Lesezeit: 8 Minuten

Wat tot voor kort nog klonk als toekomstmuziek, wordt tegenwoordig beschouwd als een revolutie in de bouwsector: 3D-printen kan binnenkort op grote schaal worden gebruikt om woonhuizen en andere begaanbare objecten zoals bruggen te printen. De technologie is nog in ontwikkeling, maar wordt al met succes toegepast in diverse projecten. In dit artikel leest u hoe het bouwen van een huis met een 3D-printer in zijn werk gaat en welke mogelijkheden en uitdagingen deze technologie biedt.

Verschillen tussen een huis uit de 3D-printer en normale bouw

Een 3D-geprint huis verschilt in meerdere opzichten van een normaal huis.

  • Wat meteen opvalt is het bijzondere uiterlijk van de muren, als gevolg van het feit dat het materiaal in laagjes wordt aangebracht.
  • Afhankelijk van de stijl waarin het gebouw is gemaakt, hebben 3D-geprinte huizen vaak gewelfde muren.

Sommige kenmerken van 3D-geprinte gebouwen vallen echter niet meteen op. Bij normale bouw worden de betonelementen in een mal, de zogenaamde bekisting, gegoten zodat ze kunnen uitharden. Bij het 3D-printen van beton is dat niet nodig: het materiaal wordt erg snel hard, zodat er geen bekisting gebruikt hoeft te worden.

Snelheid

Een van de grootste verschillen tussen conventionele bouw en 3D-printtechnologie in de bouw is het tempo waarin er kan worden gebouwd. Bij conventionele bouw worden huizen vaak nog met de hand gemetseld, baksteen voor baksteen. Bij een huis uit de 3D-printer zijn slechts twee vakkundige werknemers nodig om het proces te monitoren en waar nodig ondersteuning te bieden. De printsnelheid varieert naar gelang het model en varieert van ongeveer 25 centimeter tot een meter per seconde. Het bouwproces wordt verder versneld door het feit dat andere taken al tijdens het printen kunnen worden uitgevoerd. Met deze werkzaamheden wordt normaal gesproken pas na het eigenlijke bouwen begonnen. Voorbeelden hiervan zijn:

  • Luchtlaagankers voor de isolatielaag aanbrengen
  • Leidingbuizen aanleggen en isoleren
  • Elektrische aansluitingen aanbrengen

Ter vergelijking: vier tot vijf mensen hebben normaal ongeveer een week nodig om een verdieping af te werken. Een 3D-printer daarentegen vereist twee mensen om te bedienen en ongeveer 20 uur pure printtijd om één verdieping te voltooien.

De kostenfactor

Door de hoge printsnelheid is een huis uit de 3D-printer goedkoper dan een conventioneel gebouwd huis. Enerzijds zijn er minder arbeiders nodig om toezicht te houden. Anderzijds zijn de materiaalkosten iets lager dan bij conventionele bouw, omdat de benodigde materialen van tevoren efficiënt worden ingepland en er minder afval ontstaat tijdens het drukproces. De kosten voor de technische apparaten zijn daarentegen hoger dan voor de conventionele bouw van muren. Over het geheel genomen kunt u met een 3D-geprint huis 25 à 30 % kosten besparen ten opzichte van conventionele bouw.

Veiligheid

Een verder verschil tussen het 3D-printen van een huis en normale bouw, is de veiligheid van de werknemers. Werknemers in de bouw worden gewoonlijk blootgesteld aan een verhoogd veiligheidsrisico: letsel en beroepsziekten zoals hernia’s komen vaak voor bij bouwvakkers. Bij het bouwen van een huis met behulp van een 3D-printer is er minder kans op een bedrijfsongeval of aandoeningen die worden veroorzaakt door zwaar lichamelijk werk. Dit heeft op zijn beurt ook een positieve invloed op de kosten: de werkgever hoeft gemiddeld minder uit te geven aan verzekeringen en ziekengeld.

