3D concrete printing
Ivo Vrooijink, Projectmanager/Researcher
Iman Hadzhivalcheva, Researcher/Designer
Anne Pasman, Researcher/Designer
Nieuwe materialen en technologieën worden in hoog tempo toegankelijk. Maar hoe ontwikkel je er innovatieve producten mee? Bij Saxion lectoraat Industrial Design willen we via toegepast (ontwerp)onderzoek, opkomende ontwikkelingen koppelen met de huidige industrieën.
In dit artikel vindt u een korte inleiding over Additive Manufacturing van beton, de aanpak die we hanteren en de uitdagingen voor het toepassen ervan in de industrie. Ook wordt ingegaan op verschillende afgeronde projecten en worde de lopende onderzoeksonderwerpen belicht.
3D Concrete Printing
Additive manufacturing heeft het industrieel product ontwerpenvakgebied veranderd door een alternatief te bieden voor complexe mallen en massaproductie. Je bent waarschijnlijk al artikelen tegengekomen over de 3D-geprinte, topologisch geoptimaliseerde onderdelen uit de autoindustrie, of je hebt al video’s gezien over aangepaste protheses. Misschien draag je zelfs zelf al schoenzolen die op maat gemaakt zijn.
Maar hoe ziet het plaatje eruit als het gaat om het 3D-printen van grootschalige objecten?
Het meest gebruikte materiaal in de bouw, beton, is ook niet nieuw in de wereld van Additive Manufacturing. 3D Concrete Printing (3DCP) is een technologie die de afgelopen 10 jaar aanzienlijk populair is geworden. Velen zien het potentieel ervan, omdat het in wezen de behoefte aan dure mallen voor eenmalig gebruik zou kunnen elimineren, met name in de prefab-industrie. 3DCP is een relatief snel proces, omdat de laaghoogte en -breedte tot enkele centimeters kunnen zijn, wat resulteert in een hoge materiaalafzetting van 2 tot 60 liter per minuut.
Momenteel ligt de wereldwijde focus op het 3D-printen van woningen, met projecten variërend van een tiny house tot gebouwen met meerdere verdiepingen. Hoewel huisvesting zeker interessant is, vinden we bij het lectoraat de vormvrijheid die de technologie mogelijk maakt veel geschikter voor objecten op productschaal.
3DCP in productontwerp
Bij Saxion Lectoraat Industrial Design zijn we sinds 2015 actief op het gebied van 3D printen van beton. Door de jaren heen hebben we samengewerkt met bedrijven binnen de domeinen civiele techniek, bouw, logistiek, grondstoffen, architectuur en design. Samen met onze bedrijfspartners benaderen we elke onderzoeksvraag – welke geleidelijk toenemen in complexiteit – door eerst een goed inzicht te krijgen in de huidige manier van werken en daarna een toekomstvisie te vormen. Bij de overgang van traditionele methoden naar nieuwe, geautomatiseerde en sterk op maat gemaakte oplossingen, komt vaak een andere aanpak kijken: van “wat veilig en gemakkelijk te maken is” naar “wat een optimale oplossing is” of zelfs “wat een esthetisch wenselijke oplossing is”. We maken hierbij vaak gebruik van parametrisch ontwerpen.
Het combineren van ontwerp- en productiestrategieën voor massa-aanpassing
Bij parametrisch ontwerpen wordt een objectvorm niet ingesteld door schetsen van de ontwerper, maar door parameters (regels) die de functies en vorm ervan definiëren. Dergelijke parameters kunnen de keuze van de klant zijn, materiaaleigenschappen, omringende beperkingen, enz. Met onze parametrische ontwerpen vertalen we complexe, maar flexibele ontwerpregels naar printbare geometrieën. Door Rhino3D+Grasshopper-software in de workflow te implementeren, kunnen we ook snel veel opties verkennen en hun prestaties, printbaarheid en uiterlijk in realtime vergelijken. Hoewel dit heel
aantrekkelijk klinkt, is de realiteit (helaas) dat het tijd kost voor de industrie om het potentieel van deze techniek te realiseren.
Ga verder dan het lab
Om innovatie vooruit te helpen is het essentieel om deze buiten de labomgeving te realiseren, zichtbaar te maken en daardoor vertrouwen op te bouwen. Hoewel fundamenteel onderzoek een essentiele functie heeft in het begrijpen van de achterliggende vraagstukken, is het ook erg belangrijk om geschikte showcaseprojecten te realiseren die de sterke punten van de techniek op een veilige en aantrekkelijke manier kunnen laten zien.
