Voivatko 3D-tulostetut betonirakenteet pelastaa ympäristön?

Betonia on joka paikassa ympärillämme. Talosta, toimistoista ja koulurakennuksista myymälöihin, patoihin, siltoihin, jalkakäytäviin ja teihin, betoni auttaa rakentamaan rakennuksia, joita käytämme joka päivä.

Se ei ole uusi materiaali millään tavoin. Itse asiassa, varhaisin betonirakenteiden kirjallinen maininta on 6500 eaa. Syyrian ja Jordanian alueilla. Sitten, tietysti, meillä on roomalaiset, jotka käyttivät laajasti betonia rakennuksissaan. Ja nyt, vuosien jälkeen, monet näistä rakennuksista ovat edelleen pystyssä.

Betonin käyttö on vuosien varrella vain kasvanut, ja maailmanlaajuinen betonimarkkinan arvo oli 687,2 miljardia dollaria vuonna 2021. Se on lisäksi odotettavissa kasvavan 821,6 miljardiin dollariin vuoteen 2026 mennessä, mikä osoittaa betonin roolin elämässämme.

Tämä laajentuminen on ajettu rakennusalan kasvun sekä uusien rakennushankkeiden kasvavan sijoittamisen myötä maailmanlaajuisesti. Talouskasvu ja nopea kaupungistuminen myös vaikuttavat asuntojen ja liikerakennusten kasvavaan kysyntään maailmanlaajuisesti. Kun kaupungit kasvavat, myös infrastruktuurin tarve kasvaa, ja siten myös betonin tarve.

Vaikka tiedämme, että betonin kysyntä jatkuu ja on jatkunut vuosia, miksi se on niin suosittu alusta? Ja onko se aivan hyvä? No, selvitämmekin!

Beton: Maailman vaarallinen tarve

Ennen kuin ymmärrämme, mikä tekee betonista niin arvokkaan, katsotaan, mitä se oikein on. Se on sekoitus sementtiä (tai liitua), vettä ja aggregaatteja, jotka ovat joukko luonnollisia tai keinotekoisia hiukkasia, kuten hiekkaa, soraa tai murskattua kiveä.

Tässä sementti, joka on valmistettu seos kalsiumia, rautaa, piitä ja alumiinia sekä muita ainesosia, on sitova aine, joka antaa betonille kovettumisominaisuudet, kun taas vesi aktivoi sementin muodostamaan tiheän materiaalin.

Mikä tekee tästä yhdiste materiaalista niin arvokkaan, ovat sen ominaisuudet, kuten muovattavuus – kyky uuden sekoitetun betonin muotoiluun lähes mihin tahansa muotoon – ja kestävyys – se voi kestää monta vuotta. Tämä edullinen materiaali voidaan myös räätälöidä eri rakennustarpeisiin.

Muiden betonin houkuttelevien ominaisuuksien joukossa ovat sen helppokäyttöisyys, lujuus ja kyky kestää sekä raskaita kuormia ja puristusjännitystä että ankaria sääolosuhteita ja luonnonkatastrofeja, kuten maanjäristyksiä ja hurrikaaneja.

Sitten on betonin kyky säilyttää lämpöä, palonkestävyys ja helppo korjaus, jos vahinkoa tapahtuu. Kaikki nämä ominaisuudet tekevät sementistä erittäin arvokkaan tuotteen, joka johtaa sen käytön räjähdysmäiseen kasvuun.

Kun tulee betonin käyttötapauksiin, sillä on monia sovelluksia rakennusalan eri osa-alueilla. Betoni on itse asiassa eniten käytetty rakennusmateriaali maailmassa vedestä huolimatta. Se käytetään padon, siltojen, maanteiden, lentokenttien, teiden, kanavien, vesivarastojen ja päällysteiden rakentamiseen sekä asuinrakennuksiin, liikerakennuksiin ja muihin kantaviin rakenteisiin.

Yksinkertaisesti sanottuna, betoni on perusrakennusmateriaali, joka on keskeisessä asemassa maailman ympärillämme olevan infrastruktuurin muotoilussa.

Mutta se ei tarkoita, että betonilla on vain hyviä puolia. Itse asiassa se on erittäin vaarallista. Ensinnäkin, sementti on vastuussa 1,6 miljardista metrisestä tonnista hiilidioksidia (CO2), mikä vastaa noin 8 %:ia maailmanlaajuisista CO2-päästöistä. Laajan riippuvuuden rakennusalan sementistä korostaa sen valtavan hiilijalanjäljen.

