Grootschalig 3D printen in de bouw: Technologieën en trends

Ontdek de transformerende impact van grootschalig 3D-printen in de bouwsector. In dit uitgebreide artikel wordt ingegaan op robotarm- en portaalprinters, belangrijke materialen en de fasen van het printproces, waarbij innovaties en toekomstige uitdagingen in de bouwtechnologie worden belicht.

Grootschalig 3D printen: Innovaties in bouw en infrastructuur

Het artikel behandelt verschillende belangrijke onderdelen met betrekking tot grootschalig 3D printen in de bouw. Het begint met een inleiding die het belang en de huidige trends in de industrie schetst. Daarna worden de soorten grootschalige 3D printers beschreven, met de nadruk op robotarm- en portaalprinters, samen met hun voordelen en beperkingen. De discussie verschuift vervolgens naar de gebruikte materialen 3D afdrukken in de bouw, waaronder diverse cementgebonden materialen, metaallegeringen voor WAAM en opkomende composiet printmaterialen.

3D-printen is in opkomst als een vooruitstrevende innovatie in de doorgaans trage bouwsector. Door processen te automatiseren en nieuwe planvooruitzichten mogelijk te maken, belooft 3D-printen tijdlijnen te verkorten, afval te verminderen en de bouw in het algemeen productiever en duurzamer te maken. Dit artikel wil een overzicht geven van de transformerende effecten van grootschalige 3D-printingprocedures voor bouwtoepassingen. Er wordt gekeken naar de huidige stand van zaken, richtingen voor de toekomst en inherente moeilijkheden.

Soorten grootschalige 3D Printers in de bouw

Grootschalig 3D-printers die in de bouwsector worden gebruikt, kunnen hoofdzakelijk in twee klassen worden ingedeeld: robotarmprinters en portaalprinters. De twee soorten maken gebruik van productie met toegevoegde stoffen om bouwcomponenten laag voor laag samen te stellen uit cementgebonden materialen.

Robotarm 3D Printers

Robotarmen voor grootschalig 3D printen bestaan uit een multi-pivot robotcontroller uitgerust met een printkop. De robotarm biedt een hoge mate van bekwaamheid en flexibiliteit dankzij de 6 niveaus van mogelijkheden. Dit houdt rekening met meer ingewikkelde wiskundige vormen die bereikt kunnen worden in tegenstelling tot conventionele 3-hub portaalstructuren. Een veelvoorkomend type is een bouwmachine die achteraf is uitgerust met een mobiele betonpomp die als printkop dient. Het betontoevoersysteem en de printkop zijn op de machine gemonteerd, waarbij de giek fungeert als robotarm die bestuurd wordt met behulp van 3D-printen in prototyping algoritmen. Verschillende bedrijven zoals Apis Cor maken ook gebruik van robotarmen die op een beweegbaar platform geïnstalleerd zijn.

Dit biedt printmobiliteit voor structuren met meerdere eenheden. De controle en kwaliteit kunnen echter problemen opleveren omdat de robot tijdens het printen extra beweegt. Om de schaal te vergroten, kunnen meerdere robots samenwerken, zoals gedemonstreerd door Zhang et al. Elk op een robot gemonteerd platform voert afzonderlijke afdruktaken synchroon uit. Een botsingsvrije beweging wordt gegarandeerd door gecoördineerde padplanningssoftware. Een uitdaging is het kleinere afdrukbare gebied dat beperkt wordt door het bereik van de robot. Om dit te verhelpen, monteerden Keating et al. een arm op een mobiele basis met rupsbanden, waardoor autonome fabricage op locatie mogelijk werd.

Portaal 3D Printers

Portaalprinters zijn de meest onderzochte optie voor grootschalig 3D printen in de bouw. Contour Crafting was een vroege pionier en gebruikte meerdere portalen. Een typisch ontwerp bestaat uit een horizontaal bewegende balk die de printkop draagt en langs vaste rails of kolommen in de X- en Y-as beweegt. Voorbeelden hiervan zijn printers van Loughborough University en Spetsavia die volledige gebouwen kunnen printen. Modulaire configuraties zoals COBOD's BOD2 en WASP's Crane WASP vergroten de schaal nog verder. Meerdere verwisselbare eenheden worden naar behoefte geassembleerd, met theoretisch onbeperkte bouwgroottes. Portaalprinters bieden voordelen zoals eenvoudigere besturing, hogere precisie en de mogelijkheid om grof toeslagmateriaal in betonmengsels te gebruiken. De beperkte mobiliteit vereist echter montage/demontage op locatie bij elke nieuwe bouwlocatie.