3D-printen in de bouw kan voor meer dan alleen woonhuizen worden gebruikt. Ook andere bouwwerken en voorwerpen, zoals open haarden, bruggen of architectonische ontwerpen, die tot dusver alleen op een zeer ingewikkelde en dus kostbare manier konden worden gebouwd, kunnen nu simpelweg worden uitgeprint.

Welke methoden zijn er om een huis met een 3D-printer te bouwen?

Er zijn verschillende manieren, materialen en printers om een 3D-geprint huis te maken. De printers kunnen verschillende afmetingen hebben, lijken nog het meest op een kraan en worden meestal geïnstalleerd op de plaats waar het huis moet worden gebouwd. Het printen kan soms ook elders plaatsvinden. Nadat het materiaal is uitgehard, worden de afzonderlijke elementen dan naar de bouwplaats vervoerd en daar geïnstalleerd. Alle verschillende methoden hebben gemeen dat de printer het materiaal laag voor laag aanbrengt, in langzame, roterende bewegingen.

Extrusieproces

Het extrusieproces of fused layer modelling wordt momenteel het meest gebruikt voor 3D-geprinte-huizen. Hiervoor wordt een speciaal beton gebruikt, dat andere eigenschappen heeft dan conventioneel beton en daardoor een geheel andere werkwijze mogelijk maakt.

ExtrusieprocesEigenschappen
Kenmerken· Geen bekisting nodig
· Gelaagde, driedimensionale structuur
· Ronde designs in plaats van geometrische vormen en hoeken
Voordelen· Zeer snelle methode
· Relatief voordelig
· Openingen voor deuren en ramen overal mogelijk
· Gebruik van materiaal van verschillende dichtheid
Nadelen· Om te zorgen dat de verschillende lagen aan elkaar hechten, moeten ze worden samengedrukt
· Het samendrukken kan in sommige gevallen ten koste gaan van de buigzaamheid van het beton

Selectieve binding

Bij de selectieve binding wordt onderscheid gemaakt tussen twee subprocessen:

MethodeEigenschappen
Nat printen / paste intrusion· De verschillende componenten worden in lagen op elkaar aangebracht, bijv. zandsteen op cementlijm
· Een goede hechting tussen de elementen moet worden gewaarborgd om een hoge stabiliteit te bereiken
Selectief activeren cement· Een cement-zand mengsel wordt laag voor laag aangebracht.
· Vervolgens worden de plaatsen waar het materiaal moet stollen heel precies met water bespoten (ook laag voor laag)
· Overtollig materiaal wordt verwijderd en opnieuw gebruikt (verwijdering bijv. met behulp van een zuiger)

Met deze methoden kunnen complexe geometrische elementen worden geprint, zodat ook ongebruikelijke architectonische ideeën kunnen worden gerealiseerd. Aangezien het ongebonden droge materiaal veel steun biedt, kunnen met selectieve binding ook eenvoudige holle constructies worden gemaakt. Selectieve binding is echter duurder dan extrusieprinten. Bovendien is nog niet definitief opgehelderd hoe gevoelig het reageert op verschillende weersinvloeden.

Voorbeelden van 3D-geprinte huizen

In verschillende projecten over de hele wereld is men er al in geslaagd huizen te bouwen met een 3D-printer. In Calverton, New York, werd in slechts acht dagen een gezinswoning van ca. 177 vierkante meter gebouwd. De 3D-printer had 48 uur pure printtijd nodig, en de materiaalkosten bedroegen minder dan 6.000 dollar. Ter vergelijking: zelfs de bouw van prefab-huizen neemt gewoonlijk verscheidene maanden in beslag.

Ook in Nederland staat inmiddels een geprint huis, in de Eindhovense wijk Bosrijk. Het huis heeft de vorm van een zwerfkei, wat niet alleen goed past bij de natuurlijke omgeving, maar ook onderstreept welke ongebruikelijke vormen er met de printer kunnen worden gemaakt. Het is het eerste grote resultaat van het zogenaamde Project Milestone, een samenwerking tussen de TU Eindhoven en verschillende gespecialiseerde bedrijven op dit gebied. De 24 verschillende elementen waaruit het huis bestaat zijn in een fabriek geprint en vervolgens naar de bouwplaats vervoerd.