Samaan aikaan tavallisen Portland-sementin (OPC) valmistus on vastuussa 5-8 %:ista maailmanlaajuisista antropogeenisista CO2-päästöistä. Kun se ekstrapoloidaan kaikkiin rakennusalan toimintoihin, viimeisimmän tutkimuksen mukaan lähes 40 %:ia energiankulutukseen liittyvistä CO2-päästöistä tulee tältä sektorilta, joka kuluttaa 36 %:ia maailman lopullisesta energiasta.

Tämä on erittäin huolestuttavaa, koska CO2-päästöt on arvioitu saavuttavan ennätyksellisen korkean 37,41 GtCO2:n. CO2-päästöt ovat myös ilmastonmuutoksen ensisijainen syy, ja IPCC:n mukaan ilmastonmuutos nykyisellä tasolla on arvioitu saavuttavan 1,5 °C:n ennen teollista aikakautta vuosien 2030 ja 2052 välillä.

Betonin ympäristövaikutusten vuoksi, kun sen vuosittainen kulutus on 30 miljardia tonnia ja on odotettavissa kasvavan jatkuvasti, on tärkeää, että kaikki, innovaattorit, organisaatiot ja hallitukset, käsittelevät tätä asiaa suoraan.

Rakennuksen edistäminen 3D-tulostuksella

Beton, kuten mainitsimme aiemmin, on välttämätön paha, koska vaikka sillä on joitakin hyviä puolia ja se on olennainen osa sivilisaatiota, se on myös erittäin haitallista planeetalle, joka jo kärsii metsien hävityksestä, ilmastonmuutoksesta, monimuotoisuuden menetyksestä ja paljon muusta.

Lisää betoni sekaan, ja asiat vain pahenevat. Mutta mitä jos on keino vastata tähän suositun rakennusmateriaalin haitallisiin vaikutuksiin? No, yksi keino on 3D-tulostus. Kyllä, sama menetelmä, jota käytetään taiteen, huonekalujen ja muiden kulutustavaroiden luomiseen, sekä oikeuslääketieteellisiin, proteettisiin ja kirurgisiin tarkoituksiin, muuttaa myös rakennusalan pelisäännöt.

3D-tulostus tai lisävalmistus, joka sisältää kolmiulotteisten esineiden luomisen digitaalisesta tiedostosta kerroksittain, on saavuttanut paljon huomiota sen hyötyjen vuoksi, kuten nopea prototyyppi, mukautuvuus, kustannussäästö, materiaalihävikin vähentäminen, innovaation edistäminen ja kestävyys.

Tämä teknologia on nyt käytössä rakennusalalla, mikä itsessään ei ole uutta, koska 3D-tulostusta on käytetty rakennusalalla jo useita vuosikymmeniä. Rakennusalan 3D-tulostuksen käyttö on kuitenkin kasvanut merkittävästi viime vuosina nopeuttaakseen prosessia, optimoidakseen materiaalinkäytön, tutkiakseen monimutkaisia suunnitelmia ja räätälöityjä rakenteita, helpottaakseen etärakentamista ja parantaakseen turvallisuutta.

Moninaiset 3D-tulostuksen hyödyt sisältävät myös lyhyemmät toimitusketjut paikallisen rakennuksen ansiosta ja merkittävästi vähennetyn työpaikkavaaran vuoksi vähennetyistä manuaalisten työntekijöiden tarpeista korkean riskin operaatioissa.

Tänä vuonna näimme maailman suurimman 3D-tulostetun naapuruston Texasissa lähellä valmistumistaan kahden vuoden rakennusajan jälkeen. 3D-tulostettu rakennusyhtiö ICON on vastuussa tästä hankkeesta.

Yksityinen yritys, ICON ei tulosta vain asuinrakennuksia, vaan se on myös mukana puolustus- ja avaruusrakentamisessa. Alle kymmenen vuoden takaisessa ICON:issa kerättiin yhteensä 451 miljoonan dollarin rahoitus, mikä on kasvattanut sen arvoa noin 2 miljardiin dollariin. Yritys on myös sopimukseen NASAn kanssa rakentamaan laskeutumisalueita, suojia ja muita rakenteita Kuuhun osana avaruusjärjestön Artemis-kuuohjelmaa.

