“Nieuwe realiteit…”
Onlangs is bij de TU Eindhoven een groot onderzoeksproject gestart naar de mogelijkheden van duurzaam 3D betonprinten. Het 3DCP-project staat onder verantwoordelijkheid van Theo Salet, hoogleraar betonconstructies aan de faculteit Bouwkunde van de TU/e. Wat houdt het project in en hoe ver zijn de onderzoekers?
3D-betonprinten is meer dan een nieuwe maakmethode, volgens Salet. “Met 3D-betonprinten kan een nieuwe realiteit ontstaan waarin architectuur, constructie en productie vergaand worden geïntegreerd. Die toekomst zijn we nu aan het verkennen en proberen we dichterbij te halen.”
Het begin
Vier jaar geleden betrok Salet zijn positie als hoogleraar aan de TUe. Zijn vraag destijds: hoe besteed ik mijn deeltijdhoogleraarschap zo efficiënt mogelijk? “Ik wilde me focussen op het vernieuwende. Als maatschappij krijgen we meer en meer te maken met de ontwikkeling van de snelheid van computers. De capaciteit is van een ‘mug’ naar een ‘muis’ gegaan, over een aantal jaren is die gelijk aan de mens en over twintig jaar kan een computer meer rekenen dan de mensheid bij elkaar. Ik zie dat wij digitaal gaan ontwerpen en produceren. Wat keihard nodig is, ook in de betonwereld. Beton is fantastisch materiaal, maar heeft wereldwijd wel een grote milieubelasting met CO2 uitstoot. Slimmer en mooier ontwerpen is noodzakelijk met digitalisering, unieke rekenmodellen en parametrische ontwerpen. Voor het maken gebruiken we in de toekomst textielmallen, frasetechnieken voor mallen, flexibele mallen én printers. Die laatste techniek hadden we in Nederland nog niet. Dus besloot ik mij hierop te gaan richten.”
Theo Salet zocht partners in het bedrijfsleven om zijn project te ondersteunen. Elf bedrijven over de hele keten in de bouw wilden participeren; van timmerbedrijf, aannemer, cementleverancier, ingenieursbureau tot producent van prefabelementen. “Binnen de universiteit werken we nu met twee PhD’s, acht studenten en een post-doc aan het project, waarvoor zo’n miljoen euro beschikbaar is. De komende zomer gaat een derde PhD aan de slag.”
Printer
Na het regelen van de financiering, werd de printer ontwikkeld. Het ontwerp van de printer en de besturing ervan startte in 2014. De opbouw vond in de zomer van 2015 plaats. Met de printer kunnen objecten tot elf meter lang, vijf meter breed en vier meter hoog geprint worden. Momenteel zit men diepgaand in het onderzoek. Met als doel om grensverleggende en makkelijk te recyclen betonproducten te kunnen printen.
“Onze generatie heeft een verantwoordelijkheid in duurzaamheid. Met het 3D betonprinten kunnen ook wij ons steentje bijdragen
Theo Salet
Hoogleraar betonconstructies aan de faculteit Bouwkunde van de TU/e
Hoe werkt dat 3D printen eigenlijk? Theo Salet vergelijkt het met een slagroomspuit. “Aan het ene einde van de slang zit een spuitmond. Aan het andere einde van die slang bevindt zich een grote pomp en menginstallatie, die zand, water en cement mengt tot het beton wordt. De pomp zorgt ervoor dat het mengsel aan het einde van de slang eruit komt. Op die slang kunnen we verschillende koppen zetten. De ene keer komt het beton er rond uit, dan weer vierkant. Het materiaal dat er uit komt, blijft staan. Het zakt niet in elkaar. Door de spuitkop te bevestigen aan de robot kan deze geheel automatisch elk gewenst pad afleggen in de ruimte.”
Onderzoek
Op de vraag waar het onderzoek van Sarlet en zijn team zich op richt, zegt hij: “Normaliter stort je beton in een mal. Of we nu een klein of een groot huis maken, het materiaal is wat het is en heeft dezelfde eigenschappen. Met de printer gebeurt er iets bijzonders. We kunnen er veel vrijere vormen mee maken. Een kist is niet nodig, wat de helft van de kosten van een betonconstructie is. Echter, daar staat een ding tegenover. Printen we heel snel, dan is het beton onderin nog niet hard en stort het geheel in elkaar. Printen we heel langzaam, dan hechten de lagen niet aan elkaar omdat een laagje beton op een reeds verhard laagje is gelegd. Materiaaleigenschappen zijn dus gekoppeld aan de grootte van wat we maken en de snelheid waarmee we printen. Dat moet opgelost worden. We zijn de printer zo aan het inrichten dat hij zelf bepaalt met welke snelheid het print bij een bepaald ontwerp.”
