3D-printen van beton: tussen realiteit en droom in

Cindy Vissering, december 2018

In 2019 wordt de eerste betaalbare 3D-geprinte betonnen woning in Nederland bewoond. En het eerste commerciële geprinte gebouw wordt opgeleverd. De eerste 3D-geprinte betonbrug werd al in 2017 in gebruik genomen. Maar waar staat de ontwikkeling van 3D-betonprinten nu werkelijk en wat mogen we nog verwachten?

Volgens Freek Bos van de TU Eindhoven bevindt de ontwikkeling van 3D-betonprinten zich vlak voor de peak of inflated expectations op de kromme voor de introductie van technische innovaties.

Dat houdt in dat de verwachtingen hooggespannen zijn, terwijl de uitvoering dit nog allemaal moet laten zien. En daar wordt hard aan gewerkt. Onder andere vanuit de TU Eindhoven en Hogeschool Saxion wordt er onderzoek gedaan met partners uit de markt om de marktintroductie van 3D-betonprinten waar te kunnen maken.

De droom

De bestanddelen van beton zijn lokaal beschikbaar (zand, grind en water), er is alleen een bindmiddel nodig om de boel 'aan elkaar te plakken'. De betonprinter is een mobiel apparaat dat ter plaatse je gebouw in een paar dagen komt printen. Afwerken en klaar!

Dit beeld hebben de ontwerpers van SEArch+ / Space Exploration Architecture ook bij het realiseren van een onderkomen voor astronauten op de planeet Mars: het Mars X-house. Met meegebracht cement en het rode Regoliet van de planeet worden ter plekke schalen geprint die bescherming bieden aan een opblaasbare binnenhuls. Hierin is de woning en werkplek van de onderzoekers die in een gecontroleerde atmosfeer moeten verblijven.

Realisatie in delen

De brug in Gemert is een mooi voorbeeld van de mogelijkheden op dit moment. De brugdelen zijn in het laboratorium van de TU Eindhoven geprint en op locatie aan elkaar geschakeld. Met een voorspankabel worden ze tegen elkaar gedrukt en op die manier kunnen de geprinte delen de krachten dragen die nodig zijn.
De brugdelen zijn gewapend doordat er een wapeningskabel meeloopt met de printerkop. De krachten kunnen door deze kabel opgenomen worden in het printvlak.

Beton heeft tijd nodig om uit te harden. Op de Hogeschool Saxion hebben ze onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om dit te versnellen. Op dit moment kunnen er een aantal lagen geprint worden, maar deze lagen moeten eerst uitharden voordat de printer verder kan gaan. Dit is ook te zien in de lagenopbouw van bijvoorbeeld de geprinte vrijstaande hotelsuite in de Filipijnen (uit 2015!). Opvallend is dat ze hier ook gebruik maken van de lokaal beschikbare materialen: een speciaal soort zand en vulkanische as.

Werken met realiteit

Hogeschool Saxion heeft op basis van de beperkte printhoogte toepassingen bedacht die recht doen aan de printtechniek. Ze zijn beperkt in de hoogte vanwege het feit dat het vers geprinte beton het eigen gewicht van de lagen erboven nog niet kan dragen. Het ontwerp van een open wandconstructie die opgebouwd wordt uit parametrisch gevormde prefab geprinte delen is een voorbeeld waarin daarmee rekening is gehouden.

Milestone Eindhoven

De eerste van de vijf woningen in het project Milestone in Eindhoven wordt ook nog in het laboratorium in delen geprint en dan ter plaatse gemonteerd. Het ontwerp van Houben/Van Mierlo is daarop aangepast: de ramen en deuren zijn precies tussen de verschillende delen in geplaatst. Nu nog onder geconditioneerde omstandigheden, maar het doel is om uiteindelijk de woningen op locatie te kunnen printen.

Vergaderfabriek Teuge

Ook de Vergaderfabriek in Teuge wordt opgebouwd uit schaaldelen. De reikwijdte van de huidige printer is kleiner dan de straal van het gebouw. Architect Pim van Wylick van de The Form Foundation ging hiermee aan de slag en ontwierp de gebouwdelen als schalen die elkaar deels overlappen. Deze schalen worden dan wel direct op de plek waar ze moeten komen geprint. De schaaldelen zijn zo'n 3,30 meter hoog en kunnen in een dik uur helemaal geprint worden. In het eerste kwartaal van 2019 gaat het printen van start.

Uitdagingen

De uitdaging van de technische ontwikkeling van 3D-betonprinten zit hem in het verder ontwikkelen van de snelle opbouw van sterkte van het zojuist geprinte materiaal. Hierdoor kunnen er overstekken gemaakt worden en neemt de vormvrijheid toe. Ook wordt het dan mogelijk om bijvoorbeeld vloeren te printen. De eerste tests met een soort rib-cassettevloer worden al gedaan.

Het lijkt erop dat met de vormvrijheid en het materiaal neerleggen daar waar nodig, 'ambachtelijke' en natuurlijke vormen weer mogelijk worden. De techniek vraagt om een andere manier van ontwerpen die meer reliëf en ornamenten toelaat. Waar we met form follows function en de techniek van de productie van plaatmaterialen naar strakke ontwerpen gingen met harde, zakelijke aansluitingen, brengt de printtechniek weer meer organische vormen naar voren die logischerwijs volgen uit de toegepaste techniek.

Het digitaal aansturen van robots op de bouwplaats (of fabriek) zoals bij 3D-betonprinten het geval is, vraagt ook om een digitaal proces in het voortraject dat hierop kan aansluiten. Efficiëntie kan daarin worden bereikt doordat tekeningen niet meer omgezet hoeven te worden door mensen van ontwerp naar machine. Witteveen en Bos ontwikkelt de randvoorwaarden waarbij in een parametrische ontwerpsoftware rekening wordt gehouden met de mogelijkheden van het 3D-betonprinten. De eigenschappen van het materiaal en de machine worden dan direct toegevoegd in de ontwerpfase en geven een reëel beeld van de mogelijkheden.

Toekomstige ontwikkelingen

Om de stand van de 3D-betonprinttechniek duidelijk te maken, zou je deze kunnen vergelijken met de ontwikkeling van het printen op papier. De huidige techniek zou je kunnen vergelijken met een matrixprinter. De techniek is nog grof en korrelig en zwart-wit.

In de ontwikkeling van betonprinten heeft prof. Theo Salet (TU Eindhoven) in deze vergelijking het beeld van een kleurenprinter voor ogen. Hij voorziet de mogelijkheid om verschillende mengselsamenstellingen uit de printerkop te laten komen, zodat er verschillende eigenschappen op verschillende plekken neergelegd kunnen worden. Beton is een materiaal waarbij je kunt sturen in de gewenste eigenschappen al naar gelang de mengselverhoudingen en toevoegingen. Dit betekent bijvoorbeeld dat de hoeveelheid cement beperkt kan worden op plekken waar er minder sterkte nodig is.

Maar eerst bekijken of de hoog gespannen verwachtingen dit jaar waar gemaakt worden. Want dan kunnen de ontwikkelingen daarna snel gaan en zal de trough of disillusionment niet al te diep worden.

* aanleiding voor dit artikel was een bijeenkomst van Booosting platform voor koplopers in de bouw over 3D-printen, aangevuld met andere genoemde bronnen.