωσης του απαιτούμενου προσωπικού, των αναγκών υλικού αλλά και του απαιτούμενου χρόνου καλής εκτέλεσης και επιτυχούς ολοκλήρωσης ενός Project.
  • Καλύτερη συνολική ποιότητα του έργου. Για παράδειγμα, υπάρχει δυνατότητα να δημιουργηθούν εξαιρετικά εξατομικευμένα σχέδια, λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες του οπλισμού σκυροδέματος και της μόνωσης και με χρήση υλικών χαμηλού περιβαλλοντικού αποτυπώματος.

Σε παγκόσμιο επίπεδο, έχουν αυξηθεί σημαντικά τα έργα που υλοποιούνται αποκλειστικά με τρισδιάστατη εκτύπωσης κατασκευής.

Ενδεικτικά είναι: 10 στην Ευρώπη, 10 σε Ασία και Μέση Ανατολή, 5 στην Αφρική και 15 στις ΗΠΑ και στη Νότια Αμερική, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η ιδιαίτερη περίπτωση της Κίνας.

Κοινά χαρακτηριστικά όλων των διεθνών  υλοποιούμενων πρότζεκτ είναι:

α) Η ελευθερία του σχεδιασμού, ο οποίος συμπεριλαμβάνει πολύπλοκα αρχιτεκτονικά πονήματα, κλίσεις έως και 30 μοιρών  (σε συνάρτηση με το μέγεθος του ακροφυσίου της εναπόθεσης), καθώς και πιθανή ενσωμάτωση είτε καμπυλωτών πτερυγίων μορφοποίησης εναποτιθέμενου υλικού, είτε προεξοχών (overhands) είτε και προβόλων (cantilevers).

β) Η εξασφάλιση της σταθερότητας των παραχθέντων δομών / κατασκευών (ελλείψει επί της παρούσης των αναγκαίων τυποποιητικών / ρυθμιστικών διατάξεων και σχετικής δομικής νομοθεσίας).

Παραδείγματα επιτυχημένης τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι τα σπίτια της COBOD στις γερμανικές πόλεις Beckum και Wallhausen, της Apis Cor στο Ντουμπάι και του “Milestone Project” στην Ολλανδία, όπως επίσης το πλωτό μίνι σπίτι της Prvok στην Τσεχία, τα σπίτια “tecla” από φυσικό υλικό (άργιλο) της WASP στην Ιταλία αλλά και η πρόσοψη της BESIX στο Ντουμπάι.

 

Η μελέτη περίπτωσης του 3Build

 

Στην Ελλάδα, το πρώτο εγχείρημα για τρισδιάστατη εκτύπωση κτιρίων και υποδομών γίνεται σήμερα μέσω του εγκεκριθέντος ερευνητικού προγράμματος «Σχεδιασμός και ανάπτυξη ενός καινοτόμου τρισδιάστατου εκτυπωτή κτιρίων και υποδομών – 3Build», το οποίο υλοποιείται στα πλαίσια της Δράσης «Ερευνώ – Δημιουργώ – Καινοτομώ» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση και εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα, Καινοτομία» (Ε.Π.ΑΝ.Ε.Κ., κωδικός έργου Τ1ΕΔΚ-04775).

Η κοινοπραξία (consortium) απαρτίζεται από την «Α.Ε. Τσιμέντων ΤΙΤΑΝ», την «ΣΙΚΑ Ελλάς ΑΒΕΕ», την «ΚΩΣ Ελλάς ΕΠΕ» και το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, και απώτερη στόχευση είναι η επιτυχής ενσωμάτωση αυτής της επαναστατικής τεχνολογίας, η οποία αναμένεται να επιφέρει ριζοσπαστικές και πρωτόγνωρες αλλαγές λόγω του προαναφερθέντος υψηλότατου βαθμού ψηφιοποίησης και αυτοματοποίησης. Μάλιστα, η Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) έχει ανακηρύξει το έργο ως εμβληματικό.

