כל בית צריך מדפסת

במרכז המעבדה של פרופ' בהרוק קושנוויס באוניברסיטת דרום קליפורניה יש אתר בנייה. מעבדות רגילות היו מושבתות במצב כזה: האבק, הרעש, הציוד הכבד והפועלים אינם מאפשרים לנהל עבודה מדעית מדויקת. אבל המקום הזה יוצא דופן: לא רק שפרופ' קושנוויס מנהל את אתר הבנייה בעצמו, אלא שבזכות הטכנולוגיה המהפכנית שהוא מפתח, הוא מסוגל לבנות מבטון יצוק כמעט כל צורה שתעלה על דעתו בלי אבק, בלי רעש, בלי פועלים, בציוד מינימלי ובזריזות. במעבדה שלו, פרופ' קושנוויס מדפיס קירות.

קושנוויס, פרופ' להנדסה אזרחית ממוצא איראני - את התואר הראשון שלו סיים בתקופת השאה באוניברסיטת שריף באיראן - הוא אחד החלוצים הבולטים בעולם בבנייה באמצעות מדפסת תלת־ממד. הוא משוכנע שבתוך שנים ספורות, הטכנולוגיה הזו כבר תדפיס בתים בייצור המוני: "הדפסה בתלת־ממד אינה זקוקה לעבודת כפיים ואינך צריך להתערב בה בזמן הבנייה", הוא מפרט בראיון למוסף "כלכליסט" את המהפכה הצפויה. "אתה לוחץ על כפתור, והתכנון המצוי במחשב נבנה מיידית: בית בשטח של 250 מטר מרובע, שיודפס בפחות מ־24 שעות".

כך עובדת הדפסת בתים

מדפסות תלת־ממד מדפיסות כיום כמעט הכל: ספלי קפה מחרסינה, צעצועים מפלסטיק, גפיים תותבות מחומרים מרוכבים ואפילו אקדחים ממתכת או מפלסטיק. הטכנולוגיה מבוססת על שני מרכיבים: המדפסת, שהיא זרוע ניידת המובילה את החומר "המודפס" לכל נקודה במרחב ויוצקת אותו בשכבות; והחומר המודפס, שעם הדפסתו צריך להיות יציב מספיק כדי שהצורה הסופית לא תתעוות.

מדפסת הקירות של קושנוויס עובדת לפי אותו עיקרון בדיוק. היא נראית כמו עגורן שגובהו כמה מטרים, ושתי רגליו ונעות לאורך מסילות. בין הרגליים מתוחה קורה, שעליה נע צינור המזליף את הבטון. כך יכולה פיית הצינור יכולה לנוע בחופשיות באופן תלת־ממדי, בדיוק למקום שבו צריך להיות בטון על פי התוכנית. כיום המדפסת מדפיסה כמה סוגי בטון, כשהעיקרי שבהם הוא בטון מועשר בפולימרים, שכבר מצוי בשוק וייחודו בכך שהוא מתקשה במהירות. במעבדה בודקים חומרים נוספים כמו תערובת של קש, חימר וחול (אדובה), ובטון מחוזק בשבבי זכוכית או בסיבי פחמן.

במעבר אחד, משאירה הפייה מאחוריה שכבה של בטון בסמיכות בצקית־משהו, שעוביה בין 5 ל־10 סנטימטרים. במעבר הבא, הפייה מדפיסה מעליה שכבה נוספת. כך בוראת המדפסת תוכניות ארכיטקטוניות מסובכות, שכבה אחר שכבה, מלמטה למעלה. מדפסת אחרת, המשתמשת בשתי פיות, יודעת להדפיס קיר חלול הבנוי משני קירות מרוחקים מעט, כשביניהם מודפסת שכבה המתפתלת כנחש. כך נוצר קיר חזק, שאינו זקוק לברזל לחיזוק.

פרופ' קושנוויס לצד קיר מודפס

הדפסת הקיר נקייה, בלי פסולת או תוצרי לוואי. המעבדה נשארת נקייה כמו חדר ניתוח - הדבר הכי רחוק שאפשר לדמיין מאתר בנייה מקובל. כמו בתחומים אחרים, הדפסת בטון בתלת־ממד מבטלת שלב חשוב ביצירתם של חפצים: אין צורך בתבנית ראשונית שלתוכה יוצקים את החומרים הנוזליים. יציקה של אותו קיר בשיטות הבנייה הקיימות תדרוש כמובן עבודת טפסנות מוקדמת, מוטות ברזל לחיזוק הבטון, והמתנה ארוך להתייבשות. התהליך מייצר לא מעט פסולת. המדפסת של פרופ' קושנוויס, לעומת זאת, יוצרת בתוך שלוש דקות מטר מרובע של קיר, יש מאין, בלי פסולת, בלי תבניות, בלי ברזל ובלי עובדים.

קושנוויס מדגיש כי בתום 24 שעות ההדפסה, יעמוד בית מוכן לשימוש: "בזמן שזרוע אחת מדפיסה את הבית, זרוע נוספת תשלב בתוכו את שאר המערכות: צנרת, חשמל, משקופים, גג וחלונות". הגמישות בתנועת הפייה, שמאפשרת ליצור בקלות גם קירות לא ישרים ובעלי קווי מתאר ייחודיים, הובילה את קושנוויס לכנות את התהליך שהוא מפתח בשם Contour Crafting - "עיצוב קווי מתאר", בתרגום חופשי. הוא מודה שמדובר בסך הכל ב"תרגיל בפיתוח הנדסי, כי הרי הטכנולוגיה כבר קיימת כמה שנים בהדפסת חומרים אחרים". אבל כשהוא מפרט את ההשפעה העצומה של הטכנולוגיה על עתיד הבנייה, הוא כבר מתקשה לעצור את התלהבותו.

ההשפעה החשובה בעיניו היא השיפור הקיצוני בבטיחות הבנייה. "הדפסה בתלת־ממד היא התהליך אוטונומי. מרגע שהתרשימים מוזרמים למדפסת, היא עובדת בלי התערבות אנושית". הצורך בפחות עובדים אמור להפחית את מספר תאונות העבודה. "מקצוע הבנייה הוא המסוכן בעולם", הוא מזכיר, "יש בו הכי הרבה פציעות ומוות כתוצאה מתאונות עבודה, אפילו יותר ממקצועות הכרייה. בקטאר, למשל, שנמצאת בתהליך בנייה אינטנסיבי גם בשל גביע העולם המתוכנן, נהרגו בין 2012 ל־2013 כמעט 900 עובדי בניין מהודו ונפאל. בבריטניה, נוסף ל־50 הרוגים בשנה, פציעות קשות ובינוניות של פועלי בניין גורמות לאובדן של 27 מיליון ימי עבודה".

דגם של כיפה

לא בטוח שעובדי הבניין - פועלים, מנהלי בנייה, מנופאים, אנשי תשתיות ורבים אחרים - ישמחו על השיפור המובטח בבטיחותם, שכן לפי החזון של קושנוויס מספר המועסקים במקצוע הבנייה יצנח באופן דרמטי. להפעלת מדפסת בתלת־ממד, שאמורה לייצר בית שלם ביממה, יספיקו אנשים בודדים, אולי אפילו רק שניים־שלושה. לפי קושנוויס, ענף הבנייה יהפוך מסקטור שמעסיק עשרות מיליונים ברחבי העולם, למקצוע של מומחים מעטים. קושנוויס מציין כי גם בתחומי ייצור אחרים, התהליכים הראשונים שהפכו לרובוטיים הם אלו שהיתה בהם סכנה גדולה לעובדים ושיעור גבוה של נפגעים. "ברור שישולם כאן מחיר במספר המועסקים, אבל אנחנו צריכים להחליט מה אנחנו רוצים", הוא אומר.

הוא מדגיש שהשיפור בבטיחות והצמצום במספר העובדים הדרושים לבנייה יובילו לירידה חדה בעלויות הבנייה. "חברות בנייה משלמות כיום פרמיות עצומות כדי לבטח את עובדיהן. הדפסת בתים בתלת־ממד יכולה לקצץ את התשלום לביטוח באופן דרסטי", הוא אומר. "כמו כן, רוב העלויות של תהליך הבנייה יוצאות על כוח אדם. בארצות המתועשות שיעור זה מגיע ל־55% מעלות הבנייה. התהליך האוטומטי חוסך את העלות הזו".

