artikel

‘We willen het 3D-printen van beton begrijpen’

bouwbreed

‘We willen het 3D-printen van beton begrijpen’

Wat zijn de verbanden tussen vorm, materiaal en printpad bij het 3D-printen van beton? Promovendus Rob Wolfs stelde tijdens zijn afstuderen een theoretisch model op. Om de theorie te toetsen wordt in het Van Musschenbroek-laboratorium ruimte gemaakt voor een installatie van 11 meter lang, 5 meter breed en 8 meter hoog. “We willen kennis vergaren over het printen van beton, we willen het begrijpen”, zegt Theo Salet, hoogleraar aan de faculteit Bouwkunde.

“Waarom zou je betonnen constructies willen printen?”. Salet geeft meteen het antwoord: “omdat het een mogelijkheid is die een extra vrijheidsgraad biedt. In aanvulling op de bestaande uitvoeringstechnieken. Het is een heel andere benadering van beton. Geen kwestie van doorgaan met en verbeteren van bestaande technieken, maar een ‘disruptive innovation’ (brekend met het verleden – red.). Kenmerkend voor 3D-printen is het aanbrengen van materiaal zonder bekisting en direct op de positie waar het nodig is. Het is mogelijk om na enige oefening een vorm in beton te printen, volgens de methode van ‘trial and error’. Wat wij willen is het driedimensionaal printen van beton bedrijfszeker maken. We willen begrijpen hoe het werkt. Daarvoor zijn we kennis aan het vergaren. Bovendien gaan we uitgebreid experimenteren.”

Rob Wolfs is in februari afgestudeerd op het 3D-printen van betonnen constructies. Hij kent het materiaal goed, want hij is betrokken geweest bij het vormen van beton in mallen van textiel, bij het wapenen van beton met vezels, bij het smeren van beton op vacuümmallen en het mechanisch testen van beton. Hij is bovendien voorzitter van de studievereniging KOers (voor studenten in de richting constructief ontwerpen) geweest en heeft meegedaan aan het bouwen van betonkano’s. Sinds anderhalve week is hij promovendus bij de unit Constructief Ontwerpen. “Wereldwijd zijn weinig onderzoekers met betonprinten bezig. Ik kan makkelijk tien namen noemen, maar geen twintig. Uiteraard gebeurt het ook wel achter gesloten deuren. De belangstelling van het bedrijfsleven is groot.” De zaal waarin Wolfs zijn afstudeercolloquium hield was overvol.

In zijn afstudeerwerk heeft Wolfs niet het printen van een ingewikkelde vorm, maar van een rechte muur onderzocht. Het object maakt onderdeel uit van een tafel (twee muren en een vloer). Maar eerst ontwikkelde hij een theoretisch model. Hij zette de variabele relaties in een programma (Grasshopper, een plug-in bij Rhinoceros), programmeerde de bijbehorende rekeninstructies (met de programmeertaal Python) en voerde het geheel in in de Eindige Elementen-software Abaqus. De onderlinge hechting van geprinte lagen beton en de ontwikkeling van de druk- en treksterkte worden meegenomen. Een hogere printsnelheid leidt tot een betere hechting van lagen. Maar de sterkte van de constructie is dan nog in mindere mate ontwikkeld. Het is nodig om hiertussen een optimum te vinden.

Kennis en begrip

Bij een minder dikke laag neemt de bouwtijd toe. Ook de omgevingstemperatuur is van invloed. Al deze factoren moeten vanaf het ontwerp tot en met de uitvoering overwogen worden, concludeert Wolfs. Voorlopig zal het 3D-printen van beton nog niet bouwbreed ingevoerd worden. Om de ontwikkeling te versnellen zijn kennis en begrip nodig. De belangrijkste parameters zijn de vorm, de materiaaleigenschappen, de krachten die opgenomen moeten worden en de printstrategie, het pad dat de printer fysiek aflegt. Overigens kan het model uit het afstudeerwerk makkelijk worden aangepast aan de experimenten in het laboratorium. Salet meldt dat de 3D-printer momenteel wordt gebouwd bij Rohaco in Nieuwegein. Het wordt een portaalrobot, zoals meestal gebruikt voor het verplaatsen van relatief zware lasten.

“Het portaal moet voldoende stijf en stabiel zijn voor de belasting van het op gang komen en remmen, het versnellen en vertragen van de printkop”, aldus Salet. “Het gewicht dat aan het portaal komt te hangen valt wel mee. Maar eigenlijk wil ik van de slang af en in plaats daarvan naar een systeem met cartridges. De spuitkop van een betonprinter komt oorspronkelijk uit de wereld van het spuitbeton. Echter, wij willen geen diffusie, maar een gerichte straal. Betonprinten is ‘additive manufacturing’, in tegenstelling tot ‘subtracting manufacturing’ zoals frezen. We brengen het materiaal precies daar aan waar we het willen hebben.” Wolfs noemt het ook een vorm van extrusie. “Bij spuitbeton gaat de kraan open of dicht”, vervolgt Salet. “Bij ons systeem moet de printkop op elk moment ‘weten’ hoeveel cement, vezels en water. De dosering wordt aangestuurd met kleine servomotoren. Het wordt een prototype waar we veel aan gaan sleutelen.”

De mortels voor de experimenten in het Pieter van Musschenbroek-laboratorium zullen komen van de betonmortelindustrie. De eigenschappen daarvan zijn bekend. Overigens lijkt de 3D-printer veel op de betonprinter van Loughborough University in Groot-Brittannië. Daar wordt van een speciaal ontwikkelde mix gebruik gemaakt. Het bouwbedrijf Skanska wil de techniek in de praktijk toepassen.

In Nederland bestaat grote belangstelling voor het 3D-betonprinten als mogelijke uitvoeringstechniek. “Het is bijzonder dat ook in ons land het bedrijfsleven het project enthousiast ondersteunt”, aldus Salet. “Deze zomer begint een tweede promovendus. We krijgen heel veel reacties uit meerdere branches. Van ontwerpers en uitvoerders, maar minder van constructeurs. Veel vragen gaan over de mogelijkheden van het printen en de kwaliteit van de materialen.”

Bio-plastic

Salet wil eigenlijk meerdere materialen kunnen printen. Bijvoorbeeld een bio-plastic voor tijdelijke ondersteuning op plaatsen waar de betonmortel anders niet geprint kan worden. “We zien het 3D-printen als een methode naast andere, bestaande uitvoeringsmogelijkheden. Maar met printen hoeft beton niet meer massief en rechthoekig te zijn. Het object kan mooier worden, vormen worden mogelijk die met een bekisting niet uitgevoerd kunnen worden. Een beperking is dat het pad wat de printkop aflegt fysiek wel mogelijk moet zijn. De werkwijze lijkt op die van Contour Crafting van Behrokh Khoshnevis van de University of South California in de Verenigde Staten. Het is dus een andere methode dan D-Shape van de Italiaan Enrico Dini. Daarbij wordt het object laagje voor laagje verhard en overtollig zand achteraf weggeblazen. De betonprinter in het laboratorium van de TU Eindhoven past in de traditie van Contour Crafting. 

 

Foto: Andrey Rudenko uit de Verenigde Staten bouwde een folly van geprinte betonnen delen.

Reageer op dit artikel

Gerelateerde tags

Lees voordat u gaat reageren de spelregels