Is de bouwsector klaar voor 3D-printen? (update 2020)

Fotocredit:Branch Technology

De bouwsector is misschien wel de laatste die 3D-printen als levensvatbare productietechnologie gebruikt. Maar de technologie heeft het enorme potentieel om de industrie te transformeren door de productietijd en -kosten te verminderen, terwijl het ontwerpflexibiliteit en een hoog niveau van duurzaamheid biedt.

Zoals aangegeven in onze Maturity Chart, waarin wordt onderzocht hoe 3D-printen zich in verschillende sectoren ontwikkelt, blijft 3D-printen binnen de bouwsector een relatief nieuwe benadering, en er zijn een aantal uitdagingen die overwonnen moeten worden voordat het kan breed worden aangenomen.

Om meer te weten te komen over de huidige stand van zaken op het gebied van 3D-printen in de bouwsector, gaan we in op de belangrijkste voordelen en technologieën van 3D-printen die beschikbaar zijn voor ingenieurs en architecten en de meest opwindende 3D-printprojecten in de bouw.

Hoe kan de bouwsector profiteren van 3D-printen?

De bouwsector is begonnen met het omarmen van 3D-printen in een tijd waarin de sector agressief op zoek is naar oplossingen om een ​​aantal uitdagingen aan te pakken.

Een daarvan is het minimaliseren van bouwafval. Bouwafval is bijvoorbeeld goed voor ongeveer 30% van al het afval dat in de EU wordt geproduceerd.

Bovendien worden ingenieurs en architecten steeds vaker geconfronteerd met beperkingen in de ontwerpvrijheid die het gietproces naar voren brengt.

Andere problemen zijn de nadelen van het vervaardigen van bekistingen op bouwplaatsen en hindernissen bij het transporteren van verschillende materialen van de ene naar de andere locatie.

Het gebruik van 3D-printen in de bouwsector kan een aantal van deze problemen helpen oplossen door ontwerpvrijheid en een hoger niveau van duurzaamheid en automatisering te bieden.

Ontwerpflexibiliteit 

3D-printen biedt veel ruimte voor innovatie en creativiteit voor architecten, ingenieurs en ontwerpers. Met deze techniek kunnen ingewikkelde ontwerpen en rondingen worden gemaakt die met traditionele bouwmethoden misschien niet mogelijk zijn.

Minder materiaalverspilling

Minder materiaalverspilling is een ander voordeel, aangezien Additive Manufacturing (AM) onderdelen laag voor laag bouwt, waarbij de precieze hoeveelheid materiaal wordt gebruikt die voor het project nodig is. Dit kan een positieve impact hebben op het milieu, vooral omdat bij 3D-printen gerecyclede en lokaal geproduceerde materialen kunnen worden gebruikt.

Minder handmatig werk 

Het gebruik van autonome of semi-autonome 3D-printers in de bouw kan leiden tot minder arbeidsintensief, handmatig werk. De automatisering van het printproces betekent ook minder kans op menselijke fouten of ongevallen en verwondingen op bouwplaatsen.

Sneller bouwen 

Sommige bouw 3D-printers zijn ontworpen om op locatie te werken. Dit helpt om verschillende tijdrovende stappen, zoals het maken van prefab bekistingen, te elimineren.

In de bouw verwijst bekisting naar een tijdelijke mal waarin beton wordt gestort en gevormd. Bekistingen worden gebruikt om alles te maken, van bruggen tot funderingen en de muren van een gebouw en worden meestal handmatig vervaardigd.

Vandaag de dag zijn er verschillende bedrijven die 3D-printers aanbieden die kunnen worden gebruikt om direct ter plaatse muren te bouwen, zonder gebruik te maken van bekistingen. Dit leidt tot een aanzienlijk versneld bouwproces, dat ook profiteert van lagere kosten voor het transport van bekistingen naar de bouwplaats.

3D-printtechnologieën voor de bouwsector

Afhankelijk van de toepassing kunnen binnen de bouw verschillende AM-methoden worden gebruikt:

Extrusie van beton

Een van de belangrijkste methoden die wordt gebruikt, is pasta-extrusie, waarbij een robotarm of kraan met een mondstuk wordt gebruikt om het beton in pastavorm op een bouwplatform te extruderen.

Hiermee worden de contouren van een gebouw laag-voor-laag gecreëerd, die lijkt op een populaire plastic Fused Filament Fabrication (FFF)-technologie.

Een vroege pionier van het extrusieproces voor de bouwsector is Bherokh Khoshnevis, de oprichter van Contour Crafting. De door Contour Crafting ontwikkelde technologie biedt een scala aan materialen, waaronder beton, keramiek en polymeren.

Naast Contour Crafting bieden andere bedrijven oplossingen voor beton 3D-printen, zoals ICON, CyBE en Apis Cor , om er een paar te noemen.