Το Πρόγραμμα «3Build» αποσκοπεί στην επιτυχή κατασκευή ενός καινοτόμου τρισδιάστατου εκτυπωτή για το χτίσιμο κτιρίων με χρήση ειδικής τσιμεντοκονίας ή και ειδικών τύπων σκυροδέματος. Εντός της κοινοπραξίας λαμβάνει χώρα τόσο ο αυτούσιος σχεδιασμός και η ανάπτυξη του 3D εκτυπωτή τσιμεντοειδούς υλικού όσο και ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ειδικής τσιμεντοκονίας και ειδικών τύπων σκυροδέματος, κατάλληλων για 3D εκτυπώσεις.

Όσον αφορά το ίδιο το υλικό που θα εκτυπώνεται για την κατασκευή των κτιρίων, η τεχνική παράμετρος του χρόνου στρώσης (που εξαρτάται αυστηρά από το επιθυμητό μέγεθος της υπό εκτύπωση δομής αλλά και από την αυτούσια ταχύτητα του εκτυπωτή) καθορίζει τις αναγκαίες / ελάχιστες απαιτήσεις από τη σκοπιά του υλικού με δύο στόχους:

α) Η κάθε προηγούμενη εκτυπωμένη στρώση πρέπει να είναι ικανή να φέρει φορτίο και να υποστηρίξει τις επόμενες στρώσεις (additively manufactured).

β) Το υπό τοποθέτηση υλικό πρέπει να είναι αρκετά νωπό, ώστε να εξασφαλίζεται πρόσδεση μεταξύ των δύο αλλεπάλληλων στρώσεων με αποφυγή ψυχρών αρμών (cold joints).

Βάσει των παραπάνω τεκμαίρεται ότι κάθε εξατομικευμένα σχεδιασμένο υλικό προς εκτύπωση θα έχει ένα «κατάλληλο» (ή περισσότερο προσοδοφόρο) «λειτουργικό παράθυρο ευκαιρίας» για επιτελεστικότερη και απρόσκοπτη εκτύπωση, ενώ η χρησιμοποιούμενη συνταγή θα είναι συνεπέστατη όσον αφορά ιδιότητες όπως είναι η κάθιση (slump), οι μηχανικές αντοχές κλπ.

Τονίζεται ότι το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για την τρισδιάστατη εκτύπωση είναι αναπόσπαστο μέρος του τριπτύχου της 3ΔΕΚ «σχέδιο – εξοπλισμός   υλικό». Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι η συνολική ποιότητα του έργου εξαρτάται από την ποιότητα της κάθε στρώσης του έργου. Εάν π.χ. κινείται πολύ γρήγορα το ακροφύσιο τοποθέτησης, τότε θα αντιμετωπίσουμε σημαντική κάθιση του υλικού· εάν κινείται πολύ αργά, θα έχουμε μεν καλό/σταθερό μήκος στρώσης και συνεπείς στρώσεις αλλά χαμηλή πρόσδεση μεταξύ των στρώσεων, άρα χαμηλές αντοχές και μειωμένη ανθεκτικότητα.

Κλείνοντας αυτή τη σύντομη αναφορά στις ιδιότητες του υπό εκτύπωση υλικού, πρέπει να τονισθεί ότι καθώς παρουσιάζονται νέες μέθοδοι κατασκευής,  διερευνώνται αντίστοιχα και μέθοδοι εισαγωγής κατάλληλου και ικανού οπλισμού (π.χ. από ατσάλινα σύρματα και από ίνες υάλου, άνθρακα, διαφόρων ορυκτών, πολυπροπυλενίου κλπ.), με επιθυμητό στόχο την πλήρη αυτοματοποιημένη συμπερίληψη οπλισμού χωρίς την ανάγκη σχετικών διορθωτικών ενεργειών μετά την εναπόθεση, ήτοι σε πραγματικό χρόνο (real time) και τόπο (in situ). Έως τώρα, αυτό δεν έχει καταστεί δυνατό στη βιομηχανική κλίμακα, καθώς οι τρέχουσες προσεγγίσεις αφορούν είτε την τοποθέτηση κατάλληλου οπλισμού πριν την τρισδιάστατη εκτύπωση, είτε την τοποθέτηση οπλισμού σε κατάλληλα σχεδιασμένες κοιλότητες και μετά τη χύτευση κανονικού σκυροδέματος εντός αυτών.

