PRINTING ARCHITECTURE INHOUDSOPGAVE. Innovaties in het gebruik van 3D-printen in de bouwwereld

Transcriptie

1

2 PRINTING ARCHITECTURE INHOUDSOPGAVE Innovaties in het gebruik van 3D-printen in de bouwwereld 1. DE TOEKOMSTIGE BOUWMATERIAAL CONTOUR CRAFTING... 3.????... 4.????... 5.????... 6.???? Najib Amali 7X660 Product Presentation Semester A

3 HOOFDSTUK 1 DE TOEKOMSTIGE BOUWMATERIAAL Onder architecten is 3D printen meer en meer populair geworden in de afgelopen jaren. Hoewel een 3D-printer nog niet in elke kantoor wordt verwacht, zal dat waarschijnlijk in de loop der tijd veranderen. In het ontwerpproces zijn architecten veel tijd kwijt mede doordat er nog steeds handmatige schaalmodellen worden gemaakt met Styrofoam. Om een deel van deze kostbare tijd te besparen, nemen veel ontwerpers de 3D-printing mee in het ontwerpproces. De voornaamste reden is het feit dat een 3D-model, altijd een duidelijker beeld schept van de ruimtes in het ontwerp.

4 Tijd kost geld Naast de tijdbesparende waarde van het afdrukken van 3D-modellen, kan het voordeel van deze druktechniek ook praktisch gebruikt worden. Het maakt architecten ook mogelijk om met complexere vormen aan de slag te gaan. Nederlandse architecten zijn momenteel bezig met een onderzoek naar deze 3D-druktechnieken voor complexe architectuurmodellen, maar ook als een echte bouwmethode voor in de nabije toekomst. Software Het BIM-model moet onmiddellijk het 3D-printing bestand en daarbij ook alle tekeningen voor de aannemer om te gaan bouwen. Wijzigingen in een ontwerp kunnen daardoor zeer snel gaan op de computer zonder het te merken en bovendien een snelle 3D-print helpt het computer model beter te begrijpen. Voordelen Er zijn verschillende voordelen ten opzichte van een traditionele maquette: het is sneller en daarom ook goedkoper. Natuurlijk kan een architect ook een maquette achterwege laten en vertrouwen op een videopresentatie of een rendering, maar veel mensen vinden het prettig om een fysiek voorwerp te zien. Bovendien is het met de huidige printtechniek ook mogelijk om losse delen van een model te fabriceren. Hierdoor zijn er modellen te bouwen die groter zijn dan de afmetingen van de printer, maar kunnen ook bijvoorbeeld gebouwen worden geprint waarvan het dak of de gevel afneembaar zijn. Op die manier is het model ook van binnen te bekijken. Tegenwoordig is het ook mogelijk om in diverse kleuren te kunnen printen maar is nog niet volledig geoptimaliseerd.

5 Gooi het in de printer Bedrijven zoeken naar de beperkingen van de uitvoer van stereolithography (STL) bestanden van gemeenschappelijke BIM en CAD- platforms. Deze bestanden worden als basis gebruikt voor het printen van de modellen en dienen geëxporteerd te worden van 3D programma s zoals Autodesk 3DS Max, Auto- CAD en Revit. Het belangrijkste is het maken van een groot model om zo aan klant te laten zien dat er meer nodig is dan alleen maar printen. Kwaliteit is alle tijd Ervaren architecten stellen dat bedrijven dienen te schatten de tijd die nodig is om alle samenhangen taken van 3D-printen te kunnen uitvoeren. De hoeveelheid setup-tijd, prep-tijd, pre-printing tijd and postprinting tijd hangt af van hoe verfijnd je model wilt hebben. Een hoog kwaliteit presentatie model vraagt daarbij fijne assemblage technieken gecombineerd met een goed bewerkte STL-programma, kortom meer tijd. Volledige vrijheid Zoals we kunnen waarnemen is 3D-printing nu al in staat van aanzienlijke waarde te zijn voor in het dagelijkse werk van een architect. Maar dit is schijnbaar het topje van de ijsberg, slechts een paar technieken zijn momenteel beschikbaar zijn voor desktop 3D-printen. In de komende jaren kunnen we uitgaan van veel verschillende technieken die beschikbaar worden gesteld voor meerdere doelgroepen. Met het lopende onderzoek naar deze printtechnieken en de juiste keuze van materialen, zullen architecten de mogelijkheid krijgen om meer en meer te kunnen ontwerpen. Zij zullen in staat zijn om te kunnen experimenteren met vormen die eerder ondenkbaar waren en zodoende te kunnen vertalen naar werkelijke structuren voor de bouw. Stel je eens voor hoe de wereld eruit zou zien als alle architecten en bouwkundige ingenieurs vrije gedachtes meteen kunnen uitvoeren. Nu de printers steeds goedkoper worden en ontwerpbestanden gratis online te vinden zijn, zal het productieproces democratiseren. Straks kan iedereen zelf zijn eigen schoenen, apparaten, werktuigen, onderdelen en gebruiksvoorwerpen printen. Beperkingen Een andere kwestie is wat er niet afgedrukt kan worden. Dunne plafonds, fijne dragers en delicate vormen kunnen breken door het gewicht van de gedrukte poeder zelf. In veel gevallen kan de renderende model kleine smalle detail vormen niet afdrukken die juist van essentie zijn voor het gebouwontwerp.

