Kan 3D‑printad betong rädda miljön?

Betong finns överallt omkring oss. Från hus, kontor och skolbyggnader till affärer, dammar, broar, trottoarer och vägar hjälper betong till att bygga strukturer som vi använder varje dag. 

Det är inte ett nytt material på något sätt. Faktum är att de tidigaste registreringarna av betongkonstruktioner går tillbaka till 6500 f.Kr. i regionerna Syrien och Jordanien. Sedan har vi naturligtvis romarna som använde betong i stor omfattning i sin byggnation. Och nu, miljontals år senare, står många av dessa strukturer fortfarande stolta idag.

Genom åren har användningen av betong bara ökat, med den globala betongmarknaden på $687,2 miljarder år 2021. Den förväntas dessutom växa till $821,6 miljarder år 2026, vilket visar den roll betong spelar i våra liv. 

Denna expansion drivs av tillväxten inom byggindustrin samt ökade investeringar i nya byggprojekt världen över. Ekonomisk tillväxt och snabb urbanisering bidrar också till den ökande efterfrågan på bostads‑ och kommersiella komplex globalt. När städerna växer ökar också behovet av infrastruktur och därmed behovet av betong.

Även om vi vet att efterfrågan på cement fortsätter och har gjort det i århundraden, varför är den så populär från början? Och är allt bara bra? Låt oss ta reda på det!

Betong: Världens farliga behov

Innan vi förstår vad som gör betong så värdefull, låt oss se vad den exakt är. Det är en blandning av cement (eller kalk), vatten och aggregat, som är en uppsättning naturliga eller artificiella partiklar som sand, grus eller krossad sten. 

Här är cement, som är en tillverkad blandning av kalcium, järn, kisel och aluminium, bland andra ingredienser, bindemedlet som ger betongen dess härdningsegenskaper, medan vatten aktiverar cementen för att bilda ett tätt material. 

Det som gör detta kompositematerial så värdefullt är dess egenskaper, inklusive formbarhet – förmågan hos nyblandad betong att formas till nästan vilken form som helst – och hållbarhet – vilket betyder att den kan hålla i många år. Detta prisvärda material kan dessutom anpassas för att möta olika byggbehov.

Andra attraktiva egenskaper hos betong inkluderar dess användarvänlighet, styrka och förmåga att tåla inte bara tunga belastningar och tryckspänning utan även hårda väderförhållanden och naturkatastrofer som jordbävningar och orkaner.

Dessutom har betong förmågan att behålla värme, är brandsäker och lätt att reparera om skador uppstår. Alla dessa egenskaper gör cement till en mycket värdefull produkt, vilket får dess användning att skjuta i höjden.

När det gäller betongs användningsområden har den olika tillämpningar inom byggindustrin. Betong är faktiskt det mest använda byggmaterialet i världen efter vatten. Den används för att bygga dammar, broar, motorvägar, flygplatser, vägar, kanaler, reservoarer och trottoarer, samt bostadshus, kommersiella komplex och andra bärande strukturer.

Enkelt uttryckt är betong ett grundläggande material i byggandet och spelar en avgörande roll i att forma infrastrukturen omkring oss. 

Men det betyder inte att betong bara har fördelar. Faktum är att den är extremt farlig. 

Till att börja med är cement ansvarig för 1,6 miljarder ton koldioxid (CO2), vilket motsvarar cirka 8 % av de globala CO2‑utsläppen. Och den omfattande beroendet av byggsektorn på cement förvärrar dess enorma koldioxidavtryck.

Samtidigt är tillverkningen av vanlig Portlandcement (OPC) ansvarig för 5 % till 8 % av de globala antropogena CO2‑utsläppen. När man extrapolerar för alla byggrelaterade aktiviteter visar den senaste forskningen en alarmerande bild, med nästan 40 % av energirelaterade CO2‑utsläpp som kommer från denna sektor, som förbrukar 36 % av världens slutliga energi.

Detta är extremt oroande eftersom CO2‑utsläppen förväntas nå ett rekordhögt värde på 37,41 GtCO2. CO2‑utsläpp är också den främsta orsaken till den globala uppvärmningen, och enligt IPCC förväntas den globala uppvärmningen på sin nuvarande takt nå 1,5 °C över förindustriella nivåer mellan 2030 och 2052.

Med tanke på betongs miljökonsekvenser, medan dess årliga konsumtion uppgår till 30 miljarder ton och förväntas fortsätta öka, är det viktigt att alla, från innovatörer till organisationer och regeringar, tar itu med detta problem direkt.

