Een consortium van bedrijven werkt aan een 3D-printer voor versterkt beton voor de bouw- en inframarkt. De printer kan in korte tijd ­produceren en levert flink wat CO2-reductie op. In het mengproces is een ­opvallende rol weggelegd voor de schroef­transporteur.

Tekst: Pieter van den Brand | Fotografie: Marco Vellinga

De 3D-printer voor beton heet FRED, wat staat voor ‘Fibre Reinforcement Entrainment Device’. De koosnaam wordt liefdevol uitgesproken door de bedenker van het concept Zeeshan Yunus Ahmed. De uit India afkomstige promovendus aan de TU Eindhoven was al betrokken bij eerdere ‘staaltjes’ die de universiteit de afgelopen jaren heeft laten zien met het printen van beton, waaronder een 8 meter lange fietsbrug in het Brabantse Gemert in 2017 en een 20 meter langer exemplaar in het Nijmeegse park Dukenburg in 2021.

Vezels

De ambitie van de TU is ook huizen, viaducten en andere betonnen bouwwerken te printen. De versterking van het beton met speciale vezels is hierbij een wezenlijke eis, en daar komt de expertise van Ahmed bij kijken. “Het beton dat tot nu in 3D-printers gebruikt werd, is ongewapend en daarmee ongeschikt voor het bouwen van grote en hoge objecten. In dit soort werken krijgt beton altijd een wapening met betonijzer. Daardoor blijft het buigzaam bij een eventuele grondverzakking of een aardbeving. De wapening met metaal is nodig, omdat beton bros materiaal is. Daarom mengen wij het beton voor in de printer met speciale vezels, om hetzelfde resultaat te krijgen en de structuur en stevigheid te optimaliseren.” Tijdens zijn promotie-onderzoek voerde Ahmed experimenten uit met vezels van staal, glas en basalt, die veel in de betonindustrie worden toegepast. “Deze vezels hebben uiteenlopende eigenschappen. Sommige dragen bij aan de buigzaamheid van het beton. Andere vezels zijn nodig om ervoor te zorgen dat het beton niet te veel krimpt.”

Uiteindelijk hebben we nog maar ruwweg 5 tot 10% cement nodig
Zeeshan Yunus Ahmed, Zavhy

Verkleinen voetafdruk

Met zijn 3D-printer mikt Ahmed op het verkleinen van de CO2-voetafdruk bij het toepassen van beton. “Bij de productie van cement komt veel CO2 vrij. In onze betonprinter is de helft minder cement nodig. Alleen daardoor realiseer je al veel CO2-reductie. Daar komt nog bovenop dat we als alternatief bindmiddel in plaats van cement een geopolymeer gaan toepassen, dat is gemaakt uit een reststroom uit de staalindustrie. Uiteindelijk hebben we nog maar ruwweg vijf tot tien procent cement nodig”, zegt Ahmed.

Consortium

Ahmed zet de ontwikkeling van de 3D-betonprinter voort in het in 2020 door hem opgerichte bedrijf Zavhy. Om FRED naar de markt te brengen, heeft Zavhy een consortium met een aantal onmisbare partners gevormd. Voor een van zijn eerste prototypen had Ahmed een schroeftransporteur nodig voor de juiste mix van beton, vezels en andere vulstoffen. Vier jaar geleden benaderde hij Van Beek. “Ik had niet de gebruikelijke transportschroef van twee tot vier meter op het oog, maar eentje van hooguit een halve meter. Zij hadden er eentje staan in hun magazijn en waren erg hulpvaardig. Als betaling wilden ze hooguit een paar taarten uit de supermarkt. Zo ontstond onze relatie. Toen we twee jaar terug een werkend prototype wilden bouwen, zijn we met elkaar in zee gegaan en hebben zij de transportschroef verder ontwikkeld”, zegt Ahmed.

Complex

Normaliter bouwt Van Beek schroeftransporteurs om één type bulkgoed van A naar B te verplaatsen. In de printer gaat het om een mix van nat beton, vezels en vulstoffen, die op de juiste manier gemengd moeten worden, en dat in kleine volumes. “Voor ons is dit niet alleen een heel kleine schroef maar ook een schroef die een zeer complex ontwerp nodig heeft”, vertelt R&D-test engineer Daan Mulder van Van Beek. “Dat was een uitdaging, maar we zijn erin geslaagd precies het juiste formaat schroef te ontwikkelen.” Van Beek neemt ook het extrusieproces van de 3D-printer voor zijn rekening.

