Een blik in de (nabije) toekomst van 3D-betonprinten

Auteur: Cindy Vissering

In de afgelopen tien jaar begon de interesse voor het 3D printen een hogere vlucht te nemen. Tekort aan personeel, efficiënter moeten bouwen en ook impulsen vanuit duurzaamheid waren hiertoe de aanjagers. In de jaren ’30 van de vorige eeuw experimenteerde men ook met machines die wanden van beton konden bouwen, maar deze techniek vond toen nog geen vruchtbare grond. Met Rob Wolfs van de TU Eindhoven ging Tektoniek in gesprek over de toekomstvisie en wat er daarvoor nog moet gebeuren.

Productiviteit en duurzaamheid

“Vaak wordt gezegd dat met het 3D-betonprinten goedkoper en sneller geproduceerd wordt, daarnaast is het een duurzame oplossing, omdat er materiaal neergelegd kan worden, alléén waar het nodig is voor de constructie,” geeft Rob Wolfs aan. “Dit is zeker de ambitie en toekomstvisie voor het 3D-betonprinten, maar dit geldt nog niet voor alle huidige projecten.” De huidige projecten zijn steeds een grote stap voorwaarts in het beheersen en benutten van de techniek. De 3D-betonprint technologie is nog volop in ontwikkeling en er moeten nog een aantal stappen gezet worden voordat de techniek tot de volle potentie benut kan worden. Hij deelt dit op in twee categorieën: productiviteit en duurzaamheid.

Kwaliteit beheersen

Voor het volledig benutten van de productiviteit is het van belang dat het werken op basis van ‘trial and error’ omgezet wordt in ‘first time right’. Dit geldt op verschillende gebieden: kwaliteitsbeheersing van het materiaal zelf; het printontwerp; het geprinte object.

Met beton zijn we gewend een aantal tests met betonmortel uit te voeren, waardoor de kwaliteit bekend is. Het 3D-printen van beton is een continu proces, het wegnemen van materiaal om te testen verstoort het proces en is nooit ‘op tijd’. Rob Wolfs pleit voor een systeem waarbij er continu gemeten wordt en waardoor het proces tijdens de productie bijgestuurd kan worden. “Verhardend beton is al een ‘gevoelig’ materiaal en moet op de juiste manier behandeld worden, bij het 3D-printen van beton gaat het verharden veel sneller en wordt de exacte samenstelling en externe condities zoals vochtigheidsgehalte nóg belangrijker. Daar moet een productiesysteem zich snel op kunnen aanpassen.” De huidige optimalisatie die producenten voor hun systeem en hun mengsel hebben bereikt, is proefondervindelijk vastgesteld en specifiek voor elke producent

Op dit moment vindt er ringonderzoek plaats met onderzoeksinstellingen en producenten samen naar welke data het beste gebruikt kan worden om effectief te kunnen sturen. De resultaten zullen worden gebundeld in aanbevelingen voor de beheersing van de kwaliteit.

‘First time right’

Een voordeel van 3D-betonprinten is dat er geen bekisting of mal nodig is, en dat er maatwerk en specialisatie in de herhaling gebracht kan worden. Dat er geen bekisting nodig is, betekent dat het materiaal zelf die functie van steun moet overnemen. Dit geeft beperkingen aan de vorm van een 3D-betongeprint object, of aan de snelheid waarmee geprint kan worden. De geometrie van het object kan daarbij helpen. Dit kan bijvoorbeeld door gebogen vormen te maken, die in zichzelf steun vinden, of het aanbrengen van steunschotjes.

Met de exacte kennis van de constructieve aspecten tijdens de productiefase kunnen er ontwerpen gemaakt worden die in één keer goed zijn, in plaats van het testen van varianten. “Op dit moment zijn het vooral materiaaltechnologen die met het ontwikkelen van het 3D-betonprinten bezig zijn,” verduidelijkt Rob Wolfs, “het inbrengen van de constructieve expertise van zowel het eindproduct als het doorgronden van de constructieve krachten tijdens de productie zou een grote stap zijn richting ‘first time right’ productie.”