Productie van draadboogadditieven

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) is een methode die wordt gebruikt voor metaaltoepassingen.

WAAM werkt door metaaldraad te smelten met een elektrische boog als warmtebron. Het proces wordt bestuurd door een robotarm en de vorm is gebouwd op een substraatmateriaal (een basisplaat) waaruit het onderdeel kan worden gesneden zodra het klaar is.

De draad, wanneer gesmolten, wordt geëxtrudeerd in de vorm van kralen op het substraat. Terwijl de kralen aan elkaar plakken, creëren ze een laag metaalmateriaal. Het proces wordt vervolgens laag voor laag herhaald totdat het metalen onderdeel is voltooid.

WAAM-apparatuur kan werken met een reeks metalen, zoals aluminium, staal en titanium, en de technologie kan worden gebruikt om grote constructies. Een voorbeeld van de mogelijkheden van deze methode is de stalen brug van MX3D.

Zandbindmiddelstralen

Binder jetting kan in de bouw gebruikt worden om mallen te maken. De technologie werkt door een vloeibaar bindmiddel op lagen poedermateriaal aan te brengen, waardoor het hecht.

Binder jetting is bijzonder geschikt voor de productie van bekistingselementen voor het storten van beton. Deze aanpak helpt niet alleen om middelen te besparen, maar ook om tijd en kosten te besparen.

Een ander voordeel is dat complexiteit geen rol meer speelt bij het 3D printen van bekistingen met behulp van binder jetting. Krommingen, gedetailleerde gevels of ondersnijdingen kunnen eenvoudig in 3D worden geprint, waardoor de grenzen van het ontwerp in de bouw worden verlegd.

De meest opwindende voorbeelden van 3D-printen in de bouw

3D-geprinte muren 

In de afgelopen jaren hebben verschillende bedrijven methoden ontwikkeld om muren van gebouwen te bouwen met behulp van 3D-printtechnologie. Een voorbeeld hiervan is het in China gevestigde bedrijf Winsun, dat grootschalige constructies heeft geproduceerd, zoals een flatgebouw van vijf verdiepingen en een villa van 1.100 vierkante meter.

Een grote machine – meer dan 100 meter lang – 3D-geprinte holle wanden gemaakt van een mengsel van cement, zand en vezels. De wanden zijn naar de bouwplaats getransporteerd, verstevigd en gemonteerd. Het potentieel van een dergelijke methode kan leiden tot aanzienlijke besparingen in tijd, arbeid en materialen.

Bouw 3D-printen in Dubai 

Hoewel er over de hele wereld veel 3D-bouwprojecten zijn, is Dubai momenteel de broeinest van activiteit voor 3D-printen in de bouw. De stad heeft ambitieuze doelen om in de nabije toekomst 25 procent van de gebouwen te laten bouwen met 3D-printen.

En de vooruitgang op dit gebied is al duidelijk.

In 2019 bijvoorbeeld werkte Apis Cor, een in de VS gevestigde fabrikant van 3D-printers voor beton, samen met de gemeente Dubai om een ​​gebouw te maken met twee verdiepingen en een zeer complexe architectuur.

Apis Cor ontwikkelde een op gips gebaseerd materiaal om door de printer te lopen, dat afkomstig was van een lokale producent.

/>Het printen vond plaats in de open lucht, om te bewijzen dat de technologie een ruwe omgeving aankan zonder vochtigheids- en temperatuurregeling.

Het gebouw is naar verluidt een van de grootste die is gemaakt met de hulp van op -site 3D-printen.

Bruggen

Het bouwen van bruggen met behulp van 3D-printen is nog een andere toepassing binnen de bouwsector.

Madrid is de thuisbasis van de eerste 3D-geprinte betonnen brug, terwijl Nederland de bouw heeft gezien van een 8 meter lange 3D-geprinte brug voor fietsers. Het proces duurde in totaal 3 maanden voordat robots de betonnen blokken voor de brug maakten, bestaande uit 800 lagen die vervolgens werden geassembleerd om de brug te maken.

Bovendien heeft de in Nederland gevestigde Nederlandse robotica-startup MX3D ontwikkelt een 3D-geprinte stalen brug uitgerust met slimme technologieën zoals sensoren.

Gemaakt van roestvrij staal, toont de gebogen structuur van de brug de vrijheid van ontwerp die AM biedt.

In 2019 doorstond de MX3D-brug de eerste testfase van 20 ton en moet later dit jaar op zijn eindbestemming over een Amsterdamse gracht worden geplaatst.

Interieurontwerp

De mogelijkheid om complexe, ingewikkelde geometrieën te creëren, opent een volledig nieuwe ruimte van creativiteit voor interieurontwerpers. Een recent voorbeeld is Bottlepot, een winkel in Londen met een 3D-geprint interieur van duurzame materialen. Dit project laat zien hoe 3D-printen kan worden gebruikt om afval in de bouw te verminderen en de toekomst vorm te geven voor duurzaam ontwerp.

Architecturale modellen

Een van de grootste effecten van 3D-printen in de bouw is de productie van architecturale modellen. 3D-printen heeft een revolutie teweeggebracht in het architecturale modelleringsproces door een snel en gedigitaliseerd proces voor het maken van modellen mogelijk te maken.

Een bijkomend voordeel hiervan is dat 3D-printen snelle en kosteneffectieve ontwerpiteraties mogelijk maakt, wat veel tijd bespaart en kosten bespaart in het proces.

Bouwcomponenten

3D-printen is ook geschikt gebleken voor het vervaardigen van specifieke componenten en gereedschappen die in de bouw worden gebruikt.

De in het VK gevestigde aannemer Skanska is een van de eerste bedrijven die 3D-printen heeft gebruikt om bouwcomponenten te vervaardigen zoals bekleding.

In één project gebruikte Skanska 3D-printen om polymeer bekledingsknooppunten te produceren voor het dak van het 6 Bevis Marks business-centrum in Londen. Deze aanpak heeft geleid tot een voordeliger alternatief voor traditionele technieken in termen van tijd- en kostenbesparingen.

3D-geprinte bekistingen

Een ander voorbeeld betreft het gebruik van 3D-geprinte bekisting in een grootschalig renovatieproject voor een woon- en bedrijfsgebouw van 42 verdiepingen in New York City.

Gate Precast, een bedrijf dat al eerder op de nieuwe gevel van het gebouw, ontdekte dat het maken van houten mallen voor het project een grote onderneming zou zijn die tot 9 maanden zou kunnen duren. De benodigde mallen waren groot - sommige maten tot 2,6 x 1,7 x 0,5 m, wat de lange productietijden nog verder vergroot.

Om het proces te versnellen, besloot het bedrijf te experimenteren met 3D-printen, samen te werken met Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om zijn BAAM-technologie te gebruiken.

Dankzij BAAM was het bedrijf in staat om mallen te printen tussen 8 en 11 uur elk, met nog eens 8 uur bewerking om te bereiken de gewenste oppervlakteafwerking. De mallen zijn gemaakt met koolstofvezelversterkt ABS, een veelgebruikte thermoplast vermengd met gehakte koolstofvezels voor extra sterkte.

Het resultaat is een sterke mal die maar liefst 200 betonstortingen kan dragen tijdens zijn leven, vergeleken met 15-20 gietbeurten voor een houten mal.

Het bedrijf is van mening dat het zonder de 3D-geprinte mallen en BAAM onmogelijk zou zijn geweest om de vormen te maken binnen het tijdsbestek dat nodig is voor dit project.

Uitdagingen bij het toepassen van 3D-printen in de bouwsector

Hoewel AM een enorm potentieel heeft voor de bouwsector, zijn er nog een aantal belemmeringen voor een bredere acceptatie.

Een van de belangrijkste problemen is kwaliteitscontrole. 3D-printen heeft vragen doen rijzen over hoe het presteert in vergelijking met traditionele bouwmaterialen en -methoden:gaat een 3D-geprint huis net zo lang mee als een traditioneel gebouwd huis? Is het bij brand of natuurrampen structureel gezond en veilig?

De regelgeving voor de bouw is niet verrassend streng, en de nieuwe technologieën en materialen die door AM worden aangeboden, moeten nog worden opgenomen in bouwnormen en -codes.

Bovendien vereist 3D-printen ervaren operators en ontwerpers, wat betekent investeringen in training om het meeste uit geautomatiseerde technologie en softwarevaardigheden te halen.

Een andere barrière die moet worden overwonnen, is het beperkte aantal bouwmaterialen dat kan worden 3D-geprint. Dat gezegd hebbende, wordt er onderzoek gedaan, met name met betrekking tot beton en biobased hernieuwbare materialen.

De toekomst van 3D-printen in de bouw 

Ondanks visies op volledig 3D-geprinte gebouwen, zal de technologie de traditionele bouwmethoden niet vervangen - althans niet op korte termijn.

Misschien ligt een van de grootste toepassingen van AM-technologie in de productie van complexe componenten, zoals voegen, gevels en bekistingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de voordelen van ontwerpvrijheid die AM biedt.

Naast ontwerpflexibiliteit kan 3D-printen op locatie ook helpen om afval op de bouwplaatsen te verminderen, wat een goede opstap is naar een duurzamere toekomst.

Op zoek naar in het grotere geheel kan 3D-printen een van de belangrijkste oplossingen zijn voor de huidige uitdagingen in de bouwsector, aangezien het geleidelijk een meer duurzame, flexibele en geautomatiseerde bouwtechnologie wordt.