Miljövänlig arkitektur med 3D-printad nanocellulosa

Byggindustrin använder idag 50 procent av världens fossila resurser, orsakar 40 procent av det globala avfallet och ger upphov till 39 procent av de globala koldioxidutsläppen. Det finns därför ett växande intresse för hur biomaterial kan användas i omställningen till en mer hållbar framtid.

Nanocellulosa har tidigare främst använts i gelform inom biomedicin, där det kan 3D-printas som ett kroppskompatibelt stödmaterial för vävnads- och celltillväxt. Bioprinting med nanocellulosa utvecklades på Chalmers, inom Wallenberg Wood Science Center, under 2015. Genom att torka nanocellulosan har nu tekniken för första gången skalats upp för att användas som ett hållbart material i byggnader.

Forskarna använde nanocellulosafibrer, vatten och ett algbaserat material (alginat) för att skapa en så kallad hydrogel. Alginatet gjorde det möjligt att 3D-printa materialet och gav det extra flexibilitet när det torkade.

− Rent konkret har vi tillfört ny och hittills saknad kunskap om materialets designmässiga egenskaper. Med hjälp av våra prover och prototyper har vi visat hur anpassningsbart materialet är, och hur det kan användas inom skräddarsydd digital design och 3D-printing med hjälp av robotar, säger Chalmersforskaren Malgorzata Zboinska som är huvudförfattare till studien.

Cellulosa är det mest hållbara och miljövänliga alternativet till plast, eftersom det är en biprodukt från några av världens största industrier.

− Nanocellulosan som användes i denna studie kan hämtas från skogsbruk, jordbruk, och pappersbrukens restprodukter. Det är alltså ett material som finns i riklig mängd, säger Malgorzata Zboinska.

Energieffektiv tillverkning av rumsavdelare, persienner och väggpanelsystem

Arkitekturbranschen har idag god tillgång till nya tekniker, men det finns en lucka i kunskapen om hur dessa kan användas i praktiken. Enligt initiativet EU:s gröna giv ska byggnader i Europa från och med 2030 vara mer resurseffektiva, vilket kan uppnås genom ökad återanvändning och återvinning av material. Samtidigt lyfts behovet av nya digitala tekniker fram för att kunna nå målen.

− 3D-printing är en mycket resurseffektiv teknik. Den gör det möjligt för oss att tillverka produkter utan att använda exempelvis gjutformar, vilket innebär mindre restmaterial. Det är också mycket energieffektivt – det robotiserade 3D-skrivarsystem vi använder drivs inte med värme utan enbart med lufttryck. Det sparar mycket energi eftersom vi arbetar i rumstemperatur, säger Malgorzata Zboinska.

Den energieffektiva processen bygger på att nanocellulosa-hydrogelen har egenskaper som gör att den kan förtunnas. När den utsätts för tryck blir den flytande så att den kan 3D-printas, och när trycket tas bort återgår materialet till sin ursprungliga, fasta form.

Malgorzata Zboinska och hennes forskarkollegor har prövat många olika alternativ för 3D-utskrifter för att se hur nanocellulosa-hydrogelen beter sig när den torkar i olika former och mönster. Resultaten av experimenten blir en utgångspunkt för framtida design av produkter från nanocellulosa. Det kan omfatta bland annat lättvikts-rumsavdelare, persienner och väggpanelsystem. Materialet kommer också att kunna användas som beläggning på väggkakelplattor och akustiska ljuddämpande plattor, och i kombination med andra material användas för att klä mellanväggar.

Produkter som är både funktionella och tilltalande

Traditionella byggmaterial som betong och glas är utformade för att hålla i hundratals år. Biobaserade material å andra sidan är organiska, och bryts ned och återupptas i naturens kretslopp.

− Vi behöver därför ny kunskap om hur vi kan använda dem inom arkitektur och hur vi kan förhålla oss till deras kortare livscykler, som mer liknar det man hittar i naturen än i en konstgjord och kontrollerad miljö. Designforskare och arkitekter letar nu efter metoder för att designa produkter av dessa material som är både funktionella och estetiskt tilltalande, säger Malgorzata Zboinska.

Chalmersforskarnas studie visar potentialen med 3D-printade nanocellulosa-membran som torkar i rumstemperatur. Materialet kan då få nya användningsområden i framtida arkitektoniska komponenter och byggnadssystem. Forskningen ger också ny förståelse för sambandet mellan hur man distribuerar materialet i 3D-utskriften och de dimensionella, texturella och geometriska effekterna i de slutliga byggelementen. Denna kunskap blir en viktig utgångspunkt för Malgorzata Zboinska och hennes forskarkollegor, i deras fortsatta utveckling av användningsområdena för nanocellulosa i arkitektoniska element.

− Nya biobaserade material innebär att arkitekturforskare behöver ta fram alternativa tillvägagångssätt för att designa nya produkter, inte bara när det gäller de funktionella egenskaperna, utan också när det gäller acceptansen från användarna. Estetiken hos biobaserade material är en viktig del av det. Om vi ska förorda biobaserade material måste vi också arbeta med designen. Det kommer bli en mycket stark faktor för acceptansen av materialen, för om människor inte accepterar dem kommer vi inte att nå målen för en cirkulär ekonomi och hållbar byggd miljö.

Mer om forskningen:

Forskningen har presenterats i artikeln ”Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel”, publicerad i den vetenskapliga tidskiften Materials and Design.

Studien har utförts av Malgorzata Zboinska, Sanna Sämfors and Paul Gatenholm på Chalmers och Wallenberg Wood Science Center. Forskningen har finansierats av Adlerbertska forskningsstiftelsen, Chalmers styrkeområde Materialvetenskap, och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse via Wallenberg Wood Science Center.

För mer information kontakta:

Malgorzata Zboinska, docent, institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Chalmers tekniska högskola, 031 772 65 27, malgorzata.zboinska@chalmers.se

Malgorzata talar engelska, svenska och polska och finns tillgänglig för live- och förinspelade intervjuer. På Chalmers har vi poddcast-studior och filmutrustning på plats och kan bistå förfrågningar om tv-, radio- eller poddintervju.