Ontwerpen van 3D-geprinte betonelementen

Auteur: Cindy Vissering

Het toepassen van een nieuwe techniek in je project, zoals elementen die 3D-betongeprint zijn, vraagt van de ontwerper kennis van de mogelijkheden en beperkingen van die techniek. Het 3D-printen met beton biedt duurzame oplossingen doordat er geen bekisting of mal gemaakt hoeft te worden én het is mogelijk om een dunwandig object of een skeletstructuur te modelleren waarbij alleen dáár materiaal geprint wordt waar nodig voor het krachtsverloop in de constructie.

Vormvrijheid

Van beton zijn we gewend dat bijna elke vorm mogelijk is, zolang we er een mal voor kunnen maken, dan volgt het vloeibare beton de vlakken en vult alle delen van de mal, waardoor na uitharden een creatieve vorm gemaakt is. Het 3D-printen van beton gaat in eerste instantie uit van het platte vlak, waarop laagje voor laagje een 50 tot 80 mm brede sliert betonspecie neergelegd wordt. Grillige vormen zijn hierin mogelijk, waarbij rekening gehouden wordt met de doorsnede en de beweging die daarmee gemaakt kan worden. De hoeken zijn bijvoorbeeld altijd afgerond, waarbij de diameter van de ronding minstens de helft van de laagbreedte is. De grillige vorm is dus in principe vooral 2D en door laagjes toe te voegen ontstaat een 3D vorm in de hoogte.

Overhellende vorm

Bij het opbouwen van laag voor laag, is het nodig dat er voldoende massa van de vorige laag onder de volgende zit, om deze omhoog te houden. Een volgende laag kan steeds voor een deel verschuiven, hiermee kan een helling gecreëerd worden. Omdat de betonspecie na pinten nog enigszins stroperig is, heeft de helling een maximum, die per printer en exacte materiaaleigenschappen van de betonspecie verschillend is. Weber Beamix geeft bijvoorbeeld aan een helling van 10 graden t.o.v. de loodrechte as te kunnen printen zonder een ondersteuning te hoeven regelen. Ondersteuning kan in de vorm van geëxtrudeerde korrels bijvoorbeeld, zeker wanneer de vorm naar binnen overhangt, dan worden de korrels in de eigen vorm opgesloten. Dat is de methode die is toegepast bij de pijlers van de brug in Nijmegen – die zijn ondersteboven geprint.

Producenten die gebruik maken van twee componenten (zoals Vertico), waarbij een verharder in de printkop bij de betonspecie wordt ingespoten, kunnen een grotere overhang creëren doordat het beton sneller uithardt na plaatsing van de laag.

Stapelvorm

Projecten als Milestone en De Vergaderfabriek zijn opgebouwd met verdiepingshoge elementen, waarbij de wanden licht hellend ontworpen zijn, deels om de mogelijkheden van 3D-betonprinten te laten zien. Deze elementen worden in één keer geprint en worden naast elkaar gezet en gekoppeld. Soms met verdiepingshoge raampartij ertussenin.

Voor zwaardere objecten die groter zijn in de hoogte van de printrichting, wordt ervoor gekozen om losse elementen van eenzelfde doorsnede aan elkaar te schakelen tot een langer element, zoals een brug. Daarbij wordt het element op zijn kant geprint. Bij de meeste bruggen wordt op deze manier een bepaalde doorsnede in elementen aan elkaar ‘geregen’ en onder spanning gezet. Beton kan het beste op druk belast worden, door spanningsdruk te zetten op een element, kan het voor een deel trekkrachten opvangen. In deze projecten werkt de naspanning vergelijkbaar zoals je een rij boeken uit de kast in één keer van de plank kunt optillen: je brengt dan druk aan op de rij boeken en kunt ze verplaatsen zonder dat er één tussenuit valt.

Variërende laagdiktes

Een laagdikte – of hoogte – varieert van 5 tot 20 mm. Met dunne lagen kunnen meer gelijkmatige hellingen worden verkregen, waarbij de helling van het object ook iets verder kan oversteken. Wanneer er wordt gevarieerd in de hoogte van de laag, dan resulteert dit in een scheeflopend object, zie bijvoorbeeld de boogvormige elementen die Vertico maakte voor een paviljoen, of Tiny House. Hiermee worden de ontwerpmogelijkheden vergroot. De onderste laag is heel strak afgewerkt, die ligt op het printbed, de bovenste laag is wat minder strak, na al die lagen printen. Op dit moment wordt er onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om ook de bovenste laag vlakker te maken, dit geeft namelijk een strakkere aansluiting met het stapelen van elementen.

Glooiende ondergrond

De TU Eindoven heeft samen met Vertico een methode ontwikkeld waarbij de ondergrond niet vlak is maar glooiend. De printerkop volgt de ondergrond en legt daar laag na laag bovenop. In dit onderzoek hebben ze ook nog het printpad zo gekozen dat er een relatief open structuur ontstaat. De glooiende ondergrond werd in dit onderzoek gemaakt van kinetisch zand dat door een robotarm in de gewenste glooiing werd gebracht. Dit zand is talloze malen her te gebruiken als ondergrond of mal.

