Kan 3D‑printet betong redde miljøet?

Betong er overalt rundt oss. Fra hus, kontorer og skolebygninger til butikker, dammer, broer, fortau og veier, hjelper betong med å bygge strukturer som vi bruker hver dag. 

Det er på ingen måte et nytt materiale. Faktisk går de tidligste registreringene av betongkonstruksjoner tilbake til 6500 f.Kr. i områder i Syria og Jordan. Så har vi selvfølgelig romerne som gjorde omfattende bruk av betong i sine byggverk. Og nå, milliarder av år senere, står mange av disse strukturene fortsatt stolte i dag.

Gjennom årene har bruken av betong bare vokst, med det globale betongmarkedet på $687.2 milliarder i 2021. Det forventes videre å vokse til $821.6 milliarder innen 2026, noe som demonstrerer hvilken rolle betong spiller i livene våre. 

Denne ekspansjonen drives av veksten i byggebransjen samt økende investeringer i nye byggeprosjekter rundt om i verden. Økonomisk vekst og rask urbanisering bidrar også til den økende etterspørselen etter bolig- og næringskomplekser globalt. Etter hvert som byene vokser, øker også behovet for infrastruktur og dermed behovet for betong.

Selv om vi vet at det er en vedvarende etterspørsel etter sement, og den har eksistert i århundrer, hvorfor er den så populær i utgangspunktet? Og er den helt god? La oss finne ut av det!

Betong: Verdens farlige behov

Før vi forstår hva som gjør betong så verdifull, la oss se hva den egentlig er. Det er en blanding av sement (eller kalk), vann og tilslag, som er et sett av naturlige eller kunstige partikler som sand, grus eller knust stein. 

Her er sement, som er en fremstilt blanding av kalsium, jern, silisium og aluminium, blant andre ingredienser, bindemiddelet som gir betong herdeegenskaper, mens vann aktiverer sementen for å danne et tett materiale. 

Det som gjør dette sammensatte materialet så verdifullt er egenskapene, inkludert formbarhet – evnen til nyblandet betong til å formes til nesten hvilken som helst form – og holdbarhet – som betyr at den kan vare i mange år. Dette rimelige materialet kan også tilpasses for å møte ulike byggebehov.

Andre attraktive egenskaper ved betong inkluderer dens brukervennlighet, styrke, og evne til å tåle ikke bare tunge belastninger og trykkspenning, men også tøffe værforhold og naturkatastrofer som jordskjelv og orkaner.

I tillegg har betong evnen til å holde på varme, er brannbestandig, og er lett å reparere dersom skade oppstår. Alle disse egenskapene gjør sement til et svært verdifullt produkt, noe som får bruken til å skyte i været.

Når det gjelder betongens bruksområder, har den ulike anvendelser i byggebransjen. Betong er faktisk det mest brukte byggematerialet i verden etter vann. Den brukes til å bygge dammer, broer, motorveier, flyplasser, veier, kanaler, reservoarer og veidekke, samt boliger, næringskomplekser og andre bærende strukturer.

Kort sagt er betong et grunnleggende materiale i bygging, og spiller en avgjørende rolle i å forme infrastrukturen rundt oss. 

Men det betyr ikke at betong kun har fordeler. Faktisk er den ekstremt farlig. 

For det første er sement ansvarlig for 1.6 billion metric tonnes karbondioksid (CO2), som utgjør omtrent 8 % av de globale CO2-utslippene. Og den omfattende avhengigheten i byggebransjen av sement forverrer dens enorme karbonavtrykk.

Samtidig er produksjonen av vanlig Portlandsement (OPC) ansvarlig for 5 % til 8 % av globale antropogene CO2-utslipp. Når dette ekstrapoleres til all byggeaktivitet, viser den siste research et alarmerende bilde, med nesten 40 % av energirelaterte CO2-utslipp som kommer fra denne sektoren, som forbruker 36 % av verdens endelige energi.

Dette er svært bekymringsfullt fordi CO2-utslipp are projected to reach a record high of 37.41 GtCO2. CO2-utslipp er også den primære årsaken til global oppvarming, og ifølge IPCC forventes global oppvarming på nåværende nivå å nå 1.5 °C over førindustrielt nivå mellom 2030 og 2052.