Duurzaamheid en 3D-printen

Beton is in principe geen duurzaam bouwmateriaal, aangezien bij de productie een enorme hoeveelheid CO2 vrijkomt. Niettemin is het 3D-printen van speciaal beton veel efficiënter dan de conventionele woningbouw, en er ontstaat veel minder materiaalafval. De eerste bouwprojecten met 3D-printers tonen aan dat door de keuze van componenten, materialen en de efficiënte bouwmethode tot 50% CO2 kan worden bespaard ten opzichte van conventionele bouw.

Echt duurzaam bouwen met een 3D-printer wordt pas mogelijk als in plaats van beton, glas of plastic, materialen zoals hout of aarde worden gebruikt. Zoals het Italiaanse bedrijf WASP laat zien met het project Tecla, kunnen huizen worden geprint met gebruik van uitsluitend lokaal voorkomende grondstoffen. In de Italiaanse stad Ravenna werd in 200 uur pure printtijd een constructie gebouwd die bestaat uit 60 kubieke meter aarde, zonder andere materialen.

Uitdagingen voor 3D-printen in de bouw

3D-geprinte huizen hebben niet alleen voordelen. Wat zijn de uitdagingen van deze nieuwe technologie?

  • Opdoen van vakkennis: architecten hebben meer creatieve vrijheid bij een huis uit de 3D-printer dan bij gewone bouw. Zij staan echter ook voor een bijzondere uitdaging, omdat de nieuwe materialen andere eigenschappen en een ander draagvermogen hebben dan conventioneel beton. Dit maakt het werk voor architecten en aannemers ingewikkelder, omdat zij rekening moeten houden met andere berekeningen dan voorheen en zich deze nieuwe kennis en vaardigheden eerst eigen moeten maken.
  • Scepsis in de branche: reeds in de planningsfase is interdisciplinair teamwork vereist, aangezien in een vroeg stadium beslissingen moeten worden genomen en alle beroepsgroepen moeten worden gecoördineerd. Momenteel heerst er in de bouwsector nog een zekere scepsis ten aanzien van het gebruik van de technologie en de daarmee samenhangende omgang met nieuwe gegevens. Zodra de technologie aan populariteit wint in de stedelijke ontwikkeling, mag worden aangenomen dat deze deskundigheid ook in de bouwsector ingang zal vinden.
  • Wettelijk kader: de wettelijke voorschriften met betrekking tot 3D-printtechnologie in de bouwsector zijn momenteel nog niet uitgewerkt, aangezien de techniek nog erg nieuw is. Eén van de grootste uitdagingen voor de bouwsector op dit moment is dan ook normen en standaarden vast te stellen die het voor de toezichtautoriteiten mogelijk maken om projecten adequaat te beoordelen, en zo hun vergunningsbeleid te kunnen vormgeven.

Welk effect zal deze nieuwe technologie hebben op de bouwsector?

Als 3D-printen populair wordt voor het bouwen van huizen en andere gebouwen, kunnen grote veranderingen optreden in de onroerend goed en bouwsector, en zelfs in de gehele maatschappij. Ten eerste kan een stap worden gezet in de richting van duurzaam bouwen, zoals we hierboven hebben besproken. Maar ook betekent een nieuwe discipline in de bouwsector dat nieuwe beroepsprofielen zullen ontstaan. Over het algemeen geldt: de manier waarop gebouwen tot stand komen en hoe op bouwplaatsen wordt gewerkt, zal fundamenteel veranderen. Bouwprojecten die veel tijd en personeel in beslag nemen, zullen dan tot het verleden behoren.

