3D-printen van betonconstructies7 2015403D-printen vanbetonconstructies1Onderzoek naar mogelijkheden van een nieuwe maakmethode3D-printen van betonconstructies 7 2015 413D-printen is sterk in opkomst. Van protheses totvliegtuigonderdelen, dagelijks komen er nieuweindustrie?n bij die gebruikmaken van deze opko-mende techniek. Het is de vraag of printen ook voorde bouw een toegevoegde waarde kan leveren. Opde TU Eindhoven is daarom een grootschalig onder-zoek gestart om de nieuwe maakmethode op bouw-kundig niveau te beheersen.3D-printen is een Additive Manufacturing (AM) techniek,waarbij objecten laag voor laag worden opgebouwd totdat degewenste geometrie is voltooid. Met deze maakmethodekunnen unieke, niet-repeterende producten worden gemaakt.De toepasbaarheid van printen in de bouw wordt in de praktijkal verkend. Zo werkt DUS Architects in Amsterdam met kunst-stof aan het 3D Print Canal House en onderzoekt JorisLaarman Lab de mogelijkheid om een brug in staal te printen.Ook beton kan al worden geprint.Het printen van beton biedt een duidelijk voordeel ten opzichtevan traditioneel storten: bekisting is niet langer noodzakelijk.Dit vraagt echter wel wat van het materiaal. De afgelopen jarenis beton ontwikkeld tot een zelfverdichtend materiaal dat zichprobleemloos verspreid. Te printen beton vraagt juist het tegen-overgestelde. Als het eenmaal uit de printkop komt, dient hetook op die exacte plek te blijven staan.State of the artHet toepassen van deze techniek is nog verre van vanzelfspre-kend. Dit heeft een kleine groep pioniers er niet van weerhoudenom aan de slag te gaan en het 3D-printen van betonconstructiesop de kaart te zetten.Contour CraftingDe eerste voorbeelden komen uit de Noord-Amerikaanseuniversiteit van Zuid-Californi?. Daar ontwikkelt BehrokhKhoshnevis sinds de jaren negentig het zogenoemde ContourCrafting. Deze techniek bouwt betonnen wanden gelaagd op,gebruikmakend van een printkop met meerdere nozzles (spuit-monden). Hiermee kunnen binnen- en buitenblad van eenwand in ??n beweging worden geprint. Contour Crafting pastin Khoshnevis' visie van een bouwplaats die zich niet beperkttot printen, maar waar ook het plaatsen van balken, vloeren,installaties en de afwerking is geautomatiseerd. Khoshnevis iseen samenwerking aangegaan met NASA om te onderzoeken ofde techniek ook buiten de aarde toepasbaar is [1] (fig. 2).prof.dr.ir. Theo SaletTU Eindhoven / Witteveen+BosRob Wolfs MScTU Eindhoven1 3D-betonprinter aan het werk op de TU Eindhovenfoto: Rien Meulman2 Impressie van Contour Craftingbron: University of Southern California23D-printen van betonconstructies7 2015425 Het Chinese bedrijf WinSun bouwt woningen met onderdelendie in een fabriek worden geprint6 Bij 3D-printen hangen de printstrategie, het geprinte materiaalen de gewenste vorm nauw met elkaar samenD-ShapeNaast deze onderzoeksinstellingen zijn er start-ups die ernaarstreven de techniek in de praktijk toe te passen. Zo ontwikkeldede Italiaan Enrico Dini de techniek van D-Shape. Bij dezeprintmethode wordt telkens een laag droog materiaal neergelegd,waarna honderden kleine nozzles lokaal bindmiddel extruderen.Hiermee hardt het materiaal alleen uit waar het is gewenst enhet onverharde materiaal werkt als tijdelijke ondersteuningtijdens het printproces [4].TotalKustom, CyBe en WinSUnIn het Noord-Amerikaanse Minnesota richtte aannemer AndreyRudenko het bedrijf TotalKustom op, dat vergelijkbaar metContour Crafting betonnen objecten op locatie kan printen. Debouwplaats beperkt zich momenteel tot zijn garage en achter-tuin, waar hij een betonnen schaalmodel van een kasteel heeftgeprint. Rudenko heeft plannen om zijn techniek op grote schaalin de praktijk toe te passen, maar wordt daarin vooralsnogbelemmerd door de Amerikaanse wet- en regelgeving.Ook in Nederland is een soortgelijke techniek al opgepakt. CyBe,gevestigd te Oss, ontwikkelt momenteel verschillende 3D-prin-ters die grote en gekromde betonnen objecten kunnen