Bouwplaats beperkt geschikt voor robotisering

Tekst: ing. Frank de Groot
Beeld: CyBe Construction, tenzij anders vermeld

Een betonprinter vraagt een geconditioneerde omgeving. Dat kan ook op de bouwplaats zijn, maar dan wel in een overdekte ruimte.

De robotarmen van ABB Robotics verschijnen op steeds meer plaatsen in de toeleverende industrie in de bouw. Zoals bij de productie van prefab elementen. In mei 2023 nam bijvoorbeeld de Belgische baksteenfabrikant Vandersanden het bedrijf Stack3d over. De robot van dit bedrijf kan uit een 3D model verbanden en patronen metselen, die eerder voor onmogelijk werden gehouden. Hiervoor wordt een lijmmortel gebruikt. De Vlaamse bouwonderneming Vandenbussche en de Britse tech start-up AUAR werken verder samen om modulaire woonunits te bouwen die door robots worden geproduceerd. Daarvoor is in de vestiging van Vandenbussche in het Belgische Aalter een gespecialiseerde afdeling of ‘microfabriek’ opgericht. Ook hier zien we weer ABB robotarmen. Dat geldt eveneens voor de productielocatie van 3D geprint beton in Eindhoven van Weber Beamix.

Het is maar een greep uit de robotarmen van ABB die we in alleen al de Benelux tegenkomen. ABB Robotics is dan ook één van ‘s werelds meest toonaangevende leveranciers van robotica en machineautomatisering met een uitgebreide en geïntegreerde portfolio van robots, AMR’s (autonome Mobiele Robots) en oplossingen voor machineautomatisering. Zien we straks de robotarmen ook op de bouwplaats verschijnen?

Betonprinter bij Weber Beamix. Foto: ABB Robotics.

Van CAD naar robotarm

“Robotisering in de bouw was tien jaar geleden nog pionieren. Maar inmiddels hebben we een enorme woningbouwopgave, zijn de bouwkosten fors gestegen, komen we vakmensen tekort, is er een klimaatopgave en is er veel aandacht voor arbeidsomstandigheden. De bouwsector staat daardoor momenteel veel meer open voor robotisering. We kunnen daarbij veel leren van andere sectoren die veel verder zijn, zoals de automobielindustrie”, constateert Martin.

Hij geeft aan dat ook de robots zelf zich de laatste tien jaar flink hebben ontwikkeld: “Vooral met de software hebben we belangrijke stappen gezet. We kunnen inmiddels steeds beter een CAD-tekening of BIM-model rechtstreeks vertalen naar de robot. Daar is veel rekencapaciteit voor nodig.”

Geconditioneerde omgeving

In Texas bouwt Hive3D Builders momenteel nabij Austin 200 woningen uit geprint geopolymeerbeton. Cybe Construction leverde de betonprinter. Berry Hendriks: “In de Verenigde Staten zijn de transportafstanden zo groot, dat we hier een tijdelijke fabriek hebben geplaatst. Hierin worden de elementen geprint en vervolgens worden ze op de bouwplaats geassembleerd.”

Volgens Berry moet een printer genoeg uren draaien om winstgevend te zijn: “Het heeft geen zin om die printer in bijvoorbeeld Nederland in de buitenlucht te zetten, omdat je dan bij iedere regenbui moet stoppen. Daarnaast kun je niet betonprinten bij vorst. Wel kunnen we het toegevoegde water verwarmen of verkoelen. In Texas kan het 35°C worden, dus voegen we gekoeld water toe.” Martin vult aan: “Verder is een zeer stabiele ondergrond nodig, omdat de printer of bijvoorbeeld een metselrobot werkt vanuit opgegeven x-, y- en z-coördinaten. Een kleine verzakking heeft dan desastreuze gevolgen. Ook wil je niemand in de buurt van de machine hebben, want deze draait autonoom. Dus uit veiligheidsoverwegingen is een goede afscherming nodig. Vandaar dat je alleen goed gerobotiseerd kan printen of metselen in een geconditioneerde en afgeschermde omgeving.”