Vuonna 2018 se rakensi ensimmäisen sallitun 350-neliöjalan 3D-tulostetun talon Yhdysvalloissa, joka valmistui vain kahdessa päivässä. Talo rakennettiin käyttäen betonia, koska ICO:n toimitusjohtaja Jason Ballard totesi:

“Se on yksi maailman kestävimmistä materiaaleista.”

Texasin yhteisössä yritys käyttää Vulcan-tulostinta, joka on samanlainen kuin tavallinen pöytätason 3D-tulostin, ja putkitsee kerroksittain. Vulcan-tulostimen ero on, että se on 45 jalkaa leveä ja painaa 4,75 tonnia.

Tulostusprosessissa betonijauhe sekoitetaan hiekan, veden ja muiden lisäaineiden kanssa ja sitten pumpataan tulostimeen. Betoniseos sitten purskutetaan ulos tulostimen suuttimesta, joka rakentaa kerroksittain ennalta ohjelmoitun mukaisesti.

Roboottitulostin on rakentanut 100 3D-tulostettua taloa, mitä se kutsuu maailman suurimmaksi 3D-tulostetuksi yhteisöksi. 3D-tulostuksen ollessa nopeampaa, halvempaa, vähentävää rakennusmateriaalihävikkiä ja vaativaa vähemmän työntekijöitä, se tuo “paljon tehokkuutta rakennusmarkkinoille”, kuten yritys toteaa.

Tämä on vain alku, kuten näkyy 3D-tulostusmarkkinan odotetusta kasvusta. Arvoltaan 5,5 miljardia dollaria viime vuonna, maailmanlaajuinen 3D-tulostusmarkkinan on arvioitu kasvavan 105,8 %:n vuosittaisella kasvuvauhtia ja saavuttavan valtavan 3,3 biljoonan dollarin arvon vuoteen 2032 mennessä.

Nämä luvut saattavat vaikuttaa hämmästyttäviltä aluksi, mutta kuten olemme aiemmin maininneet, 3D-tulostus voi olla potentiaalinen ratkaisu vakavaan asuntopulaan, mikä tekee triljoonan dollarin kohteen todelliseksi mahdollisuudeksi.

3D-tulostuksen suuren kiinnostuksen vuoksi on järkevää käyttää tätä teknologiaa muuttaaksesi rakennusmarkkinaa paremmaksi. Ja juuri sitä Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston (NTU) tutkijat tekevät.

Tutkijat menivät askelen eteenpäin tai syvemmälle 3D-tulostamalla itse betonin. Tähän he ovat kehittäneet 3D-betonitulostusmenetelmän, joka ottaa kaappaamaan hiilidioksidia, ja osoittaa uuden tavan vähentää rakennusalan ympäristövaikutuksia.

3D-tulostettu betoni, joka ottaa kaappaamaan CO2

NTU-tutkijat julkaisivat aiemmin tänä kuukausina tutkimuksensa “Hiilidioksidin kaappaus ja varastointi paikan päällä olevalla CO2:lla ja höyryllä integroidulla 3D-betonitulostuksella”.

Tutkimus kertoi innovatiivisesta menetelmästä, jolla pyritään vähentämään sementin hiilijalanjälkeä merkittävästi vähentämällä materiaalinkäyttöä, työvoiman tarvetta ja rakennusaikaa.

On myös ehdotettu, että kestävä kehitys 3D-betonitulostuksen kautta voi lisätä jopa 5 %:n globaalin energiankäytön vähennyksen. Nämä ympäristöhyödyt ovat mahdollisesti yhtä suuria kuin sen kyky sujuvoittaa rakennusprosesseja.

Betonin sekoittaminen CO2:han, kuten viimeisimmässä tutkimuksessa, on tehty aiemmin tavoitteena parantaa materiaalin laatua ja auttaa vähentämään sementin negatiivisia ympäristövaikutuksia.

Aikaisemmat tutkimukset ovat jo osoittaneet parannuksia betonin mekaanisissa ominaisuuksissa suoraan sekoittamalla CO2:ta ja altistamalla betonia CO2:lle tuotannossa hiilidioksidin karbonaatiohuoneissa “karbonaatiokuoren” muodostumisen vuoksi.