Framsteg inom byggande med 3D‑utskrift 

Betong, som vi nämnde ovan, är ett nödvändigt ont eftersom den, trots sina stora fördelar och sin avgörande betydelse för civilisationen, är mycket skadlig för planeten, som redan kämpar med avskogning, klimatförändringar, förlust av biologisk mångfald och mycket mer. 

Lägg till betong i blandningen, och saker och ting blir bara värre. Men vad om det finns ett sätt att bemöta de skadliga effekterna av detta populära byggmaterial? 

Jo, för det första utvecklas betongen för att möta världens komplexa och avancerade behov. Som vi tidigare nämnt används avancerade material som grafen och hampa i allt större utsträckning i byggmaterial. Till och med kolfri cement produceras genom att ersätta kalksten eller använda kalksten baserad på fossila bränslen.

Det finns en annan lösning, och det är 3D‑utskrift. Precis! Samma metod som används för att skapa konst, möbler och andra konsumentprodukter, samt för forensik, proteser och kirurgi, förändrar också spelplanen för byggandet. 

3D‑utskrift eller additiv tillverkning, som innebär att skapa tredimensionella objekt från en digital fil genom att lägga lager av material, har fått stort genomslag tack vare fördelarna med snabb prototypframtagning, anpassning, kostnadsbesparingar, minskat materialavfall, främjande av innovation och hållbarhet. 

Denna teknik används nu i byggandet, vilket i sig inte är något nytt, eftersom 3D‑utskrift först användes i byggbranschen för många decennier sedan. Dock har användningen av 3D‑utskrift vuxit avsevärt de senaste åren för att påskynda processen markant, optimera materialanvändning, utforska intrikata designer och skräddarsydda strukturer, underlätta fjärrbyggnation och förbättra säkerheten.

De mångsidiga fördelarna med 3D‑utskrift inkluderar dessutom kortare leveranskedjor tack vare byggande på plats och en betydande minskning av arbetsplatsrisker på grund av minskat behov av manuellt arbete i högriskoperationer.

I år såg vi faktiskt världens största 3D‑printade bostadsområde i Texas nära slutförandet efter två år i byggfasen. Byggföretaget ICON, som arbetar med 3D‑utskrift, ligger bakom detta projekt.

Det privata företaget ICON skriver inte bara ut bostadshus utan är också involverat i försvar och konstruktion utanför jorden. För mindre än ett decennium sedan samlade ICON in totalt $451 miljoner, vilket har ökat dess värdering till cirka $2 miljarder. Företaget har faktiskt ett kontrakt med NASA för att bygga landningsplattor, skyddsrum och andra strukturer på månen som en del av myndighetens Artemis‑månutforskningsprogram.

År 2018 byggde det det första godkända 350 kvadratfot stora 3D‑printade huset i USA, vilket tog bara två dagar. Huset byggdes med betong eftersom, som ICO:s VD Jason Ballard uttalade:

“Det är ett av de mest motståndskraftiga materialen på jorden.”

För sitt Texas‑samhälle använder företaget sin Vulcan‑skrivare, som liknar en vanlig skrivbords‑3D‑skrivare, och bygger lager för lager. Skillnaden med denna Vulcan‑skrivare är att den är 45 fot bred och väger 4,75 ton. 

När det gäller processen blandas betongpulver med sand, vatten och andra tillsatser och pumpas sedan in i skrivaren. Betongblandningen pressas sedan ut genom ett munstycke på en borste, som bygger lager för lager enligt en förprogrammerad bana.

Den robotiserade skrivaren har byggt 100 3D‑printade hus i det som den beskriver som världens största 3D‑printade samhälle. Eftersom 3D‑utskrift är snabbare, billigare, minskar byggmaterialavfall och kräver färre arbetare, ger den enligt företaget “mycket effektivitet till branschen”.

Detta är dock bara början, vilket framgår av den förväntade tillväxten i marknaden för 3D‑utskrift inom byggandet. Värderad till $5,5 miljarder förra året, förväntas den globala marknaden för 3D‑utskrift inom byggandet växa med en CAGR på 105,8 % och nå hela $3.3 trillion by 2032.

Dessa siffror kan först verka häpnadsväckande, men som vi delade i vår föregående artikel kan 3D‑utskrift bli en potentiell lösning på det allvarliga bostadsbristproblemet, vilket gör det biljonmål en verklig möjlighet.