Materialen voor 3D-printen in de bouw

Voor grootschalige 3D printen zijn de belangrijkste afdrukbare materialen cementachtige materialen en metaallegeringen. Daarnaast krijgen samengestelde druktechnieken die deze combineren ook steeds meer aandacht.

Cementgebonden materialen

Materialen die vaak gebruikt worden voor 3D printen met beton zijn cementbeton, geopolymeer, vezelversterkt beton, enz. Cementbeton is het meest onderzochte materiaal voor 3D printen op grote schaal. Om de reologische eigenschappen te verkrijgen die nodig zijn voor het printen, worden traditionele aggregaten echter vaak vervangen door fijnere alternatieven zoals zand. Dit vermindert de gevoeligheid voor krimpscheuren, maar leidt tot zwakkere composieten. Geopolymeren zijn aluminium-silicaat bindmiddelen die een deel van cement kunnen vervangen.

Metalen materialen voor WAAM

Grootschalig 3D printen maakt gebruik van het wire and bend added substance manufacturing (WAAM) proces. Gewoonlijk worden metalen als roestvrij staal, titaniumcombinaties en aluminium gebruikt. WAAM is toegepast om primaire onderdelen voor de bouwindustrie te produceren.

Composiet 3D Printing Materialen

Er wordt onderzoek gedaan naar cementgebonden materialen die versterkt zijn met vezels, staalkabels of microkabels. Een veelbelovende aanpak combineert beton 3D printmaterialen rond een stalen structuur die gebouwd is met robotarmen. Er zijn echter integratie-uitdagingen op het gebied van warmtebeheer. In dit gedeelte vindt u gedetailleerde beschrijvingen van de belangrijkste materialen die gebruikt worden voor 3D-printen in de bouw, uitgesplitst in de hoofdlijnen.

Het 3D-afdrukproces

Elk grootschalig 3D printproces voor de bouw bestaat uit modelontwikkeling, materiaalproductie/transport, laagdepositie en kwaliteitscontrole.

Modelcreatie

Het digitale model wordt in niet-vlakke lagen gesneden met behulp van tangentiële continuïteit voor een vloeiendere overgang tussen lagen van verschillende dikte, waarbij de mogelijkheden van 3D metaal afdrukken technologieën. Deze strategie zorgt voor constante contactoppervlakken tussen de lagen.

Materiaalproductie en -transport

Voor grootschalig drukken op locatie wordt beton meestal kant-en-klaar geleverd vanuit betoncentrales om onderbrekingen te voorkomen. Er kan echter extra mengen nodig zijn na het transport en bij voorkeur na het storten om een optimale reologie te bereiken. Versnellers kunnen net voor de extrusie worden toegevoegd.

Laagopbouw

Bij portaalprinters deponeert de printkop materiaal langs de gereedschapsbanen volgens het gesneden model, waarbij opeenvolgende lagen worden opgebouwd. Robotprinters extruderen materiaal via een eindeffector langs geprogrammeerde banen. 3D printgereedschap snelheid, laagdikte en materiaalstroom beïnvloeden de geometrische precisie en sterkteontwikkeling. Continue feedback maakt real-time reologiecontrole mogelijk.

Kwaliteitscontrole

Dit houdt in dat de eigenschappen in verse en uitgeharde toestand gecontroleerd moeten worden. Reologie is cruciaal en wordt inline beoordeeld, bijvoorbeeld via de kwantificering van extrusie-energie. Sensoren volgen afmetingen, homogeniteit, uitharding. Niet-destructieve testen evalueren de mechanische prestaties. Procesgegevens en simulaties verfijnen mengselontwerpen en -strategieën. Kwaliteitscontrole sluit de feedbacklus ontwerp-fabricage.

Extra overwegingen

Bij grootschalige projecten wordt de logistiek van de materiaallevering vooraf uitgebreid gepland. De assemblage van onderdelen kan volgen op monolithisch printen. Hybride benaderingen integreren grootschalig 3D printen in de bekistingsconstructie. Milieuconditionering en dosering van versnellers moeten worden beoordeeld.

Mechanische eigenschappen

Het mechanische gedrag van duurzaam 3D printen constructie-elementen vertoont anisotropie door de fabricage op basis van lagen. Bovendien introduceren geometrische onnauwkeurigheden van het printproces extra variabelen.

