‘Printen met beton is 2,5D-printen’

Auteur: Ysbrand Visser

De robots van MX3D werken met standaard lasapparatuur en een normale lasdraad. 3D-printen met metaal lijkt dan ook op gewoon lassen, maar leek lang onmogelijk. In plaats van na een ontwikkeling van vele jaren, kwam MX3D - waarvan Gijs van der Velden de CEO is – echter al binnen een week tot acceptabele voorwerpen.

Het is een kunstzinnig milieu waarin Van der Velden zich beweegt, zodat hij - opgeleid als jurist - bedrijfsleider werd van het lab van ontwerper en kunstenaar Joris Laarman. Van daaruit ontstond MX3D. In beide ondernemingen is steeds weer de vraag hoe nieuwe technologie de omgeving - ontworpen en gebouwd - verandert. Van der Velden: “Met de focus op hoe we die omgeving ook esthetisch kunnen verbeteren en welke nieuwe vormentalen dat oplevert. In dat kader was de bone chair (2006) een van de beroemdste stukken van Joris. Hij maakte daarbij gebruik van experimentele, topologische optimalisatiesoftware en was al vroeg bezig met biomimicry. De zoektocht naar hoe je het beste een stoel kunt ontwerpen, zoals de natuur dat doet, bracht ons telkens weer bij 3D-printen.”

Foto rechts: In samenwerking met de Japanse bouwmultinational Takenaka ontwierp en printte MX3D een stalen knooppunt voor een houtstructuur. Beeld door Leonard Faustle

Grote schaal

“Er waren toen al veel langer digitale designtechnieken die gebruikmaakten van generative design-algoritmes”, vervolgt Van der Velden, “maar het was steeds de vraag hoe je dat ontwerp kon realiseren. De ontwerpen werden immers steeds complexer. Dat konden bestaande maakmethoden niet volgen. Er ontstaan dan allerlei opties, waarbij je rol als ontwerper verandert van zelf een ontwerp maken tot zelf een keuze maken. Verder zagen we dat 3D-printing een oplossing kon bieden, maar dat er heel weinig werd gefocust op een ‘grote schaal’. Nagenoeg alle printers waren nog bezig op schoenendoosformaat en naast beton werden er in de bouw geen andere materialen gebruikt. Wij vonden dat een enorm gemis.”

Om die schaalbarrière te doorbreken, koos Van der Velden & co. voor een industriële robot. Die kan met zijn arm een stuk van 3,5 bij 2 meter printen en op of aan rails bevestigd, wordt de schaal zelfs bijna oneindig. Er werden verschillende materialen getest en uiteindelijk volgde het experiment met de lassende robot. De lasdraad komt uit een ton met daarin een paar honderd kilo draad van een luttele millimeter dikte. Het lasapparaat voert die draad door tot aan de lastoorts en daar smelt de draad. Dat draadje wordt tijdens het proces continu aangevoerd en gesmolten en dat bleek, aldus Van der Velden, de meest zinvolle bijdrage aan de hele ontwikkeling.

Voorbeeld van het stalen knooppunt in een houtstructuur van MX3D en Takenaka. Beeld door MX3D

Glad uit een printer

“Een van de grote problemen bij de schaalvergroting was de deposition rate: de hoeveelheid materiaal die je op een bepaald moment kunt printen. En daarnaast ging het ook steeds over precisie. Daar was de mindset altijd op gericht. Hoe kun je zo precies mogelijk een bepaalde geometrie benaderen. Kijk je echter naar de precisie die je nodig hebt voor een gebouw, dan is die veel minder dan wat nodig is bij het maken van een instrument voor de ruimtevaart.”

“Als je die precisie eenmaal loslaat en je ontwerp niet meteen glad uit een printer hoeft te komen, groeien je mogelijkheden. Dan gaat het vooral om een heel hoge depositie en de vrije vorm die je op grote schaal wilt bereiken. Dat was ons eerste doel en heeft ons geholpen om andere dingen even opzij te zetten. Later zijn we uiteraard meer gaan letten op hoe we het ontwerp beter gecontroleerd, gladder en ook gecertificeerd kunnen produceren.”

WAAM met staal

Staal hardt snel uit, zodat je er extreme vormen mee kunt printen met veel goede structurele eigenschappen. Ook met resines (giethars) experimenteerde Van der Velden, maar daarvan zijn de materiaaleigenschappen na uitharding ‘belabberd’. En beton is aanvankelijk een bijna vloeibaar product, waarmee slechts een minimale overhang mogelijk is. “3D-printen met beton is oneerbiedig gezegd 2,5D-printen. Steeds bleef het de vraag: hoe kun je die objecten sterk maken? Kun je er wel snel genoeg mee printen of er op een handige manier betonijzer in verwerken?