In Texas bouwt Hive3D Builders momenteel nabij Austin 200 woningen uit geprint geopolymeerbeton.

Het op de bouwplaats in één keer printen van een gebouw stuit ook om andere redenen tot problemen, legt Berry uit: “Stel dat je de wanden op de begane grond hebt geprint, dan moet je stoppen, omdat eerst de verdiepingsvloer moet worden gemaakt. Dan moet je nog zien hoe je een printer van pakweg 1.000 kg op de verdiepingsvloer krijgt om verder te printen. Ook heb je te maken met leidingen voor mortel, water, stroom en data. Uiteindelijk ben je hierdoor 30 tot 40% van de tijd aan het printen, terwijl je minimaal 80% van de tijd wilt printen. Want alleen een printende robot verdient geld.”

Een interessante optie kan volgens Martin en Berry wel zijn om een 3D printer bij een hub aan de rand van een grote stad te plaatsen: “Dan kun je elementen printen voor meerdere projecten. Die elementen vervoer je vervolgens elektrisch of per schip naar de binnenstedelijke locatie. Maar je kunt er ook voor kiezen om kleinere elementen op de bouwplaats te printen in een speciale container. Denk aan balkons, of andere bouwdelen. Bij grote aantallen kan dat aantrekkelijk zijn.”

Keuze uit printers

Stel dat we bij een groot project kiezen voor een betonprinter in een tijdelijke fabriekshal op de bouwplaats of een printer in de eigen productielocatie. Welke keuze is er dan? Naast de standaard 3D printers die het bedrijf sinds 2013 aanbiedt, is er een robot op een track (railsysteem). Berry: “Heel geschikt voor bouwbedrijven om grote objecten te printen in een bedrijfshal. Daarnaast ook ideaal voor prefab betonleveranciers, onderzoeksinstellingen of universiteiten.”

Naast dit type printer heeft CyBe ook een gantry systeem in de productiehal in Oss. Dit is een portaalsysteem (12 x 12 meter) met een ABB-robotarm om het bereik te vergroten, de flexibiliteit te verhogen en complexere prints te kunnen maken. De printkop haalt een printsnelheid van 50 centimeter per seconde. Hiermee is het mogelijk om bijna volledig afgewerkte woningen te prefabriceren. “De bouwtijd van een woning gaat daarmee terug van 25 naar 5 weken. Hiermee moet de vierkante meter prijs uitkomen op zo’n 750 euro, waar conventionele woningen 1.000 tot 1.500 euro kosten”, aldus Berry. Er is tot slot ook een mobiele printer op rupswielen (CyBe Robot Crawler).

Portaalsysteem CyBe G (Gantry) van 12 x 12 meter met een ABB-robotarm om het bereik te vergroten, de flexibiliteit te verhogen en complexere prints te kunnen maken. De printkop haalt een printsnelheid van 50 centimeter per seconde.

Naast het aanbieden van 3D betonprinters, biedt CyBe ook eigen software (Chysel en Artysan), materiaal (CyBe Mortar), Design & Engineering en een eigen leerplatform (CyBe Lybrary) aan. Berry: “Hiermee is het mogelijk om oplossingen aan te bieden om de complexe bouwprocessen te vereenvoudigen en efficiënter samen te werken rondom 3D betonprinten, met als grote voordelen een snellere en duurzamere bouwproductie. We kunnen dus meedenken vanaf het programma van eisen tot aan de machine die het gebouw produceert.”

Over de materiaalflow die CyBe kan verzorgen, zegt Berry: “Door middel van onze printmortel CyBe Mortar is het mogelijk gemaakt om 32% CO₂-reductie te behalen. CyBe Mortar is al binnen 3 minuten hard en bereikt structurele sterkte in slechts één uur. Dit is belangrijk omdat de onderste lagen sterk genoeg moeten zijn om de rest van de constructie te kunnen dragen. Hiernaast wordt er zorg gedragen dat dit materiaal lokaal wordt geproduceerd, wat de transportkosten aanzienlijk verlaagt. Dit maakt een snel en efficiënt printproces, een vermindering van de kosten en duurzame resultaten mogelijk.”