עם הקיצוץ החד במספר העובדים, במשך העבודה, בכמות החומרים ובעלויות כמו ביטוח, קושנוויס מאמין שבית מודפס יעלה כמחצית מעלותו של בית שנבנה בשיטות הקיימות. "זה יאפשר לאנשים להשתחרר מהר יותר מנטל המשכנתא, ולהפנות את משאביהם למטרות אחרות", הוא מוסיף.

קושנוויס טוען שניתן יהיה להדפיס בקלות מגוון צורות מגורים, מבתים פרטיים צמודי קרקע ועד מגדלים רבי־קומות. אולם המתנגדים להדפסה תעשייתית של בתים טוענים כי בניית בית היא תהליך יצירתי מורכב, שחייב להתייחס לרצונו של הלקוח, שנוטה להשתנות בתדירות גבוהה, וליכולות של הקבלן. גם אם רבים יסכימו עם הקביעה הזו, יש בעולם אנשים רבים שישמחו לקבל מקום מגורים ראוי בתוך 24 שעות, גם אם אינו עונה על רמת הגימור הגבוהה ביותר: תושבים באזורים מוכי אסון טבע, בערים שחרבו בלחימה, ובשכונות הפחונים שמאכלסות עשרות מיליונים בעולם השלישי.

קיר מחוזק

"את ההשראה להדפסת מגורים קיבלתי מההיכרות שלי עם חסרי הבית באזורים מוכי אסון, הזקוקים למחסה במהירות", מסביר קושנוויס. "ממשלות בכל העולם מתמודדות עם שכונות פחונים, פאבלות ואזורים מוכי עוני, שאליהם נלווים בדרך כלל גם פשיעה, תחלואה ואנאלפביתיות. אם נמצא פתרון לבעיית הדיור, הרבה בעיות אחרות ייפתרו. כל עוד לאנשים אין מענה לצורך הבסיסי של מחסה, הם מתקשים להרים את עצמם כדי לפתור את הבעיות הנוספות".

השכנים לא ישמעו כלום

יתרון נוסף של ההדפסה הוא ההיבט הסביבתי. "ליד כל אתר בנייה יש שטח לפסולת, שנובע מבזבוז עצום בשימוש במשאבים", ממשיך קושנוויס. "ההדפסה מונעת את הבזבוז והפסולת כי המחשב יודע בדיוק כמה בטון הוא צריך, התהליך מבוקר, והחומר שנכנס למדפסת הוא נטו לטובת הבנייה. אין שאריות".

דגם סלעים

נראה שאם הטכנולוגיה אכן תבשיל, יתרונותיה יהיו עצומים. בבנייה באזור מאוכלס, למשל, היא תחסוך את מפגע הרעש שמטריד שכנים עצבניים למשך חודשים, ותחליף אותו בבנייה שקטה שנמשכת זמן קצר בהרבה.

היא גם תאפשר לצאת מהשבלונה המרובעת, ולבנות בקלות ובזול בקווים מעוקלים במקום בקווים ישרים. המדפסת של קושנוויס כבר בנתה בהצלחה קירות מעוקלים. קירות אלה עמידים יותר לנזקי הזמן מאשר בנייה בקווים ישרים, אך מסובכים להקמה בשיטות המקובלות.

המנעד הארכיטקטוני העצום שהטכנולוגיה מציעה יכול לחולל מהפך בצורתם ובתפקודם של הבתים. כיום הם מוארים או מוצלים על פי הכיוון שאליו הם פונים. אולם חזית מעוקלת ומפולשת, הפונה לכמה כיוונים, תחדיר למבנה תאורה טבעית וחום לאורך היממה כולה. כמו כן, האפשרויות האסתטיות, כפי שמעידות אינספור בזיליקות בעולם, הן עצומות.