Med tanke på det enorma intresset för 3D‑utskrift inom byggandet är det också logiskt att använda denna teknik för att förbättra byggmarknaden. Och det är precis vad forskare från Nanyang Technological University (NTU) i Singapore gör.

Forskarnas gick ännu ett steg längre genom att 3D‑printa själva betongen. För detta har de utvecklat en 3D‑betongutskriftmetod som fångar koldioxid, vilket visar ett nytt sätt att minska byggindustrins miljöpåverkan.

Klicka här för att lära dig om 3D‑utskrift kan hjälpa oss att lösa bostadsbristen.

3D‑utskrift av betong som fångar CO2

Tidigare i denna månad publicerade NTU‑forskare sin forskning om “Koldioxidinfångning och lagring med in‑situ CO2‑ och ångintegrerad 3D‑betongutskrift”.

Forskningen beskrev den innovativa metoden som syftar till att kraftigt minska cementets koldioxidavtryck genom att minska materialanvändning, arbetskraftsbehov och byggtid. 

Det föreslås också att hållbar utveckling genom 3D‑betongutskrift kan bidra med upp till 5 % minskning av den globala energianvändningen. Dessa miljöfördelar är potentiellt lika stora som dess förmåga att effektivisera byggprocesser. 

Att blanda CO2 i betong, som den senaste studien gör, har dock gjorts tidigare med syftet att förbättra materialets kvalitet och hjälpa till att minska cementens negativa miljöpåverkan.

Tidiga studier har redan visat förbättringar i betongens mekaniska egenskaper genom direkt batchblandning med CO2 och genom att utsätta betong för CO2 under produktionen i karboniseringskammare, vilket bildar ett “karbonatiseringsskal”. 

Tidigare studier har rapporterat en nästan 15‑faldig ökning av penetrationsmotståndet och upp till 1,16 % kolabsorptionsgrad på bara en halvtimme av blandning av murbruk med CO2. Justering av den accelererade karbonatiseringshärdningen (ACC) visade dessutom en kolabsorption på 1,98–25,5 %.

Medan forskningen om 3D‑betongutskrift huvudsakligen har fokuserat på att designa gröna cementblandningar för att minska dess koldioxidavtryck, noterade den senaste studien att några har övervägt att utveckla bearbetningstekniker, särskilt för att förbättra dess massiva koldioxidinfångning och lagringskapacitet (CCS). 

Studier om karbonatisering av cementhaltiga material, särskilt den begränsade fokusen på djup, påpekade forskarna, är anledningen till att deras skalerade implementering väcker giltighetsfrågor. Dessutom har kammarkonstruerade CCS‑lösningar begränsningar i hårdvara och energiförbrukning när de tillämpas med 3DCP. Som ett resultat komprometteras fördelarna med skalbar, automatiserad och byggnation på plats. 

Detta skapar ett behov av att utveckla en artificiell karboniseringsprocess för 3D‑betongutskrift som går bortom traditionella härdningstekniker.

Som ett resultat utvecklade NTU‑forskarna en ny process för att studera dess effektivitet vid koldioxidlagring.

Den nyutvecklade tekniken involverar ett tvåstegs extruderingsbaserat system. Det första steget är att injicera CO2 och ånga i den blandade betongen. Blandningen införlivar och lagrar sedan CO2 direkt i betongstrukturen. CO2 och ånga i fråga fångas upp som biprodukter från industriella processer. 

Detta nya tillvägagångssätt visade en ökning på 38,2 % i massiva kolupptag, vilket erbjuder ytterligare ett sätt att uppnå avkarboniserat byggande genom 3D‑utskrift av betong.

Designen av den proprietära skrivhuvudstillbehöret, som möjliggör reglerad injicering av gasformiga och flytande tillsatser, syftar till att ta itu med den kritiska frågan om miljömässig hållbarhet inom automatiserad byggnation. Det adresserar även behovet av efterfrågebaserad härdning men, viktigast av allt, bristen på lättillgängliga CCS‑lösningar som är kompatibla med 3D‑betongutskrift.

Den nya metoden minskar inte bara cementets koldioxidavtryck, utan har också visat sig förbättra betongens mekaniska egenskaper. Detta ger i sin tur stor styrka åt strukturen jämfört med traditionell 3D‑printad betong.