Sterkte-eigenschappen

De druksterkte is het hoogst in de lengterichting van bedrukte lagen als gevolg van consolidatiedruk. De sterkte neemt lateraal af en wordt loodrecht op de lagen die de minste begrensde uitharding ondergaan minimaal. Vergelijkbare trends zijn van invloed op het buiggedrag. Tests tonen minimale sterkte loodrecht op gedrukte lagen waar vers beton het meest vrij bezinkt voordat het verhardt. Zonder zijdelingse beperking of wapening verzwakken de zettingen de samenhang tussen de lagen. De anisotropie van de sterkte overschrijdt 10% over verschillende bouworiëntaties. Het opnemen van vezels verzacht dit en verdeelt spanningen gelijkmatig. Structureel ontwerp moet rekening houden met de richting van de sterkte in plaats van uit te gaan van isotropie.

Samengesteld 3D Afdrukken

Versterkte 3D printmengsels, zoals beton met microkabels, presteren beter dan gewone cementgebonden pasta's. Microkabels beperken scheurvorming en verhinderen afbrokkelen bij impact. Composieten maken gebruik van de synergie tussen versterking en matrix, waardoor de eigenschappen voor structurele functies worden geoptimaliseerd. Vezelrijke pasta's weerstaan meer belasting dan gegoten of geëxtrudeerde equivalenten, wat duidt op een superieure interfaciale hechting. Composieten maken grootschalig 3D-printen mogelijk voor veeleisende structurele toepassingen die traditioneel voorbehouden zijn aan conventionele constructies.

Conclusie

Concluderend heeft dit artikel een diepgaand overzicht gegeven van de impact en vooruitgang van grootschalige 3D printtechnologieën in de bouwsector. Er werd een gedetailleerd overzicht gegeven van de belangrijkste printertypes - robotarm- en portaalsystemen, met hun verschillende werkingsprincipes, voorbeelden en voordelen/beperkingen. Het overzicht analyseerde ook de belangrijkste printbare materialen waarop het onderzoek naar 3D-printen in de bouw zich richt: cementachtige samenstellingen voor het printen van beton en metaallegeringen voor additieve productie met een draadboog. Composiet versterkingsbenaderingen werden ook besproken.

In het algemeen onderstreept het overzicht de invloed van grootschalig 3D-printen op de innovatie in de bouw, met meer efficiëntie, maatwerk en mogelijkheden voor prefabricage op locatie. Er zijn echter uitdagingen op het gebied van geometrische onvoorspelbaarheid, niet-uniformiteit en karakterisering van het gedrag op lange termijn die gerichte inspanningen vereisen om de haalbaarheid en voordelen op grote schaal te maximaliseren. Naarmate de technologieën rijper worden, gebruik van 3D printen capaciteit als katalysator voor de toekomstige evolutie van de gebouwde omgeving zal nog verder toenemen.

FAQs

V: Wat zijn de belangrijkste soorten 3D-printers die in de bouw op grote schaal worden gebruikt?

A: In het artikel wordt onderzocht dat grootschalig 3D printen voornamelijk kan worden ingedeeld in robotarmprinters of portaalprinters. Robotarmprinters maken gebruik van een multi-hub robotbesturing met een printkop, terwijl portaalprinters gebruik maken van een printkop die geïnstalleerd is op een vlakke bewegende balk.

V: Welke materialen kunnen 3D-geprint worden voor constructietoepassingen?

A: De belangrijkste printbare materialen die onderzocht zijn, zijn cementgebonden materialen voor substantieel printen, evenals metaalcomposieten die verwerkt worden door middel van draadgebogen toegevoegde stof productie (WAAM). Composietversterkingsbenaderingen die deze combineren zijn ook in opkomst.

V: Wat zijn de normale vorderingen bij een grootschalig 3D printproces voor de bouw?

A: De belangrijkste stappen zijn het maken van een geautomatiseerd model, het maken/transporteren van materialen, het verklaren van lagen en de kwaliteitscontrole van zowel nieuwe als gestolde eigenschappen.

V: Welke voordelen biedt 3D-printen voor de bouw?

A: De voordelen zijn onder andere mechanisatie, planningsmogelijkheden, kortere tijdlijnen, minder verspilling, verder ontwikkelde duurzaamheid en potentiële kostenverlagingen in vergelijking met gebruikelijke technieken.

V: Welke problemen zijn er eigenlijk met grootschalig 3D-printen voor de bouw?

A: De onderzochte beperkingen hebben betrekking op schaalbeperkingen, grof totaal gebruik, normalisatiebehoeften, anisotrope eigenschappen en het karakteriseren van langeafstandsgeleiding.

V: Wat heeft de toekomst in petto voor deze innovatie in de bouw?

A: De rol van het bedrijf bij het stimuleren van innovatie door middel van grotere effectiviteit, maatwerk en off-site fabricage zal naar verwachting toenemen naarmate de vooruitgang zich verder ontwikkelt en de uitdagingen worden aangegaan.