Mobiele printer op rupswielen (CyBe Robot Crawler).

Ontwerpproces aanpassen

Een gebouw waarin veel 3D geprint beton wordt gebruikt, vraagt al vanaf het schetsontwerp dat er nagedacht wordt over het productieproces. Martin: “Om de voordelen van 3D printen te benutten moet je al tijdig nadenken over het ontwerp. Kleine aanpassingen in de vormgeving kunnen al tot grote voordelen leiden.”

Berry verwijst naar het project in Austin: “Daar plaatst een operator tijdens het printen op het juiste moment PS-blokjes in de wand. Na het uitharden van een wand, worden de blokjes verwijderd om plaats te maken voor wandcontactdozen. De verticale leidingen kunnen we kwijt in de wand, want die is hol. Je hebt geen installateur nodig om de dozen en leidingen te plaatsen. Dat scheelt enorm.”

Maar er spelen volgens Martin meer factoren een rol bij het printproces: “Denk aan beperkende factoren vanuit de locatie, ondergrond, logistiek, plaatselijke en landelijke wet- en regelgeving en veiligheid.”

Deze robotarm fabriceert een complexe gaaswand in Zurich. Foto: ABB Robotics.

Geopolymeerbeton

We blijven nog even bij het project in Texas dat om meerdere redenen bijzonder is. Berry: “In samenwerking met Eco Materials en Green Cement is Hive3D Builders erin geslaagd om een goedkopere cementvervanger te ontwikkelen op basis van geopolymeer dat 93% minder CO₂ uitstoot. De kosten worden enorm gereduceerd door het geopolymeer op de bouwplaats te mengen met lokaal gewonnen grondstoffen, waardoor de materiaalkosten exponentieel worden verlaagd. Hierdoor dalen de kosten tot slechts eenderde van andere bruikbare materialen voor 3D-printen op de markt.”

Robot CyBe RT (Robot Track). Dit is een robot op een track (railsysteem

Tweedehands

Assemblage houtconstructie door robotarm in Zurich. Foto: ABB Robotics.

Zowel Martin als Berry adviseren bedrijven die ervaring willen opdoen met 3D printen of een andere vorm van robotisering, eerst een tweedehands machine te kopen: “Dan kun je daarmee eerst gaan experimenteren. Wat wil je gaan printen en wat niet? Waar moet je allemaal rekening mee houden? Als je uiteindelijk verder wilt kun je veel gerichter een nieuwe machine aanschaffen.”

Martin voegt toe: “Kennis is enorm belangrijk. Daarom kunnen we bedrijven koppelen aan kennispartners, zoals Berry. Die kunnen je adviseren. Ook kunnen we benodigde software leveren. Het is een proces waar je samen in gaat.”

Wie eenmaal heeft besloten tot robotisering zal voorlopig dus zijn aangewezen op een fabriekshal op eigen terrein, of het moet een heel groot project zijn. Dan kan men overwegen een printer in een tijdelijke hal op de bouwplaats aan het werk te zetten. Maar kan een robot ook geen prefab delen assembleren op de bouwplaats? Martin denkt van niet: “Assembleren is nog lastiger dan produceren. Daar heb je echt het menselijk oog en gevoel voor nodig.”

Martin besluit met de drie richtingen waarin robotisering zich verder zal ontwikkelen: “Dat is in de eerste plaats collaboration: meer samenwerking tussen robots en mensen. In de tweede plaats simplification: het verder vereenvoudigen van installatie, programmering, bediening en uitvoering. Tot slot digitalisering, waarbij er steeds meer een directe verbinding gaat komen tussen BIM-model en robot. Maar ondanks die ontwikkelingen zal de robot op de bouwplaats nog niet snel de vakmensen allemaal vervangen.”