Η καινοτομία του έργου, όμως, δεν περιορίζεται μόνο στον ιδιαίτερο τύπο σκυροδέματος που χρησιμοποιείται για την τρισδιάστατη εκτύπωση κτιρίων. Η ίδια η διάταξη του τρισδιάστατου εκτυπωτή –που θα περιλαμβάνει αναδιπλούμενες διατάξεις και θα στηρίζεται στη φιλοσοφία του modular σχεδιασμού– θα είναι μια νέα πρόταση στην περιοχή των τρισδιάστατων διατάξεων εκτύπωσης, που θα εξασφαλίζει εύκολη συντήρηση, αποθήκευση, μεταφορά και τοποθέτηση της διάταξης σε οποιοδήποτε χώρο εκτύπωσης.

Μέσω της χρήσης αναδιπλούμενων μέσων στήριξης της μηχανής μπορούν να επιτευχθούν μικροί όγκοι στη συρρικνωμένη κατάσταση κατά τη μεταφορά και την αποθήκευση, ενώ μέσω της αξιοποίησης των τεχνολογιών του Computer Aided Design (CAD) και του Computer Aided Engineering (CAE) θα επιτευχθεί βελτιστοποίηση του κόστους, του χρόνου και της ακρίβειας εκτύπωσης του κτιρίου. Η διάταξη θα διαθέτει πληθώρα υδραυλικών συστημάτων και συστημάτων μετάδοσης κίνησης, που θα αναπτυχθούν και θα κατασκευαστούν σε συνεργασία με ελληνικές εταιρείες που δραστηριοποιούνται σε αυτές τις περιοχές.

Επιστρέφοντας στη συζήτηση για τη βιομηχανική πραγματικότητα, την κοινωνική διάσταση αλλά και το επίπεδο της αγοράς, αξίζει να σημειωθεί ότι κοστολογήσεις από πληθώρα εταιρειών-γιγάντων (π.χ. PricewaterhouseCoopers) τοποθετούν την αξία των εταιρειών που πραγματεύονται 3ΔΕΚ στα 500 εκ. ευρώ.

Παράδειγμα αποτελεί η δανέζικη εταιρεία COBOD (Construction Of Buildings On Demand), η οποία τον Απρίλιο του 2021 ανακοίνωσε 2ο προσοδοφόρο οικονομικό έτος και αύξηση κερδών κατά 100% (τόσο σε επίπεδο μεικτών κερδών όσο και σε κύκλο εργασιών/τζίρου, όπου αναφέρεται αύξηση 200% στις παραγγελίες νέων εκτυπωτών 3ΔΕΚ).

Τα παραδείγματα αυτά αναδεικνύουν την αξία του 3build και το ρόλο που μπορεί να παίξει με διάφορους τρόπους στην ελληνική κοινωνία και βιομηχανία. Μάλιστα έχουν ήδη λάβει χώρα προγραμματισμένες δράσεις για τον πραγματικό μετασχηματισμό της κατάρτισης του ανθρώπινου δυναμικού στον βιομηχανικό τομέα και στη βιομηχανική πραγματικότητα, ούτως ώστε εξειδικευτεί πλήρως στις τρέχουσες αναδυόμενες ψηφιακές δεξιότητες της 3ΔΕΚ.

Η επιτυχής ολοκλήρωση του εν λόγω ερευνητικού εγχειρήματος θα αποτελέσει ένα ηχηρό «παρών» της Ελλάδας στο παγκόσμιο χάρτη της τρισδιάστατης εκτύπωσης κτιρίων και κατασκευών και θα σηματοδοτήσει τη μετάβαση στη νέα ψηφιακή εποχή για την ελληνική βιομηχανία της κατασκευής, με οδηγό τη βιώσιμη ανάπτυξη, την υγεία και την ασφάλεια και με ευθύνη απέναντι στην κοινωνία στην οποία ζούμε.

Ελέγξτε επίσης

Η προσθετική παραγωγή στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση

Η προσθετική κατασκευή κυριαρχεί στις μέρες μας λόγω των πολλών δυνατοτήτων που παρέχει και της …