In zijn handen ligt een klein, dun, grijs object van ongeveer 10 centimeter lang. Het bestaat uit kleine driehoekverbanden en ruikt naar vers gestort beton. Dit stukje microstructuur is echter gemaakt met een 3D-printer. Yading Xu’s ogen twinkelen als hij begint te vertellen over waarom hij 3D-printtechnieken voor beton onderzoekt. “Beton is één van de meest gebruikte materialen ter wereld, daarom fascineert het me zo.”
Xu is PhD-student op de faculteit van Civiele Techniek en Geowetenschappen (CiTG) aan de TU Delft. “Resultaten die we hier in ons Microlab behalen, kunnen we in de toekomst zomaar terugzien in de buitenwereld.” In het lab experimenteren wetenschappers met de nieuwste technologieën die de potentie hebben om opgeschaald te worden naar concrete oplossingen voor in de bouw.
Toekomst van de bouw
Terwijl de wereldwijde vraag naar woningbouw en gedegen infrastructuur toeneemt, moet de bouw hiervan goedkoper, makkelijker en duurzamer worden. Simpel gezegd: we hebben betere huizen, bruggen en dammen nodig, en we moeten ze op een veiligere en zuinigere manier bouwen. “Als we kunnen 3D-printen voor betonbouw zouden we minder arbeid nodig hebben”, vertelt Xu. “Het zou kwaliteitscontrole en standaardisatie ten goede komen, complexere bouwvormen mogelijk maken en veel minder afval produceren.” Momenteel pakt hij deze uitdaging vanuit twee invalshoeken aan: aan de ene kant het daadwerkelijk printen van beton, aan de andere kant het printen van betonvlechtwerk en gietmallen.
Welke vorm en welk beton lenen zich het beste voor 3D-printen?
Met direct beton printen kun je kleinere betonnen componenten maken, zonder gietmallen. Bijvoorbeeld voor prefabricatie van interieur- of gebouwdecoratie, zoals plantenbakken of balustrades voor balkons. Xu: “Voor grotere betonnen objecten zouden enorme printers nodig zijn, wat met oog op kosten minder praktisch is.”
Het kleine betonnen object in Xu’s hand bevat verschillende smalle barsten. Opzettelijk, want Xu het heeft vervaardigd om het zo goed mogelijk kapot te maken. “Beton kan enorme druklasten dragen. Maar het heeft een slechte treksterkte, wat betekent dat het gemakkelijker breekt en barst als er krachten aan trekken.” Met behulp van modellen onderzoekt Xu welke vorm van geprint beton de meeste trekbelasting aankan. Het is een proces met vele kleine stapjes. En het vereist engelengeduld, met oog voor detail. Eerst berekent hij digitale modellen, vervolgens print hij een object op basis van dat model met speciaal aangepaste 3D-technieken. De volgende stap: het object gecontroleerd uit elkaar trekken. “En dan onderzoeken waar het precies begint te barsten. Daarna is het terug naar de digitale tekentafel, de modellen aanpassen en de volgende print voorbereiden.”
Printen van betonvlechtwerk en gietmallen
Ieder groot bouwproject met beton gebruikt enorme hoeveelheden vlechtwerk, vrijwel altijd gemaakt van duur staal. Dat helpt het beton om de krachten die eraan trekken op te vangen. Xu: “Staal kan roesten, en het heeft na de bouw regelmatig onderhoud nodig. Daarnaast is enorm veel energie nodig om het te produceren. De vormen die we momenteel kunnen maken met beton zijn gelimiteerd. Hoe ver kunnen we het vlechtwerk aanpassen, en de vormen van de gietmallen? Wat als we dit kunnen 3D-printen?”
Je zou huizen kunnen bouwen met meer natuurlijke rondingen en lijnen, of lichtere betonnen structuren met complexe kruisverbanden in plaats van grote, zware betonblokken. Xu: “Momenteel experimenteren we met geprint vlechtwerk dat bestaat uit ABS, een combinatie van plastics. Deze zijn erg geschikt voor printen, maar hebben weer hun eigen sterke en zwakke punten. Ze zijn niet een magische oplossing voor alle problemen. Maar door te printen kunnen we snel verbeteringen in het ontwerp van vlechtwerk maken, of complexere vormen produceren. Massaproductie door geprint vlechtwerk kan ook zorgen voor minder afwijkingen en kleinere marges.” Gietmallen voor beton worden vaak met de hand gemaakt, voor zowel speciale projecten als standaardmallen, zoals simpele blokvormen. Als je deze 3D-print, kun je iedere mal zo complex maken als je wilt. De algehele kwaliteit wordt hoger en betrouwbaarder. Je zou zelfs specifieke mallen kunnen printen op de bouwplaats, dat scheelt in bouwtijd.
Beter, duurzamer en goedkoper
Xu is niet de enige onderzoeker in het Microlab die kijkt naar 3D-printen en beton. Verschillende collega’s bekijken nog een derde invalshoek: printen met betonmengsels waar al plasticvezels doorheen zitten, waardoor minder behoefte is aan losse versterking door vlechtwerk. “Uiteindelijk is het ons doel om betonbouw beter, duurzamer en goedkoper te maken.” Samen met zijn collega-onderzoekers wil Yading kleine stappen blijven zetten en de manier waarop we bouwen verbeteren. “Daarom kwam ik vanuit China naar Delft. Als je beton wilt bestuderen op het hoogste niveau, dan moet je hier zijn.”
Gepubliceerd: maart 2019