Destructieve tests vanuit regelgeving

Het derde aspect van de beheersing van kwaliteit gaat om het uiteindelijke object: omdat de 3D-betonprinttechniek nog niet is opgenomen in regelgeving, moeten constructieve objecten vaak tot bezwijken belast worden. Dat betekent dat een object in zijn geheel, of delen daarvan, twee keer geprint moeten worden. Op die manier wordt het erg lastig om de doelen voor productiviteit en duurzaamheid te behalen. De techniek is nog niet in regelgeving opgenomen omdat de techniek nog volop in ontwikkeling is en er nog geen standaardisering heeft plaatsgevonden. Wereldwijd, maar ook nationaal, worden daartoe de eerste stappen gezet, zoals ook blijkt uit de recentelijk verschenen CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten (online gratis na aanmelden).

Duurzaamheid

Naast productiviteit speelt duurzaamheid een grote rol in de ontwikkeling. Aan de ene kant zit dat in het materiaal zelf, aan de andere kant in het ontwerp.

In eerste instantie werd met een mortel geprint (geen grove toeslagmaterialen), maar dat betekent dat er relatief meer cement in zit, wat de duurzaamheid niet ten goede komt. Bovendien zorgt dat voor grotere krimp. Daar wordt hard aan gewerkt en de ontwikkelingen laten zien dat daar zeker ruimte voor verbetering is.

Naast het duurzamer maken van het materiaal zelf, kan door een passende manier van ontwerpen materiaal bespaard worden. Met 3D-betonprinten kunnen meer grillige vormen gecreëerd worden, die wat lastiger met bekisting te maken zijn. Dit is bij uitstek geschikt om de krachtslijnen in een constructie te volgen en alleen dáár materiaal neer te leggen waar het nodig is. Dit vraagt om een heel andere manier van ontwerpen. “Door het vanaf de start meenemen van de mogelijkheden van de 3D-betonprinter, ontstaan er geheel andere vormen en oplossingen die de potentie van deze relatief nieuwe techniek optimaal kunnen benutten,” aldus Rob Wolfs.

Nieuwe taal

3D-betongeprinte objecten ontwikkelen een eigen ontwerptaal. Daar is al een begin van te zien in de diverse projecten:

• De gebogen of geknikte wanden in Project Milestone
• De holle brugdelen in segmenten die op voorspanning gebracht worden
• De booglijnen waarbij het beton vooral op druk wordt belast

Momenteel zijn er veel niet-constructieve toepassingen zoals bloembakken, straatmeubilair en taludtrappen. Maar er wordt volop geëxperimenteerd met het aanbrengen van wapening. Ook daar is een ontwikkeling in ontwerpgedachte nodig, omdat de huidige wapening bestaat uit rechte staven of matten en die passen niet heel direct op de meer vloeiende vormen van het 3D-geprinte beton.

Circulair

Tot slot moet ook de gehele levenscyclus van 3D-betongeprinte constructies beschouwd worden. Dan gaat het om de levensduur en de mogelijkheden voor het verlengen van de levensduur zoals bij reparatie en hergebruik. Veel objecten worden in één keer geprint, of juist in stukken geprint en later monoliet met elkaar verbonden, wat de herbruikbaarheid niet bevordert. Een modulaire opbouw met losmaakbare verbinding geeft meer kansen voor aanpasbaarheid en herbruikbaarheid. Rob Wolfs zegt hierover: “De techniek van 3D printen biedt bij uitstek de mogelijkheden om geprofileerde randen te maken, zodat elementen als puzzelstukken in elkaar kunnen passen.”

Digitalisering

Na industrialisatie is digitalisering de volgende stap in de globale ontwikkeling, zo ook in de bouw. Rob Wolfs ziet de 3D-betonprinter daar een instrument van: “Het mooie is dat de productie bijna direct vanuit een digitaal model aangestuurd kan worden, de ontwerper is direct betrokken in de technische uitvoerbarheid en de lijnen van ontwerp naar productie worden heel direct. Een nabije toekomst waar ik echt enthousiast van wordt.”