Aikaisemmat tutkimukset ovat raportoineet jopa 15-kertaisen kasvun läpäisyrityksessä ja jopa 1,16 %:n hiilidioksidin imeytymisessä vain puolessa tunnissa sekoittamalla CO2:ta sementtiin. Kiihdytetyn karbonaation parantamisen edelleen osoittivat 1,98-25,5 %:n hiilidioksidin imeytymisen.

Vaikka 3D-betonitulostuksen tutkimus on pääasiassa keskittynyt vihreän sementtisen sekoituksen suunnitteluun sen hiilijalanjäljen vähentämiseksi, viimeisin tutkimus huomautti, että vain muutamat ovat tarkastelleet jalostusmenetelmien edistämistä, erityisesti sen bulkkihiilidioksidin kaappaus- ja varastointikapasiteetin (CCS) parantamiseksi.

Tutkimukset sementtisten materiaalien karbonaatiosta, erityisesti vähäistä fokusointia syvyyksiin, tutkijat huomauttivat, ovat syynä siihen, että niiden skaalautuva toteutus herättää validiteettiongelmia. Muistakaamme, että kammiokonfinoitujen CCS-ratkaisujen rajoitukset ovat laitteiston ja energiankulutuksen suhteen, kun sovelletaan 3DCP:hen.

Tämä luo tarpeen kehittää keinotekoinen karbonaatioprosessi 3D-betonitulostukselle, joka menee perinteisten käsittelymenetelmien ulkopuolelle.

Tämän seurauksena NTU-tutkijat kehittivät uuden prosessin tutkimaan sen tehokkuutta hiilidioksidin kaappauksessa.

Uusi teknologia sisältää kaksiportaisen ekstrusiopohjaisen järjestelmän. Ensimmäinen vaihe on CO2:n ja höyryn injektointi sekoittuvaan betoniin. Seos ottaa suoraan ja varastoi CO2:ta betonirakenteeseen. Kyseessä oleva CO2 ja höyry kaapataan teollisten prosessien sivutuotteina.

Tämä uusi lähestymistapa osoitti 38,2 %:n kasvun bulkkihiilidioksidin otossa, tarjoamalla toisen tavan saavuttaa päästörajoitukset 3D-tulostamalla betonia.

Omisteinen tulostuspään liite, joka mahdollistaa kaasumaisen ja nestemäisen lisäaineiden säädelmän injektion, pyrkii ratkaisemaan automaattisen rakennuksen keskeisen ympäristönsuojelun ongelman. Se myös ratkaisee asetusaikavaatimusten ongelman, mutta ennen kaikkea, puuttuvien CCS-ratkaisujen saatavuuden, jotka ovat yhteensopivia 3D-betonitulostuksen kanssa.

Uusi tapa vähentää sementin hiilijalanjälkeä, mutta se on myös osoittanut parantavansa betonin mekaanisia ominaisuuksia. Tämä tarjoaa suuren voiman rakenteelle verrattuna perinteiseen 3D-tulostettuun betoniin.

Tutkimusraportin mukaan CO2:n ja höyryn integrointi johti jopa 50 %:n kasvuun 3D-tulostettavuudessa, 45,3 %:n kasvuun taivutuslujuudessa ja 36,8 %:n kasvuun puristuslujuudessa.

Tutkijat totesivat, että näytteet, jotka altistettiin CO2-höyryintegroituun tulostukseen ja avoimeen ilman kuivaukseen, saivat korkeimman hiilidioksidin otoksen. Tutkijoiden mukaan:

“Esitetty ratkaisu tarjoaa lupaavan tien decarbonisoidun rakennuksen kohti ja laajentaa vaihtoehtoja CCS:lle perinteisten rajoitettujen käsittelymenetelmien ulkopuolelle.”

Tutkijaryhmä korosti tulostuskonfiguraatioiden, sekoitussuunnitelmien ja puhdistetun hiilidioksidin syötön vähentämisen mahdollisina tulevaisuuden tutkimuskohteina.

Sijoitettava yhtiö 3D-tulostuksen alalla

Nyt katsotaan yksi julkisesti noteerattu yhtiö, joka on mukana 3D-tulostusmarkkinassa, joka on arvioitu olevan 17,5 miljardin dollarin arvoinen vuonna 2024 ja joka on arvioitu kasvavan 16,4 %:n vuosittaisella kasvuvauhtia 37,4 miljardiin dollariin seuraavien viiden vuoden aikana, joka edistää alan kehitystä ja auttaa muuttamaan maailmaa paremmaksi.