Ik had niet de gebruikelijke transportschroef van 2 tot 4 meter op het oog, maar eentje van hooguit een halve meter
Zeeshan Yunus Ahmed, Zavhy

Monitoren

Voor de controle van het mengproces van het beton, vezels en vulstoffen en het extrusieproces werd TBRM Engineering Solutions als partner aangetrokken. Ook brengt dit Eindhovense ingenieursbureau zijn mechatronische expertise voor de robotarm op de 3D-printer in. “De kwaliteit en de hoeveelheid van het gemengde materiaal moet aan hoge eisen voldoen. De toevoer moet uiterst consistent zijn”, vertelt Ali Inak, Group Leader en Senior Architect bij TBRM. “Het beton wordt in korte tijd geprint. De nozzle plaatst in enkele seconden laagjes beton van 10 bij 50 millimeter. Je kunt je voorstellen dat dit dus precies moet kloppen. We moeten de snelheid nauwgezet monitoren. 3D-printen is een uiterst precieze technologie.”

FRED

De verschillende onderdelen van FRED zijn van nul af opgebouwd en apart ontwikkeld en getest. De natte mortel wordt door een pomp naar de mengkamer gevoerd. De speciale transportschroef van Van Beek mengt de vezels en de vulstoffen met het natte beton. Uit de mengkamer pompt een tweede pomp het mengsel naar een doseerschroef die nauwkeurig de juiste hoeveelheid van het mengsel kan neerleggen, om zo een printlaag te creëren. De vorm van de printlaag wordt bepaald door het type nozzle dat eronder zit. De hoogte wordt bepaald door de snelheid van de printer en het toerental van de doseerschroef. Op papier werkt alles nu. De komende maanden zijn ingeruimd voor finetuning. In een volgend prototype dat begin 2023 gereed moet zijn, is het hele proces van de 3D-printer door TBRM volledig geautomatiseerd. Daarna volgt nog een jaar met tests. De drie bedrijven verwachten dan eind 2023 een kant-en-klare printer op de markt te kunnen brengen. Een innovatieve toepassing als een 3D-printer voor beton is nog lang geen gesneden koek voor de nogal conservatieve bouwsector, weet Ahmed. “Zaak is iedereen in de bouwindustrie mee te krijgen. Daar is ook een showcase voor nodig. Daarna moeten gebruikers in staat zijn deze technologie geleidelijk aan in gebruik te nemen.”

________________________________________________

Muren en brugelementen

Een 3D-betonprinter is een algemeen apparaat, dat geschikt is voor uiteenlopende toepassingen. Overal ter wereld worden er uiteenlopende voorwerpen mee geprint, zoals straatmeubilair, maar voor deze producten is geen vezelversterkt beton nodig. Zavhy richt zich dan ook op betonelementen in huizen, en dan in het bijzonder op muren. Wat vloeren en fundering betreft kunnen bouwers met prefab elementen uit de voeten. Het neerzetten van een muur is echter altijd maatwerk en gebeurt ter plekke. Soms is een raam nodig, dan weer niet. Ook de dikte van de muur wisselt. Dat proces brengt hoge arbeidskosten met zich mee. Met 3D-printen verwacht Zavhy hierin veel te kunnen betekenen, omdat het bedrijf muren maatspecifiek kan produceren in bovendien zeer korte tijd. Voorlopig wil het bedrijf FRED inzetten voor het off-site printen van custom-made muren in nieuwbouwhuizen en voor elementen in bruggen voor de inframarkt. De focus ligt met name op het automatiseren van dit soort toepassingen. Daar is ook geen grote printer voor nodig. Het bedrijf gaat binnenkort een eigen productiefaciliteit inrichten. De ontwikkeling van FRED kreeg financiering van het Europese Innovatieprogramma Zuid-Nederland (OpZuid), het Zuid-Nederlandse subsidieprogramma Stimulus, het ministerie van Economische Zaken en Klimaat en het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling van de EU.

transportschroef3D-betonprinten