הסימן הטוב יותר לפוטנציאל שטמון בטכנולוגיה הזאת היא סוכנות החלל האמריקאית נאס"א, שהחלה לפני כשלוש שנים לשתף פעולה עם קושנוויס כדי לתכנן בנייה על כוכב מאדים או על הירח. "נשלח לשם רובוטים ככוח חלוץ, שיכרו חומרי בנייה במקום", מתאר קושנוויס את הרעיון. "אחר כך הם ישתמשו באותם חומרים כדי להדפיס מבנים מורכבים עבור המתיישבים הראשונים שיגיעו למקום".

בית מודפס

פרופ' קושנוויס הוא ככל הנראה החוקר שמציג בצורה הבהירה ביותר את ההבטחה הטמונה בהדפסת תלת־ממד של בתים, אולם אינו היחיד העוסק בתחום. הוא אף סבור שהמדפסות המסחריות הראשונות ייצאו בקרוב ממעבדות הפיתוח החסויות של התאגידים התעשייתיים הגדולים. במקביל אליו, חוקרים, מהנדסים ואדריכלים נוספים מתנסים בטכנולוגיה כבר זמן מה. אחד הבולטים והמעניינים בהם הוא המהנדס האיטלקי אנריקו דיני, שמדפיס מבנים מאבן.

הטכניקה שפיתח דיני, כימאי ומומחה ברובוטיקה, מיוחדת בכך שהיא מייצרת אבן באופן שמחקה את התהליך הטבעי שיצר את הסלעים במשך מאות מיליוני שנים: שכבה אחר שכבה של חול ומינרלים.המודל הממוחשב הופך לאבן שהיא למעשה טבעית ואסתטית ביותר.

בסרטי הילדות שלו, מתועד דיני כשהוא בונה ארמונות חול על חוף הים. הדיבוק לא עזב אותו מאז. כיאה לנפש האיטלקית הפואטית שלו, דיני התרחק בהדרגה מהפרקטיות שמאפיינת את המדפסת של קושנוויס, והמדפסת שלו, D־Shape, כבר הדפיסה מבנים מקוריים בעלי טקסטורה המזכירה שוניות אלמוגים שהתייבשו, או צוקי כורכר תלולים. המבנים עוד צריכים להתמודד עם דרישות של תקינה ובטיחות, אבל הם מדגימים את הפוטנציאל האסתטי הגלום בטכנולוגיה.

מאז 2005 הדפיס דיני פסלים שנראים כאילו נוצרו על ידי הטבע עצמו, וב־2011 כבר הדפיס בית קטן בשטח של 8 מ"ר, חדר עם גג משופע בסגנון בתי האבן האיטלקיים ששירתו בעבר חקלאים ודייגים כמקלט מפני הרוח. המבנה שמציג אסתטיקה סלעית הודפס במשך 14 ימי עבודה באמצעות 35 מטרים מעוקבים של חול. 90% מהחול אינם הופכים לחלק מהמבנה המודפס, וניתן להשתמש בו בהדפסה הבאה.

הגאון שבנה במו ידיו את מדפסת הסלעים שלו וייצר מבנים בעלי אסתטיקה חלומית, משך את תשומת לבן של לא מעט חברות, כמו גם את סוכנות החלל האירופית. אולם למרות הנטייה האמנותית, החברה שלו, Monolite UK, מפתחת את הטכנולוגיה שלו לכיוונים פרקטיים יותר - של הדפסת בתים. "כיום עדיין יש לנו מדפסת גסה שמשמשת ליצירת מבנים פיסוליים", מסביר דיני בתכתובת מייל. "השאיפה שלנו היא להביא את הטכנולוגיה לבגרות כך שנוכל להדפיס מבנים אסתטיים ובטוחים למגורים".

דיני משוכנע שהעתיד יודפס. "התרגום של הרמוניה ומתמטיקה בעזרת טכנולוגיית הדפסת תלת־ממד יהפוך בשנים הבאות לשיטה העיקרית שבה האנושות תבנה בתים", הוא אומר.

