3D conrete printing | Onderzoek

Voor we konden beginnen met printen aan het demogebouw moesten we eerst nog structuren gaan bedenken die sterk genoeg zouden zijn om de vloeren, dak,… te dragen maar ook de mogelijkheid hadden om er raam- en deuropeningen in te voorzien zonder dat het gebouw zou instorten. Als studenten BOUW vonden het ook niet onbelangrijk dat de woning goed geïsoleerd zou zijn zodat deze woning voldoende comfort bied om in te wonen, werken,… Niet te vergeten moesten er ook nog technieken in verwerkt worden zodat we nutsvoorzieningen: water, elektriciteit en verwarming netjes weggewerkt zijn in de structuur. 

We bedachten al snel enkele verschillende testwanden elk met hun eigen eigenschappen en doel.

We tekenden een structuurwand deze bestand uit 3 lijnen: 2 rechte aan de buiten en de binnenkant en een derde lijn die de twee rechte met elkaar verbind doormiddel van een slangvorm. 

Deze zou moeten dienen als steunmuur en moet dus zeer sterk zijn. Door zijn holle vorm kunnen er technieken in verwerkt worden alsook de mogelijkheid tot verloren bekisting voor extra kolommen (zie extra variant). Als buitenmuur zal hij nog wel langs buiten of binnen geïsoleerd moeten worden. 

Iso-wand

De iso-wand bestaat uit 4 lijnen: 2 lijnen aan de binnen- en de buitenkant elk verstevigd door een slangvormige lijn om de stabiliteit van de muur tijdens het printen te garanderen. 

De twee slangvormige lijnen raken elkaar niet en worden dus volledig van elkaar geprint. Tijdens het printen worden deze nog verbonden door een isobaar. Deze zorgt voor een sterke verbinding tussen beide en houd de twee wandjes samen. Doordat deze isobaren thermisch niet geleidbaar zijn word er geen koude of warmte doorgegeven van de ene naar de andere muur dit maakt de iso-wand uitermate geschikt als buitenmuur. Tussen de twee slangvormige lijnen word dan isolatie geplaatst, ramen en deuren worden ter hoogte van de isolatielaag geplaatst zodat de isolatielijn mooi doorloopt. 

We bedachten ook nog een variant op de structuurwand en de iso-wand met een lijn minder in de structuur, dit bleek later (zichtbaar op de tekening) minder interessant om isolatie tegen te plaatsen en werden dus niet gebruikt in het demogebouw. 

Nu we in theorie overtuigd waren van deze wanden werd het tijd om deze in het echt met de printer te gaan maken. Zodat we konden ervaren of het mogelijk is om ze te printen. Of het een mooi resultaat geeft. Hoe snel we deze kunnen printen en hoe sterk ze zijn na uitharding,… 

Deze testen zijn cruciaal alvorens te beginnen aan het demogebouw. 

We ondervonden door druktesten dat de structuurwand enorm sterk was en door samen te werk met een EPB-verslaggever dat de iso-wand zeer goed kan functioneren als geïsoleerde buitenmuur. 

Met deze ervaring rijker konden we naar de volgende fase in het proces. 

Nu de verschillende structuren geprint en getest waren konden we de verschillende bouwknopen of zeg maar uitdagingen gaan uitwerken. Er moesten namelijk ramen, deuren , vloerisolatie, een dak,… in deze woning voorzien worden.  

We kozen al snel om de woning op te delen in twee verschillende methodes. De ene helft werd voorzien van een iso-wand waardoor zowel aan de binnen als aan de buitenkant de printstructuur zichtbaar blijft. Doordat deze minder draagkrachtig is als de structuurwand werd deze gebruikt voor de inkomhal omdat hier geen tussenvloer in kwamen en enkel een ijzeren vide en een schuin houten dak moest dragen. We konden de isolatie van de vloer laten doorlopen tot in de iso-wand door deze op isolatieblokken (cellenglas) te plaatsen. Ook de dakisolatie kon mooi aansluiten op de isolatie in de wanden. De ramen en deuren werden alsook in de isolatielijn geplaatst. 

De andere helft van het gebouw werd opgebouwd met de structuurwand. Hier werd op de eerste verdieping een tussenvloer uit gewapend beton voorzien en daarboven een plat dak ook uit gewapend beton. Deze muren moesten dus draagkrachtig genoeg zijn om deze lasten te dragen. De buitenmuren werden dan langs de buitenzijde voorzien van een isolatielaat uit EPS-platen met een crépi afwerking. Hierdoor was enkel aan de binnenkant de geprinte structuur nog zichtbaar. Langs de buitenzijde zorgde dit dan voor een contrast tussen straks wit (crépi) en de lijntjes van de iso-wand. 