realiseren.Ook in China wordt deze techniek ontwikkeld. Zo komen regel-matig nieuwsberichten uit Shanghai, waar WinSun de eerstegrote huizen, appartementen en zelfs villa's in beton heeftgeprint. In die berichten ontbreekt echter vaak het feit dat dezegebouwen in onderdelen in een fabriek worden geprint. Dezegebouwdelen worden vervolgens naar de bouwplaats vervoerden daar geassembleerd tot grote bouwwerken. Dit doet echterniets af aan de prestaties van het Chinese bedrijf (foto 5).Toepasbaarheid in de bouwDe potentie van 3D-printen van betonconstructies is duidelijk:een bouwproces met lagere kosten door de afwezigheid vanbekisting. Niet alleen bij gangbare constructies, maar zeker ookbij complexe geometrie?n, heeft de bekisting immers een grootaandeel in de kosten. Daarnaast resulteert printen in mindermateriaalgebruik en minder afval, omdat het materiaal alleendaar wordt neergelegd waar nodig. Bovendien is het een geau-tomatiseerde maakmethode die 24/7 kan doorgaan zondernauwkeurigheid te verliezen.Het printen heeft ook een aantal extra voordelen. Zo kan heteen bijdrage leveren aan het vergroten van de gewenste integra-tie van de bouwketen. Door ontwerpen en maken bij elkaar tebrengen (CAD/CAM) kunnen gebouwen van een hogerekwaliteit worden gerealiseerd. Met een printer is het namelijkniet significant duurder en duurt het niet langer om elkelement anders te maken. Hiermee kan elk gebouw of elkebouwsteen voor zijn specifieke functie worden ontworpen(`mass customization').Concrete PrintingOp de Britse Loughborough University wordt onderzoekverricht naar Concrete Printing. Deze printtechniek is verge-lijkbaar met Contour Crafting, maar heeft een hogere resolutieen een betonsoort van hogere sterkte. Hiermee kan niet alleende uitwendige contour worden geprint, ook worden de inwen-dige structuur en doorsnedeopbouw van bijvoorbeeld eenwand vormgegeven. Dit biedt de mogelijkheid tot integratievan leidingwerk of isolatie. De universiteit werkt nu samen methet Zweedse bouwbedrijf Skanksa om de techniek op commer-ci?le schaal door te ontwikkelen [2] (foto 3).Smart Dynamic CastingDe Gramazio Kohler Research Group van het Zwitserse ETHhanteert een andere aanpak, genaamd Smart Dynamic Casting.Deze techniek maakt, in tegenstelling tot de eerder genoemdetechnieken, wel gebruik van een bekisting. Het gaat hier echterom een dynamische bekisting: de geometrie van de kist wordttijdens het extruderen van beton bijgestuurd. Ook met deze tech-niek kunnen complexe objecten in beton worden gerealiseerd,zonder voortdurend nieuwe bekisting te maken [3] (foto 4).3 Voorbeeld van Concrete Printingbron: Loughborough University4 Bij Smart Dynamic Casting wordt de geometrie vande kist tijdens het extruderen van beton bijgestuurdbron: ETH Zurich343D-printen van betonconstructies 7 2015 43citeit behalen) die het toepassingsgebied van de printmethodevergroten.Deze vraagstukken zetten aan tot opnieuw nadenken over detoegevoegde waarde van 3D-printen voor de bouw. Daarbijmoeten we niet blijven hangen in de eerste voordelen zoals snelproduceren voor lage kosten, maar ook niet afhaken bij deeerste problemen die de techniek met zich meebrengt. Hetbegrijpen en ontsluiten van de potentie vergt onderzoek.Onderzoeksproject TU/eDe Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) heeft het initia-tief getoond door een onderzoeksproject getiteld `3D Printingof Sustainable Concrete Structures' te starten. Het onderzoeks-team zal de komende vier jaar op experimentele en numeriekewijze het 3D-printen van betonconstructies onderzoeken. DeTU/e betrekt bewust ook het bedrijfsleven in het project. Ominvulling te geven aan de vraag naar ketensamenwerking verte-genwoordigt een groep van tien industri?le partners een breedspectrum van de bouw: Ballast Nedam, Bekaert, ConcreteValley, CRH, CyBe, SGS Intron, Verhoeven Timmerfabriek,Een belangrijke vraag blijft echter nog onbeantwoord. Hettoepassingsgebied van 3D-printen kan namelijk twee