Gitt de miljømessige konsekvensene av betong, mens det årlige forbruket beløper seg til 30 milliarder tonn og is expected to rise perpetually, it’s important that everyone, from innovators to organizations and government, address this issue head‑on.

Fremme av bygging med 3D‑utskrift 

Betong, som vi nevnte ovenfor, er et nødvendig onde fordi selv om den har noen store fordeler og er avgjørende for sivilisasjonen, er den virkelig skadelig for planeten, som allerede håndterer avskogning, klimaendringer, tap av biologisk mangfold og mye mer. 

Legg til betong i blandingen, og ting vil just get worse. Men hva om det finnes en måte å takle de skadelige effektene av dette populære byggematerialet på? 

Vel, for det første utvikler betongen seg for å møte verdens komplekse og avanserte behov. Som vi tidligere delte, blir avanserte materialer som grafen og hamp i økende grad brukt i byggematerialer. Selv karbonfri sement produseres ved å erstatte kalkstein eller bruke kalkstein basert på fossilt brensel.

Det finnes en annen løsning, og det er 3D‑utskrift. Nettopp! Den samme metoden som being used to create art, furniture, and other consumer products, along with forensics, prosthetics, and surgery, is also changing the game for construction. 

3D‑utskrift eller additiv produksjon, som innebærer å lage tredimensjonale objekter fra en digital fil ved å legge lag av materiale, har fått stor oppmerksomhet takket være fordelene med rask prototyping, tilpasning, kostnadsbesparelser, reduksjon av materialavfall, fremming av innovasjon og bærekraft. 

Denne teknologien blir nå being utilized i bygging, noe som i seg selv ikke er nytt, siden 3D‑utskrift først ble brukt i bygging many decades ago. Imidlertid har bruken av 3D‑utskrift vokst betydelig de siste årene for å akselerere prosessen kraftig, optimalisere materialbruk, utforske intrikate design og skreddersydde strukturer, legge til rette for fjernbygging og forbedre sikkerheten.

De mangefasetterte fordelene med 3D‑utskrift inkluderer også kortere forsyningskjeder på grunn av bygging på stedet og en betydelig reduksjon i arbeidsplassfarer på grunn av redusert behov for manuelt arbeid i høy‑risiko operasjoner.

I år så vi faktisk verdens største 3D‑printede nabolag i Texas near its completion etter to år med bygging. 3D‑printingsfirmaet ICON står bak dette prosjektet.

Et privat selskap, ICON, printer ikke bare boliger, men er også involvert i forsvar og bygging utenfor jorden. For mindre enn et tiår siden reiste ICON totalt $451 million, noe som har økt verdsettelsen til omtrent $2 billion. The company is actually contracted by NASA to build landing pads, shelters, and other structures on the Moon as part of the agency’s Artemis Moon exploration program.

In 2018, it built the first permitted 350-square-foot 3D-printed home in the U.S., which only took two days. The house was built using concrete because, as ICO CEO Jason Ballard stated:

“It’s one of the most resilient materials on Earth.”

For sitt Texas‑samfunn bruker selskapet sin Vulcan‑printer, som ligner en vanlig skrivebord‑3D‑printer, og legger lag for lag. Forskjellen med denne Vulcan‑printeren er at den er 45 fot bred og veier 4.75 tons. 

Når det gjelder prosessen, blandes betongpulver med sand, vann og andre tilsetningsstoffer og pumpes deretter inn i printeren. Betongblandingen blir deretter presset ut av en dyse på en børste, som bygger lag for lag etter en forhåndsprogrammert bane.

Den robotiske printeren har bygget 100 3D‑printede hus i det den beskriver som verdens største 3D‑printede samfunn. Med 3D‑utskrift som er raskere, billigere, minimerer byggematerialavfall og krever færre arbeidere, bringer den «mye effektivitet til handelsmarkedet», ifølge selskapet.

Dette is just the beginning, though, as evident from the growth the 3D printing construction market is expected to see. Valued at $5.5 billion last year, the global 3D printing construction market is projected to grow at a CAGR of 105.8% to reach a whopping $3.3 trillion by 2032. 

Disse tallene kan virke svimlende ved første øyekast, men som vi delte i vår forrige artikkel, kan 3D‑utskrift bli en potensiell løsning på det alvorlige problemet med boligmangel, noe som gjør trillion‑dollarmålet til en reell mulighet.

Gitt den enorme interessen for 3D‑printingsbygging, gir det også mening å bruke denne teknologien til å forbedre byggemarkedet. Og det er akkurat det forskere fra Nanyang Technological University (NTU) i Singapore gjør.

Forskerne gikk enda ett steg videre ved å 3D‑printe selve betongen. For dette har de utviklet en 3D‑betong‑utskriftsmetode som fanger karbon, og viser en ny måte å redusere byggindustriens miljøpåvirkning på.

Klikk her for å lære om 3D‑utskrift kan hjelpe oss med å takle boligmangelen.

3D‑utskrift av betong som fanger CO2

Tidligere denne måneden publiserte NTU‑forskerne sin forskning om “Carbon capture and sequestration with in-situ CO2 and steam-integrated 3D concrete printing.”

Forskningen detaljert den innovative metoden som har som mål å redusere sementens karbonavtrykk betydelig ved å kutte materialbruk, arbeidskraftbehov og byggetid. 

Det is also suggested that sustainable development through 3D concrete printing may add as much as 5% reductions in global energy usage. These environmental benefits are potentially equal to its ability to streamline construction processes. 

Imidlertid har blanding av CO2 i betong, som den siste studien gjør, blitt gjort tidligere med mål om å forbedre materialets kvalitet og bidra til å redusere sementens negative miljøpåvirkning.

Tidlige studier har allerede vist forbedringer i betongens mekaniske egenskaper gjennom direkte batch‑blanding med CO2 og ved å eksponere betong for CO2 under produksjon i karboniseringskamre, på grunn av dannelsen av et “carbonation shell.” 

Tidligere studier har rapportert en nesten 15‑ganger økning i penetrasjonsmotstand og opptil 1.16% carbon absorption in just half an hour of mixing mortar with CO2. Adjusting the accelerated carbonation curing (ACC) further showed a 1.98–25.5% carbon absorption.

Mens forskning på 3D‑betong‑utskrift i stor grad har fokusert på å designe grønne sementblandinger for å redusere karbonavtrykket, bemerket den siste studien at noen få har vurdert å videreutvikle prosesseringsteknologier, spesielt for å forbedre bulk‑karbonfangst‑ og lagringskapasiteten (CCS). 

Studier på karbonatisering av sementholdige materialer, spesielt den minimale fokuseringen på dybder, påpekte forskerne, er grunnen til at deres skalerte implementering reiser gyldighetsbekymringer. I tillegg møter kammer‑begrensede CCS‑løsninger begrensninger i maskinvare og energiforbruk når de brukes med 3DCP. Som et resultat blir fordelene med skalerbar, automatisert og på‑sted bygging are compromised.

Dette creates a need to develop an artificial carbonation process for 3D concrete printing that goes beyond traditional curing techniques.

Som et resultat utviklet NTU‑forskerne en ny prosess for å studere dens effektivitet i å lagre karbondioksid.

Den nyutviklede teknologien involverer et to‑trinns ekstruderingsbasert system. Første trinn er injeksjon av CO2 og damp i den blandende betongen. Blandingen inkorporerer og lagrer deretter CO2 direkte i betongstrukturen. CO2‑en og dampen i spørsmålet are captured as the by‑products of industrial processes. 

Denne nye tilnærmingen viste en økning på 38.2% i bulk‑karbonopptak, og tilbyr enda en måte å oppnå avkarbonisert bygging ved 3D‑utskrift av betong.

Designen av den proprietære printhead‑tillegget, som muliggjør regulert injeksjon av gass‑ og væsketilsetningsstoffer, tar sikte på å løse det kritiske problemet med miljømessig bærekraft i automatisert bygging. Den adresserer også behovet for on‑demand herdning, men viktigst av alt, mangelen på lett tilgjengelige CCS‑løsninger som er kompatible med 3D‑betong‑utskrift.