6 Additive Manufacturing Additive Manufacturing (AM) staat voor het produceren van producten of onderdelen die laag voor laag worden gebouwd. De informatie die hiervoor nodig is wordt rechtstreeks uit het digitale ontwerp gehaald. Momenteel zijn er 3 belangrijke grootschalige AM- methoden gericht op de bouw: Contour Crafting, Concrete Printing en D-Shape. Deze drie werkwijzen hebben bewezen in staat te zijn grootschalige componenten te kunnen produceren, potentieel voor constructieve bouwtoepassingen. Contour Crafting en Concrete Printing kunnen beide worden gecategoriseerd als op extrusie gebaseerde AM methoden, wat betekent dat ze beide gebruik maken van een extrusie techniek om nat te bouwen materiaal op de gewenste locaties te storten. Deze extrusie gebaseerde methoden zijn sterk afhankelijk van hun mix-design. De mix-design bepaalt vier belangrijke eigenschappen: pumpability, printability, buildability en open time. D-shape onderscheidt zich van de overige twee AM methoden door toepassing van op poeder gebaseerde methode. In de volgende hoofdstukken zal de nadruk liggen op de toepassing van de drie methoden, waarin de printer en de materiaaleigenschappen wordt behandeld. HOOFDSTUK 2 CONTOUR CRAFTING Contour Crafting werd in 1998 ontwikkeld door Behrokh Khoshnevis aan de University of Southern California. Aan de hand van de opkomende 3D-printing, Khoshnevis pioniert in de ontwikkeling van de al bestaande productiemethode AM op een grotere schaal en de invoering ervan in de bouwsector. Zijn technologie functioneert zoals de Fused Deposition Modelling, in de manier waarop het extrudeerde materiaal door een mondstuk in een layer-by-layer mode. In plaats van kunststof, gebruikt het beton als bouwmateriaal.

7 Printergrootte De Contour Crafting printer bestaat uit een mondstuk, dat door middel van een systeem in staat is te bewegen in XYZ richting. Transformatie in de X-richting is mogelijk doordat het frame op de rails is gemonteerd. De gantry-system biedt beweging in YZ-richting. De maximale grootte van een afdrukbaar object wordt bepaald door de breedte en hoogte van de printer frame en de lengte van de rails. De afmetingen van de printer worden niet gespecificeerd, maar een indruk van de schaal is in figuur 2.1 te zien. Mobiliteit Contour Crafting toont aan dat de printer is ontworpen om te worden verplaatst, wat ten goede komt op de bouwplaats bijvoorbeeld. Er kan dan per direct worden afgedrukt op het terrein in plaats vanuit het kantoor. Eerdere concepttekeningen laten zien dat een frame is gemonteerd aan een voertuig en deze inzetbaar is. Meer recente beelden tonen een versie va neen balkframe zonder de hechtheid ervan aan een voertuig, weergegevn in figuur 2.2. De printer heeft een licht gewicht, zodat transport en montage door een kleine bemanning kan worden uitgevoerd. Figuur The Contour Crafting gantry systeem. Figuur Printer frame bevestigd aan een voertuig. Figuur Enkel mondstuk assemblage. Figuur Zes assen mondstuk. Enkel mondstuk Contour Crafting wordt gekenmerkt door zijn grote mondstuk breedte van 15 mm diameter. Het garandeert dikke lagen en minimaliseert productie tijd. Een tweede onderscheidend kenmerk is de kant waar de troffel aangebracht wordt aan het einde van het mondstuk. Deze troffel is de grens voor het extrusie-materiaal dat een hoge kwaliteit afwerking creëert. De bovenste troffel bevat het geëxtrudeerde materiaal zodat een constante laag hoogte kan worden bereikt. In figuur 2.3 wordt een schematisch voorbeeld gegeven van de extrusiekop met de troffels. De oriëntatie van de troffel kant kan worden veranderd door een regelmechanisme, waar de mogelijkheid ontstaat om hoekige doorsnedes te kunnen afdrukken. Meerdere mondstukken In 2004 werden er ontwikkelingen gedaan voor een ander type mondstuk speciaal voor grootschalige bouwprojecten. Twee identieke mondstukken worden gecombineerd om de contouren van een wand te vervaardigen. Een derde mondstuk in het midden vult de gehele holte met een vulling. Een voorbeeld wordt getoond in figuur 2.4. Een meer recente techniek maakt gebruik van twee dezelfde spuitmonden voor de contouren van een muur. In plaats van een stevige vulling, produceert het een gegolfde interne structuur.

