Rob Wolf bij zijn 3D-betonprinter in het lab in Eindhoven.

Foto David van Dam

‘Een brug uit een 3D-printer is goedkoper’

Interview | Rob Wolfs | Bouwkundige Beton storten met een 3D-printer gaat steeds beter en sneller. Daardoor is in de bouw straks mogelijk minder materiaal nodig, zegt Rob Wolfs.

De hal van de faculteit Bouwkunde in Eindhoven staat vol maquettes van gebouwen en bruggen. In de toekomst worden zulke constructies misschien niet meer gebouwd, maar geprint. En vooral het 3D-printen van beton lijkt een veelbelovende manier om materiaal te besparen, nieuwe structuren te ontwerpen en tegelijk sterke gebouwen neer te zetten.

Ingenieur Rob Wolfs (28) promoveerde vorige week op zijn onderzoek naar één van de belangrijkste struikelblokken voor het zover is. Hoe zorg je ervoor dat je muur van vers geprint, halfvloeibaar beton niet in elkaar zakt? Met behulp van zijn onderzoek wordt nu een betonnen brug geprint, die komend jaar in Nijmegen komt te staan.

Het kernidee achter 3D-printen is dat een driedimensionale structuur laagje voor laagje wordt opgebouwd. 3D-printen begon met plastic. Bij het printen van plastic wordt de spuitkop van de printer opgewarmd tot het plastic smelt. Zodra het plastic de spuitkop verlaat, valt de hittebron weg en hardt het uit.

Ook betonmix komt als tandpasta uit een spuitkop. De printer die Wolfs gebruikt, print laagjes van 1 centimeter dik en vijf centimeter breed, met ongeveer 10 centimeter per seconde. Maar hoe groter een object, zoals een muur voor een huis of een brug, hoe belangrijker het is dat het beton precies op het juiste moment uithardt. Droogt het te snel, dan hechten de laagjes niet meer. Maar gaat het te langzaam, dan valt de muur om. Wolfs: „Dit is een van de belangrijkste onderzoeksvragen: hoe garanderen we dat een gebouw dat uit allemaal laagjes bestaat, een massief, solide geheel wordt, en dus veilig?”

Waarom zou je beton 3D-printen?

„Een van de grootste voordelen van deze techniek is dat je kunt bouwen met minder materiaal. In de bouw gebruiken we veel hout om bekisting te maken waar het beton in wordt gegoten. Maar met een printer kun je het beton laagje voor laagje neerleggen, precies waar je wilt en zonder bekisting. Zo kunnen we objecten maken die niet massief zijn en materiaal besparen. Met de huidige technieken is het maken van holtes tijdens het bouwen erg complex en is het makkelijker om massieve onderdelen te maken.

„Je kunt ook beton weglaten om daar later leidingen of isolatiemateriaal in aan te leggen. In plaats van eerst al het beton te storten, waarna iemand later er weer beton uit moet frezen.”

Lees ook: Nieuwe 3D-printer print met druppels

Hoe worden dan nu holtes gemaakt tijdens het bouwen?

„Dat kan met behulp van luchtbellen of door met ander materiaal die ruimte op te vullen tijdens het betonstorten. Maar dat is heel arbeidsintensief, het zijn allemaal extra handelingen voor uiteindelijk minder materiaal. Met een printer kun je veel gestuurder bouwen.”

Hoeveel hout kun je met 3D-betonprinten besparen bij het bouwen van een huis?

„Het bekisten, inclusief arbeid, kan volgens schattingen 35 tot 60 procent van de bouwkosten beslaan. Dat is veel, voornamelijk bij het bouwen van een object dat een beetje krom loopt. Daar moet je een complexe bekisting voor timmeren die je volstort, en vervolgens weggooit. Dat hout kun je vaak niet nog een keer gebruiken, behalve als je hetzelfde gebouw nog een keer maakt.”

Twee jaar geleden hebben jullie een kleine voetgangersbrug neergezet in Gemert, geprint met de 3D-printer hier in het lab. Wat moet je daar allemaal voor berekenen?

„Je moet weten op welke plekken de belastingen komen te liggen, want uiteindelijk moeten we er met z’n allen overheen kunnen fietsen of lopen. Wat gebeurt er als er weer en wind op wordt losgelaten? Het ingenieursbureau waarmee we werkten, heeft berekend waar ze holtes in het ontwerp van de brug konden ontwerpen. Wij hebben gekeken of dat geprint kan worden. En niet onbelangrijk: kan het omvallen tijdens het printproces?”

Hoe voorkom je dat het muurtje omvalt tijdens het printen?

„Dat kan als eerste door de vorm van de muur aan te passen. Een knik aanbrengen in plaats van een rechte muur, maakt het al een stuk stabieler. Of je plaatst verstijvingsribben aan de binnenkant, loodrecht op de muur.

„Daarnaast kun je de samenstelling van het materiaal zelf, in dit geval beton, aanpassen zodat het sneller uithardt. En een derde optie is langzamer printen. Dan geef je het materiaal meer tijd om uit te harden.”

Wat heb je precies onderzocht?

„Al tijdens mijn afstudeeronderzoek kwam ik er achter dat er een tweestrijd is: je moet niet te snel printen, want dan vallen de laagjes beton om. Maar je moet ook niet te langzaam printen, want dan droogt het beton en hechten de laagjes niet meer. Voor elke vorm en grootte is die balans weer anders. Daarvoor heb ik simulaties ontwikkeld waarmee we dat kunnen voorspellen.”

Hoe maak je betonmix sterker?

„Beton is in de basis cement met water. Daaraan kun je grotere en fijnere deeltjes toevoegen, waardoor het sterker en stabieler wordt. Je kunt het zien als een vaas vol knikkers waar je andere, kleinere knikkers bij doet. Maar naast andere formaten kun je er ook vezels aan toevoegen die de deeltjes aan elkaar verbinden. Dat kunnen stalen, kunststoffen of bio-vezels zijn, een soort kleine naaldjes die het geheel bij elkaar houden. En daarnaast zijn er chemische stoffen die de reactieproducten van de cementdeeltjes onderling versterken. Zo heb je allerlei manieren om mengsels aan te passen. En als je aan die knoppen gaat draaien, verandert ook de balans tussen droog- en hechtingstijd.

„Er zijn nu veel onderzoeksgroepen hun eigen materialen aan het ontwikkelen. In dat veld gaat nog heel veel gebeuren, het beste printbeton is er waarschijnlijk nog niet.”

Beton wordt vaak gewapend met staal. Kan een geprint gebouw even sterk worden?

„Als je alleen beton print niet. Maar een collega-promovendus kijkt nu onder andere naar manieren om staaldraad mee te printen.”

Wanneer kunnen de printers op de bouwplaats aan het werk?

„De printers zijn al wel vervoerbaar te maken. De uitdaging zit ’m vooral in de weersinvloeden die op locatie de materiaaleigenschappen beïnvloeden: de temperatuur, luchtvochtigheid, windstroming, en de zon die erop staat... Voorlopig kun je beter bouwen in een lab.

„Uiteindelijk zou het helemaal mooi zijn als je een gebouw kan afbreken, en met datzelfde materiaal meteen een nieuw gebouw kunt printen op locatie. Zo bereik je circulariteit, de stip op de horizon.”