kantenop: worden hoge kwaliteit gebouwen in de toekomst in-situgeprint of zit de grootste meerwaarde juist in het prefab printenvan slimme bouwblokken, die vervolgens op locatie tot eenduurzaam gebouw worden geschakeld? Het gaat daarbij nietom de definitie van 3D-printen, maar om de toegevoegdewaarde voor de bouw. En dat zijn niet alleen lage kosten ensneller bouwen, maar vooral juist de mogelijkheid om eenhoogwaardige en duurzame bebouwde omgeving te realiseren.AandachtspuntenDe printtechniek heeft naast de voordelen ook een andere kant.In het geval van 3D-printen kunnen het ontwerpproces en demaakmethode namelijk niet los van elkaar worden gezien.Deze verbinding bestaat uit de relaties tussen drie componenten:de printstrategie, het geprinte materiaal (beton) en de gewenstevorm (fig. 6). Door de vroege fase van ontwikkeling waar dezetechniek zich in bevindt, is de aard van deze relaties nog onbe-kend. Daarbij wordt een juiste toepassing belemmerd engestuurd door de traditionele gescheiden ketens van ontwerptot uitvoering. De voorbeelden die wereldwijd verschijnen, zijndaardoor vaak gerealiseerd door `trial and error'.Het toepassen van wapening is bovendien niet vanzelfsprekendin het printproces. Dit vraagt erom los te komen van traditioneleconstructies en na te denken over de definitie van wapeningvoor 3D-printen. Wordt de wapening geplaatst en het beton eromheen geprint of is het juist de wapening die gaat wordengeprint? Het is ook mogelijk om sparingen te `printen' en daarlater (voorspan)wapening in te plaatsen. Wellicht dat wemoeten wennen aan het idee van constructief beton zonderwapening en zijn het juiste de hoogwaardige en nieuwe vezel-versterkte betonsoorten (die een grotere ductiliteit of trekcapa-56printstrategiemateriaal vorm3D-printen van betonconstructies7 201544nende functie wordt dit materiaal weer weggehaald en bij eenvolgende overspanning of opening gebruikt.AanpakHet onderzoeken van de 3D-printtechniek vraagt om een aanpakdie afwijkt van traditionele ontwerp- en analysetechnieken.Door de onlosmakelijke relaties tussen de componenten print-strategie, materiaal en vorm, wordt gebruikgemaakt van hetzogenoemde toestandsparameterconcept. Dit is een conceptwaarbij de materiaaleigenschappen worden uitgedrukt alsfunctie van de toestand waarin het beton op ieder momentverkeert. De experimentele en numerieke resultaten wordenverwerkt in parametrische modellen, die de relaties tussen dezedrie componenten beschrijven. Deze modellen tonen deinvloed van keuzen op een grafische wijze en zijn eenvoudig uitte breiden met nieuwe data.Om te voorkomen dat deze modellen op een ineffici?ntemanier groeien en oplossingen uitsluitend via trial and error-methoden worden gevonden, worden de parametrische model-len uitgebreid met optimalisatietechnieken. Deze techniekenzijn gebaseerd op `reverse engineering' en gaan uit van het ideedat als twee van de drie condities vaststaan (printstrategie,materiaal of vorm), de derde automatisch wordt berekend.Hierdoor kan het startpunt elk van de drie componenten zijn,zonder dat het model enige aanpassing vraagt. Een eersteaanzet van zo'n model is reeds ontwikkeld [5,6].Deze modellen vormen de basis voor het ontwerp van print-Weber Beamix, Van Wijnen en Witteveen+Bos. Daarnaastondersteunt stichting SKKB het project financieel.Het onderzoeksproject sluit naadloos aan op het profiel van defaculteit Bouwkunde van de TU/e, omdat deze faculteit breed isingesteld en alle disciplines van de bouw in zicht heeft. Deonderzoeksgroep benadert de printtechniek vanuit een weten-schappelijk oogpunt en werkt nauw samen met de projectpart-ners die de toepasbaarheid vanuit de praktijk onderzoeken.3D-printerOm tijdens het onderzoekstraject nauwkeurig experimentenuit te kunnen voeren, is op de TU/e een 3D-betonprintergebouwd. De afmetingen van de printer zijn circa 11 ? 6 ? 