Nieuws

Zo voorspel je of een 3D-geprint gebouw instort

Hoe kan het 3D-printen van beton van een curiositeit, waarmee in laboratoria fantasierijke constructies gecreëerd worden, uitgroeien tot massaal gebruikte techniek, waarmee materiaal en mankracht worden bespaard? Deze maand promoveerde ingenieur Rob Wolfs in Eindhoven cum laude op deze vraag. Hij heeft een rekentool ontwikkeld waarmee je kan voorspellen wat er gebeurt tijdens het printen en hoe je voorkomt dat een ontwerp bezwijkt.

Het 3D-printen van beton belooft een revolutie voor de bouwsector te betekenen. De bouw is in tegenstelling tot andere industriële sectoren nog nauwelijks geautomatiseerd. Beton is na water het meest gebruikte materiaal ter wereld en is goed voor 5 tot 8 % van de wereldwijde broeikasgasemissies. Zuiniger met dat materiaal omgaan en tegelijkertijd sneller en minder arbeidsintensief bouwen is een uitkomst om te voldoen aan de groeiende vraag naar nieuwe gebouwen. Daarbij zit ook nog 35 tot 60 % van de kosten van traditionele bouw in de houten bekisting, waar beton in gestort wordt en die nadat het beton is uitgehard weggegooid wordt omdat het vaak niet herbruikbaar is, zeker bij complexe geometrieën.

Maar het is niet zo eenvoudig om laagjes beton op elkaar te leggen zonder dat het gebouw instort. ‘Dat komt omdat je aan de ene kant niet te snel kunt printen, omdat het vochtige beton dan in elkaar zakt en aan de andere kant niet te langzaam kunt printen, omdat de hechting tussen de laagjes dan niet sterk genoeg wordt,’ legt Wolfs uit. ‘Als je die balans gevonden hebt, kan je heel veel vrijheid pakken in je ontwerp.’ In de traditionele bouw wordt een gebouw tweemaal gebouwd – eerst als bekisting en dan als gestort beton – en dan één keer doorgemeten als het eenmaal staat. Bij 3D-printen is het andersom: je bouwt slechts één keer, maar moet de constructie tweemaal analyseren: eerst tijdens het printen en dan nog eens als het beton is uitgehard.

Om die nieuwe moeilijkheid te vereenvoudigen heeft Wolfs een rekenmodel ontwikkeld, dat hij met lange series experimenten heeft gevalideerd. Hiermee is van tevoren te voorspellen welk ontwerp zal blijven staan en welk ontwerp zal bezwijken. Bij vochtig beton liggen twee gevaren op de loer: het kan ‘door zijn hoeven zakken’ (plastisch bezwijken ) of ‘knikken’ zoals een satéprikker waar je op drukt (instabiliteit). Met zijn simulaties heeft Wolfs in kaart gebracht wanneer dit gebeurt, waardoor je je ontwerp zo kunt aanpassen dat het voldoende sterk en stabiel is. Hetzelfde geldt voor de hechting tussen de geprinte laagjes.

De wereld van betonnen 3D-prints is volop in ontwikkeling. Innovatoren presenteren in de pers vaak hippe en artistieke constructies maar houden uit concurrentieoverweging de details van hun proces voor zich. Daarom is vaak niet eens duidelijk hoeveel er nu werkelijk uit een 3D-printer gerold is en hoeveel ter plekke in elkaar gezet is. Er is nog weinig gepubliceerd in tijdschriften met peer review, maar daar komt verandering in. Wolfs hoopt door zijn rekenmodel te delen met anderen de sector als geheel naar een hoger plan te trekken. Daarom heeft hij ook niets geoctrooieerd.

Belangrijk om de techniek te laten groeien, is standaardisatie van testprotocollen. Volgens Wolfs hoeven de veiligheidsvoorschriften in de bouw niet te veranderen voor het printproces. Wat wél kan veranderen is de manier waarop eigenschappen bepaald worden. Hij hoopt dat zijn rekenmodel daaraan kan bijdragen.

Wolfs vergelijkt de nog onverwezenlijkte mogelijkheden van betonnen 3D-prints met de overgang van de zwart-wit-printer naar de kleuren printer. ‘Het wordt straks mogelijk om flexibel gradiënten en varianten van materialen te printen in plaats van steeds hetzelfde materiaal te storten.’

Naast 3D-printen ziet Wolfs ook toekomst voor prefab-bouwen, een andere manier om te besparen op materiaal en bouwkosten. ‘Prefab bouwen is een goede stap naar massaproductie. 3D-printen is een stap naar mass customization.’ Daarbij zorgt 3D-printen volgens Wolfs nog steeds voor een besparing op materiaal doordat je niet massief hoeft te storten, maar materiaal kunt weglaten waar het niet nodig is. ‘Het grote voordeel blijft de enorme vormvrijheid die de techniek geeft.’ Met Wolfs’ rekenmodel is de printstrategie daarvoor nu te optimaliseren.

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW