3D-betonprinten steeds vaker succesvol toegepast

Tekst: ing. Frank de Groot
Beeld: Weber Beamix, tenzij anders vermeld

“Natuurlijk, we moeten nog kunnen experimenteren met 3D printen van beton, maar het moet concurrerend zijn met ter plaatse gestort beton. Anders is het voor mij geen optie”, zegt projectorganisator Niels Keijser van BAM Infra. Verwacht van hem geen vurig pleidooi voor 3D geprint beton, maar een nuchtere kijk op de kansen van dit nieuwe fenomeen. En zo hoort het natuurlijk ook: als een innovatie economisch niet rendabel is, zal het nooit breed gedragen worden in de bouwsector.
Toch staat Keijser wel open voor 3D geprint beton. Sterker nog: in overleg met onder meer Pieter Bakker, projectleider 3D printen bij BAM Infra, koos hij bewust voor het printen van een viertal niervormige bomenbakken variërend van 30 tot 80 meter lang en een uitstroombak bij het project Station Driebergen Zeist. Dit project wordt ook uitgevoerd door BAM Infra. “Een mooi ontwerp, maar de bloembakken en uitstroombak waren niet eenvoudig te realiseren door de organische vorm en het verloop in de hoogte. Een uitdaging voor de traditionele bekisting. De niervormige bakken zijn uiteindelijk gemaakt door middel van 3D geprinte bekistingselementen die op de bouwplaats aan elkaar verbonden zijn. De elementen zijn daarna bekleed met natuursteen. Ook de uitstroombak hebben we geprint.”
De keuze voor 3D geprint beton had volgens Keijser op dit project een aantal voordelen: “Zo hebben we een complex vormvast object gemaakt en geplaatst, waarbij de kosten van de geprinte verloren bekisting gelijk waren aan die van het begrote traditioneel bekisten. Het grote voordeel zat hem echter in de 50% besparing op arbeid en doorlooptijd.”

De geprinte wanden zijn bekleed met natuursteen.

Waarom 3D printen?

Volgens de initiatiefnemers wordt door deze manier van werken individuele seriematige productie mogelijk gemaakt met een enorme vergroting van de vrijheid in ontwerpen. Het toverwoord is slimmer bouwen, onder andere parametrisch ontwerpen. Dat is een proces waarbij modellen of ontwerpen automatisch worden gegenereerd op basis van parameters, zoals maten, materiaaldikte of geometrie. Sneller en duurzamer ontwerpen dus. In dit geval is het de printrobot die eindeloos kan variëren op basis van verschillende parameters. “Je kunt bijvoorbeeld alle kolommen van een brug of viaduct een verschillende vorm geven. Er is daarnaast minder beton nodig voor hetzelfde resultaat. De printer legt namelijk alleen beton neer daar waar het nodig is voor de constructieve sterkte van de brug. We halen besparingen van 30 tot 40 procent. Maar voor de fietsbruggen die we voor Noord-Holland gaan printen denken we aan materiaalbesparingen van 50 tot 60 procent. Ook is er geen bekisting meer nodig, dus is er ook geen afval meer”, aldus Pieter Bakker.
Verder verloopt volgens Bakker het gehele proces sneller en neemt de foutmarge af. Tijdens het ontwerpproces kijkt iedereen naar hetzelfde ontwerp. Wijzigingen worden direct digitaal doorgerekend en toegepast. Bakker: “Je drukt aan het einde bij wijze van spreken op ‘Ctrl+P’ en de printer begint direct met de productie. Je hebt dan niet meer te maken met talrijke detail- en revisietekeningen, die tot fouten kunnen leiden. Voor de bouwplaats is het belangrijkste dat er minder tijd op de bouwplaats nodig is, dus ook minder manuren. Dat betekent sneller, maar ook veiliger werken en de bouw wordt voor jongeren aantrekkelijker door automatisering en robotisering. Voordeel is verder dat je minder mensen op de bouwplaats nodig hebt, wat in deze tijd van schaarste aan vakmensen belangrijk is.”

Ook voor deze halfronde keermuur van de uitstroombak vormde een 3D-geprinte constructie de basis.

Oorsprong

Volgens Jan Blaakmeer, manager R&D binnen Weber Beamix, kan het 3D printen van betonnen objecten op twee fundamenteel verschillende manieren worden benaderd. “Je kunt kiezen voor een mortel die chemisch snel met water reageert en direct een hard, stijf resultaat oplevert. Maar wanneer dan tijdens de verwerking stagnaties of storingen optreden, heb je een probleem. Bovendien is het niet eenvoudig om de geprinte laagjes met elkaar te laten versmelten tot een homogene monolithische massa. Het gevaar van haarscheuren en daarmee verzwakkingen liggen hiermee altijd op de loer en het wordt voor de constructeur dan bijna onmogelijk om zijn berekeningen uit te voeren.”
De mortel die Weber Beamix heeft ontwikkeld, ontleent zijn printbaarheid aan zijn specifieke thixotropische eigenschappen. Wanneer je energie aan de mortel toevoegt door mengen of pompen ontstaat er een vloeibare massa. Zodra je daar echter mee stopt, wordt de mortel stijf en kan hij een bepaalde belasting dragen. Inmiddels gebruiken we onze 3e generatie 3D mortel die valt in de sterkteklasse C55-67. En door in het proces de laag die wordt geprint een beetje in de voorgaande laag te drukken, vloeien beide lagen samen tot een monolithisch geheel.”

De geprinte elementen voor de uitstroombak op transport. Foto: Niels Keijser, BAM Infra.

Bomenbakken en uitstroombak

Terug naar de bomenbakken bij Station Driebergen Zeist. Ook hier dus de keuze voor de 3D betonprinter. “De bomenbakken hadden een zodanige organische vorm, dat uitkisten vrij duur zou worden. Door de wanden te printen heb je een grote vormvrijheid, zonder de beperkingen van een traditionele bekisting. Bovendien is het een relatief eenvoudige constructie en staan er ook geen grote krachten op”, zegt Keijser.
De geprinte wanden hebben een dikte van 50 mm. Bij de levering en plaatsing van de eerste elementen bleken de hijsvoorzieningen nog niet optimaal te zijn. “Dat is een voorbeeld van het leerproces. Je kunt prima wanden printen in de fabriek, maar dan moet je ook nadenken over de verwerking in de praktijk. Hijsvoorzieningen instorten is lastig bij geprint beton. Ook is het lastig om extra wapening in de wanden aan te brengen ter plaatse van de hijsvoorzieningen. Vooral bij een wanddikte van slechts 50 mm. Bij de laatste bloembakken is dan ook gekozen voor een aparte hijsvoorzieningen, die na het printproces, worden aangebracht. De plaatsing van de laatste wandelementen verliep probleemloos.”
Volgens de projectorganisator zijn vooral ‘kleine’ constructies interessant: “Complexe vormen bekisten is vrij duur, maar met een 3D printer maakt dat niet uit. De uitdaging zit hierna vooral in de verwerking op de bouwplaats.”
De uitstroombak is al even bijzonder. Omdat het stationsplein erg laag ligt, wordt stuw- en hemelwater opgevangen in een ondergrondse bak met overloop. Zodra de bak vol is, wordt het water via de uitstroombak in een naburige zaksloot gepompt, zodat het water in het gebied blijft. De keerwand heeft een gebogen vorm en door de grondkerende functie verloopt de dikte van circa 1,20 meter aan de basis naar circa 0,50 meter bovenin. “Ook zo’n element is bijna niet te bekisten. Dus ook hier bood de 3D printer uitkomst”, aldus Keijser.

Plaatsing geprinte elementen voor uitstroombak. Foto: Niels Keijser, BAM Infra.

Projecten

Inmiddels zijn er al de nodige projecten gerealiseerd in 3D geprint beton, of zitten in de pijplijn. Na de eerste 3D constructieve geprinte betonnen brug in Gemert, zijn er inmiddels vier grote taludtrappen naar ontwerp van Witteveen+Bos geleverd voor de Oudekerkerlaan in Amstelveen. Samen met de gemeente Eindhoven, TU Eindhoven, Vesteda, Saint-Gobain Weber Beamix en Witteveen+Bos gaat Van Wijnen het eerste bewoonbare huis realiseren dat rechtstreeks uit de printer komt rollen. De woning wordt de eerste van vijf woningen van 3D-geprint beton, die de komende jaren neergezet worden in de Eindhovense nieuwbouwwijk Meerhoven. De huizen van het project, met de naam Project Milestone, worden na elkaar gerealiseerd, terwijl onderzoek naar de techniek in ontwikkeling blijft voor deze 3D betonprint woningen.
Verder staan er veel bruggen op het programma. Zo is gestart met een innovatieve samenwerking met de provincie Noord-Holland om een viertal fietsbruggen te printen. Volgens de betrokkenen heb je ook de overheid nodig. Jeroen Nuijten, innovatiemanager 3D printen BAM Infra: “De overheid doet bij een aanbesteding een oproep aan de industrie om innovatief te zijn. Als je dan ook met een innovatief ontwerp komt, dan heb je heel veel baat bij een opdrachtgever die dat steunt en daar ook in mee durft te gaan. De opdrachtgever is dan een hele belangrijke partner in het proces. Er zijn namelijk geen regels voor. Als we die ruimte niet hadden gekregen, was het ook niet gelukt. Dus een heel groot compliment aan de gemeente en provincie.”