4 m.Dat is bewust groot, om het gehele toepassingsgebied van3D-printen te kunnen onderzoeken. Deze afmetingen staan toeop grote schaal objecten te printen en tegelijkertijd met hogenauwkeurigheid kleine elementen te maken (foto 7).Het meng-pompsysteem is gekoppeld aan de besturing van derobot. Deze besturing beperkt zich daarmee niet tot uitsluitendde robotbewegingen en snelheid. De output van de printerwordt ook dynamisch geregeld, evenals het type materiaal datwordt verpompt en geprint.De printer wordt in de loop van het project voorzien van eentweede printkop, waarmee een tweede materiaal kan wordengeprint. Hier kan een herbruikbaar materiaal worden ingezetdat kan worden toegepast als tijdelijke ondersteuning, zoals bijoverspanningen, vloeren of ramen. Na de tijdelijke ondersteu-73D-printen van betonconstructies 7 2015 457 De grote afmetingen van de 3D-betonprinter op deTU/e staan toe op grote schaal objecten te printenen tegelijkertijd met hoge nauwkeurigheid kleineelementen te makenfoto 7, 8 en 9: Rien Meulman8, 9 Het meng-pompsysteem is gekoppeld aan debesturing van de robot; de output van de printerwordt dynamisch geregeld, evenals het typemateriaal dat wordt verpompt en geprintwat vragen met zich mee, die moeten worden opgelost om detechniek in de praktijk te brengen. De komende vier jaar zal hetonderzoeksteam aan de TU/e antwoorden bieden. bare objecten. Zo hebben topologische optimalisatietechniekende afgelopen jaren een flinke ontwikkeling doorgemaakt. Eenrealistische toepassing in de praktijk wordt echter, zeker voorbeton, nog belemmerd door de beperkingen van traditionelemaakmethoden, zoals storten in een bekisting. Met 3D-printenkunnen deze geoptimaliseerde vormen ook op een effici?ntemanier worden gemaakt.Maar met een 3D-printer kan deze optimalisatie nog een stapverder gaan. Als een object wordt gestort, zal de verdeling vanbeton altijd zo homogeen mogelijk over het object zijn verspreid.Daarmee zit er soms materiaal op plekken waar het niet nodig isen is er een materiaalkwaliteit die niet op elke plek noodzakelijkis. Door het printproces op een slimme manier aan te sturen, kanhier verandering in worden gebracht. De materiaalsamenstellingkan zo van plek tot plek vari?ren in het object en over de door-snede. Waar hogere sterkte is gewenst, kan het cement- of vezel-percentage lokaal toenemen, terwijl op minder belaste locatiesbijvoorbeeld een meer poreuze structuur wordt geprint.Daarmee ligt het juiste materiaal op de juiste plek.Tot slot3D-printen van betonconstructies kan de bouw vele voordelenbieden. De noodzaak tot bekisting wordt weggehaald en detechniek gebruikt minder materiaal dan bij het storten vanbeton. Bovendien kan printen de verschillende ketens in debouw bij elkaar brengen en daarmee de kwaliteit van gebouwenverhogen. Deze nieuwe maakmethode brengt echter wel nog LITERATUUR1 Khoshnevis, B., Hwang, D.Yao, K.,Yeh, Z., Mega-scale fabrication by contourcrafting. International Journal Industrial and Systems Engineering 1(3). 2006,pp. 301-320.2 Lim, S., Buswell, R., Le, T., Wackrow, R., Austin, S., Gibb, A., Developmentof a viable concrete printing process. 28th International Symposiumon Automation and Robotics in Construction (ISARC2011), 2011,pp. 665-670.3 Lloret, E., Shahab, A.R., Linus, M., Flatt, R.J., Gramazio, F., Kohler, M.,Langenberg, S., Complex concrete structures ? Merging existingcasting techniques with digital fabrication. Computer-Aided Design,2015, pp. 60, 40-49.4 Cesaretti, G., Dini, E., De Kestelier, X., Colla, V., Pambaguian, L., Buildingcomponents for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3Dprinting technology. Acta Astronautica 93, 2014, pp. 430-450.5 Wolfs, R.J.M., Salet, T.A.M. & Hendriks, L.N., 3D Printing of SustainableConcrete Structures. Proceedings of the International Association forShell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, Amsterdam, TheNetherlands.6 Wolfs, R.J.M., Salet, T.A.M., An Optimization Strategy for 3D ConcretePrinting. Proceedings of the 22nd EG-ICE workshop 2015, Eindhoven,The Netherlands.8 9