Printpad

In principe zijn de engineers van de 3D-betonprinter verantwoordelijk voor het omzetten van het ontworpen object in een printbaar element, maar de volgende aspecten kunnen (beeld)bepalend zijn in het ontwerp.

Het beton is nog stroperig wanneer het uit de printkop of nozzel komt, want dan is het vormbaar, en ‘zacht’ genoeg om te integreren met de laag eronder. Tegelijkertijd moet het stevig genoeg zijn om de volgende laag te kunnen dragen, zonder al te veel te vervormen. De tijd die het duurt voordat de volgende laag eroverheen komt, is daarbij van belang, en dat heeft te maken met de lengte van het ‘printpad’. De ‘open tijd’ van het beton kan ook gestuurd worden met het aanpassen van de samenstelling. Het meest eenvoudig is het printpad in een lus te ontwerpen, de printer legt dan per ronde een laag, en op elke plek is de tijd gelijk voordat de volgende laag erop komt.
Het is echter ook mogelijk om een ‘open lus’ te printen, door heen-en-weer te gaan over dezelfde enkele (gevormde) lijn. Uitdaging is hierbij dat op het uiteinde waar men keert, er weinig tijd is verstreken voordat de volgende laag neergelegd wordt, aan het andere uiteinde duurt het ‘t langst voordat de printerkop weer langs komt.

Stabiliteit

Omdat het beton niet direct is uitgehard vraagt de stabiliteit van het element tijdens de productie om extra aandacht ten opzichte van de stabiliteit van de uitgeharde vorm. Stabiliteit wordt verkregen door het maken van een kromming in het element of tussenribben. Omdat de printer geen scherpe rechte hoeken kan maken en de buitenste vorm van het object even verlaat om een steunribbe te maken, ontstaat hier een inspringing in het oppervlak die doet denken aan een voeg.

Hierbij kan het wenselijk zijn om de ribbe vast te maken aan een eerder deel van het printpad. Ook kan het een ontwerpelement zijn om telkens een eerder deel van het pad te raken. Hierbij is het van belang dat de beide delen betonmortel met elkaar integreren voor de stevigheid en uitharden tot één monoliet geheel. Dan kan men niet verder gaan dan 1/3 overlap, anders ga je een dikte of hoogte verschil zien in de printlaag.

Decoratieve elementen

Het oppervlak van een geprint element is in principe geribbeld. Er zijn tests gedaan met het gladstrijken van de structuur, al dan niet geautomatiseerd, maar de resultaten zijn nog niet zo glad als wenselijk. Voorlopig blijft een geribbelde structuur kenmerkend voor deze techniek.
Door kleine afwijkingen in het printpad in te porgrammeren, ontstaan er reliëf patronen in het oppervlak. Hierin zijn talloze mogelijkheden.

Twee type betonprinters

Een portaal printer zorgt ervoor dat de printkop kan bewegen over twee assen, en de hoogte. Hiermee kan gemakkelijk een groot bereik gecreëerd worden. De beperking wordt opgelegd door het formaat van het portaal. Een printerkop op een robotarm kan vrij in de ruimte bewegen en wordt beperkt door de uiterste reikwijdte van de robotarm. Om het bereik van de robotarm te vergroten kan deze op een track geplaats worden of voorzien worden van wielen of rupsbanden. Over het algemeen wordt de robot niet verplaatst tijdens het printen. Door de meer vrije beweging van de robotarm is deze zeer geschikt voor het printen onder een hoek en op een voorgevormd printbed.

Beide varianten kunnen worden opgebouwd op de bouwplaats of in een fabriek geplaatst worden.

Om een idee te geven van de mogelijke maten: Een standaard object heeft bijvoorbeeld bij Weber Beamix een maximaal formaat van 4 x 1,35 bij een maximale hoogte van 3,25 meter van maximaal 3000 kg. Aangezien het printbed groter is (12 x 3 meter) is het mogelijk om in overleg andere formaten te printen.

Bouwregelgeving

De techniek van 3D printen van beton is nog niet opgenomen in de bouwregelgeving, daarvoor is de techniek nog onvoldoende doorontwikkeld en gestandaardiseerd. Wel is er al een CROW-CUR Richtlijn opgesteld in samenwerking met de verschillende producenten om een start van standaardisatie te maken. Bekijk hier de richtlijn: CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten (online gratis na aanmelden).

Dat 3D-betongeprinte elementen nog niet in regelgeving zijn opgenomen, betekent dat alle constructies beproefd moeten worden en voorzien van bewijs dat ze de bedachte functie kunnen vervullen. Bij de brug in Nijmegen bijvoorbeeld is het portaal met de grootste overspanning eerst als proef geprint om de tests op uit te voeren. Daarna is het nog een keer geprint voor de uiteindelijke brug.