8 Nieuwe ontwikkelingen Een toekomstige kundigheid zal zich richten op een andere aanpak van het produceren van niet-ondersteunde dakconstructies. Deze ontwikkeling is geïnspireerd door de oude techniek van het construeren van koepels en gewelven. Verbeteringen zullen worden gemaakt voor meer flexibele mondstuk positioneringen.een ander materiaal zal in staat zijn een extrusie pad stellen, zoals geïllustreerd in figuur 2.5. Andere ontwikkelingen zullen zich richten op het verbeteren van de efficiëntie van de Contour Crafting proces. Bij het vervaardigen van meerdere woningen of structuren met grotere plattegronden zal het interessant zijn om een systeem te ontwikkelen dat werkt met meerdere printknoppen, gezien de bouwtijd en overige kosten. Figuur Contour Crafting benadering voor dakconstructies. Materiaal Als bouwmateriaal maakt Contour Crafting gebruik van een betonmengsel. Het natte materiaal dat gebruikt wordt in het extrusieproces heeft vier kenmerkende eigenschappen. Het moet zich in een vlotte en betrouwbare wijze bewegen door het leveringssysteem van de printer; de pumpability. Dezelfde gladheid en betrouwbaarheid zijn vereist bij de depositie apparaat, wat bekend staat als de printability. Als derde belangrijke eigenschap, moet het materiaal een bepaalde buildability hebben om weerstand te bieden tegen vervorming onder belasting. Het laatste kenmerk is de open time; dit wordt beschouwd als de periode waarin de hiervoor genoemde functies consistent zijn binnen bepaalde toleranties. Toepassingen van Contour Crafting Contour Crafting hoge vormvrijheid geeft een hoger percentage aan de flexibiliteit van een architectonisch ontwerp. Leidingen voor sanitair en bedrading kunnen meegenomen worden in de ontwerpfase, zodat openingen zijn ingebed in de gelaagde productieproces. Geen mens meer nodig Behrokh Khoshnevis ontwierp een extra functie voor het vervaardigen van volledige woningen. De gelaagde Contour Crafting techniek gecombineerd met een robot picking en een geïntegreerd positioneerarm in dezelfde raamwerk. Deze arm wordt gebruikt voor het oppakken van lateien en balken op de afgedrukte wandconstructies. Een dun paneel kan deze balken bevestigen. Op de top van dit paneel kan het gelaagde druk proces zich voortzetten. Figuur Robot picking. Figuur 2.6 & Een systeem dat met meerdere printers functioneert.

9 Printen op de maan NASA heeft interesse getoond in Contour Crafting en sinds 2011 begon de financiering van het onderzoek voor de toepassing van Contour Crafting op de maan. De techniek is vooral veelbelovend voor lunar application, want het biedt mogelijkheden voor autonome werking met in-situ middelen, waardoor de mogelijkheid van de bouw op de maan realistisch wordt. Er wordt daarbij onderzoek gedaan naar het gebruik van een nieuw materiaal voor Contour Crafting; Regolith een hoge sterkte beton op basis van maanoppervlak materiaal. Figuur 2.9 & 2.10 & Lunar Contour Crafting.