Enligt forskningsrapporten resulterade CO2‑ och ångintegrationen i en ökning på upp till 50 % i 3D‑utskriftsbarhet, 45,3 % i böjhållfasthet och 36,8 % i tryckhållfasthet. 

Forskarnas slutsats var att de prover som utsattes för CO2‑ångintegrerad utskrift och härdning i öppen luft fick den högsta kolupptaget. Enligt forskarna:

“Den presenterade lösningen erbjuder en lovande väg mot avkarboniserat byggande samtidigt som den utökar livskraftiga alternativ för CCS bortom traditionella begränsade härdningsmetoder.”

Teamet påpekade dessutom att optimering av utskriftskonfigurationer, blandningsdesign och injicering av rökgaser för att minska slöseri med ren koldioxid som råmaterial är möjliga områden för framtida forskning.

Investeringsbar företag inom 3D‑utskriftsområdet

Låt oss nu titta på ett börsnoterat företag som är verksamt inom 3D‑utskriftsmarknaden, som uppskattas vara värd $17,5 miljarder år 2024 och förväntas växa med en CAGR på 16,4 % till $37,4 miljarder under de kommande fem åren, vilket gör framsteg inom sektorn och hjälper till att förändra världen till det bättre.

1. Stratasys Ltd. (SSYS )

Stratasys är ett välkänt namn inom 3D‑utskriftsområdet och erbjuder lösningar över flera sektorer. Företagets teknologier har bidragit till framsteg inom 3D‑utskriftsfältet. 

Med ett börsvärde på $689,5 miljoner handlas Stratasys aktier för närvarande till $9,66, ned 32,35 % i år. Företaget har ett EPS (TTM) på -1,32 och ett P/E (TTM) på -7,30.

För Q3 2024 rapporterade Stratasys en omsättning på $140,0 miljoner, upp från $162,1 miljoner som registrerades samma kvartal förra året. Med dessa siffror har företagets återkommande förbrukningsmaterialomsättning sett en år‑till‑år‑tillväxt i åtta raka kvartal, vilket de sade “återspeglar fortsatt stark skrivaranvändning”.

Tillväxten i Stratasys GAAP‑bruttomarginal förbättrades till 44,8 %, medan dess GAAP‑nettoförlust uppgick till $26,6 miljoner, och icke‑GAAP‑nettoresultatet började bli lönsamt. $4,5 miljoner i kontanter rapporterades ha använts i verksamheten, och årets driftskassaflöde förblir positivt.

Med dessa starka siffror höjde Stratasys sin prognos för hela år 2024. Enligt den rapporterade de $580 miljoner i omsättning på $570 miljoner, icke‑GAAP‑nettoresultat på $5 miljoner och kapitalutgifter på $20 miljoner.

“Vi har framgångsrikt börjat omvandla företaget genom kostnadsoptimering och genom att fokusera på högre tillväxtmöjligheter.”

– VD Dr. Yoav Zeif sade då

Han påpekade vidare att företagets huvudplattform F3300 får mycket uppmärksamhet samtidigt som den fortsätter att expandera till sina huvudmålsektorer, inklusive sjukvård, fordonsindustri och rymdteknik.

Enligt Dr. Zeif kommer företagets omstruktureringsplan att leverera $40 miljoner i årliga kostnadsbesparingar från nästa år.

“Vi är väl positionerade för att leverera ökad intäktstillväxt, lönsamhet och kassaflöde år 2025, för att möta den uppdämda efterfrågan när marknadsförhållandena förbättras.”

– Dr. Zeif

Klicka här för att lära dig allt om att investera i Stratasys Ltd.

Slutsats

Betong har varit en hörnsten i mänsklig utveckling i århundraden, men den är inte utan sina faror. Betongs miljöpåverkan blir en allvarlig oro, vilket skapar ett brådskande behov av att hitta bättre lösningar. Den senaste teknologin från NTU‑forskarna är en sådan utveckling som går i rätt riktning. Genom att utnyttja principerna för additiv tillverkning har 3D‑betongutskrift omdefinierat traditionella processer och främjat hållbarhet. 

När världen kämpar med urban expansion och klimatförändringar kan innovationer som 3D‑betongutskrift hjälpa världen att möta de växande och komplexa behoven inom byggandet samtidigt som de mildrar dess skadliga effekter. Och även om utmaningar kvarstår när det gäller skalning och standardisering, kan 3D‑utskrift med tiden spela en nyckelroll i att forma morgondagens infrastruktur när tekniken förbättras och blir allmänt antagen.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D‑utskrift.