Ook de fundering werd geprint doordat de printer in staat is om onder nul te gaan. Doormiddel van een verloren bekisting te printen die de contouren van het gebouw volgen konden we een zeer efficiënte fundering realiseren met zo weinig mogelijk materiaal gebruik. 

Wanneer we een horizontale doorsnede nemen van het demogebouw zien we dat de isolatielaag mooi doorloopt. 

Nadat in Januari, Februari van 2019 de allereerste ‘BOD2’ 3D-betonprinter, de 2de generatie 3D-betonprinter van de Deense fabrikant ‘COBOD’ opgesteld was op Kamp C te Westerlo, op de locatie waar nu het 3D-geprinte demo gebouw te bezichtigen is, werd er door Jakob Jørgensen van COBOD een weekopleiding gegeven om met hun ‘BOD2’ 3D-betonprinter te leren weken. 

Wij, een groep van 6 gemotiveerde bachelor bouw studenten aan de Thomas More hogeschool hebben toen de unieke kans gekregen om deze weekopleiding te volgen. We leerde onder andere de gigantische 3D-betonprinter van 10 x 10 x 10 meter bedienen met een grote aandacht naar veiligheid en alle mogelijke gevaren rondom deze machine. Ook leerde we die week hoe we gebruik konden maken van de door COBOD ontwikkelde “slicer-software” voor gebruik in combinatie met hun 3D-betonprinters. Deze zogenaamde “slicer-software” is nodig om de 3D modellen die wij uittekende om te zetten naar een lange lijst van instructies, ook g-code genoemd die de 3D-betonprinter begrijpt en vervolgens kan uitvoeren, dit is zeer gelijkaardig aan een “toolpath” bij CNC-machines die ook werken met g-code instructies.

In tegenstelling tot slicer-software voor kleinschalige kunststof 3D-printers die gebruik maken van STL-bestanden, maakt de COBOD slicer-software gebruik van STEP-bestanden voor het importeren van 3D tekeningen. Dit betekende voor ons dat we de 3D modeleer softwarepakketten die we tijdens de bachelor bouw opleiding aangeleerd krijgen, namelijk Autocad en Revit niet konden gebruiken omdat zij niet de mogelijkheid hebben om te exporten naar STEP-bestanden. We zijn dan zelf opzoek moeten gaan naar alternatieve 3D modeleer softwarepakketten die wel de mogelijkheid hebben on te exporteren naar STEP-bestanden. Zo hadden we relatief snel Fusion360, ook een 3D modeleer softwarepakket van Autodesk zoals Autocad en Revit gevonden. 

Fusion360 was voor ons een volledig nieuw softwarepakket waar we mee moesten leren werken, dit verliep in het begin niet altijd even vlot omdat Fusion360 heel anders is dan de modeleer software die we al kende. Na een aantal weken wanneer we al beter met Fusion360 konden werken ontdekten we dat Fusion360 de mogelijkheid heeft om SAT-bestanden te importeren en dat Autocad de mogelijkheid heeft om SAT-bestanden te exporteren. Hierdoor konden we tekenen in Autocad, het softwarepakket dat we al het langste en het beste kenden met een SAT-bestand en Fusion360 als tussenstap om uiteindelijk een STEP-bestand te bekomen dat we vervolgens konden importeren in de COBOD slicer-software om het om te zetten naar g-code instructies voor de 3D-betonprinter. 

Nogmaals een aantal weken later ontdekten we dat Autodesk meerdere verschillende versies van Autocad maakt die telkens gefocust zijn op een andere industrie zoals Autocad Mechanical, Autocad Electrical en Autocad Architecture. In tegenstelling tot de standaard Autocad versie, die niet de mogelijkheid geeft om te exporteren naar STEP-bestanden heeft Autocad Mechanical wel de mogelijkheid om te exporteren naar STEP-bestanden. Hierdoor konden we de tussenstap met een SAT-bestand en Fusion360 overslaan en rechtstreekst vanuit Autocad m.b.v. Autocad Mechanical exporteren naar STEP-bestanden die we vervolgens konden importeren in de COBOD slicer-software om het om te zetten naar g-code instructies voor de 3D-betonprinter. Op deze manier hebben we dan uiteindelijk het volledige 3D model van het demo gebouw uitgetekend een voorbereid voor uitvoering met de 3D-betonprinter.