Salet vervolgt: “Een ander punt: normaal storten we het beton om de wapening heen. Hoe moeten we met 3D printen de wapening erin krijgen? Of misschien hoeven we niet te wapenen, maar het materiaal dat beton heet veranderen? Wel cementgebonden, maar met een veel grotere treksterkte. Dat zijn we aan het onderzoeken.”
Een ander onderzoeksvlak betreft het printen van verschillende soorten beton in één product. Zodanig dat een complete wand te printen is met alle functionaliteiten. Een wand met vezels versterkt beton voor de sterkte, een isolerende laag voor de warmte, aan de buitenkant vuilafstotend beton en aan de binnenkant een laag die zorgt voor prettige akoestiek. “Met deze mogelijkheid stel je het cementgebruik ook af op de behoefte en maak je het geheel daarmee ook veel duurzamer.”
Samenwerking
Wereldwijd wordt er veel geld gestopt in de techniek van het 3D printen, vernemen we van Theo Salet. “Singapore en Zwitserland beschikken bijvoorbeeld elk over een 3D printcentrum met onderzoeksbudgetten die vele tientallen malen groter zijn dan de middelen waarover de TU/e beschikt.”In deze landen investeert de overheid in 3D printen. Geloof maar, dat er met dergelijke programma’s echt wat gebeurt op dit gebied.” In Nederland is dit niet het geval, reden voor Salet om samenwerking te zoeken met zowel de universiteiten in Singapore als Zwitserland.
Meerdere technieken
Salet is ervan overtuigd dat het onderzoek op de TU/e eind 2016 zodanig is afgerond dat er bedrijfszeker en veilig geprint kan worden. “Dan printen we een gebouw. Wij leveren de techniek. De vraag is welke bedrijven het oppakken, een eerste pilot uitvoeren om al lerende uiteindelijk toepassing in de praktijk mogelijk te maken.”
En die praktijk, hoe ziet die er dan uit? Theo Salet:
“Ik noemde het in het begin al. We gaan anders ontwerpen en maken: digitaal. Daar zit een enorme kwaliteits- en productieslag in. Of alles geprint zal worden? Niet alles, dat is ook niet een doel op zich, maar delen wel. We maken gebruik van diverse technieken – bijvoorbeeld frasetechnieken – om op maat te kunnen maken. Maar door de printer wordt de maakmethode vrij, waardoor we ook andere dingen kunnen maken.”
Theo Salet tot slot: “Onze generatie heeft een verantwoordelijkheid in duurzaamheid. Met het 3D betonprinten kunnen ook wij ons steentje bijdragen.”
Een voorbeeld in het buitenland – Dubai
Dubai en Winsun Global, een Chinees 3D-printtechnologie bedrijf, zijn een samenwerking aangegaan om ’s werelds eerste 3D-geprint kantoorgebouw te realiseren. Het gebouw moet laag per laag gebouwd gaan worden met een 3D-printer van ruim zes meter hoog. Het kantoorgebouw in Dubai gaat een grootte van 600m2 beslaan en zal dienen als tijdelijk hoofdgebouw van het ‘Museum van de Toekomst’. Het printen van gebouwen is niet alleen innovatief, maar ook financieel aantrekkelijk. Doordat de printer efficiënter omgaat met materialen wordt er tot 60 procent minder afval gecreëerd, ook de arbeidskosten zijn met 50 tot 80 procent gereduceerd. Wanneer men het project vergelijkt met traditioneel bouwen, dan blijkt dat de productietijd ook te halveren is. Hierdoor kunnen architectonische bedrijven in een kortere periode innovatieve gebouwen bedenken en ontwikkelen. Daarnaast zijn er minder beperkingen wanneer het aankomt op vorm en materiaal. Het kantoorpand is na verwachting in 2017 gereed.