Wij waren op zoek naar meer vormvrijheid en met staal is dat veel minder ingewikkeld. Als we met een temperatuur van ruim 1300 graden Celsius een lijntje printen, hardt dat binnen een seconde uit. Lassers zeiden ‘dat kan niet’ gezien de vervorming of interne stress. Het bleek echter dat bijna niemand het echt had geprobeerd. Het waren allemaal aannames. Gewoon door het te doen, ontdekten we dat het kon. Met alleen een paar slimme programmeurs en iemand met verstand van robots. Dat was echt wel Eureka! Wij waren toen, in 2013, bezig met wat inmiddels Wire and Arc Additive Manufacturing [WAAM; red.] heet.” 3D-printen van metaal wordt nu meestal additive manufacturing (AM) genoemd.

Ontwerpers moesten eerst wennen aan de mogelijkheden van de nieuwe techniek. Kon het printen van metaal op een grotere schaal ook zorgen voor materiaaloptimalisaties en voor een nieuwe beeldtaal? Vandaar experimenten als de bekroonde, roestvrijstalen brug, bedoeld voor de Amsterdamse Oudezijds Achterburgwal (zie afbeelding).

Van der Velden: “Deze techniek zal lang niet voor alle bruggen gebruikt gaan worden, want die kun je veel sneller en eenvoudiger bouwen. Na zo’n brug denkt iedereen dat er een nog groter object komt, maar de taaiere onderdelen van het introduceren van zo’n nieuwe techniek kosten gewoon tijd.”

“3D-printen van metaal is een relatief langzaam proces, waarbij je per uur tot drie à vier kilo staal komt. Een heel gebouw neerzetten met tonnen staal is veel minder kansrijk dan bijvoorbeeld organische, designachtige structuren. Zo zijn we nu bezig met het optimaliseren van de staalstructuren in de casco’s van auto’s en boten. Vooral als gewichtsbesparing en de ecologische footprint belangrijk zijn, komt 3D-printen om de hoek kijken.”

Gijs van der Velden bij het printen van een roestvrijstalen brug in de werkplaats van MX3D. Foto door Joris Laarman Lab

Footprint

Over de ecologische footprint van staal wil Van der Velden niet te veel claims maken. “Het grootste deel van de footprint zit in het winnen en gereedmaken van het materiaal. Als je dankzij 3D-printen 50 procent minder materiaal gebruikt, betekent dat misschien wel 40 procent impactreductie. We kunnen ons nu echter nog nauwelijks voorstellen hoe radicaal dat gaat zijn.”

Samenspel

Naast het zoeken naar industrieën waarvoor hun printtechniek economisch echt relevant kan zijn, is MX3D ook volop bezig met de software. Van der Velden: “Computer-optimalisaties zorgen voor een vormtaal die overal toepasbaar is. Vervolgens kijken wij heel erg naar de techniek om een vorm te maken. Je hebt een bepaalde geometrie nodig en de vraag is dus hoe je een robot die geometrie kunt laten realiseren. Het is een samenspel van ‘wat kun je ontwerpen en wat kun je maken?’ Zo hebben we laatst een robotarm gelanceerd, waarbij je heel goed het optimalisatieproces terugziet in een stalen knooppunt voor een houtstructuur.” (Zie afbeelding ‘Takenaka’.)

“Dat knooppunt is echt iets dat vaker terugkomt in de architectuur en infrastructuur. Verder zie ik zelf heel veel potentie in dubbelwandige objecten met een wafelstructuur erin, zoals pilaren, steunbalken en buizen. Bij zo’n complex knooppunt moet de robot veel draaien en allerlei beslissingen nemen over de volgorde. Dat zijn de problemen die wij nu oplossen, waarbij we ons onderscheiden door onze software.”

Certificeren

Inmiddels is de hele workflow voor de MX3D-werkplaats geprogrammeerd. Daaraan zijn allerlei sensoren gekoppeld, die onder meer de spanning, stroomsterkte en temperatuur meten. Ook is realtime zichtbaar hoeveel energie er in een proces wordt gestopt. Vervolgens is het zaak om de knooppunten, ook op basis van de sensordata, te certificeren.

Van der Velden: “Zo ontstaat in het verlengde van parametrisch ontwerpen een interessante bouwtechniek en kun je afscheid nemen van de traditionele manier van bouwen. Je hebt dan letterlijk van elke lijn die je legt ook een digitaal paspoort ter beschikking. Dergelijke innovaties worden in de bouw echter met veel argwaan bekeken, meer dan in bijna alle andere industrieën. Die omarmen dit soort radicale innovaties juist meteen. Het is voor ons de uitdaging om aan architecten, ontwerpers en engineers steeds duidelijker te maken wat ze hiermee kunnen maken en wanneer dat ook zin heeft.”

Ontwerp van een robotarm. Foto door Merlin Moritz

“Naarmate we hier meer data over verzamelen”, besluit Van der Velden, “kun je door toepassing van kunstmatige intelligentie ook je processen gaan verbeteren en autonomer laten verlopen. Dat is dan interessant voor je businesscase, want dat is voor 3D-printen altijd heel spannend. Er moeten gewoon als het ware kilo’s geknald worden en het liefst zonder mensen erbij. Ik twijfel er niet aan dat dit een standaard techniek gaat worden. Hoe die in de bouw gaat terechtkomen, is echter nog de vraag.” 

Dit artikel verscheen in de Innovatiecatalogus 2021. De hele editie lezen? Dat kan door hem na te bestellen of te downloaden.