  • Het 3D-printen van een huis wordt aangestuurd vanaf de laptop. Dit maakt de bouwsector ook voor de jongere generatie aantrekkelijk. Alwaar spierkracht en fysieke weerbaarheid vroeger belangrijke voorwaarden waren om in de bouw te kunnen werken, staan bij deze nieuwe methode van woningbouw juist technisch inzicht en beroepsexpertise op de voorgrond. Er ontstaan nieuwe beroepsprofielen op het gebied van engineering en architectuur, het risico van bedrijfsongevallen bij de bouw van huizen neemt af – dit alles maakt een baan in de bouwsector aantrekkelijker voor de komende generaties.
  • Woonruimte kan sneller en voordeliger worden gebouwd.
  • Op deze manier wordt betaalbare woonruimte gecreëerd, zodat de woningmarkt weer toegankelijker kan worden voor de lage en middeninkomens.
  • Ook ongebruikelijke vormen en designs in de stedenbouw zijn niet per se meer zo duur, en kunnen snel worden gerealiseerd.
  • Door de efficiëntie van deze bouwwijze worden minder materialen gebruikt en wordt minder CO2 uitgestoten.

Veelgestelde vragen over 3D-geprinte huizen

Hoe wordt een huis uit de 3D-printer gemaakt?

In de planningsfase wordt eerst een digitaal model ontwikkeld met CAD-software. Dit model wordt geconverteerd naar een STL-extensie en naar de printer gestuurd voor productie. De printer kan ter plaatse worden ingezet, brengt het materiaal laag voor laag aan en kan zelfs ingewikkelde architecturale vormen produceren.

Welk materiaal wordt gebruikt voor een 3D-geprint huis?

Het meest gebruikte materiaal voor het 3D-printen van huizen is een speciaal ontwikkeld beton dat bestaat uit zand, cement, water en andere ingrediënten. Dit beton kan ter ondersteuning worden gemengd met verschillende additieven zoals kunststoffen (thermoplasten, elastomeren), metalen (titanium, roestvrij staal, andere staalsoorten, legeringen), hout en vezels. Ook het gebruik van duurzame materialen wordt momenteel onderzocht en voortdurend verder ontwikkeld.

Welke eigenschappen moet dit speciale beton hebben?

Het beton voor 3D-printen verschilt nogal van conventioneel beton:
· Het moet erg snel uitharden en vormvast zijn, zodat de volgende laag snel kan worden aangebracht.
· Tegelijkertijd moet het materiaal flexibel genoeg zijn, zodat de toplaag zich met de onderlaag kan verbinden en er een stabiele muur ontstaat.
· Het beton mag de spuitmond of nozzle op de printerkop niet verstoppen.
· Het materiaal moet worden aangepast aan het printermodel in kwestie, zodat alles soepel werkt.

Welke mogelijkheden biedt het 3D-printen van huizen?

Het 3D-printproces zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om snel en goedkoop woningen te creëren, zodat de woningnood kan worden aangepakt. Als zo bovendien sociale huisvesting wordt gebouwd, kan dit mensen met lagere inkomens uitzicht bieden op betaalbare woningen en wellicht zelfs dakloosheid terugdringen. Voor architecten is de nieuwe vormvrijheid een bevrijding uit oude restricties, zodat het stadsbeeld op creatieve manier kan worden getransformeerd.

Welke moeilijkheden en uitdagingen zijn er?

Momenteel ontbreekt nog een wettelijk kader voor het toewijzen van bouwvergunningen voor 3D-geprinte bouwprojecten. Dat heeft er mee te maken dat op veel plaatsen nog de nodige deskundigheid moet worden opgedaan. Er heerst bovendien een zekere scepsis in de bouwsector over het bouwen met de 3D-printer, die waarschijnlijk langzaam maar zeker zal plaatsmaken voor enthousiasme. Tenslotte wordt deze technologie voortdurend verder ontwikkeld en is het onderzoek naar nieuwe materialen en methodes nog erg dynamisch.

Bron afbeelding:
© gettyimages.de
Yuri_Arcus, Jirakojpraditcharoenkul, Izusek