Er wordt vaak beweerd dat 3D-printen - in de handel bekend als "additive manufacturing" - de manier waarop we leven zal veranderen. Meest recent, een team van de Technische Universiteit Eindhoven heeft plannen aangekondigd om 's werelds eerste bewoonbare 3D-geprinte huizen te bouwen. Maar het is één ding om klein te bouwen, prototypewoningen in een park – het is heel wat anders om additieve productie met succes te gebruiken voor grootschalige projecten in de bouwsector.

Additive manufacturing maakt gebruik van een combinatie van materiaalwetenschap, architectuur en vormgeving, rekenen en robotica. Maar in sommige opzichten, het is niet zo futuristisch als het klinkt. De eenvoudige benadering van laagsgewijs bouwen - waarbij bouwmaterialen op elkaar worden gelaagd om een ​​gevel te creëren - wordt al lang toegepast in de bouwsector, bijvoorbeeld in conventionele steenlaagtechnieken.

De echte nieuwigheid van additive manufacturing ligt in het vermogen om nieuwe, zeer efficiënte en duurzame materialen met architecturale ontwerpsoftware en robottechnologie, om processen te automatiseren en te verbeteren die zich al handmatig hebben bewezen. In deze betekenis, Additive Manufacturing biedt veel potentieel baanbrekende voordelen voor de bouwsector.

3D-printen kan tot 30% minder materiaalafval opleveren, verbruiken minder energie en minder hulpbronnen, in-situ productie mogelijk maken (wat op zijn beurt de transportkosten verlaagt), geeft meer architecturale vrijheid en genereert minder CO₂-uitstoot over de hele levenscyclus van het product.

Afdrukbare grondstoffen

Maar er is nog een lange weg te gaan voordat de technologie voor additieve fabricage zijn potentieel kan waarmaken. Er zijn verschillende componenten van additive manufacturing, die elk moeten worden ontwikkeld en verfijnd voordat het proces met succes kan worden gebruikt in grootschalige constructie.

Een onderdeel zijn bedrukbare grondstoffen - de materialen die daadwerkelijk worden "gedrukt" om het eindproduct te maken. Er zijn veel soorten afdrukbare grondstoffen, maar de meest relevante voor grootschalige constructie is beton. Afdrukbare grondstoffen worden doorgaans gemaakt van een combinatie van bulkmaterialen, zoals aarde, zand, verbrijzelde steen, klei en gerecyclede materialen – gemengd met een bindmiddel zoals Portlandcement, vliegas of polymeren, evenals andere additieven en chemische middelen om het beton sneller te laten uitharden en zijn vorm te behouden, zodat de lagen snel kunnen worden afgezet.

In een project waar ik momenteel aan werk bij Brunel University, we richten ons op het produceren van een bedrukbare cementgrondstof. Om materialen te maken voor 3D-geprinte constructies, wetenschappers moeten de uithardingstijd van de pasta zorgvuldig controleren, de stabiliteit van de eerste paar lagen en de hechting tussen de lagen. Het gedrag van de materialen moet onder verschillende omstandigheden grondig worden onderzocht, om een ​​robuuste constructie te realiseren die belasting kan dragen.

De combinatie van cement, zand en andere toevoegingen moeten precies goed zijn, zodat de grondstoffen niet worden ingesteld terwijl ze nog in de printer zitten, en blijf niet te lang nat als ze eenmaal zijn afgezet om een ​​structuur te vormen. Er moeten verschillende soorten grondstoffen worden geformuleerd en ontwikkeld, zodat deze technologie kan worden gebruikt om een ​​reeks verschillende structurele elementen te bouwen, zoals dragende en grootschalige bouwstenen.

Bouw blokken

Een ander onderdeel is de printer, die een krachtige pomp moet hebben die past bij de productieschaal in de bouwsector. De druk en stroomsnelheid van de printer moeten worden uitgeprobeerd met verschillende soorten grondstoffen. De snelheid en het formaat van de printer zijn de sleutel tot een goede afdrukkwaliteit:glad oppervlak, vierkante randen en een consistente breedte en hoogte voor elke laag.

Hoe snel de grondstoffen worden afgezet - meestal gemeten in centimeters per uur - kan de bouw versnellen of vertragen. Door de uithardingstijd van de grondstof te verminderen, kan de printer sneller werken, maar loopt de grondstof ook het risico uit te harden in het printersysteem. Het afdruksysteem moet worden geoptimaliseerd om de grondstoffen continu met een constante snelheid te leveren, zodat de lagen gelijkmatig kunnen versmelten.

De geometrie van de geproduceerde structuren is het laatste stukje van de puzzel, als het gaat om het gebruik van 3D-printen in de bouw. Als de printer en de grondstof correct zijn ingesteld, ze zullen in staat zijn om bouwstenen op ware grootte te produceren met een slimme geometrie die zonder versterkingen kunnen worden belast. De vormstabiliteit van de truss-achtige filamenten in deze blokken is een essentieel onderdeel van het printen, die de geprinte objecten sterkte en stijfheid geeft.

Deze drieledige benadering om additieve productie aan te passen voor de bouw zou de industrie binnen de komende tien tot vijftien jaar revolutionair kunnen veranderen. Maar voordat dat kan gebeuren, wetenschappers moeten de mengverhoudingen voor de grondstoffen verfijnen, en verfijnen van een printsysteem dat de snelle productie van bouwstenen aankan. Alleen dan kan het potentieel van 3D-printen worden benut om sneller te bouwen, en duurzamer, dan ooit tevoren.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.