Ons eerste opgeleverde project is de Green Façade gemaakt in samenwerking met De Witte van der Heijden Architecten, Vertico Large Scale 3D printing en Trebbe. De Façade toont het vermogen om een structuur van allemaal unieke elementen te produceren, waarvan het ontwerp een dag voor de productie van de betonblokken nog werd aangepast.
Nog een stap verder gingen we in het project Green Dome. Daarin bereikten we een dubbel gebogen vorm met allemaal unieke elementen. De constructie is gericht op het beschermen van een composteerunit als onderdeel van het project Green Dome met Twente Milieu en TWW. Dergelijke voorbeelden dienen niet alleen als proof-of-concept, maar geven ook inzicht in het verwerkings-, transport- en assemblageproces.
Hoewel deze twee voorbeelden een goed inzicht geven in de mogelijke productiemogelijkheden van 3DCP, blijven we geïnteresseerd in wat de aantrekkelijke toepassingen zijn vanuit een zakelijk perspectief. Daarvoor zijn op het moment twee voorbeelden in ontwikkeling:
1. Wenteltrap
De ontwikkelde aanpasbare wenteltrap heeft verschillende laboratoriumtests doorstaan. Volgens (Eurocode) NEN-EN-1991-1-1 moet een trap voor een kantoorlocatie bestand zijn tegen een puntdrukpunt van 4,5kN (inclusief de veiligheidsfactor). Testresultaten van onze prototypes laten een consistente prestatie zien met faalgedrag rond 5,4kN. Dit geeft enorm veel vertrouwen in het ontwerp en in de productiemethode, waardoor is aangetoond dat 3D-betongeprinte trappen een stap dichter bij de werkelijkheid zijn. Met het parametrisch ontwerp kan een trap voor bijna elke omgeving worden gemaakt en tevens de flexibiliteit bieden om zelfs last-minute wijzigingen van de klant te verwerken.
2. Vispassage
Vispassages zijn structuren die gebouwd worden langs geblokkeerde waterwegen om de natuurlijke migratiepatronen van verschillende vissoorten te vereenvoudigen. Elke locatie is uniek, daarom moet ook het ontwerp en de productiestrategie uniek zijn. Het gebruik van parametrisch ontwerpen stelde ons hier in staat om ontwerpkeuzes te herhalen die passen bij specifieke omgevingen (zoals 3D- gescande gegevens). In combinatie met 3D betonprinten resulteerde dit in op maat gemaakte oplossingen. Onze partners bij Twente Additive Manufacturing (TAM) hebben al een proof of concept van het vispassage-ontwerp geprint.
Selectiemethode
Het werken met deze verschillende applicaties heeft ons steeds meer inzicht gegeven in het vinden van de juiste toepassingen. Op basis van dit inzicht ontwikkelen we een selectiemethode die een belangrijke vraag zal beantwoorden die leeft bij het MKB: “Is 3D-betonprinten iets voor mijn bedrijf?”. In drie sessies worden de waarden van de MKB’er bepaald en gekoppeld aan de mogelijkheden van 3DCP. Door dit op een systematische manier te doen, worden toepassingsideeën geformuleerd die niet alleen passen bij 3DCP, maar ook logisch zijn vanuit een zakelijk perspectief. Eerste proefsessies bij bedrijven geven veelbelovende resultaten van deze methodiek. Omdat de huidige methodiek zich in een vergevorderd stadium van ontwikkeling bevindt, zijn we op zoek naar bedrijven die de methodiek bij ons willen valideren.
Via de methodiek hopen we een bijdrage te kunnen leveren. Het is immers cruciaal om de transformatie te faciliteren die het mogelijk maakt om enthousiasme over de nieuwe technologie om te zetten in real-life oplossingen die relevant zijn voor de industrie van vandaag en morgen. De methodiek kan bedrijven hopelijk helpen bij het identificeren van nieuwe producten, productfuncties en markten die 3DCP kan ontsluiten of aanzienlijk kan verbeteren. We geloven in een verschuiving van technology push naar technology pull. De toepassingen van de toekomstige ontwikkelingen van de technologie moeten hierin leidend zijn, zodat we wereldwijd getuige kunnen zijn van meer verstandige, duurzame en beter presterende betonprints.