בינתיים הטכנולוגיה של דיני שימושית במקומות שבהם מתאימה בנייה באבן חול. פרויקט נוכחי שלו, המיועד לחוף פרטי, מציע להדפיס מצוק סלעי המהווה מעין הארכה של החוף אל תוך הים. אבל הפוטנציאל, לדברי דיני, ממתין בהדפסה של שוברי גלים טבעיים, בניית נמלים מאבן טבעית, ואפילו הדפסת סכרים ושוברי גלים עצומים במקומות כמו ונציה, ניו יורק והולנד, שעלולים להיפגע מעליית פני הים.

ארכיטקטורה בקוד פתוח

עד שהטכנולוגיות של דיני וקושנוויס יהפכו לתהליך ייצור סטנדרטי, יזמים וארכיטקטים אחרים כבר משתמשים בטכנולוגיות משיקות. אחד הניסיונות המרשימים, וילה אסרבו (Asserbo) בדנמרק, משתמש במדפסת של עיבוד שבבי. המדפסת מניעה ראש חריטה המנסר באופן מדויק פיסות שטוחות של עץ לבוד ("סנדביץ'"). החלקים הנפרדים משתלבים כמו פאזל תלת־ממדי באופן מושלם, בשימוש מינימלי של מסמרים או ברגים. הווילה, ששטחה 135 מ"ר, פותחה במשרד הארכיטקטים Facit Homes. בתום הרכבה שנמשכה ארבעה שבועות, התקבל בית שעומד כמעט בכל תקני הבנייה, מבודד לחום וקור, ושבתהליך הבנייה שלו כמעט לא נוצרה פסולת בניין. טביעת כף הרגל האקולוגית של הבנייה היתה מזערית.

הדפסת הבתים פותחת את השער לכוחן האמיתי של הדפסות תלת־ממד: היכולת לשתף. הבנייה תלויה אך ורק בתוכנית הממוחשבת שאותה אפשר לשתף בקלות. הבית הוא קובץ, ובתים בקוד פתוח, שאת התוכניות שלהם ניתן להוריד למחשב, הם כבר מציאות של ממש. כל אחד יוכל לבחור את הבית שברצונו לבנות, להוריד למחשב, ולשלוח למדפסת שלו.

קבוצות של ארכיטקטים כבר החלו לבנות מאגרים של תוכניות, בעיקר של מקלטים למקומות מוכי אסון ולבנייה מהירה. קהילה של ארכיטקטים ובנאים שנאספת סביב המציאות הזו, משפרת את התוכניות ומתאימה אותן מקומית לתנאים. עכשיו התוכניות האלה ממתינות למדפסות שיהפכו אותן למציאות. אבל כשהן יגיעו, הן יאיימו לא רק על פועל הבניין, אלא גם על הארכיטקטים. את המדפסת הזו, לא בטוח שהם יוכלו לעצור.

הבית המודפס הראשון. מפלסטיק

הבית הראשון שמודפס בטכנולוגיית תלת־ממד יוצא לדרך בימים אלה על שפת תעלה באמסטרדם. מאחורי הפרויקט, שהוא יותר ניסוי מאשר יישום פרקטי, עומד משרד האדריכלים מאמסטרדם, DUS.

הבית המודפס הראשון

ב־DUS החליטו לבנות מדפסת מיוחדת שגובהה 6 מטרים, כדי להדפיס את הבית קובייה אחר קובייה, שישתלבו ביניהן כמו לגו, עד שיתקבל המבנה הסופי. המדפסת מדפיסה בשבוע פיסת קיר חלולה בצורת האות L השוקלת כ־180 ק"ג. בדומה למשחק טטריס, ישתלבו החלקים כדי ליצור קיר ואחריו בית שלם. אל הקירות החלולים מוזרק חומר בידוד מוקצף, שיאפשר מגורים של ממש. כיום הקירות מודפסים מחומר פלסטי, אבל בבנייה ייבדקו חומרים נוספים.

משרד הארכיטקטים פתח את האתר כמוזיאון פתוח למבקרים, והוא מזמין את הקהל הרחב ואת יצרני מדפסות התלת־ממד ויצרני החומרים להדפסה, להשתתף בתהליך ולתת עצות. כמו כן העמידו הארכיטקטים את התוכנית לבית כקובץ קוד פתוח שאותו כל אחד יכול להוריד, להתאים ולהדפיס בית משלו.