1. Stratasys Ltd. (SSYS )

Stratasys on tunnettu nimi 3D-tulostuksen alalla, ja se tarjoaa ratkaisuja useille aloille. Yhtiön teknologiat ovat vaikuttaneet 3D-tulostuksen kehitykseen.

689,5 miljoonan dollarin markkina-arvolla Stratasysilla on osakkeensa tällä hetkellä kaupan 9,66 dollarissa, mikä on laskenut 32,35 %:lla tänä vuonna. Yhtiöllä on EPS (TTM) -1,32 ja P/E (TTM) -7,30.

Vuoden 2024 kolmannen neljänneksen osalta Stratasys ilmoitti 140,0 miljoonan dollarin liikevaihdon, joka oli ylittänyt 162,1 miljoonan dollarin liikevaihdon edellisvuoden vastaavasta neljänneksestä. Nämä luvut osoittavat, että yhtiön toistuva kulutusliikevaihto on kasvanut joka neljännes vuoden 2024 alusta lähtien, mikä “heijastaa jatkuvasti vahvaa tulostimen käyttöä”.

Stratasysin GAAP-kate oli 44,8 %, kun taas yhtiön GAAP-nettotappio oli 26,6 miljoonaa dollaria, ja non-GAAP-nettovoitto alkoi saavuttaa kannattavuutta. 4,5 miljoonaa dollaria käytettiin operatiivisiin toimiin, ja vuoden alusta lähtien operatiivinen kassavirta on edelleen positiivinen.

Näiden vahvojen lukujen ansiosta Stratasys korotti vuoden 2024 tulosennustettaan. Sen mukaan se ilmoitti 580 miljoonan dollarin liikevaihdon, 570 miljoonan dollarin liikevaihdon, 5 miljoonan dollarin non-GAAP-nettovoiton ja 20 miljoonan dollarin käyttöomaisuusrakennusmenot.

“Olemme onnistuneet muuttamaan yhtiötä kustannusoptimoimalla ja keskittymällä korkeamman kasvun mahdollisuuksiin.”

– Toimitusjohtaja Dr. Yoav Zeif sanoi tuolloin

Hän lisäsi, että yhtiön pääasiallinen F3300-alusta saa paljon huomiota, kun se jatkaa laajentumistaan tärkeimpiin kohderyhmiin, kuten terveydenhuoltoon, autoalaan ja ilmailuun.

Toimitusjohtaja Zeif totesi, että yhtiön uudelleenjärjestelysuunnitelma tuo 40 miljoonan dollarin vuosittaisen kustannussäästön seuraavasta vuodesta lähtien.

“Olemme hyvin asemassa toimittamaan lisääntynyttä liikevaihtoa, kannattavuutta ja kassavirtaa vuonna 2025, jotta voimme vastata markkinoiden parantuvaa tilannetta.”

– Dr. Zeif

Klikkaa tästä, niin opit kaiken Stratasys Ltd.:iin sijoittamisesta.

Johtopäätös

Beton on ollut vuosisatojen ajan inhimillisen kehityksen kulmakivi, mutta se ei ole vailla vaarojaan. Betonin ympäristövaikutukset ovat muodostumassa vakavaksi huolenaiheeksi, mikä luo kiireellisen tarpeen löytää parempia ratkaisuja. NTU-tutkijoiden viimeisin teknologia on yksi tällainen kehitys, joka on menossa oikeaan suuntaan. 3D-betonitulostuksen avulla voidaan muuttaa perinteisiä toimintoja ja edistää kestävyyttä.

Kun maailma kamppailee kaupungistumisen ja ilmastonmuutoksen kanssa, innovaatiot kuten 3D-betonitulostus voivat auttaa maailmaa täyttämään kasvavan ja monimutkaisen rakennuksen tarpeita vähentäen samalla sen haitallisia vaikutuksia. Vaikka haasteita on jäljellä skaalautuvuuden ja standardisoinnin suhteen, teknologian parantuessa ja laajamittaisen omaksumisen myötä 3D-tulostus voi pelata avainroolin huomisen infrastruktuurin muotoilussa.

Klikkaa tästä, niin näet luettelon kymmenestä parhaasta lisävalmistus- ja 3D-tulostusosakkeesta.