Den nye metoden reduserer ikke bare sementens karbonavtrykk, men har også vist seg å forbedre betongens mekaniske egenskaper. This, in turn, offers great strength to the structure in comparison to traditional 3D‑printed concrete.

Ifølge forskningspapiret resulterte CO2‑ og damp‑integrasjonen i en økning på opptil 50% i 3D‑printbarhet, 45.3% i bøyningsstyrke og 36.8% i trykkstyrke. 

Forskerne konkluderte med at prøvene som were exposed to CO2‑steam integrated printing and open‑air curing got the highest carbon uptake. According to the researchers:

“The presented solution offers a promising pathway towards decarbonized construction while expanding viable options for CCS beyond traditional confined curing methods.”

Teamet påpekte videre optimalisering av utskriftskonfigurasjoner, blandingsdesign og injeksjon av røkgasser for å redusere avfall av ren karbondioksid som råmateriale som mulige områder for fremtidig forskning.

Investeringsverdig selskap i 3D‑utskriftssektoren

La oss nå se på et børsnotert selskap som er involvert i 3D‑utskriftsmarkedet, som er estimert til å være verdt $17.5 billion in 2024 og is projected to grow at a CAGR of 16.4% to $37.4 billion in the next five years, that’s making advances in the sector and helping change the world for the better.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys er et populært navn i 3D‑utskriftssektoren, og de leverer løsninger på tvers av flere sektorer. Teknologier fra selskapet har bidratt til fremskritt innen 3D‑utskriftsfeltet. 

Med en markedsverdi på $689.5 million market cap, Stratasys has its shares currently trading at $9.66, down 32.35% this year. The company has an EPS (TTM) of -1.32 and a P/E (TTM) of -7.30.

For Q3 of 2024, Stratasys reported revenue of $140.0 million, up from $162.1 million recorded in the same quarter last year. With these numbers, the company’s recurring consumables revenue has been seeing year‑over‑year growth for eight straight quarters now, which it stated “reflects continued strong printer utilization.”

Veksten i Stratasys’ GAAP-bruttomargin forbedret seg til 44.8%, mens GAAP-netttapet beløp seg til $26.6 million, og non‑GAAP-nettinntekt begynte å oppnå lønnsomhet. $4.5 million of cash was reported to be used in operations, and YTD’s operating cash flow remains positive.

Med disse sterke tallene hevet Stratasys sin utsikt for hele 2024. I henhold til dette rapporterte selskapet $580 mln in revenue of $570 million, Non‑GAAP net income of $5 million, and capital expenditures of $20 million.

“We have successfully begun to transform the company through cost optimization and by focusing on higher‑growth opportunities.”

– CEO Dr. Yoav Zeif said at the time

He further noted that the company’s main F3300 platform is getting a lot of attention while it continues to expand into its main target sectors, including healthcare, automotive, and aerospace.

According to Dr. Zeif, the company’s restructuring plan will help deliver $40 million in annual cost savings from next year.

“We are well‑positioned to deliver increased revenue growth, profitability and cash flow in 2025, to address the pent‑up demand once market conditions improve.”

– Dr. Zeif

Klikk her for å lære alt om investering i Stratasys Ltd. (SSYS )

Konklusjon

Betong har vært en hjørnestein i menneskelig utvikning i århundrer, men den er ikke uten farer. Betongs miljøpåvirkning blir en alvorlig bekymring, og skaper et presserende behov for å finne bedre løsninger. Den nyeste teknologien fra NTU‑forskerne er en slik utvikling som går i riktig retning. Ved å bruke prinsipper fra additiv produksjon har 3D‑betong‑utskrift redefinert tradisjonelle prosesser og fremmet bærekraft. 

Etter hvert som verden sliter med urban ekspansjon og klimaendringer, kan innovasjoner som 3D‑betong‑utskrift hjelpe verden med å møte de voksende og komplekse byggebehovene samtidig som de demper de skadelige effektene. Og selv om utfordringer gjenstår med skalering og standardisering, vil 3D‑utskrift over tid, etter hvert som teknologien forbedres og tas i bred bruk, kunne spille en nøkkelrolle i å forme morgendagens infrastruktur.

Klikk her for en liste over de beste aksjene innen additiv produksjon og 3D‑utskrift.